高精度AD轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)C題

1、題目：高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)（C題）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)

2、設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分或全部容。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)

3、部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目 錄高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)3Design of the High-resolution A/D Convertor Circuit31 系統(tǒng)設(shè)計(jì)41.1 設(shè)計(jì)要求41.2 方案比較與論證41.2.1 總體方案論證41.2.2 系統(tǒng)電源模塊方案論證71.2.3 模擬信號(hào)采集與處理模塊方案論證91.2.4 AD轉(zhuǎn)換模塊方案論證101

4、.2.5 數(shù)字信號(hào)處理與輸出模塊方案論證131.2.6 單片機(jī)控制接口部分設(shè)計(jì)方案論證131.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)151.3.1 總體設(shè)計(jì)思路151.3.2 設(shè)計(jì)方案選擇162 硬件電路設(shè)計(jì)172.1 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源172.2 精密基準(zhǔn)電壓源172.3 模擬可調(diào)電壓源182.4 信號(hào)調(diào)理與采樣保持電路202.5 積分與比較電路212.6 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路222.7 計(jì)數(shù)器與輸出接口電路222.8 定時(shí)器模塊232.9 單片機(jī)最小系統(tǒng)與應(yīng)用電路252.10 鍵盤模塊262.11 顯示模塊273 軟件設(shè)計(jì)273.1軟件總體設(shè)計(jì)思路273.2 中斷服務(wù)程序283.3 動(dòng)態(tài)顯示子程序293.4 連續(xù)轉(zhuǎn)

5、換1s子程序303.5 連續(xù)顯示子程序313.6 頻率顯示子程序324 系統(tǒng)分析與理論計(jì)算334.1 系統(tǒng)工作原理334.1.1 系統(tǒng)初始化334.1.2 AD轉(zhuǎn)換過程334.1.3 測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示與控制344.2 系統(tǒng)誤差分析354.2.1 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因354.2.2 系統(tǒng)誤差的計(jì)算365 系統(tǒng)測(cè)試375.1測(cè)設(shè)環(huán)境與條件375.2 測(cè)試容385.3 測(cè)試結(jié)果396 總結(jié)39高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)摘要：該高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路采用雙積分型轉(zhuǎn)換技術(shù)，經(jīng)采樣保持，積分與比較電路完成電壓-時(shí)間轉(zhuǎn)換，使用計(jì)數(shù)器，定時(shí)器控制轉(zhuǎn)換過程，最終由計(jì)數(shù)器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。凌陽16位單片機(jī)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行

6、處理，存儲(chǔ)與顯示。模擬電壓輸入信號(hào)由自制0100mv連續(xù)可調(diào)電壓源產(chǎn)生。通過光電耦合器實(shí)現(xiàn)了測(cè)量顯示部分與AD轉(zhuǎn)換電路的電氣隔離。語音。該A/D轉(zhuǎn)換電路具有轉(zhuǎn)換精度高，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：A/D轉(zhuǎn)換，雙積分，電氣隔離，LCD顯示Design of the High-resolution A/D Convertor CircuitAbstract：The high-resolution A/D convertor circuit applies the double integraltransformation technology, maintaining the converting r

7、esults after the sampling and holding, voltage integraland comparatoring process, from the voltage - time reversal results;and then outputs thetransformation result by the counter. The single-chip microcomputer controller SPCE061Acan carry on processing to the outputsignal, the memory and the displa

8、y. The analog inputsignal will be produced by the self-made 0100mv continual variable voltagesource. The survey demonstration part and the AD converting circuit electrical is isolated through the photoelectricitycoupler. This A/D converting circuit has thecharacteristicsof high transformation precis

9、ion, simple control propertis and so on.Key words：A/D convert, double integral, electic isolation, LCDdisplay 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓的測(cè)量和顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。圖 1 高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路功能框圖基本要求如下：1 采用普通元器件（不允許使用任何專用A/D芯片）設(shè)計(jì)一個(gè)具有15位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換速度不低于10次/S，線性誤差小于1%；2 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有測(cè)量和顯示功能的儀器或裝置，將該A/D轉(zhuǎn)換電路的結(jié)果顯示

10、出來，有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，顯示器可采用LED或LCD；3 要求有一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后的輸出信號(hào)；4 自行設(shè)計(jì)一個(gè)可以從0100mV連續(xù)調(diào)節(jié)的模擬電壓信號(hào)作為該系統(tǒng)的被測(cè)信號(hào)源，以便對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率進(jìn)行測(cè)試。例如輸入100mV電壓時(shí)顯示器顯示值不低于32767。發(fā)揮部分要求如下：1 分辨率為16位，線性誤差小于0.5%；2 轉(zhuǎn)換速度不低于20次/s；3 將A/D轉(zhuǎn)換電路與測(cè)量顯示部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離；4 實(shí)現(xiàn)其他功能。1.2 方案比較與論證1.2.1 總體方案論證方案一：采用逐次漸進(jìn)型模數(shù)轉(zhuǎn)換方案。該方案屬于反饋比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過DA轉(zhuǎn)換器輸出值與輸入模擬信號(hào)有次序地進(jìn)行比較，從而確定輸出數(shù)

11、字信號(hào)的各個(gè)位的值。其原理框圖如2所示。啟動(dòng)轉(zhuǎn)換后，控制邏輯電路首先把逐次比較寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后得到的電壓值送入比較器中與輸入模擬信號(hào)Ui進(jìn)行比較。比較的結(jié)果輸出到SAR，并在下一次比較前對(duì)最高位進(jìn)行修正。接著，在時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，SAR中次高位置1，SAR中的容經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電壓值再次送入比較器中與Ui進(jìn)行比較，并在下一次比較前對(duì)次高位進(jìn)行修正。這樣SAR中的各位從高到低不斷置1，不斷的送入DA轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并把轉(zhuǎn)換后值不斷送入比較器中與Ui進(jìn)行比較，通過比較器的輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)該位的修正。當(dāng)完成SAR中最低位的修正后，AD轉(zhuǎn)換完成，這時(shí)

12、SAR中的值即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。圖 2 逐次漸進(jìn)型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理逐次漸進(jìn)型模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度取決于D/A轉(zhuǎn)換器和SAR的位數(shù)，位數(shù)越高，精度越好，但轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間也相應(yīng)遞增，N位轉(zhuǎn)換需要N個(gè)時(shí)鐘周期。該方案轉(zhuǎn)換速度較高，轉(zhuǎn)換時(shí)間約為幾十微秒，最大轉(zhuǎn)換位數(shù)可達(dá)18位；同時(shí)，其功耗相當(dāng)?shù)筒⑶夜目呻S采樣速率而改變。但逐次漸進(jìn)型的模數(shù)轉(zhuǎn)換對(duì)比較器的要求非常高，該題目要求AD轉(zhuǎn)換器達(dá)到16位的精度，從而比較器精度需達(dá)到0.01mV；考慮到高精度比較器芯片在短時(shí)間難以購買，并且市場(chǎng)有限，該方案的實(shí)現(xiàn)有一定難度。方案二：采用并行比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換方案。該方案屬于非反饋比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換，即為一種直接的轉(zhuǎn)換方式。其將處

13、理后的模擬電壓信號(hào)予以量化，并將所得到的所有量化電平與各基準(zhǔn)電壓分量（由一個(gè)總的基準(zhǔn)電壓源經(jīng)過電阻串的分壓得到）進(jìn)行并行比較，將比較結(jié)果再進(jìn)行編碼，從而給出了相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)輸出。其原理框圖如3所示。精密分壓網(wǎng)絡(luò)通過2N只精密電阻將基準(zhǔn)電壓源按等差遞增的方式分壓，然后使分壓信號(hào)同時(shí)通過2N個(gè)比較器與輸入模擬電壓信號(hào)進(jìn)行比較，輸出比較結(jié)果再按一定的邏輯進(jìn)行編碼，生成N位的數(shù)字轉(zhuǎn)換信號(hào)。該方案的主要優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)換速度快，它大大減少了轉(zhuǎn)換過程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時(shí)刻得到，因此，在所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，它的轉(zhuǎn)換速度最快。其缺點(diǎn)是分辨率不高，一般都在10位以下；同時(shí)精度較高時(shí)，功耗較大。這主要是

14、受到了電路實(shí)現(xiàn)的影響，因?yàn)橐粋€(gè)N位的并行轉(zhuǎn)換器，需要2N個(gè)比較器和分壓電阻，當(dāng)N=10時(shí)，比較器的數(shù)目就會(huì)超過1000個(gè)，轉(zhuǎn)換的精度越高，其電路的復(fù)雜程度便成倍增加。圖 3 并行比較型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理方案三：采用雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換方案。這種方法屬于積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換，是一種經(jīng)過中間變量間接轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時(shí)間間隔，與此同時(shí)，在此時(shí)間間隔利用計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。其原理框圖如4所示。開始時(shí)，計(jì)數(shù)器與定時(shí)器清零，控制邏輯控制模擬開關(guān)，將處理后的模擬信號(hào)送入積分電路進(jìn)行積分，同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿歸零時(shí)，定時(shí)器置1，控制邏輯使模

15、擬開關(guān)合向基準(zhǔn)電壓源，使積分電路進(jìn)行反向積分，同時(shí)計(jì)數(shù)器重新計(jì)數(shù)；隨著反向積分過程的進(jìn)行，其輸出值歸零時(shí)，比較器輸出一邏輯電平停止計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，這時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值便是所轉(zhuǎn)換成的數(shù)字信號(hào)，可以送入寄存器或輸出。本方案性能比較穩(wěn)定，精度較高，可以達(dá)到22位，同時(shí)轉(zhuǎn)換電路輸入端使用了積分器，由于積分電容的作用，所以能夠大幅度抑止高頻噪聲，故抗干擾能力強(qiáng)，并且電路較為簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。但是，該方案轉(zhuǎn)換速度較慢，轉(zhuǎn)換精度隨轉(zhuǎn)換速率的增加而降低。根據(jù)題目要求，AD轉(zhuǎn)換的速度需達(dá)到20次/秒，考慮該方案，適當(dāng)提高時(shí)鐘信號(hào)的頻率以與各級(jí)電路的響應(yīng)速率便能達(dá)到要求。圖 4 雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理基于以上論證，選擇方案

16、三，既能保證題目要求的精度，又能保證轉(zhuǎn)換的速度，同時(shí)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)。1.2.2 系統(tǒng)電源模塊方案論證系統(tǒng)電源模塊主要分為三部分，第一部分是系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源，用于電路中芯片等的供電；第二部分是精密基準(zhǔn)電壓源，用于提供AD轉(zhuǎn)換中的參考電壓；第三部分是模擬可調(diào)電壓源，完成題目中的系統(tǒng)測(cè)試功能。1.2.2.1 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源該系統(tǒng)既包括數(shù)字電路部分，也包括模擬電路部分，因而在供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)上須充分考慮兩部分的供電要求。方案一：采用串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路，利用輸出電壓的變化量由反饋網(wǎng)絡(luò)取樣經(jīng)放大電路放大后去控制調(diào)整三極管的集電發(fā)射極間的電壓降，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。其電路原理圖如圖5。

17、此方案能達(dá)到一定的穩(wěn)壓精度，同時(shí)輸出電流較高，但該穩(wěn)壓電路由純模擬電路搭建而成，對(duì)單個(gè)器件的要求較為嚴(yán)格，而且在搭建中容易造成電路不穩(wěn)定。圖 5 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路方案二：采用三端集成穩(wěn)壓器78XX系列作穩(wěn)壓器件組成穩(wěn)壓電路。三端式穩(wěn)壓器由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成。其部基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動(dòng)的影響，并且部設(shè)計(jì)了減流式保護(hù)電路和過熱保護(hù)電路，能很好得保證穩(wěn)壓值的穩(wěn)定。穩(wěn)壓器應(yīng)用電路如圖6所示。其正常工作時(shí)，穩(wěn)壓器的輸入、輸出電壓差為23V，其輸出端能夠直接輸出所需的電壓值，并聯(lián)電阻C1和C2用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入

18、高頻干擾，C3是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。該方案電路連接簡(jiǎn)單，采用集成器件使電路穩(wěn)定性增強(qiáng)，同時(shí)穩(wěn)壓精度很好，輸出電流為0.1A，可以滿足系統(tǒng)供電要求。圖 6 三端集成穩(wěn)壓器應(yīng)用電路比較以上兩種方案，采用方案二作為系統(tǒng)電路供電。1.2.2.2 精密基準(zhǔn)電壓源方案一：利用運(yùn)算放大器構(gòu)成可調(diào)直流基準(zhǔn)電壓源。原理圖如7圖所示，恒流源D1為穩(wěn)壓管D2供電，穩(wěn)壓管輸出電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器負(fù)反饋而輸出一穩(wěn)壓值。需要精確地選擇R1和R2的值，以與低失調(diào)電壓，低失調(diào)電流，低噪聲，低漂移的集成運(yùn)放以確保輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。該方案由于電阻和運(yùn)放的選取問題，可能造成輸出誤差，穩(wěn)定性難

19、以保證。同時(shí)，根據(jù)題目要求，基準(zhǔn)電壓源不需連續(xù)可調(diào)。圖 7 運(yùn)放構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源方案二：采用精密DA轉(zhuǎn)換器構(gòu)成數(shù)控可編程基準(zhǔn)電壓源，從數(shù)字鍵盤輸入的十進(jìn)制數(shù)（即所需輸出電壓Vo的數(shù)值）, 在控制電路的控制下經(jīng)編碼器編碼, 變?yōu)閷?duì)應(yīng)的BCD碼，按從高位到低位的次序依次存入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的輸出又作為DA轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入, 經(jīng)過轉(zhuǎn)換輸出一電壓值，再通過運(yùn)算放大器的處理輸出合適的基準(zhǔn)電壓。該方法經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換可以得到精度很高的基準(zhǔn)電壓，但其電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，同時(shí)軟件設(shè)計(jì)需占用一定的單片機(jī)資源，模塊整體調(diào)試費(fèi)時(shí)較多。方案三：利用基準(zhǔn)電壓源模擬集成芯片，例如AD588、AD584、TL431。其外圍硬件電路連

20、接簡(jiǎn)便，應(yīng)用方便，同時(shí)基準(zhǔn)電壓輸出穩(wěn)定性好，輸出電壓誤差非常低。TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源有如下特點(diǎn)：穩(wěn)壓值從2.536V連續(xù)可調(diào)；參考電壓源誤差在1.0%以，低動(dòng)態(tài)輸出電阻，典型值為0.22，歐姆輸出電流1.0100毫安；在適應(yīng)溫度圍溫度特性平坦，典型值為50ppm；低輸出電壓噪聲。故其非常適合做基準(zhǔn)電壓源?；谝陨险撟C，選擇方案三，以便于靈活方便得獲得高精度高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓源。1.2.2.3 模擬可調(diào)電壓源方案一：使用高精度恒流源串接入一穩(wěn)定性好的可調(diào)電阻器分壓輸出連續(xù)可調(diào)的微小電壓值。該方案易于實(shí)現(xiàn)，所使用的元器件（精密電阻，電位器，NPN晶體三極管）能方便購買到，也有挑選合適元器件的余

21、地；規(guī)模小，易于調(diào)試。但其使用時(shí)對(duì)各個(gè)器件精度要求很高，否則容易產(chǎn)生漂移，造成輸出不穩(wěn)定。方案二：采用穩(wěn)壓器件對(duì)一小電壓值穩(wěn)壓，再輸入運(yùn)算放大器組成的比例運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)可調(diào)電壓值衰減，實(shí)現(xiàn)低伏電壓值連續(xù)可調(diào)。比例運(yùn)算電路采用串聯(lián)反饋，其降低了輸入電阻，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，其會(huì)使運(yùn)算放大器在衰減增益較大時(shí)所輸出的微小電壓值不穩(wěn)定，易受外界噪聲影響。并且該方案的實(shí)現(xiàn)成本較高?；谝陨嫌懻?，采用方案一制作模擬可調(diào)電壓源。1.2.3 模擬信號(hào)采集與處理模塊方案論證該模塊分為信號(hào)調(diào)理模塊和采樣保持模塊。經(jīng)過處理后的模擬信號(hào)便可以送入AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。1.2.3.1信號(hào)調(diào)理模塊由于AD轉(zhuǎn)換電路輸入電壓為0100mV

22、，故需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大和濾波等處理。方案一：采用精密儀用放大器AD620對(duì)毫伏級(jí)的電壓信號(hào)進(jìn)行精確放大。該集成運(yùn)放不僅放大倍數(shù)精確，而且放大電路的接法簡(jiǎn)便，僅使用一個(gè)精密可調(diào)電阻接入兩個(gè)RG端便可以實(shí)現(xiàn)11000倍的信號(hào)放大。故該運(yùn)放適合于為該轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)進(jìn)行放大，可以減小產(chǎn)生在信號(hào)放大與上的系統(tǒng)誤差。為防止上電噪聲信號(hào)的干擾和轉(zhuǎn)換器工作時(shí)外界的強(qiáng)信號(hào)干擾，保護(hù)后級(jí)電路，在放大器前后均連入合適的旁路電容。方案二：使用專用的信號(hào)調(diào)理電路或集成芯片?？紤]到該電路的輸入為較小的直流信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)也沒有特殊的要求，使用集成運(yùn)放和電容便足以達(dá)到題目要求；同時(shí)，專用的信號(hào)調(diào)理電路成本較高。

23、基于以上討論，采用方案一經(jīng)濟(jì)而且高效地完成該模塊功能。1.2.3.2 采樣保持模塊方案一：使用運(yùn)算放大器和阻容元件搭建采樣保持電路，電路原理如圖8所示。該方案電路易于實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求靈活地調(diào)節(jié)電路的參數(shù)，方便調(diào)試；但與此同時(shí)，由于自行焊接阻容元件，其工作時(shí)容易對(duì)相關(guān)電路造成干擾，使系統(tǒng)電路工作不穩(wěn)定，并且該電路本身的穩(wěn)定性也難以保證。圖 8 簡(jiǎn)易采樣保持電路方案二：采用專用的采樣保持芯片，如LF298或LF398。該方案由于使用集成芯片，一方面其自身的穩(wěn)定性和采樣精度可以保證，另一方面對(duì)其他電路與芯片的干擾也相對(duì)較低。集成采樣保持器LF398，采用了雙結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)，具有許多優(yōu)良的特性

24、，如工作電源圍寬，可在供電電壓5V18V下工作；電壓跟隨時(shí)間短（10s），下降率低；輸出電壓零點(diǎn)可調(diào)；高精度的直流誤差( 0.01%)；低功耗等。并且其價(jià)格低廉，在國(guó)應(yīng)用非常廣泛。綜上考慮，采用方案二，以更好得對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行采樣保持。1.2.4 AD轉(zhuǎn)換模塊方案論證本模塊是該電路系統(tǒng)的核心部分，其實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，包括精密比較器模塊，時(shí)鐘信號(hào)模塊，積分電路模塊，計(jì)數(shù)器模塊和定時(shí)器模塊等幾個(gè)部分。各部分的方案論證如下。1.2.4.1 時(shí)鐘信號(hào)模塊經(jīng)估算，要達(dá)到題目要求的轉(zhuǎn)換頻率，大于20次/s，即每次轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過50ms，根據(jù)雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理，所需的時(shí)鐘頻率應(yīng)在5MHz左右。方

25、案一：采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74121級(jí)聯(lián)組成高頻方波振蕩器。可由三級(jí)單穩(wěn)電路級(jí)聯(lián)組成最高輸出頻率為7MHz的方波振蕩器。該方案電路組成龐大且較為復(fù)雜，振蕩電路對(duì)外界干擾信號(hào)敏感。方案二：由TTL非門組成簡(jiǎn)單振蕩器?？蓸?gòu)成環(huán)形振蕩器如圖9所示。經(jīng)過RC值的調(diào)整，該振蕩電路頻率最高可達(dá)到5MHz以上。但由于阻容元件在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，故輸出頻率穩(wěn)定性不佳。圖 9 TTL非門構(gòu)成環(huán)形振蕩器TTL門電路和阻容元件組成的多諧振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)。但是，由于決定振蕩頻率的主要因素是電路達(dá)到轉(zhuǎn)換電平的時(shí)間，所以振蕩頻率的精度和穩(wěn)定度取決于門電路的閾值電壓。因?yàn)殚撝惦妷旱碾x散性，以與易

26、受電源電壓和環(huán)境溫度變化的影響，使振蕩頻率穩(wěn)定度通常只有10-2數(shù)量級(jí)。方案三：采用TTL門電路組成晶體振蕩器。在對(duì)頻率精度和穩(wěn)定度要求高的場(chǎng)合，通常采用晶體振蕩器。石英晶體不但有較高的頻率穩(wěn)定性，而且由于品質(zhì)因數(shù)高，還有極好的選頻特性，使頻率精度也很高。在振蕩器中采用的石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率上，此時(shí)晶體阻抗最小，該頻率的信號(hào)最容易通過；而對(duì)于其他頻率的信號(hào)，晶體呈現(xiàn)高阻抗。從而實(shí)現(xiàn)了選頻振蕩，振蕩頻率穩(wěn)定。其組成的電路原理圖如圖10所示。選擇不同的石英晶體，可以獲得1MHz10MHz的方波輸出。該電路即使不采用其他穩(wěn)頻措施，其穩(wěn)頻度也可達(dá)到數(shù)量級(jí)。圖 10 TTL門電路組成晶體振蕩器基于

27、以上討論，選擇方案三產(chǎn)生精確穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)，供計(jì)數(shù)器進(jìn)行精確計(jì)數(shù)。1.2.4.2 計(jì)數(shù)器模塊方案一：利用普通的門電路和觸發(fā)器搭建一個(gè)16位的加法計(jì)數(shù)器。該電路控制方便，但其電路龐大，不能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集約性，同時(shí)容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，不利于調(diào)試。方案二：采用集成二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS161級(jí)聯(lián)成16位計(jì)數(shù)器。74LS161是4位計(jì)數(shù)器，具有異步清零，同步置數(shù)和保持?jǐn)?shù)據(jù)等功能?？梢酝ㄟ^進(jìn)位信號(hào)輸出端直接級(jí)聯(lián)到下一個(gè)4位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖輸入端，再設(shè)置相應(yīng)的控制端實(shí)現(xiàn)16位加法計(jì)數(shù)功能。74LS161的輸入響應(yīng)頻率的典型值為40MHz，完全可以滿足本系統(tǒng)約5MHz的時(shí)鐘信號(hào)輸入；同時(shí)該方案級(jí)聯(lián)使用

28、方便，電路參數(shù)適應(yīng)圍廣。綜上考慮，選擇方案二。1.2.4.3 積分電路模塊方案一：采用普通運(yùn)算放大器OP07構(gòu)成積分器。OP07是低輸入失調(diào)電壓的集成運(yùn)放，具有低噪聲，小溫漂等特點(diǎn)。它的主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸入失調(diào)電壓為10V，輸入失調(diào)電流為0.7nA，輸入失調(diào)電壓溫度系數(shù)為0.2V/。但經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該運(yùn)放的調(diào)整比較繁瑣，而且穩(wěn)定程度不高。方案二：采用精密運(yùn)放AD620構(gòu)成積分電路。AD620部含三級(jí)運(yùn)放，前兩級(jí)作差動(dòng)放大，后一級(jí)起隔離作用，共模抑制比高,低頻響應(yīng)特性良好，性能穩(wěn)定；并且可調(diào)整輸入失調(diào)電壓，使用方便。用于積分電路中，可以大大提高積分過程的穩(wěn)定性，提高AD轉(zhuǎn)換的精度。由于積分電路是

29、雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的核心部分，需要很高的精度和穩(wěn)定性，故選擇方案二。1.2.4.4 精密比較器模塊方案一：采用集成比較器直接完成電壓比較功能，如LM311與LM119、LM219、LM319。該系列比較器的電源電壓是236V或18V，輸出電流大，可直接驅(qū)動(dòng)TTL和LED；同時(shí)，其速度較快，例如高速雙比較器LM319的建立時(shí)間為80ns。但其最大輸入失調(diào)電壓可達(dá)到8mV，最大輸入偏置電流為200nA。LM311的建立時(shí)間為200ns，輸入失調(diào)電壓典型值為2 mV，最大輸入偏置電流僅有50nA。方案二：使用精密運(yùn)算放大器AD620。AD620是一種低功耗、高精度儀表放大器。它體積小，為8管腳的S

30、OIC或DIP封裝；功耗低，最大供電電流僅為1.3mA。AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大輸入失調(diào)電壓為50V，最大輸入失調(diào)電壓漂移為lV /，最大輸人偏置電流為2.0nA。在0.1Hz10Hz圍輸人電壓噪聲的峰一峰值為0.28V。放大倍數(shù)為1時(shí)其增益帶寬為120kHz，建立時(shí)間為15s?？傊珹D620能確保高增益精密放大所需的低失調(diào)電壓、低失調(diào)電壓漂移和低噪聲等性能指標(biāo)。綜合論證方案一和方案二，又考慮到比較器的建立時(shí)間對(duì)AD轉(zhuǎn)換精度的影響比較大，可以看出采用專用電壓比較器更能符合題目要求，以芯片購買的難易程度決定選擇LM311比較器模塊，采用方案一。1.2.4.5 定時(shí)器模塊

31、方案一：使用555定時(shí)器輔助控制。555定時(shí)器是一種應(yīng)用極為廣泛的中規(guī)模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構(gòu)成單穩(wěn)、施密特觸發(fā)器和多諧振蕩器，因而廣泛用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換、控制與檢測(cè)。在該AD轉(zhuǎn)換電路中，可以使用555定時(shí)器的單穩(wěn)態(tài)工作方式。當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿時(shí)，觸發(fā)定時(shí)器輸出一個(gè)延時(shí)一定的高電平脈沖，使其定時(shí)時(shí)間長(zhǎng)于計(jì)數(shù)器從0直至計(jì)滿所需的時(shí)間；從而該信號(hào)便可作為AD轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)和轉(zhuǎn)換初始化控制信號(hào)。該方案輔助了單片機(jī)對(duì)AD轉(zhuǎn)換電路的控制，同時(shí)，由于該定時(shí)器應(yīng)用技術(shù)較為成熟，其穩(wěn)定性也有一定保證，廣泛見于各電子市場(chǎng)上。方案二：直接利用單片機(jī)完成定時(shí)與控制功能。將計(jì)數(shù)器

32、的進(jìn)位信號(hào)接入單片機(jī)的一個(gè)外部中斷端口，當(dāng)對(duì)輸入模擬電壓信號(hào)第一階段積分完成后，計(jì)數(shù)器輸出一高電平脈沖，由單片機(jī)中斷查詢的該信號(hào)，在執(zhí)行相應(yīng)的延時(shí)；延時(shí)結(jié)束后對(duì)AD轉(zhuǎn)換部分執(zhí)行讀取轉(zhuǎn)換值和初始化控制功能。該方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換過程較為流暢的控制，簡(jiǎn)化了外圍電路，可以達(dá)到題目要求；但其不足之處在于，首先，其不利于將來AD轉(zhuǎn)換器的封裝使用，用戶接口不友好，編程和控制不方便；其次，該方案需占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷源，不利于單片機(jī)功能的擴(kuò)展。故選擇方案一實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。1.2.5 數(shù)字信號(hào)處理與輸出模塊方案論證AD轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，需要將轉(zhuǎn)換后的結(jié)果輸出到單片機(jī)中進(jìn)行處理，需要保證數(shù)字信號(hào)處理與輸出的準(zhǔn)

33、確性和穩(wěn)定性；又考慮到題目要求將AD轉(zhuǎn)換電路與測(cè)量顯示部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，從而消除單片機(jī)測(cè)量顯示部分與AD轉(zhuǎn)換電路共地而產(chǎn)生的相互影響，數(shù)字信號(hào)的輸出可以首先通過光電耦合器件再接到數(shù)字信號(hào)接口。方案一：將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)并行輸出端通過光電耦合器直接同單片機(jī)相連。74LS161具有數(shù)據(jù)保持功能，計(jì)數(shù)結(jié)束后，單片機(jī)接收到AD轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號(hào)，便直接從計(jì)數(shù)器端讀取數(shù)據(jù)。由于計(jì)數(shù)器在其計(jì)數(shù)的同時(shí)并行輸出端的值也在不斷變化，如果其直接將輸出信號(hào)經(jīng)過光電耦合器接入單片機(jī)的輸入輸出口，容易對(duì)單片機(jī)在不讀入數(shù)據(jù)時(shí)的數(shù)據(jù)處理過程造成影響，也容易對(duì)電氣隔離元件造成損壞。 方案二：將計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)并行輸出端通過光電耦合器接入

34、一個(gè)鎖存器，其輸出端接入單片機(jī)的輸入輸出口，鎖存器可由單片機(jī)控制信號(hào)直接控制。計(jì)數(shù)結(jié)束后，單片機(jī)發(fā)出一控制信號(hào)使能鎖存器鎖存信號(hào)并由單片機(jī)讀入進(jìn)行顯示等的處理。基于以上論證，選擇方案二。1.2.6 單片機(jī)控制接口部分設(shè)計(jì)方案論證該部分包括AD轉(zhuǎn)換控制接口，人機(jī)對(duì)話界面接口兩個(gè)部分。其中AD轉(zhuǎn)換控制接口可以通過相應(yīng)的程序代碼實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的連續(xù)進(jìn)行和特殊功能選擇；人機(jī)對(duì)話界面接口包括鍵盤，顯示等部分，可以完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示，AD轉(zhuǎn)換的功能設(shè)置等。其方案論證如下。1.2.6.1 單片機(jī)選型方案方案一：采用MCS51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)價(jià)格便宜，使用簡(jiǎn)單，開發(fā)軟件以與硬件調(diào)試器型號(hào)眾多，應(yīng)用廣泛

35、而普遍。但51系列單片機(jī)RAM，ROM等資源少，中斷系統(tǒng)功能不豐富，外圍模塊少；同時(shí)，指令周期也較長(zhǎng)，運(yùn)算速度較其他RISC指令系統(tǒng)單片機(jī)慢。方案二：采用PIC18F4620單片機(jī)。PIC18F4620采用哈佛結(jié)構(gòu)，以與RISC指令系統(tǒng)，其具有豐富的I/O口資源，1K容量RAM，64K的FLASH，置A/D和EEPROM，看門狗電路，倍頻電路等豐富的外圍模塊；其一個(gè)指令周期是四個(gè)機(jī)器周期，運(yùn)算速度快，完全能夠滿足系統(tǒng)要求。但由于其不是主流單片機(jī)，價(jià)格比較高，購買不方便，使用也不廣泛。方案三：采用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A作為控制與數(shù)據(jù)處理核心。其具有體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功

36、耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)、開發(fā)靈活等特點(diǎn)，嵌32k字閃存FLASH，處理速度高，適用于快速數(shù)據(jù)處理和數(shù)字語音等應(yīng)用領(lǐng)域；也可以方便得進(jìn)行外圍設(shè)備的擴(kuò)展。其部結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。由于本系統(tǒng)需要較一定的數(shù)據(jù)運(yùn)算與處理，可用C語言比較容易的進(jìn)行編程以完成相應(yīng)功能。圖 11 SPCE061A核結(jié)構(gòu)框圖比較上述方案，選擇方案三。1.2.6.2 AD轉(zhuǎn)換控制接口AD轉(zhuǎn)換電路中，需要單片機(jī)輔助控制來完成轉(zhuǎn)換，控制容主要有555定時(shí)器的定時(shí)脈沖輸出信號(hào)，作為AD轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志EOC；積分與比較電路中失調(diào)電壓的初始化調(diào)整，計(jì)數(shù)器初始化清零（控制三個(gè)光電耦合器，具體方法見單元電路設(shè)計(jì)部分），作為AD轉(zhuǎn)換器

37、的啟動(dòng)信號(hào)START；以與鎖存器鎖存控制信號(hào)，作為AD轉(zhuǎn)換器的輸出使能信號(hào)OE。方案一：將控制線經(jīng)過一定的邏輯，直接將單片機(jī)與AD轉(zhuǎn)換電路相連接。該方案電路連接簡(jiǎn)單，但鑒于題目要求將AD轉(zhuǎn)換電路與測(cè)量顯示部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，因此該方案不能滿足題目要求。方案二：控制線經(jīng)過光電耦合器接入單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換電路與測(cè)量顯示部分的電氣隔離，這樣可以避免單片機(jī)測(cè)量顯示部分與AD轉(zhuǎn)換電路共地的相互影響，能達(dá)到題目要求。根據(jù)以上論證，選擇方案二以達(dá)到發(fā)揮部分的相應(yīng)要求。1.2.6.3 鍵盤模塊分析題目要求，選擇44鍵盤，以便于將來系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。方案一：將44矩陣式鍵盤直接接入單片機(jī)的I/O口，按鍵信號(hào)由單

38、片機(jī)掃描讀取。該方案電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，硬件接口方便，但由于矩陣式鍵盤進(jìn)行掃描工作的需要，將占用較多的I/O口，并且需要編寫鍵盤的掃描程序與去抖程序，容易誤碼。方案二：采用通用可編程鍵盤和顯示接口電路芯片8279管理鍵盤電路。8279可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，完成顯示器動(dòng)態(tài)顯示，可以節(jié)省CPU處理鍵盤和顯示器的時(shí)間，提高CPU的工作效率。但8279是總線型鍵盤和數(shù)碼管顯示器管理芯片，對(duì)于61單片機(jī)來說編程比較復(fù)雜，而且為并行工作方式，占用相當(dāng)多的I/O口，外圍電路也相對(duì)復(fù)雜，不利于單片機(jī)其他功能的擴(kuò)展。方案三：利用數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)與鍵盤控制芯片CH451管理鍵盤電路。CH451是

39、一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤掃描控制以與P監(jiān)控的多功能外圍芯片，其置64 鍵鍵盤控制器，按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻和去抖動(dòng)電路，并提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放。CH451同單片機(jī)進(jìn)行串行通信，只占用較少的I/O口，節(jié)省資源。雖然編程相對(duì)復(fù)雜，但讀取精確，方便控制。基于以上論證，采用方案三接入鍵盤模塊。1.2.6.4 顯示模塊方案一：利用LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方法在軟硬件設(shè)計(jì)上比較容易實(shí)現(xiàn)，顯示直觀，并且可以降低設(shè)計(jì)成本。但顯示界面不友好，只能顯示一些簡(jiǎn)單的ASCII碼字符，顯示的信息量十分的有限，數(shù)據(jù)信息辨認(rèn)比較困難，不利于人機(jī)對(duì)話的順利進(jìn)行。方案二：使用并行LCD點(diǎn)陣液

40、晶顯示。LCD可顯示中文，顯示數(shù)據(jù)明確清晰，顯示信息容量大，界面友好，有利于人機(jī)對(duì)話和系統(tǒng)操作控制。在本系統(tǒng)中，需要對(duì)一段時(shí)間AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)顯示，使用LCD可以利用滾屏方式將其依次顯示出來，方便控制。不過本方案也提高了程本，增加了編程難度。方案三：采用串行LCD點(diǎn)陣液晶顯示。該方案只占用3個(gè)單片機(jī)I/O口，大大節(jié)省了單片機(jī)資源，可以方便得再進(jìn)行系統(tǒng)功能的擴(kuò)展，但同時(shí)也提高了編程難度。考慮到AD轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)輸出需占用16個(gè)單片機(jī)I/O口，故需要減少對(duì)其他外設(shè)I/O口的分配數(shù)量。雖然軟件編寫難度較大，但從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，使用該方案是完全必要的。綜上考慮，選擇方案三，以友好的界面和明確清

41、晰的顯示輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。1.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1.3.1 總體設(shè)計(jì)思路該高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路采取雙積分型轉(zhuǎn)換方式，通過信號(hào)產(chǎn)生，信號(hào)處理，采樣保持，積分和比較，計(jì)數(shù)與定時(shí)，最后送入單片機(jī)完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示，同時(shí)，通過單片機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的控制。該系統(tǒng)的核心AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)輸入輸出接口有模擬電壓信號(hào)輸入端Vx，參考電壓輸入端Vref，16位數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端；控制接口有AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)控制端START，轉(zhuǎn)換結(jié)束指示端EOC，輸出允許端OE。系統(tǒng)原理框圖如圖12所示。圖 12 高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理框圖1.3.2 設(shè)計(jì)方案選擇各個(gè)模塊最終設(shè)計(jì)方案如下：系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源使用三端集成穩(wěn)壓

42、器78XX系列作穩(wěn)壓器件組成穩(wěn)壓電路；精密基準(zhǔn)電壓源使用基準(zhǔn)電壓源模擬集成芯片AD588；模擬可調(diào)電壓源采用鏡像恒流源串入電阻分壓方案；信號(hào)調(diào)理模塊使用精密運(yùn)放AD620作為放大器和旁路電容濾波；采樣保持模塊使用專用采樣保持芯片LF398；時(shí)鐘信號(hào)模塊使用TTL門電路組成晶體振蕩器； 計(jì)數(shù)器模塊使用4片74LS161級(jí)聯(lián)成為16位計(jì)數(shù)器；積分電路模塊使用精密運(yùn)放AD620接電容負(fù)反饋構(gòu)成積分器；精密比較器模塊使用專用比較器芯片LM311；定時(shí)器模塊使用定時(shí)器NE555P；數(shù)字信號(hào)處理與輸出模塊采用光電耦合器TLP521-4實(shí)現(xiàn)電氣隔離功能以與鎖存器74LS373實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存；單片機(jī)選用凌陽16

43、位單片機(jī)SPCE061A；AD轉(zhuǎn)換控制接口使用光電耦合器P521實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與AD轉(zhuǎn)換電路之間控制線路的電氣隔離；鍵盤模塊采用鍵盤控制芯片CH451管理的44鍵盤；顯示模塊采用12864點(diǎn)陣液晶顯示。2 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源電源電路采用自制的+5V，12V，15V五路輸出電源，以滿足數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的供電需要。220V交流電通過變壓器降壓后，進(jìn)行整流，濾波，穩(wěn)壓而輸出相應(yīng)電壓值。電路原理圖如圖13所示。圖 13 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源該電源電路采用三段固定穩(wěn)壓器78和79系列，電壓輸出穩(wěn)定，部設(shè)計(jì)了減流式保護(hù)電路和過熱保護(hù)電路，能保證其工作的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓器前后級(jí)并聯(lián)電阻可以用來實(shí)

44、現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入高頻干擾，最后一級(jí)并聯(lián)入電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。2.2 精密基準(zhǔn)電壓源該電路使用基準(zhǔn)電壓源芯片AD584構(gòu)成輸出基準(zhǔn)電壓為10V的基準(zhǔn)電壓源。電路原理圖如圖14所示。圖 14 基準(zhǔn)電壓源電路2.3 模擬可調(diào)電壓源模擬可調(diào)電壓源由基本的鏡像電流源經(jīng)改進(jìn)設(shè)計(jì)而成，經(jīng)過各個(gè)元器件的精心選擇，調(diào)選性能穩(wěn)定，符合系統(tǒng)要求的元器件進(jìn)行組裝焊接。其電路原理圖如圖15所示。圖 15 鏡像電流源原理基本恒流源電路如圖16所示。圖 16 基本恒流源電路設(shè)三極管基射極電壓為UBE，輸出電流為IC1，基準(zhǔn)電流為IR，則有 （2.1）此

45、時(shí)，RC兩端輸出電壓Uo為 （2.2）若三極管的發(fā)射極分別接入電阻Re0，Re，則組成了比例電流源，依電路的對(duì)稱性 （2.3）又根據(jù)晶體管發(fā)射結(jié)電壓與發(fā)射極電流的近似關(guān)系可得 （2.4）由近似關(guān)系 （2.5）從而有 （2.6）本電路要求輸出0100mV電壓信號(hào)，信號(hào)較小，須將上述電路改為微電流源，可以短接圖16中的Re0，得到圖17。圖 17 微電流源電路依近似關(guān)系（2.5）和（2.3）式，得到Q1管集電極電流 （2.7）從（2.7）式可以看出，由于僅有幾十毫伏或更小，因此只要幾千歐的Re，就可以得到幾十微安的IC1。又據(jù)（2.6）得到 （2.8）從而可根據(jù)電路相關(guān)參數(shù)得到IC1的值，進(jìn)而選擇

46、相應(yīng)的串接分壓電阻。本電路中，R取15K，Re取275，可得到IC1的取值100A；再在Q1管集電極串聯(lián)一阻值為1 K的可調(diào)電阻器，便能在其兩端輸出0100mV電壓信號(hào)。2.4 信號(hào)調(diào)理與采樣保持電路信號(hào)調(diào)理與采樣保持電路的調(diào)理部分包括放大電路和旁路濾波電路，其中集成運(yùn)算放大器采用OP07將輸入的毫伏級(jí)電壓放大100倍再接入一倒相器成為正電壓輸入；采樣保持部分采用專用采樣保持芯片LF398，其輸出端接AD轉(zhuǎn)換電路的模擬電壓輸入信號(hào)Vx。該電路原理如圖18所示。圖 18 信號(hào)調(diào)理與采樣保持電路2.5 積分與比較電路積分電路由精密運(yùn)放AD620和電容C1構(gòu)成；比較電路采用專用比較器模擬集成芯片LM

47、311。電路原理圖如圖19所示。圖 19 積分與比較電路由于比較器存在輸入失調(diào)電壓，該電路中添加了自動(dòng)補(bǔ)償失調(diào)電路，主要由補(bǔ)償電容和光電耦合開關(guān)U4、U5組成。在AD轉(zhuǎn)換開始以前，U4和U5均導(dǎo)通，比較器輸出端通過電容器C2接地，輸入端通過電容器C1接地；從而對(duì)運(yùn)放U1，設(shè)其失調(diào)電壓為，C2兩端電壓為V2，有如下關(guān)系，即 （2.9）對(duì)比較器U2，設(shè)其失調(diào)電壓為，C1兩端電壓為V1，有類似關(guān)系，即 （2.10）可以看出，比較器的輸入失調(diào)電壓對(duì)積分電容C1充電，在補(bǔ)償電容C2上，由與運(yùn)放的輸入失調(diào)電壓極性相反，數(shù)值一樣的電壓對(duì)進(jìn)行充電。當(dāng)U4和U5斷開時(shí)，開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，此時(shí)輸入電壓的積分是在運(yùn)

48、放輸入失調(diào)電壓基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而且由于在補(bǔ)償電容上已保持與失調(diào)電壓極性相反的電壓，所以在進(jìn)行積分時(shí)能夠被自動(dòng)消除。需指出的是，補(bǔ)償電容須選用泄漏電阻大的補(bǔ)償電容，以防止其充電后電壓值在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束前發(fā)生較大的改變。2.6 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路采用TTL門電路組成晶體振蕩器。電路原理圖如圖19所示。圖 20 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路在該電路中，與非門U1A和U1B可構(gòu)成正反饋振蕩器，電容C1連接正反饋支路，晶振Y1和耦合電容C2是串聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，只有頻率為晶體串聯(lián)諧振頻率fo的信號(hào)才能產(chǎn)生振蕩輸出，即電路振蕩于fo。電路中電阻R1和R2是與非門U1A和U1B的偏置電阻，也可將R1和R2分別接地。電容C3用于防止

49、寄生振蕩，當(dāng)晶體諧振頻率為fo時(shí)，C3應(yīng)選一固定值。 （2.11）該電路中晶振頻率fo為6.000MHz，故C3取值為18pF。與非門U1C是緩沖輸出級(jí)，起隔離作用。電容C2選用可變電容時(shí)，可以對(duì)輸出頻率進(jìn)行微調(diào)。選擇使用不同振蕩頻率的石英晶體，可獲得1MHz10MHz的方波輸出。即使不采用其他穩(wěn)頻措施，該電路其穩(wěn)頻度也可達(dá)到10-5數(shù)量級(jí)。2.7 計(jì)數(shù)器與輸出接口電路該部分電路由4片二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74LS161級(jí)聯(lián)成16位計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)結(jié)果通過光電耦合器接入到鎖存器74LS373實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存。其電路原理圖如圖21所示。74LS161的清零端同積分比較電路中的光耦控制端作為AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換

50、啟動(dòng)信號(hào)START，由單片機(jī)直接控制，第一級(jí)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘觸發(fā)端由時(shí)鐘信號(hào)輸出端CP和比較器輸出端CO經(jīng)與非門U5A接入，以后各級(jí)的時(shí)鐘觸發(fā)均由前級(jí)計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號(hào)控制，其他控制信號(hào)接法如原理圖所示。計(jì)數(shù)器的輸出端通過16支光電耦合器同AD轉(zhuǎn)換的測(cè)量顯示部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的題目要求。兩鎖存器的使能端接測(cè)量控制部分的數(shù)字低電平，使其在AD轉(zhuǎn)換器工作期間始終有鎖存功能，鎖存控制端作為AD轉(zhuǎn)換器的輸出允許端OE，由單片機(jī)控制；鎖存器的輸出端為AD轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)出入端，可接入單片機(jī)的I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖 21 計(jì)數(shù)器與輸出接口電路2.8 定時(shí)器模塊定時(shí)器模塊采用NE555定時(shí)器，使其工作

51、于單穩(wěn)態(tài)工作方式，定時(shí)器觸發(fā)工作后輸出一個(gè)高電平定時(shí)脈沖。其電路原理圖如圖22所示。圖 22 定時(shí)器電路從圖22可以看出，按單穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，基本上僅需外部連接定時(shí)電阻和電容，除此之外，應(yīng)將旁路電容接控制端5。當(dāng)負(fù)觸發(fā)脈沖加到觸發(fā)輸入端2時(shí)（其值應(yīng)低于Vcc/3，在本電路中Vcc=+5V），定時(shí)器被觸發(fā)，開始其定時(shí)循環(huán)。輸出上升為高電平，其值近似為Vcc-1.6V；與此同時(shí)，電容C開始充電，以RC時(shí)間常數(shù)趨向Vcc。當(dāng)電容C上電壓Vc充電達(dá)到2/3Vcc時(shí)，暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束，輸出恢復(fù)到近似為零。定時(shí)器等待下一個(gè)觸發(fā)脈沖的到來。其觸發(fā)時(shí)序圖如圖23所示。圖 23 555定時(shí)器觸發(fā)時(shí)序圖在該系統(tǒng)中，當(dāng)計(jì)數(shù)器

52、計(jì)數(shù)滿時(shí)，其產(chǎn)生一高電平脈沖，經(jīng)反相器接入555定時(shí)器的觸發(fā)端，定時(shí)器開始定時(shí)，輸出端變成高電平，該高電平將控制模擬開關(guān)切換負(fù)參考電壓輸入積分電路，設(shè)定其計(jì)時(shí)時(shí)間長(zhǎng)于計(jì)數(shù)器由0計(jì)到滿所需時(shí)間；計(jì)時(shí)結(jié)束后輸出恢復(fù)低電平，該下降沿或低電平信號(hào)可分別接入單片機(jī)輸入輸出口，作為一次AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC，通知單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。2.9 單片機(jī)最小系統(tǒng)與應(yīng)用電路在該系統(tǒng)中，使用凌陽16位單片機(jī)SPCE061A完成AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理和對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的控制。其最小系統(tǒng)原理圖如圖24所示。圖 24 SPCE061A最小系統(tǒng)在本系統(tǒng)中所使用的單片機(jī)資源有：A0-A15：16位數(shù)字信號(hào)輸入；B0： 鍵盤控制芯片CH

53、451串行時(shí)鐘信號(hào)DCLK輸出口；B1： 鍵盤控制芯片CH451串行數(shù)據(jù)輸入信號(hào)DIN輸出口；B2： 鍵盤控制芯片CH451裝載信號(hào)LOAD輸出口；B3： 鍵盤控制芯片CH451串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)DOUT輸入口。B8： LCD點(diǎn)陣液晶顯示器片選控制輸出； B9： LCD點(diǎn)陣液晶顯示器串行數(shù)據(jù)輸出；B10：LCD點(diǎn)陣液晶顯示器串行時(shí)鐘輸出；B13：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束指示信號(hào)EOC輸入；B14：AD轉(zhuǎn)換輸出允許信號(hào)OE輸出；B15：AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)START輸出。其中CH451的串行數(shù)據(jù)輸出端占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷EXT2，以實(shí)現(xiàn)其串口通信功能。2.10 鍵盤模塊鍵盤采用鍵盤控制芯片CH451管理，對(duì)于

54、44鍵盤，僅分別使用了4條鍵盤掃描輸出口DIG0-DIG3和輸入口SEG0-SEG3完成掃描鍵盤功能。串行輸入輸出口，數(shù)據(jù)裝載接口和串行時(shí)鐘口分別接入單片機(jī)的I/O口B0-B3，其中串行數(shù)據(jù)輸出信號(hào)作為單片機(jī)的一個(gè)外部中斷源。電路原理圖如圖25所示。圖 25 鍵盤電路CH451掃描鍵盤時(shí)，DIG7DIG0 引腳按照DIG0至DIG7 的順序依次輸出高電平，其余7個(gè)引腳輸出低電平；SEG7SEG0引腳的輸出被禁止，當(dāng)沒有鍵被按下時(shí)，SEG7SEG0都被下拉為低電平；當(dāng)有鍵被按下時(shí)，對(duì)應(yīng)行變?yōu)楦唠娖?。為了防止因?yàn)榘存I抖動(dòng)或者外界干擾而產(chǎn)生誤碼，CH451實(shí)行兩次掃描，只有當(dāng)兩次鍵盤掃描的結(jié)果一樣時(shí)

55、，按鍵才會(huì)被確認(rèn)有效。若CH451檢測(cè)到有效的按鍵，則記錄下該按鍵代碼，并通過DOUT引腳產(chǎn)生低電平有效的鍵盤中斷，此時(shí)單片機(jī)可以通過串行接口讀取按鍵代碼；在沒有檢測(cè)到新的有效按鍵之前，CH451 不再產(chǎn)生任何鍵盤中斷。在該系統(tǒng)中，根據(jù)題目設(shè)計(jì)要求共定義使用了5個(gè)按鍵功能。分別為轉(zhuǎn)換開始與動(dòng)態(tài)顯示鍵，能控制開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將該瞬間模擬電壓值的轉(zhuǎn)換結(jié)果輸入LCD顯示，并將此過程循環(huán)執(zhí)行；連續(xù)轉(zhuǎn)換鍵，控制單片機(jī)在給定的時(shí)間段連續(xù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存入存儲(chǔ)器，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)換頻率進(jìn)行計(jì)算；連續(xù)顯示鍵，當(dāng)單片機(jī)完成對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的連續(xù)讀取與存儲(chǔ)后，按下該鍵實(shí)現(xiàn)所存儲(chǔ)結(jié)果的滾屏輸出，并最終顯示轉(zhuǎn)換頻率；轉(zhuǎn)換頻率顯示鍵，在按連續(xù)轉(zhuǎn)換鍵之后，按此鍵能夠?qū)D轉(zhuǎn)換頻率輸出顯示；轉(zhuǎn)換停止鍵，在轉(zhuǎn)換控制結(jié)束后，按此鍵可以恢復(fù)AD轉(zhuǎn)換電路的初始化狀態(tài)，并清除先前存儲(chǔ)和顯示的轉(zhuǎn)換結(jié)果，等待用戶下一次操作。2.11 顯示模塊顯示采用12864點(diǎn)陣液晶顯示器，使用其串口通信功能。串行數(shù)據(jù)輸入口，串行時(shí)鐘信號(hào)輸入口與片選端分別接入單片機(jī)I/O口B8-B10。其引腳功能如圖26所示。圖 26 LCD顯示器引腳功能圖通過單片機(jī)編程控制LCD顯示的容包括AD轉(zhuǎn)換的十進(jìn)制數(shù)字輸出值，輸入模擬電壓值以與轉(zhuǎn)換頻率；并且可以實(shí)現(xiàn)多組轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)滾屏輸出。3 軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的處理與顯示，A