定時(shí)器的應(yīng)用及其仿真

1、電子電路設(shè)計(jì)實(shí)踐設(shè)計(jì)題目：定時(shí)器的應(yīng)用及其仿真系別：電氣工程學(xué)院專業(yè):電子信息工程班級(jí)： 2010級(jí)2班 姓名：學(xué)號(hào)： 201050182 指導(dǎo)教師： 時(shí)間：2012年12月15日綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院1設(shè)計(jì)要求該集成運(yùn)放綜合參數(shù)測(cè)試儀是以凌陽公司 SPCE061A單片機(jī)為控制核心，由 檢測(cè)電路、信號(hào)源、自動(dòng)測(cè)試控制電路、鍵盤和LED顯示器等組成。它能對(duì)LM741 及與之引腳兼容的其他集成運(yùn)放（例如卩A741、F007、F741）的基本參數(shù)UIOIIO、AVD KCM!及BW（進(jìn)行測(cè)試和數(shù)字顯示，并具有語音播報(bào)、自動(dòng)打印功能。 利用DDS芯片AD9835產(chǎn)生40kHz4MHz掃頻信號(hào)以及測(cè)試儀中

2、的5Hz信號(hào)。程 序設(shè)計(jì)采用C語言與匯編語言相結(jié)合的方式，在 unSPIDE 1.16.1軟件環(huán)境中編 程實(shí)現(xiàn)。2總體方案設(shè)計(jì)與選擇2.1主控制器的方案選擇方案一：采用89C51單片機(jī)。89C51I/O端口較少，與微型打印機(jī)、信號(hào)源、 鍵盤與顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的接口電路比較復(fù)雜；若需要語音功能，還需增 加專門的語音芯片，外圍電路比較煩瑣。方案二：采用凌陽SPCE061A單片機(jī)。該單片機(jī)內(nèi)置 A/D轉(zhuǎn)換模塊，在32 個(gè)I/O 口中，有8個(gè)端口可以作為模擬量輸入端口 （其中1路為音頻信號(hào)輸入口）， 能滿足對(duì)模擬信號(hào)輸入的要求，簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)；具有兩路DAC 14個(gè)中斷源 等豐富的硬件資源；

3、其集成開發(fā)環(huán)境中還配有語音播放函數(shù)，實(shí)現(xiàn)語音播放功能極為簡(jiǎn)單。另外，該芯片內(nèi)置了在線仿真、編程接口，可方便地實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試。 經(jīng)過比較后采用方案二。2.2 信號(hào)源的方案選擇根據(jù)題目要求，測(cè)試用的信號(hào)源應(yīng)輸出 5Hz、有效值為4V的正弦波信號(hào)， 頻率與電壓誤差絕對(duì)值均小于1%要求掃頻信號(hào)源輸出頻率范圍是 40kHz 4MHz頻率誤差絕對(duì)值小于1%輸出電壓的有效值為2V 0.2V。方案一：利用單片集成的函數(shù)發(fā)生器 MAX03旳產(chǎn)生正弦波、方波、三角波， 通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率。 但采用該芯片，其參數(shù)與外部元件相關(guān)，在 外接電阻、電容等的影響下，產(chǎn)生的頻率信號(hào)穩(wěn)定度差、精度低，且低頻信號(hào)失真較

4、大。由于其采用模擬控制方式，如果要實(shí)現(xiàn)掃頻信號(hào)輸出，不但需要加高精 度D/A轉(zhuǎn)換電路，而且由于頻率變化范圍寬，還需要增加量程切換電路和相應(yīng)控 制電路和軟件；步長(zhǎng)精度難以保證；制作成本較高。方案二：采用直接數(shù)字頻率合成（DDS Direct Digital FrequenSynthesizer ） 技術(shù)。DDS技術(shù)是根據(jù)奈奎斯特（Nyquist ）抽樣定律及數(shù)字處理技術(shù)，把事先 對(duì)模擬周期信號(hào)抽樣得到的一系列數(shù)字信號(hào)存入存儲(chǔ)器中，再通過DAC轉(zhuǎn)換成模 擬信號(hào)來完成頻率合成的。由于DDS采用全數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)頻率合成，直接對(duì)參考 正弦波時(shí)鐘進(jìn)行抽樣和數(shù)字化，然后通過數(shù)字計(jì)算技術(shù)進(jìn)行頻率合成，因此具有模

5、擬頻率合成技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。DDS不僅頻率轉(zhuǎn)換速率快、頻率分辨率高、 相位噪聲低、輸出相位可連續(xù)變化，而且易編程，體積小、功耗低。DDS直接頻率合成器件的諸多優(yōu)點(diǎn)使其逐漸成為未來信號(hào)源發(fā)展方向。方案擬采用DDS專用 集成芯片AD9835它的串行控制方式，使電路簡(jiǎn)單、編程方便；內(nèi)部有一個(gè)32位相位累加器，用于存放頻率控制字，可實(shí)現(xiàn)1Hz的頻率調(diào)節(jié)。綜上所述，采用DDS專用芯片不僅可實(shí)現(xiàn)精密正弦信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且給調(diào)試工作帶來極大的方便，經(jīng)反復(fù)論證，本設(shè)計(jì)采用方案二3集成運(yùn)算放大器簡(jiǎn)易測(cè)試儀的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)框圖如圖1所示。系統(tǒng)以SPCE061為控制核心，外接鍵盤與顯示模 塊、單位增益帶寬測(cè)試

6、電路、運(yùn)放參數(shù)測(cè)試電路、由AD9835勾成的DDS言號(hào)源以及打印機(jī)等。系統(tǒng)硬件連接圖如圖 2。圖1集成運(yùn)放綜合參數(shù)測(cè)試儀的系統(tǒng)框圖圖2系統(tǒng)硬件連接圖3.1電路設(shè)計(jì)1、單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用凌陽公司的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)-SPCE061A精簡(jiǎn)開發(fā)板（61板）。61板上 集成了基本的外圍電路，并引出了必要的一些口例如I/O 口，電源插口等，可以 很方便地和其他模塊連接。LED顯示器采用串行工作方式，8片74HC595型高速COM串/并行輸出芯片 工作在靜態(tài)顯示模式。2、運(yùn)放參數(shù)測(cè)試電路輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流等參數(shù)的測(cè)試原理如圖3所示。圖3運(yùn)放參數(shù)測(cè)試電路原理圖（1）輸入失調(diào)電壓UIO由于運(yùn)放電路參數(shù)的不對(duì)稱

7、，使得兩個(gè)輸入端都接地時(shí)輸出電壓不為零， 稱 之為放大器的失調(diào)。為使輸出電壓回到零點(diǎn)，必須在輸入端加一個(gè)糾偏電壓來補(bǔ) 償這種失調(diào)，這個(gè)糾偏電壓就叫運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)電壓UIO。因此，UIO的定義為使輸出電壓為零時(shí)，在兩個(gè)輸入端之間加的直流補(bǔ)償電壓。 輸入失調(diào)電壓 的測(cè)量原理如圖3所示，此時(shí)應(yīng)將S1、S2閉合，將S3 S4均撥到左邊位置（接 地）。通常Ri值不超過100Q，因此RfRi。這時(shí)若測(cè)得輔助運(yùn)放 A的輸出電 壓為ULO禾I用題目要求的公式即可推算出輸入端的失調(diào)電壓。（2）輸入失調(diào)電流IIOIIO的定義為補(bǔ)償失調(diào)電壓后，使輸出電壓為零時(shí)，流入運(yùn)算放大器兩輸入 端的電流差值。測(cè)試原理仍用

8、圖 3,將S3 S4均撥到左邊位置。測(cè)試分兩步進(jìn) 行：第一步是將S1、S2閉合，測(cè)得輸出電壓為ULO這時(shí)的電路與測(cè)試輸入失 調(diào)電壓完全相同。第二步是將 S1、S2都斷開，此時(shí)運(yùn)放的兩個(gè)輸入端上除失調(diào) 電壓UIO之外，還有輸入電流在電阻上所產(chǎn)生的電壓， 只要測(cè)得輔助運(yùn)放的輸出 電壓為UL1，利用題目要求的公式即可根據(jù)公式計(jì)算出輸入失調(diào)電流值。（3）交流差模開環(huán)電壓增益AVO開環(huán)電壓增益是指放大器在無反饋時(shí)的差模電壓增益，其數(shù)值等于輸出電壓的變化量 Uo與輸入電壓的變化量 UI之比。由于Avo很大，輸入信號(hào)很小， 而且輸入電壓與輸出電壓之間還存在相位差， 很容易引起較大的測(cè)試誤差，因此 在測(cè)試開環(huán)

9、電壓增益時(shí)都采用交流開環(huán)、直流閉環(huán)的方法。測(cè)試原理如圖3所示， 應(yīng)將S3撥到左邊位置，S4撥到右邊位置，將S1、S2均斷開。設(shè)信號(hào)源輸出電 壓為US測(cè)得輔助運(yùn)放輸出電壓為UL0,利用題目要求的公式即可用公式計(jì)算交 流差模開環(huán)電壓增益。（4）交流共模抑制比KCMR共模抑制比（KCMR定義為差模電壓增益AVD與共模電壓增益AVC之比，即KCMR I AVD/AVC。KCMR勺大小不僅與頻率有關(guān)，還與輸入信號(hào)大小和波形有 關(guān)，因此測(cè)量頻率不宜太高，信號(hào)不宜過大。其測(cè)試原理如圖3所示，將S3撥到右邊位置，S4撥到左邊位置，將S1、S2均斷開。設(shè)信號(hào)源輸出電壓為 US測(cè) 得輔助運(yùn)放輸出電壓為ULO,禾U

10、用題目要求的公式即可算出交流共模抑制比。3、DDS信號(hào)源DDS言號(hào)源由相位累加器、余弦存儲(chǔ)器（即余弦 ROM表）、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等 組成，其框圖如圖4所示。參考時(shí)鐘由一個(gè)高穩(wěn)定度的50MHz晶體振蕩器來產(chǎn)生， 用它來同步整個(gè)合成器的各個(gè)組成部分。圖4DDS信號(hào)源的框圖DDS芯片AD9835的典型應(yīng)用電路如圖5所示。單片機(jī)與AD9835串行連接時(shí), 三個(gè)端口（ IOA1I0A3）分別作為時(shí)鐘端、數(shù)據(jù)輸入端和片選端，由單片機(jī)向 AD9835寫入控制字和數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生正弦信號(hào)的目的。3vai圖5AD9835的典型應(yīng)用電路4、單位增益帶寬測(cè)試電路運(yùn)放的單位增益帶寬（BWG是使開環(huán)增益Aod下降到零分

11、貝（亦即Aod= 1, 運(yùn)放失去電壓放大能力）時(shí)的信號(hào)頻率。單位增益帶寬測(cè)試電路由待測(cè)運(yùn)放和電 壓比較器這兩部分電路組成，如圖 6所示。其中VD1 C1、R1與VD2 C2 R2 組成兩個(gè)峰值檢波電路。由DDS產(chǎn)生的正弦信號(hào)UIN經(jīng)過被測(cè)運(yùn)放進(jìn)行放大，形 成信號(hào)UC運(yùn)放的增益是隨信號(hào)的頻率變化而變化的，即輸入信號(hào)的頻率越低， 其增益越高。UIN的頻率較低時(shí)UC的值比UIN高很多，UIN與UC經(jīng)過峰值檢波、 比較器比較之后，使輸出端為低電平。隨著輸入信號(hào)頻率的升高，運(yùn)放的增益逐 漸減小，UC的幅值也隨之減小，當(dāng)Aod下降到零分貝時(shí)，比較器的兩個(gè)輸入信 號(hào)UA= UB比較器就輸出一個(gè)電壓正跳變，經(jīng)

12、過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后在輸出端形成一個(gè)+5V的高電平，送至單片機(jī)，此時(shí)的頻率即為被測(cè)運(yùn)放的單位增益帶寬。由于 集成運(yùn)放的Aod比較大，為便于測(cè)試，應(yīng)當(dāng)給被測(cè)運(yùn)放引入適當(dāng)?shù)呢?fù)反饋。3.2軟件設(shè)計(jì)圖6單位增益帶寬測(cè)試電路測(cè)試說明 4.1 UIO、110、AVD KCM的測(cè)試方法從電路中引出一條模擬信號(hào)輸出線（即輔助運(yùn)放輸出端）與SPCE061的 IOA0 端口相連，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信號(hào)。 具體方法如下：對(duì)輸入的低頻 模擬信號(hào)進(jìn)行1kHz的采樣，每500個(gè)抽樣點(diǎn)為一組，每?jī)蓚€(gè)相鄰抽樣點(diǎn)之間進(jìn) 行信號(hào)跳變處理，取完五百個(gè)抽樣點(diǎn)進(jìn)行比較，取該組中最大值存于數(shù)組中，這 樣連續(xù)取16組，并取數(shù)組中數(shù)據(jù)的

13、平均值。即可得到輔助運(yùn)放輸出端電壓的峰- 峰值。然后利用題目要求中的公式即可計(jì)算出輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電流、交流差模開環(huán)電壓增益、交流共模抑制比等參數(shù)值。4.2 測(cè)試數(shù)據(jù)測(cè)試UIO IIO、AVD KCMR勺數(shù)據(jù)見表1。測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差比較見表 2,這里的標(biāo)準(zhǔn)值是由專用集成運(yùn)放測(cè)試儀測(cè)得的。表1測(cè)試UIO、II0、AVD KCMR勺數(shù)據(jù)次數(shù)測(cè)量值計(jì)算值U L0 /VU LI /VU L0 /VU L0 /VU IO /mVI I0 /nAA VD/dBK CMR /dB10.6232.220.6021420.5231.332106.098.520.6282.310.6141.410.52

14、21.301105.898.630.6242.310.6201.490.5201.322105.798.140.6362.180.6101.480.5231.299105.998.250.6212.140.6181.440.5241.298105.898.4表2測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值的比較測(cè)試芯片測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)值誤差U IO /mV0.5220.513+1.76%I I0 /nA1.3081.298+0.77%A VD /dB105.8104.1+ 1.7 dBK CMR /dB98.499.81.4 dB信號(hào)源的輸出頻率范圍及輸出電壓有效值見表3表3信號(hào)源的輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率/Hz實(shí)測(cè)頻率/Hz誤差/ (%有

15、效值/V10.9990.012.110099.90.12.11k0.994k0.62.010k9.98k0.22.0100k100 k01.81M1M01.94M4M01.8增益帶寬的測(cè)量數(shù)據(jù)見表4。表4增益帶寬的測(cè)量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值/ MHz次數(shù)測(cè)量值/ MHz11.4011.40121.40231.4025 總結(jié)(1) 該集成運(yùn)放參數(shù)測(cè)試儀能對(duì) UIO 110、AVD KCMR四項(xiàng)基本參數(shù)進(jìn) 行準(zhǔn)確測(cè)試。其中UI0的測(cè)試范圍是040mV誤差絕對(duì)值小于2% II0的測(cè) 試范圍是04卩A,誤差絕對(duì)值小于2% AVD的測(cè)試范圍是60120dB,誤差 絕對(duì)值小于3dB。KCMR勺測(cè)試范圍是60120dB,誤差絕對(duì)值小于3dB。(2) DDS言號(hào)源能輸出頻率為5Hz、有效值為4V的正弦信號(hào)，誤差絕對(duì)值滿足小于1%勺設(shè)計(jì)要求。掃描信號(hào)源的頻率輸出范圍是1Hz5MHz頻率誤差小于0.8%。輸出電壓有效值為2V 0.2V。用示波器觀察輸出波形無明顯失 真。(3) 測(cè)量單位增益帶寬的范圍是 100kHz5MHz測(cè)量時(shí)間小于10s，頻率 分辨率