LED顯示的電壓表電路設(shè)計

1、 題 目： LED顯示的電壓表電路設(shè)計 專 業(yè)： 班 級： 成 績： 目 錄摘要一、序言-1二、MCS-51單片機簡介-2三、總體方案設(shè)計-5四、模塊電路設(shè)計與比較-6（一）數(shù)據(jù)采集模塊-6（二）單片機系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊-10（三）顯示模塊-13五、系統(tǒng)實現(xiàn)及理論分析-13（一）數(shù)據(jù)采集部分-13（二）數(shù)據(jù)處理部分-13六、電路調(diào)試-13（一）調(diào)試方法和過程-13（二）測試儀器-14七、發(fā)揮部分-15八、結(jié)論-15九、參考文獻(xiàn)-16附錄1數(shù)字調(diào)制概述-17附錄2程序-22LED顯示的電壓表電路設(shè)計摘 要設(shè)計分三個模塊:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和顯示模塊。數(shù)據(jù)信號采集采用運算放大器0P07構(gòu)成電壓跟隨器

2、對信號進(jìn)行跟隨處理，再由采樣/保持器LF398對信號進(jìn)行采樣/保持。高電平，采樣；低電平，保持。采樣控制信號由集成鎖相環(huán)CD4046對被測信號進(jìn)行64倍頻產(chǎn)生。具體如下：首先，正弦波信號通過過零比較器變成脈沖信號，作為CD4046的輸入。其次，由二進(jìn)制計數(shù)器74LS393構(gòu)成64分頻器。最后，經(jīng)過集成鎖相環(huán)CD4046的內(nèi)部處理，輸出信號的頻率就變成了原來的64倍。數(shù)據(jù)處理以單片機8051為核心，對采集信號進(jìn)行精確控制和嚴(yán)格計算，顯示部分由4線-七段譯碼器/驅(qū)動器7447，NPN型三極管放大器和數(shù)碼管構(gòu)成。關(guān)鍵詞電壓跟隨器 采樣/保持器 A/D轉(zhuǎn)換 鎖相環(huán)電路 LED顯示The circuit

3、 design of Voltmeter displayed by LEDAbstract In this design ,there are three parts: data-gathering part ,data-processing part and display part . Data signal gather is accomplished as follows: first ,the signals are follow-processed by voltage follower, and then sample/hold by sample/hold circuit: h

4、igh voltage level: sample; low voltage level: hold . Sample control signal is produced by the integrated phase-locked loop multiplying the measured signal 64.The details are: firstly, sinusoidal wave becomes pluse signal by zero cross switch circuit, as the input of CD4046, 64 frequency divider is m

5、ade of binary counter 74LS393 .Finally, the frequency of output signal becomes the original signals 64 times, by the inner processed on integrated CD4046.The major part of this system is 8051 single chip microcomputer . It accruately controls the gather signal and caculate the data. The display part

6、 is consisted of decoder-driver 7447, NPN type triode and LED. KeywordsAmple/hold A/D converter PLL CD4046 Display一、 序言當(dāng)代計算機是微電子技術(shù)與計算機數(shù)學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。微電子學(xué)的基本元件極其集成電路構(gòu)成了計算機的硬件基礎(chǔ)；計算機數(shù)學(xué)的計算方法與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)則成為計算機的軟件基礎(chǔ)。從1946年世界上第一代計算機問世到現(xiàn)在，計算機的發(fā)展隨著電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了四代，即電子管、晶體管、集成電路及超大規(guī)模集成電路。然而其結(jié)構(gòu)都是馮.諾依曼結(jié)構(gòu)，即計算機的組成分為五部分：運算器、控制器、存

7、儲器、輸入部分及輸出部分?，F(xiàn)在，大部分微機的運算器和控制器集成在一片大規(guī)模集成電路上，叫做微處理器，也稱為中央處理單元CPU(Central Processing Unit),如286、386機等，也有的機器把存儲器和CPU做在了一起。計算機的發(fā)展隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，并且由于芯片的集成度的提高而使機器微型化，出現(xiàn)了微型計算機(Microcomputer)、單板機（Single Board Computer）、單片機（Single Chip Computer）等機型。單片機，顧名思義，即一個芯片的計算機，在這一個芯片上包括了計算機的五個組成部分：運算器、存儲器、控制器、輸入部分及輸出部分

8、。單片機具有功能強、體積小、成本低、功耗小等特點，使它在工業(yè)控制、只能儀器、節(jié)能技術(shù)改造、通信系統(tǒng)、信號處理及家用電器產(chǎn)品中都得到了廣泛的應(yīng)用。另外，單片機在很大程度上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法，以往采用模擬電路、數(shù)字電路實現(xiàn)的電路系統(tǒng)，大部分功能單元都可以通過對單片機硬件功能擴展及專用程序的開發(fā)，來實現(xiàn)系統(tǒng)提出的要求，這意味著許多電路設(shè)計問題將轉(zhuǎn)化為程序設(shè)計問題。二、 MCS-51單片機簡介 MCS-51是一個單片機系列產(chǎn)品，具有多種芯片型號。具體說，按其內(nèi)部資源配置的不同，MCS-51可分為兩個子系列和4種類型，如下表所示。資源配置子系列片內(nèi)ROM形式片內(nèi)ROM容量片內(nèi)RAM容量定時器/計數(shù)器中

9、斷源無ROMEPROME2PROM51子系列80318051875189514KB128B216552子系列80328052875289528KB256B3166表1 MCS-51系列單片機分類按資源配置數(shù)量，MCS-51系列分為51和52兩個子系列，其中51子系列是基本型，而52子系列則是增強型，以芯片型號的最末位數(shù)字的“1”和“2”作標(biāo)志。52作為增強型子系列，由于資源數(shù)量的增加，使其芯片的功能也有所增強。例如片內(nèi)ROM容量從4KB增加到8KB，片內(nèi)RAM單元數(shù)從128字節(jié)增加到256字節(jié)，定時器/計數(shù)器的數(shù)目從2個增加到3個，中斷源從5個增加到6個等。單片機內(nèi)部程序存儲器(ROM)的配置

10、共有：不含有內(nèi)部程序存儲器（寫為“無”或“ROM less”）、掩模型只讀存儲器（寫為“ROM”或“Mask ROM”）、紫外線擦除可編程只讀存儲器（寫為“EPROM”或“Otp ROM”）、電擦除可編程存儲器（寫為“E2PROM”或“Flash ROM”）4種類型，所對應(yīng)的（51子系列）芯片名稱依次為：80631、8051、8751和8951。到目前為止，盡管計算機科學(xué)和技術(shù)得到了充分的發(fā)展，但計算機的體系結(jié)構(gòu)仍然沒能突破有計算機的開拓者、數(shù)字家約翰.馮.諾曼最先提出來的經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)框架，即一臺計算機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備以及輸出設(shè)備共五個基本部分組成的。微型機是這樣，單片機也

11、不例外。因此我們要從計算機五個基本組成部分的觀點來理解單片機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，所不同的只是單片機是把那些作為控制應(yīng)用所必需的內(nèi)容，包括運算器、控制器、少量的存儲器、最基本的輸入/輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。圖1 MCS-51 單片機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖l MCS-51單片機芯片內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)1.中央處理器（CPU）中央處理器簡稱CPU，是單片機的核心，完成運算和控制操作。按其功能，中央處理器包括運算器和控制器兩部分電路。2.運算器電路運算電路時單片機的運算部件，用于實現(xiàn)算術(shù)和邏輯運算。運算電路以ALU為核心，基本的算術(shù)和邏輯運算均在其中進(jìn)行，包括加、減、乘、除、增量、

12、減量、十進(jìn)制調(diào)整、比較等算術(shù)運算，與、或、異或等邏輯運算，左、右、移位和半字節(jié)交換等操作。運算和操作結(jié)果的狀態(tài)由狀態(tài)寄存器（PSW）保存。3.控制器電路控制電路時單片機的指揮控制部件，保證單片機各部分能自動而協(xié)調(diào)地工作。單片機執(zhí)行指令是在控制電路的控制下進(jìn)行的。首先從程序存儲器中讀出指令，送指令寄存器保存，然后送指令譯碼器進(jìn)行譯碼，譯碼結(jié)果送定時控制邏輯電路，由定時控制邏輯產(chǎn)生各種定時信號和控制信號，再送到系統(tǒng)的各個部件去進(jìn)行相應(yīng)的操作。這就是執(zhí)行一條指令的全過程，執(zhí)行程序就是不斷重復(fù)這一過程。4.內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器包括RAM(128 x8)和RAM地址寄存器等。實際上80C51芯片

13、中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。因此，通常所說的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器是指前128單元，簡稱“內(nèi)部RAM”。5.內(nèi)部程序存儲器內(nèi)部程序存儲器包括ROM(4Kx8)和程序地址寄存器等。80C51共有4KB掩膜ROM，用于存放程序和原始數(shù)據(jù)。因此稱之為程序存儲器，簡稱“內(nèi)部ROM”。6.定時器/計數(shù)器出于控制應(yīng)用的需要，80C51共有兩個16位的定時器/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)功能，并以其定時或計數(shù)結(jié)果對單片機進(jìn)行控制。7.并行I/O口MCS-51共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。8

14、.串行口MCS-51單片機有一個全雙公的串行口，以實現(xiàn)單片機和其它數(shù)據(jù)設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口功能較強，即可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。9.中斷控制系統(tǒng)MCS-51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應(yīng)用需要。80C51共有5個中斷源，即外中斷2個，定時/計數(shù)中斷2個，串行中斷1個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。10.時鐘電路MCS-51芯片的內(nèi)部有時鐘電路，但石英晶體和微調(diào)電容需外接，時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，典型的晶振頻率為12MHZ。11.位處理器單片機主要用于控制，需要有較強的位處理功能，因此位處理器是它的必要組成部分，在一些書中常把位處理

15、器稱為布爾處理器。位處理器以狀態(tài)寄存器中的進(jìn)位標(biāo)志位C為累加器，可進(jìn)行置位、復(fù)位、取反、等于“0”轉(zhuǎn)移、等于“1”轉(zhuǎn)移且清“0”以及C可尋址位之間的傳送、邏輯與、邏輯或等位操作。位處理操作也是通過運算器實現(xiàn)的。必須特別指出，位處理器是單片機的重要內(nèi)容，因為它是單片機實現(xiàn)控制功能的保證。12.總線上述這些部件都是通過總線連接起來，才能構(gòu)成一個完整的單片機系統(tǒng)。總線結(jié)構(gòu)減少了單片機的連線和引腳，提高了集成度和可靠性。從上述內(nèi)容可以看出，雖然MCS-51只是一個芯片，但“麻雀雖小五臟俱全”，作為計算機應(yīng)該具有的基本部件在單片機中幾乎都包括，因此，實際上它已經(jīng)是一個簡單的微型計算機系統(tǒng)了，應(yīng)當(dāng)按計算機

16、系統(tǒng)的概念來理解單片機。信號引腳介紹80C51是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片。.輸入/輸出口線P0.0P0.7 P0口8位雙向口線P1.0P1.7 P1口8位雙向口線P2.0P2.7 P2口8位雙向口線P3.0P3.7 P3口8位雙向口線.ALE 地址鎖存控制信號在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址送入鎖存器鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的分時傳送。此外由于ALE是以六分之一晶振頻率的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。圖2 80C51單片機芯片引腳圖.PSEN/ 外部程序存儲器讀選通信號在讀外部ROM時PSEN/有效（地電平），以實現(xiàn)外部ROM

17、單元的讀操作。. 訪問程序存儲器控制信號當(dāng)信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當(dāng)信號為高電平時，則對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延續(xù)至外部程序存儲器。.RST 復(fù)位信號當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復(fù)位操作。.XTAL1和XTAL2 外接晶體引線端當(dāng)使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。.Vss 地線.Vcc +5V 電源以上就是80C51單片機芯片40條引腳的定義及簡單功能說明。本設(shè)計充分應(yīng)用信號引腳的第二功能和并行通訊功能。三、方案設(shè)計采用89C51單片機

18、來實現(xiàn)。單片機軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。單片機系統(tǒng)可用數(shù)碼管顯示測量值。對于電壓信號采樣用OP07電壓跟隨器和LF398數(shù)據(jù)保持器進(jìn)行預(yù)處。在測量工頻交流電壓信號時，利用鎖相環(huán)對信號倍頻，所得脈沖控制89C51對電壓信號的相位測量。采用以89C51為核心的單片機系統(tǒng)使整體結(jié)構(gòu)簡單，并且可以實現(xiàn)顯示、打印、與微機通信等功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化程度，同時系統(tǒng)所測結(jié)果的精度很高。系統(tǒng)總體框圖如：電壓信號電壓跟隨器保持器A/D轉(zhuǎn)換過零檢測電路鎖相環(huán)倍頻電路單片機80C51顯示板圖3 系統(tǒng)整體框圖四、模塊電路設(shè)計與比較(一) 數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集模塊包括：電壓跟隨電

19、路，信號采樣/保持電路，A/D轉(zhuǎn)換電路。1.電壓跟隨電路：由OP07構(gòu)成，雖然精確度不夠高，但它能提高帶負(fù)載能力，硬件電路簡單，也不需軟件控制，基本上能滿足任務(wù)書上的要求，所以本設(shè)計采用了此方案。電路如圖1所示：輸入信號是05V交流電壓信號，輸出信號不變。 f(t) f(t) t t 圖4 電壓跟隨電路2.信號采樣/保持電路采用保持器LF398對電壓信號進(jìn)行采樣/保持。在單片機P2.5口的控制下，高電平，采樣；低電平，保持。輸入的正弦波信號經(jīng)LF398后變?yōu)槌闃有盘?。電路如圖2所示： 圖5 信號采樣/保持電路l 芯片介紹LF398是一種高性能單片采樣/保持器。它具有很高的直流精度、很快的采樣時

20、間和低的下降速度。器件的動態(tài)性能和保持性能可通過合適的外接保持電容達(dá)到最佳。例如選擇1000PF的保持電容，具有6us的采樣時間，可達(dá)到12bit的精度。LF398的價格低廉。電源電壓可從518V任意選擇，其性能幾乎無影響。采樣/保持的邏輯控制可與TTL或CMOS電平接口。它可廣泛地應(yīng)用于高速A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和要求同步采樣的領(lǐng)域。該器件外形采用8腳DIP封裝結(jié)構(gòu)。性能特點：A.具有12bit吞吐精度；B.采樣時間：小于10us;C.寬帶噪聲：小于20uV;D.可靠的整體結(jié)構(gòu)；E.輸入阻抗：大于1010；F.TTL和CMOS邏輯接口。主要參數(shù)a. 輸入偏流：小于50nA;b.增益：1

21、；c.輸入失調(diào)：小于7mV;d.輸出阻抗：小于0.5；e.電源電壓:518V;f.電源電流：4.56.5mA。b. 內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳說明內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖6 LF398內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)LF398內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖3，N1是輸入緩沖放大器，N2是高輸入阻抗射極輸出器。邏輯控制采樣/保持開關(guān)：當(dāng)開關(guān)S接通時，開始采樣，當(dāng)開關(guān)斷開時，進(jìn)行保持。引腳說明引腳功能為：1、4腳：V、V，正、負(fù)電源輸入端，應(yīng)與地之間接入0.1uF電容；2腳：OFAD，失調(diào)電壓調(diào)整端；3腳：Vi，模擬電壓輸入端；5腳：OUT，采樣/保持輸出端；6腳：HOC，采樣/保持電容接入端；7腳：MREF，邏輯控制電平參考端，一般接地；8腳：MCTR

22、，邏輯控制輸入端，高電平為采樣，低電平為保持?；窘臃ㄅc應(yīng)用下圖4是LF398的基本連接圖。失調(diào)電壓的調(diào)整是通過與V的分壓并調(diào)整1K電位器實現(xiàn)的。保持電容CH應(yīng)選用3001000PF的高性能低漏電云母電容器?？刂七壿嬙诟唠娖綍r為采樣，在低電平時為保持。本設(shè)計采用此種連接方法。電路如圖4所示：圖7 LF398的基本接法1. A/D轉(zhuǎn)換電路利用ADC0809完成A/D轉(zhuǎn)換功能。輸入的是LF398輸出的抽樣信號，經(jīng)過ADC0809內(nèi)部的量化編碼，以數(shù)字信號的形式輸出。數(shù)字信號的產(chǎn)生過程如下：假設(shè)輸入的模擬信號是 V因為ADC0809是8位輸出，所以將最高點的抽樣信號5V平均分成28份，畫出256個階

23、梯波。最低點用二進(jìn)制代碼0000，00000表示，最高點用1111，1111表示。換句話說，就是將1111，1111平均分成256份，這樣每一個階梯波對應(yīng)一個二進(jìn)制代碼，如圖5所示：（1111，1111）5V . 256 . . . . （0000，0000）0圖8 模擬信號的量化編碼用表示 V模擬量在圖中對應(yīng)的點。在圖中標(biāo)出點，若恰好落在階梯波上，則這個階梯波的編碼就是V電壓的編碼；若落在兩個階梯波之間，則取它下方最近階梯波的編碼近似作為V電壓的編碼。根據(jù)求出的二進(jìn)制編碼，即可畫出脈沖編碼波形-數(shù)字信號。本設(shè)計中ADC0809與8051單片機的接口方案如圖6所示ALEP0.7P0.0WR/P

24、2.7RD/INT1/CLK REFREFD7D0 C IN7B .A .START IN0ALE OEEOCD Q/CK Q+ 8051 AD0809(+)(-)Ui圖9 ADC0809與8051單片機的接口由于ADC0809片內(nèi)無時鐘產(chǎn)生電路，可利用8051提供的地址鎖存允許信號ALE經(jīng)D觸發(fā)器二分頻后獲得。ADC0809具有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出，其8位數(shù)據(jù)線直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼線A、B、C共同接地，只選通IN0通路。將P2.7作為片選信號，在啟動A/D轉(zhuǎn)換時，由單片機的寫信號WR/和P27控制ADC0809的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。由于AIE和START連接在一起，因此ADC0809在

25、鎖存通道地址的同時，啟動并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。再讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用彈片機的讀信號RD/和P27給一級或非門形成的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。由原理圖可知，P27與ADC0809的ALE、START和OE之間有如下關(guān)系：可見，P2.7應(yīng)設(shè)置為低電平。由硬件線路分析可知：在編寫軟件時應(yīng)令P2.7=A15=0;給出被選擇的模擬通道地址；執(zhí)行一條輸出指令，啟動A/D轉(zhuǎn)換。執(zhí)行一條輸入指令，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。下圖7是ADC0809的工作時序圖。圖10 ADC0809的工作時序圖。l 芯片介紹ADC0809在同一芯片上設(shè)計了一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器和8通道模擬采樣開關(guān)，因此可以直接輸入8個單端的模擬

26、信號，由于本設(shè)計只采樣一路模擬信號，我選用IN0通道，所以令其它7路通道懸空。該器件的主要性能如下a.采用單+5V電源逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換，工作時鐘典型值為640KHZ，轉(zhuǎn)換時間約為100us。b.分辨率為8位二進(jìn)制碼，總失調(diào)誤差為+/-1 LSB。c.模擬量的輸入電平范圍為05V，不需要零點和滿度調(diào)節(jié)。d.具有8通道閥鎖開關(guān)控制，可以直接接入8個單端模擬量。e.數(shù)字量輸出采用三態(tài)邏輯，輸出符合TTL電平。f.容易與各種微機處理器連接，也可以獨立工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳說明1.內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括多路模擬開關(guān)和A/D轉(zhuǎn)換器兩大部份。（1）多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)：ADC0809器件內(nèi)

27、8個標(biāo)準(zhǔn)模擬開關(guān)的輸入通過引線IN0-IN7.多路開關(guān)的狀態(tài)地址譯碼器控制，用來指定采樣的輸入通道。ALE是地址鎖村信號，在ALE的上升沿A、B、C三個地址信號被鎖入地址鎖存器。地址信號所選擇的通道見下表(2)A/D轉(zhuǎn)換器：ADC0809采用逐次逼近轉(zhuǎn)換法。該轉(zhuǎn)換器包括比較器、逐次逼近寄存器（SAR）、開關(guān)樹、256R網(wǎng)絡(luò)和控制邏輯等部件。其中開關(guān)樹是一個接受逐次逼近寄存器控制的開關(guān)陣，開關(guān)樹中各開關(guān)狀態(tài)通過接通或斷開256R網(wǎng)絡(luò)中的某些支路，從標(biāo)準(zhǔn)參考電壓逐次得到對應(yīng)的推測值，送往比較器的輸入端與輸入模擬量進(jìn)行比較。三態(tài)輸出鎖存器用來鎖存轉(zhuǎn)換的結(jié)果。2.引腳說明 ADC0809為28腳雙列直

28、插式封裝。1-5端：IN3-IN7,模擬通道輸入端第3到第7路。6端：START，啟動信號輸入線，正脈沖信號。該信號的上升沿使逐次逼近寄存器復(fù)位，從下降沿開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。如果正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時接到新的啟動信號，則原來的轉(zhuǎn)換進(jìn)程被中止。本設(shè)計利用單片機的WR/,RD/, P27腳和74LS02進(jìn)行邏輯耦合給START提供脈沖。7端：EOC，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出線。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時EOC變?yōu)楦唠娖剑⑥D(zhuǎn)換結(jié)果送入三態(tài)輸出鎖存器。EOC可以作為A/D轉(zhuǎn)換的狀態(tài)信號，也可以作為對CPU的中斷請求信號。ADDC ADDB ADDA選擇的模擬通道0 0 0IN00 0 1IN10 1 0IN20 1 1

29、 IN31 0 0IN41 0 1IN51 1 0IN61 1 1IN7在需要對某個量進(jìn)行連續(xù)采樣、轉(zhuǎn)換的情況下，EOC也可以作為啟動信號接到START端，但在剛加電時需要由外界電路啟動一下。本設(shè)計利用它作為對CPU的中斷請求信號。9端：OE，輸出允許控制，輸入。當(dāng)OE=1時，三態(tài)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)被送上數(shù)據(jù)總線。該引線也可以接收來自CPU的讀信號，使數(shù)據(jù)輸入CPU。12端：REF+,參考電壓的正端，一般接+5V。16端：REF-,參考電壓的負(fù)端。在一般情況下，參考電壓REF+與Vcc相連，REF-與GND相連。如表2 地址信號所選擇的通道果需要高精度的參考電壓，或者提高轉(zhuǎn)換器靈敏度（輸入模擬

30、電壓的范圍小于5V）時，參考電壓可以與Vcc隔離，并外加可調(diào)的高精度穩(wěn)壓電路。22端：ALE，地址信號鎖存端。當(dāng)?shù)刂反a輸入穩(wěn)定后，ALE的上升沿將地址鎖入寄存器。23、24、25端：ADDC、ADDB、ADDA,地址碼輸入端。由于本設(shè)計選用了模擬通道IN0，ADDC、ADDB、ADDA分別對應(yīng)為 0、0、0，所以令23、24、25端共同接地。26-28端：IN0-IN2,模擬通道輸入端第0到第2路。17、14、15、8、18、19、20、21端：D0-D7,A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出端。本電路令其與單片機的P0口相連。11端：Vcc,正電源輸入端，一般接+5V。13端：GND，接地端。10端：CLOC

31、K,時鐘輸入端，一般接入640KHZ時鐘。（二）單片機系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理模塊包括：過零檢測電路，鎖相環(huán)倍頻電路，數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換電路。1. 過零檢測電路由TL082構(gòu)成同相檢零器，如圖8所示。當(dāng)輸入信號高于0 V時，輸出高電平；當(dāng)輸入信號低于0V時，輸出低電平。作用：給CD4046提供方波信號。 圖11 過零檢測電路2.鎖相環(huán)倍頻電路 為了保證信號采樣的精度,要對信號進(jìn)行等時間間隔采樣。其間隔時間就是采樣周期。從理論和理想情況來看，如認(rèn)為信號頻率是固定不變的，則采樣周期也固定不變，但實際系統(tǒng)中，工頻信號頻率經(jīng)常會發(fā)生變動，假設(shè)信號頻率減小時，如仍以原頻率時的理論采樣間隔對信號采樣，會造成信號的一圖12

32、頻率變化時的采樣個周期中前一段是以理論間隔被采樣（以采64個點為例），如果采滿了64個點，造成信號后一部分沒有被采到，如圖所示。而當(dāng)信號頻率增大時，則一個周期采不到64個點，如圖9所示。所以頻率變化會引起采樣失真，從而影響測量的精度。在實際中，必須保持采樣間隔隨信號頻率的波動而發(fā)生相應(yīng)的變化，即把一個周期等時間間隔采樣變?yōu)榈认辔徊蓸印７桨敢唬哼x用單片機外部芯片、8253來實現(xiàn)倍頻，把信號一個周期分成相等的64份，從而實現(xiàn)了一個周期的等相位64點采樣。假設(shè)信號頻率為f先用8253對信號進(jìn)行測量，設(shè)測得的周期為T1，則采樣周期為T2=T1/64,每隔一個采樣周期，單片機給ADC0809發(fā)出脈沖，啟

33、動ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這種方法可以實現(xiàn)倍頻，但單片機的指令會頻繁啟動8253進(jìn)行測頻、倍頻、計數(shù)。這樣的過程會損失單片機的一些工作時間，經(jīng)計算約有200us，使得轉(zhuǎn)換所需時間加長，系統(tǒng)工作繁忙，測量精度難以進(jìn)一步提高。方案二：采用鎖相環(huán)電路直接實現(xiàn)。用鎖相環(huán)把信號的頻率通過計數(shù)器進(jìn)行64倍頻，從而在需采集信號的一個周期中產(chǎn)生64個脈沖，利用此脈沖信號作為單片機的外部中斷信號，快速啟動ADC0809進(jìn)行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集。這種方案實施簡單，而且可靠性高，簡化了軟件的設(shè)計。本設(shè)計采用了此種方案。電路如圖10所示：圖13 鎖相環(huán)倍頻電路74LS393作64分頻器，其工作原理如下：CD4046

34、的邏輯框圖如圖11所示。圖14 CD4046的邏輯框圖主要包括相位比較器I和II、壓控振蕩器VCO、線性放大及整形電路A1,令需外接阻容元件構(gòu)成低通濾波器?，F(xiàn)對基本工作過程作一簡介。輸入信號Vi從14腳輸入后，經(jīng)過A1進(jìn)行放大和整形，加至相位比較器I和II的輸入端。圖中將開關(guān)S撥到第2腳，相位比較器I就把從第3腳輸入的比較信號與輸入信號Vi進(jìn)行相位比較，由第2腳輸出的誤差電壓V即反映出二者的相位差。V經(jīng)過由R3、R4、C2組成的低通濾波器濾除高頻之后，就得到控制電壓Vd,加至VCO的輸入端來調(diào)整其震蕩頻率，使f2迅速逼近于Nf1。VCO的輸出在經(jīng)除法器進(jìn)行N分頻后，送至相位比較器I，繼續(xù)與Vi

35、進(jìn)行相位比較，最后使f2=f1 ，二者的相位差為一恒定值，實現(xiàn)了鎖相。需要指出，由f2=f2/N=f1, 很容易推導(dǎo)出f2=Nf1。這表明，盡管從局部上看使用出發(fā)器完成的是N分頻，但就鎖相環(huán)整體而言則實現(xiàn)了N被頻。因此，利用鎖相環(huán)可以構(gòu)成N被頻器，N是除法器的分頻系數(shù)。在本設(shè)計中N=64,則。即從CD4046的4腳輸出的信號頻率是14腳輸入信號頻率的64倍。l 芯片介紹CD4046時目前國內(nèi)外最常見的集成鎖相環(huán)，其同類產(chǎn)品為MC14046、CC4046,均屬于CMOS集成電路。 CD4046的管腳功能CD4046采用DIP-16封裝，各管腳功能如下：Phi1為輸入信號端，PhI2為比較信號輸入

36、端。PhO1是相位比較器I的輸出端，PhO2是相位比較器II輸出端。PhO3為相位輸出端，當(dāng)環(huán)路入鎖時呈高電平，環(huán)路失鎖時為低電平，此端通過晶體管后去驅(qū)動發(fā)光二極管，可構(gòu)成入鎖狀態(tài)指示電路，入鎖時燈亮。VCOI、VCOO分別為壓控振蕩器的控制端、輸出端。INH為禁止端，接高電平時禁止壓控振蕩器工作。DEMO是解調(diào)輸出端，用于FM解調(diào)。Z為內(nèi)部獨立的齊納穩(wěn)壓館的負(fù)端，其穩(wěn)定電壓Vz=5V，在與TTL匹配時可作輔助電源。3.數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計采用ADC0809和片外6264RAM與單片機一起構(gòu)成數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換電路。（三）顯示模塊由譯碼器/驅(qū)動器7447，NPN型三極管和四位共陽極數(shù)碼管構(gòu)成。三極

37、管的發(fā)射極作數(shù)碼管的片選信號。高電平選通；7447的輸出作數(shù)碼管的段選信號，低電平點亮。顯示值為有效值。五、系統(tǒng)實現(xiàn)及理論分析（一）數(shù)據(jù)采集部分電壓信號的放大電路：由于電壓信號有效值為05V，最大峰-峰值為7.07V，超過了ADC0809的量程，因而在數(shù)據(jù)保持器LF398的輸出加兩個穩(wěn)壓二極管，能夠避免電壓發(fā)生異常時對ADC0809造成損害，從而保證了ADC0809的正常工作。（二） 數(shù)據(jù)處理部分1. 交流電壓有效值的計算分析 對交流工頻信號的采集，一般是以其有效值進(jìn)行計量，其計算公式為 其中T為信號周期令, ,則由于在計算機采集系統(tǒng)中和都是一些離散點的數(shù)值，故采用數(shù)值積分的方法，將函數(shù)分解為

38、離散值之和，即其中余項 上式中，為采樣間隔；,為每周期采樣點數(shù)。理論上電壓為正弦信號，但當(dāng)電壓發(fā)生波動時，以三次諧波影響最大，因此可以認(rèn)為電壓波形為基波和三次諧波之和，即設(shè)在最嚴(yán)重情況，令,則,AD0809采用5V滿量程，因此可認(rèn)為U=5V，則EN=2.310-5V,因此在每周期采集64點時，其余項部分為23uV,遠(yuǎn)小于AD0809的最低分辨率2.4mV,采集精度完全滿足要求。2. 軟件設(shè)計及軟件流程圖軟件完成各部分的控制和協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)采集部分P2.5口控制采樣保持器，P2.5口置“0”，采樣保持器關(guān)閉；置“1”采樣保持器打開。INT1接收鎖相環(huán)倍頻電路的輸出信號。六、電路調(diào)試（一）調(diào)試方法和過

39、程采用先分別調(diào)試各單元模塊，調(diào)通后再進(jìn)行整機調(diào)試的方法，提高調(diào)試的效率。 中斷0開LF398采集A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)累加第64次？求平均值數(shù)據(jù)處理顯示結(jié)束關(guān)LF398啟動A/D轉(zhuǎn)換中斷1 N Y圖15軟件流程圖1.據(jù)采集模塊的調(diào)試 將OP07的輸入與函數(shù)信號發(fā)生器輸出相聯(lián)，用萬用表測試輸入、輸出電壓，再調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出，用萬用表測試輸入、輸出電壓是否正確；數(shù)據(jù)保持器LF398的管腳8則用單片機的P2.5口來控制，并用示波器觀察波形。調(diào)試結(jié)果顯示，模塊可以正常工作。2.信號頻率倍增模塊調(diào)試 將函數(shù)信號發(fā)生器的輸出與鎖相環(huán)倍頻電路的輸入相聯(lián)，調(diào)節(jié)函數(shù)信號發(fā)生器的輸出頻率，用示波器觀察鎖相環(huán)

40、倍頻電路的輸出頻率。經(jīng)檢驗，鎖相環(huán)能夠正常工作。3.A/D轉(zhuǎn)換模塊調(diào)試 因系統(tǒng)軟件較大，不適合用來調(diào)試A/D轉(zhuǎn)換模塊，故編制了一簡單程序進(jìn)行測試，并用示波器監(jiān)視幾個控制信號（如片選、啟動）是否正確。通過這種方法使A/D轉(zhuǎn)換電路很快便能正常工作。4.顯示模塊調(diào)試 將顯示模塊與仿真機相聯(lián)，編制一簡單程序進(jìn)行調(diào)試，并觀察顯示數(shù)碼管的變化是否正確。通過這種方法可以看出顯示模塊能夠正常工作。各單元均調(diào)通后，進(jìn)行整機調(diào)試，其過程如下：將調(diào)好的各模塊連接在一起，用函數(shù)信號發(fā)生器模擬交流電壓輸入，先用仿真機代替80C51單片機進(jìn)行模擬調(diào)試，對每一芯片的片選、啟動進(jìn)行檢測，并對數(shù)據(jù)線和地址線也進(jìn)行檢測。調(diào)試成功

41、后再將程序?qū)懙絾纹瑱C中進(jìn)行調(diào)試。由于本人能力有限，程序編寫有錯誤，故整個系統(tǒng)不能夠正常工作。（二）測試儀器PC機，32M內(nèi)存 雙路穩(wěn)壓電源 仿真機 示波器 數(shù)字萬用表 函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器七、發(fā)揮部分若再采集一路電流信號，在保持器與A/D轉(zhuǎn)換器之間加一個模擬開關(guān)，再加一個鍵盤控制，數(shù)碼管顯示由四位增為六位，便可完成電流信號的測量，通過對電壓測量值和電流測量值的計算，可以間接測量有功功率，無功功率和功率因數(shù)。八、結(jié)論本系統(tǒng)以80C51為核心部件，利用軟件編程，實現(xiàn)了對交流電壓值的測量。盡量做到線路簡單，減小電磁干擾，充分利用軟件編程，彌補元器件的精度不足。由于水平有限，我們認(rèn)為系統(tǒng)還有需要改進(jìn)

42、的地方。例如，采用高精度的元器件，測量算法進(jìn)一步完善等。參 考 文 獻(xiàn)1 楊振江， 蔡德芳.新型集成電路使用指南與典型應(yīng)用M 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社 1998年 10月2 楊振江A/D、D/A轉(zhuǎn)換器接口技術(shù)與實用線路M 西安： 西安電子科技大學(xué)出版社 1996年3 沙占友等新編實用數(shù)字化測量技術(shù) M 北京： 國防工業(yè)出版社 1998年 1月4 李廣弟， 朱月秀， 王秀山.單片機基礎(chǔ)M 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2001年 7月5 吳金戌，沈慶陽，郭庭吉.8051單片機實踐與應(yīng)用M 北京：清華大學(xué)出版社 2001年6 沈保鎖，候春萍.現(xiàn)代通信原理 M 天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社 200

43、0年 1月附錄1數(shù)字調(diào)制概述 現(xiàn)代移動通信系統(tǒng)都使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)。超大規(guī)模集成電路（VLSI）和數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)的發(fā)展使數(shù)字調(diào)制比模擬的傳輸系統(tǒng)更有效。數(shù)字調(diào)制比模擬調(diào)制有許多優(yōu)點，其中包括更好的抗噪聲性能，更強的抗信道損耗，更容易復(fù)用各種不同形式的信息（如聲音，數(shù)據(jù)和視頻圖像等）和更好的安全性等。除此之外，數(shù)字傳輸系統(tǒng)適應(yīng)于可以檢查和（或）糾正傳輸差錯的數(shù)字差錯控制編碼，并支持復(fù)雜的信號條件和處理技術(shù)，像信源編碼，加密技術(shù)和為提高整個通信鏈路性能的均衡技術(shù)。新的多用途可編程數(shù)字信號處理器使得數(shù)字調(diào)制器和解調(diào)器完全用軟件來實現(xiàn)成為可能。不同于以前硬件永久固定、面向特定調(diào)制器的設(shè)計方案

44、，嵌入式的軟件實現(xiàn)方法可以在不重新設(shè)計或替換調(diào)制解調(diào)器的情況下改變和提高其性能。 在數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，調(diào)制信號（如信息）可表示為符號或脈沖的時間序列，其中每個符號可以有種有限的狀態(tài)。每個符號代表比特的信息，比特/符號。許多數(shù)字調(diào)制方案都應(yīng)用于現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，還有更多的方案將會加入進(jìn)來。這些技術(shù)當(dāng)中有些差別很小，每一種都屬于一族相關(guān)的調(diào)制方法。例如，相移鍵控（PSK）既可以相干解調(diào)也可以差分解調(diào)，并且每個符號可以有2種、4種、8種或更多的取值（如n=1、2、3或更多比特），這取決于信息在單個符號上以何種方式傳輸。5.41影響選擇數(shù)字調(diào)制方式的因素 有幾個因素會影響數(shù)字調(diào)制方案的選擇。一個令

45、人滿意的調(diào)制方案要能在低接收信噪比的條件下提供小的誤比特率，對抗多徑和衰落情況性能良好，占用最小的帶寬，并且容易實現(xiàn)，價格低廉?，F(xiàn)有的調(diào)制方案不能同時滿足以上所有的要求，有的誤比特率性能好，有的帶寬利用率高。對于不同應(yīng)用的要求，需要在選擇數(shù)字調(diào)制方案時進(jìn)行折衷。 調(diào)制方案的性能常用它的功率效率和帶寬效率來衡量。功率效率描述了在低功率情況下一種調(diào)制技術(shù)保持?jǐn)?shù)字信息信號正確傳送的能力。在數(shù)字通信系統(tǒng)中，為提供抗噪聲性能，有必要提高信號的功率。然而，為得到特定水平的保真度（也就是可接受的誤比特率）所需要提高信號功率的數(shù)值，取決于使用的調(diào)制方法。一種數(shù)字調(diào)制方案的功率效率（有時叫做能量效率）是由它怎樣

46、有利于信號保真度和功率之間的折衷來衡量的，通常表示為在接收機輸入端特定的誤碼概率下（如10-5），每比特信號能量和噪聲功率普密度的比值(Eb/N0)。 帶寬效率描述了調(diào)制方案在有限的帶寬內(nèi)容納數(shù)據(jù)的能力。一般來說，提高數(shù)據(jù)率意味著減少每個數(shù)字符號的脈沖寬度。這樣，數(shù)據(jù)率和占用帶寬之間就有不可避免的聯(lián)系。有些調(diào)制方案在這兩者之間的折衷上，性能優(yōu)于其他的方案。帶寬效率反映了對分配的帶寬是如何有效利用的，它定義為在給定帶寬內(nèi)每赫茲數(shù)據(jù)率吞吐量的值。如果R是每秒數(shù)據(jù)率，單位是比特，B是已調(diào)RF信號占用的帶寬，則帶寬效率表示為：如果一種調(diào)制的值大，則在分配的帶寬內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)更多，所以數(shù)字移動系統(tǒng)的系統(tǒng)容

47、量與調(diào)制方案的帶寬效率有直接的聯(lián)系。 帶寬效率有一個基本的上限。香農(nóng)（Shannon）的信道編碼理論指出，在一個任意小的錯誤概率下，最大的帶寬效率受限于信道內(nèi)的噪聲，下式是信道容量公式Sha48：其中，C是信道容量（單位），B是RF帶寬，S/N是信噪比。 在數(shù)字通信系統(tǒng)的設(shè)計中，經(jīng)常需要在帶寬效率和功率效率之間折衷。例如，對信息信號增加差錯控制編碼，提高了占用帶寬(這樣就降低了帶寬效率)，但同時對于給定的誤比特率所必需的接收功率降低了，于是以帶寬效率換取了功率效率。另一方面，更多進(jìn)制的調(diào)制方案（多進(jìn)制鍵控）降低了占用帶寬，但是增加了所必需的接收功率，于是以功率效率換取了帶寬效率。 雖然對功率和

48、帶寬的考慮非常重要，其他的因素同樣會影響對數(shù)字調(diào)制方案的選擇。例如，對于服務(wù)于大用戶群的個人通信系統(tǒng)，用戶端接收機的費用和復(fù)雜度必須降到最小，這樣檢波簡單的調(diào)制方式就最有吸引力。在各種不同的信道損耗下，像Rayleigh 和Rician衰落及多徑時間擴散，對于解調(diào)器的實現(xiàn)、調(diào)制方案的性能是另一個選擇調(diào)制方案的關(guān)鍵因素。在干擾為主要問題的蜂窩系統(tǒng)中，調(diào)制方案在干擾環(huán)境中的性能就顯得極為重要。對時變信道造成的延時抖動的檢測靈敏度，也是在選擇調(diào)制方案時要考慮的重要因素。一般說來，調(diào)制，干擾，信道時變效果和解調(diào)器詳細(xì)的性能，都要通過仿真法來對整個系統(tǒng)進(jìn)行分析，從而決定相關(guān)的性能和最終的選擇。數(shù)字信號的

49、帶寬和功率普密度 信號帶寬的定義是隨上下文的不同而變化的，實際上并沒有一個適用于所有情況的定義Amo80。然而所有的定義都是基于信號功率普密度(PSD)的某種度量.隨機信號的功率普密度的定義如下Cou93:其中，上劃線表示總體平均，是的傅里葉變換， 是信號的截短式，定義為： 已調(diào)（帶通）信號的功率普密度與基帶復(fù)包絡(luò)信號的功率普密度有關(guān)。如果一個基帶信號如下所示：其中是基帶信號的復(fù)包絡(luò)，則帶通信號的PSD如下：其中是 的PSD。 信號的絕對帶寬定義為信號的非零值功率譜在頻率上占的范圍。像基帶矩形脈沖信號，其PSD外形為,在頻率上無限延伸，它的絕對帶寬就為無限值。更為簡單和廣泛使用的帶寬度量是零點-零點帶寬。零點-零點帶寬等于頻譜主瓣寬度