數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ):第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ):第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第2頁(yè)
數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ):第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第3頁(yè)
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數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ):第11章 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)_第5頁(yè)
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第11章數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例11.1數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述方法11.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例11.1數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述方法11.1.1方框圖①提高了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的可讀性和清晰度。②容易進(jìn)行結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。③便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修改和補(bǔ)充。④為設(shè)計(jì)者和用戶之間提供了交流的手段和基礎(chǔ)方框圖描述法是在矩形框內(nèi)用文字、表達(dá)式、符號(hào)或圖形來(lái)表示系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)或模塊的名稱和主要功能。矩形框之間用帶箭頭的線段相連接,表示各子系統(tǒng)或模塊之間數(shù)據(jù)流或控制流的信息通道。圖上的一條連線可表示實(shí)際電路間的一條或多條連接線,連線旁的文字或符號(hào)可以表示主要信息通道的名稱、功能或信息類型。箭頭指示了信息的傳輸方向。方框圖是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步,其設(shè)計(jì)是一個(gè)自頂向下、逐步細(xì)化的過(guò)程?!纠?1-1】設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方框圖。解:①根據(jù)題意先畫出系統(tǒng)的粗框圖如圖11-1(a)所示。該框圖定義和描述了系統(tǒng)從輸入到輸出的基本功能模塊和實(shí)現(xiàn)的一般過(guò)程。②在對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和控制信息進(jìn)行分析和定義后將系統(tǒng)框圖作進(jìn)一步的分解和細(xì)化。圖11-1(b)為第一步的分解圖。③系統(tǒng)框圖中的輸入、輸出只是一般意義的輸入和輸出,輸入信號(hào)在A/D轉(zhuǎn)換前一般要進(jìn)行放大或衰減處理,輸出的方式根據(jù)要求可以是顯示或進(jìn)一步的后處理等。圖11-1(c)為輸入、輸出進(jìn)一步明確后的方框圖。圖11-1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖11.1.2時(shí)序圖【例11-2】用時(shí)序圖描述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制數(shù)據(jù)寫入、讀出存儲(chǔ)器的時(shí)間關(guān)系。

解:該系統(tǒng)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寫入、讀出的時(shí)序主要由控制功能模塊產(chǎn)生,寫入存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)由A/D轉(zhuǎn)換器提供,其時(shí)間順序如下:首先給A/D發(fā)出啟動(dòng)命令START。START為高電平有效,當(dāng)START下降沿來(lái)到時(shí)開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

EOC為A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào),輸出高電平有效。在START上升沿后1~8個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),EOC變?yōu)榈碗娖綍r(shí),標(biāo)志A/D正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換,當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí),EOC由低變?yōu)楦?,控制電路向A/D發(fā)出輸出允許信號(hào)后,A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)便可以送出。存儲(chǔ)器的寫命令WR為低電平有效,當(dāng)控制電路向存儲(chǔ)器發(fā)出寫命令WR后,便可以將A/D送出的數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器寫完數(shù)據(jù)后,控制電路再向存儲(chǔ)器發(fā)RD讀出命令。當(dāng)RD為低電平有效時(shí),便可以從存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)。圖11-2例11-2工作時(shí)序圖11.2數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例11.2.1定時(shí)電路的設(shè)計(jì)【例11-3】設(shè)計(jì)定時(shí)電路,要求該電路實(shí)現(xiàn)以下功能:(1)可任意設(shè)置定時(shí)的小時(shí)、分。(2)數(shù)碼管顯示減計(jì)數(shù)過(guò)程的時(shí)間,可顯示小時(shí)、分、秒。(3)定時(shí)結(jié)束報(bào)警。解:①定時(shí)電路的方框圖描述。根據(jù)定時(shí)電路的設(shè)計(jì)要求,我們把該電路的工作過(guò)程分為三步進(jìn)行:首先設(shè)置需要定時(shí)的時(shí)間;然后啟動(dòng)定時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí),計(jì)時(shí)采用倒計(jì)時(shí)的方式工作,同時(shí)顯示倒計(jì)時(shí)的時(shí)間;最后當(dāng)定時(shí)結(jié)束時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào),用發(fā)光二極管指示定時(shí)結(jié)束。圖11-3定時(shí)電路框圖②系統(tǒng)組成及基本原理。定時(shí)電路原理圖如圖11-4所示,該電路由振蕩器、計(jì)數(shù)器、時(shí)間顯示、定時(shí)控制、定時(shí)時(shí)間設(shè)置幾個(gè)部分組成。·定時(shí)時(shí)間設(shè)置。時(shí)間設(shè)置電路可實(shí)現(xiàn)小時(shí)和分的設(shè)置。由于采用減計(jì)數(shù)方式,設(shè)置的時(shí)間就是需要的定時(shí)時(shí)間。小時(shí)的設(shè)置通過(guò)直接置A7、A8兩計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)置數(shù)端D12~D7。因?yàn)橐惶熘挥?4小時(shí),小時(shí)的最高位只為2,因此A7計(jì)數(shù)器的C、D端接地。如需要更長(zhǎng)的定時(shí)時(shí)間,對(duì)C、D端置數(shù)即可。圖11-4定時(shí)電路原理圖分的設(shè)置有兩個(gè)過(guò)程:計(jì)數(shù)開始前為人工預(yù)置定時(shí)時(shí)間的分,此時(shí)S1=0,A13導(dǎo)通,A14斷開,人工預(yù)置的時(shí)間分鐘通過(guò)A13數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器的D6~D0送入A9、A10計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)端。計(jì)數(shù)開始時(shí),S1=1,A13斷開,人工預(yù)置的分鐘數(shù)據(jù)就不能通過(guò)A13送入A9、A10分計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)端。在減計(jì)數(shù)的過(guò)程中,如果小時(shí)計(jì)數(shù)器A7、A8不為0,每當(dāng)A7、A8減1計(jì)數(shù),分計(jì)數(shù)器就要從59減到0。由于A14的使能端接A9的借位端,當(dāng)A9、A10分計(jì)數(shù)器減到0時(shí),A14導(dǎo)通使A9、A10自動(dòng)設(shè)置到59?!び?jì)數(shù)、顯示、分頻。計(jì)數(shù)器是整個(gè)定時(shí)系統(tǒng)的主要部分。由6塊十進(jìn)制加減計(jì)數(shù)器74LS168構(gòu)成減法計(jì)數(shù)器。小時(shí)計(jì)數(shù)器的模值為24,分和秒計(jì)數(shù)器的模值都是60。計(jì)數(shù)器的輸出通過(guò)數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)譯碼器A1~A6去驅(qū)動(dòng)共陰極數(shù)碼管顯示時(shí)間,顯示的時(shí)間值為時(shí)、分、秒。計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率為1Hz,由晶體振蕩器產(chǎn)生的32768Hz時(shí)鐘,經(jīng)過(guò)A17、A18兩片計(jì)數(shù)器215分頻得到。·定時(shí)啟動(dòng)和定時(shí)控制。設(shè)置好定時(shí)時(shí)間的時(shí)、分值后,撥動(dòng)開關(guān)S1接地(S1=0),D觸發(fā)器(A15)的Q=1,設(shè)置的時(shí)間值送入計(jì)數(shù)器并顯示。S1再撥到UCC時(shí)(S1=1),減計(jì)數(shù)定時(shí)開始。當(dāng)時(shí)間值減到全0時(shí),A15的CLK端產(chǎn)生上升沿,使Q=0,顯示器全滅,發(fā)光二極管V1亮。該電路的定時(shí)結(jié)束指示電路也可以根據(jù)需要改成不同形式的控制方式,如控制繼電器的通斷、定時(shí)發(fā)聲報(bào)警、定時(shí)產(chǎn)生啟動(dòng)信號(hào)等等。該電路也可改成加法計(jì)數(shù)定時(shí)系統(tǒng),讀者可根據(jù)要求設(shè)計(jì)出相應(yīng)的定時(shí)電路。11.2.2數(shù)字頻率計(jì)的設(shè)計(jì)1.頻率測(cè)量的工作原理數(shù)字頻率計(jì)是用于測(cè)量信號(hào)頻率的電路。測(cè)量信號(hào)的頻率參數(shù)是最常用的測(cè)量方法之一。實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量的方法比較多,在此我們主要介紹三種常用的方法:時(shí)間門限測(cè)量法、標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法、等精度測(cè)量法。1)時(shí)間門限測(cè)量法在一定的時(shí)間門限T內(nèi),如果測(cè)得輸入信號(hào)的脈沖數(shù)為N,設(shè)待測(cè)信號(hào)的頻率為fx,則該信號(hào)的頻率為改變時(shí)間T,則可改變測(cè)量頻率范圍。例如,當(dāng)T=1s,則fx=N(Hz);T=1ms,則fx=N(kHz)。此方法的原理框圖如圖11-5所示,時(shí)序波形圖如圖11-6所示。圖11-5測(cè)頻原理框圖圖11-6測(cè)頻時(shí)序波形圖2)標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法用兩組計(jì)數(shù)器在相同的時(shí)間門限內(nèi)同時(shí)計(jì)數(shù),測(cè)得待測(cè)信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為N1、已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)為N2,設(shè)待測(cè)信號(hào)的頻率為fx,已知的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率為f0;由于測(cè)量時(shí)間相同,則可得到如下等式:從上式可得出待測(cè)信號(hào)的頻率公式為標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法對(duì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間門限的精度要求不高,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度和頻率的穩(wěn)定度要求較高,標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的頻率越高,測(cè)量的精度就比較高。該方法的測(cè)量時(shí)間誤差與時(shí)間門限測(cè)量法的相同,可能的最大誤差為正負(fù)一個(gè)待測(cè)信號(hào)周期,即Δt=±1/fx。測(cè)量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差時(shí)序波形如圖11-7所示。圖11-7一般測(cè)量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差時(shí)序波形圖3)等精度測(cè)量法等精度測(cè)量法的機(jī)理是在標(biāo)準(zhǔn)頻率比較測(cè)量法的基礎(chǔ)上改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)開始和結(jié)束與閘門門限的上升沿和下降沿的嚴(yán)格關(guān)系。當(dāng)閘門門限的上升沿到來(lái)時(shí),如果待測(cè)量信號(hào)的上升沿未到時(shí)兩組計(jì)數(shù)器也不計(jì)數(shù),只有在待測(cè)量信號(hào)的上升沿到來(lái)時(shí),兩組計(jì)數(shù)器才開始計(jì)數(shù);當(dāng)閘門門限的下降沿到來(lái)時(shí),如果待測(cè)量信號(hào)的一個(gè)周期未結(jié)束時(shí)兩組計(jì)數(shù)器也不停止計(jì)數(shù),只有在待測(cè)量信號(hào)的一個(gè)周期結(jié)束時(shí)兩組計(jì)數(shù)器才停止計(jì)數(shù)。這樣就克服了待測(cè)量信號(hào)的脈沖周期不完整的問(wèn)題,其誤差只由標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)產(chǎn)生,與待測(cè)量信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)。最大誤差為正負(fù)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)頻率周期,即Δt=±1/f0。由于一般標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)頻率都在幾十兆赫茲以上,因此誤差小于10-6。圖11-8等精度測(cè)量法的時(shí)序波形圖2.頻率計(jì)電路設(shè)計(jì)【例11-4】設(shè)計(jì)一頻率計(jì),要求:(1)測(cè)頻的頻率范圍為1Hz~10kHz。(2)顯示位數(shù)用四位數(shù)碼顯示。解:時(shí)間門限測(cè)量頻率的原理框圖如圖11-5所示,晶體振蕩電路產(chǎn)生較高的標(biāo)準(zhǔn)頻率,經(jīng)分頻電路可獲得各種時(shí)間基準(zhǔn)脈沖(T=1s,0.1s,10ms,1ms,…),由開關(guān)S控制選擇時(shí)基脈沖。被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大整形后變成脈沖信號(hào)送到主控門的輸入端,只有在閘門信號(hào)的閘門時(shí)間T內(nèi)輸入信號(hào)才能通過(guò)主控門進(jìn)行計(jì)數(shù)。測(cè)頻電路的時(shí)序波形如圖11-6所示。3.實(shí)現(xiàn)電路及說(shuō)明時(shí)間門限測(cè)量頻率電路圖如圖11-9所示。電路中的振蕩電路產(chǎn)生1MHz的頻率標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)分頻器10分頻、102分頻、103分頻、104分頻、105分頻、106分頻,產(chǎn)生6種時(shí)基信號(hào)10μs、0.1ms、1ms、10ms、0.1s、1s,分頻電路由十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90實(shí)現(xiàn)(圖中的D1~D6)。

時(shí)基信號(hào)由八選一數(shù)據(jù)選擇器(74LS151(D15))實(shí)現(xiàn)選擇。當(dāng)S2S1S0=000時(shí)選擇1s,S2S1S0=001時(shí)選擇0.1s,…,S2S1S0=101時(shí)選擇10μs。選擇的時(shí)基信號(hào)經(jīng)D觸發(fā)器構(gòu)成對(duì)應(yīng)時(shí)間寬度的時(shí)基門限。圖11-9測(cè)量頻率電路圖計(jì)數(shù)顯示:計(jì)數(shù)器由四片74LS90十進(jìn)制計(jì)數(shù)器D7~D10實(shí)現(xiàn),計(jì)數(shù)完成后數(shù)據(jù)鎖存由74LS374完成,鎖存后的數(shù)據(jù)經(jīng)74LS48數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)器和共陰極數(shù)碼管進(jìn)行顯示。顯示數(shù)值到下一次計(jì)數(shù)完成后刷新??捎冒l(fā)光管或其它方法提示頻率單位Hz或kHz。11.2.3任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)1.波形發(fā)生器工作原理圖11-10任意波形發(fā)生器原理框圖1)直接地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生方法工作過(guò)程是,如果計(jì)數(shù)器的位數(shù)為N位(模值=2N),則把波形的一個(gè)周期分為2N個(gè)等間隔數(shù)據(jù)點(diǎn)(抽樣點(diǎn))存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,地址計(jì)數(shù)器不斷地循環(huán)計(jì)數(shù),就產(chǎn)生出每一周期為2N個(gè)固定點(diǎn)的波形。該方法的特點(diǎn)是每一個(gè)波形周期的點(diǎn)數(shù)是固定的,每一周期內(nèi)點(diǎn)與點(diǎn)之間的相位間隔相同。但是,兩個(gè)相鄰周期波形之間的相鄰兩個(gè)點(diǎn)的相位間隔與其它點(diǎn)之間的相位間隔有可能不同。當(dāng)計(jì)數(shù)器的位數(shù)N增加時(shí),這種相位間隔的誤差就可以忽略。如果產(chǎn)生的波形是循環(huán)讀出的周期波形,則波形的頻率由兩方面來(lái)決定:一方面,波形的頻率由地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘決定,當(dāng)波形存儲(chǔ)的點(diǎn)數(shù)一定時(shí),計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率越快,讀出一周期波形數(shù)據(jù)的時(shí)間就越短,生產(chǎn)輸出波形的頻率就越高,反之,則波形頻率低;另一方面,波形的頻率也由組成一周波形的點(diǎn)數(shù)來(lái)確定,當(dāng)計(jì)數(shù)時(shí)鐘頻率一定時(shí),一周波形的點(diǎn)數(shù)越多,讀完一周波形所需的時(shí)間就越長(zhǎng),波形頻率就低,反之則高。如果設(shè)地址計(jì)數(shù)器的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率為fr,計(jì)數(shù)器的位數(shù)為N位,一周波形的點(diǎn)數(shù)有M個(gè),輸出波形的頻率為fo,則輸出波形的頻率fo與fr、M的關(guān)系式為從上式可以得出,當(dāng)fr為一固定值時(shí),波形的最小頻率為波形的最高頻率受到奈奎斯特抽樣定理的限制,至少每一周期抽樣兩個(gè)點(diǎn),所以有2)相位累加器產(chǎn)生方法(或DDS方法)DDS方法是根據(jù)正弦波形的產(chǎn)生,從相位出發(fā),用等間隔的相位,給出各相位的正弦波形數(shù)據(jù)點(diǎn)(抽樣點(diǎn)),存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,通過(guò)相位累加器的循環(huán)相位累加,產(chǎn)生周期性正弦波。圖11-11DDS方法實(shí)現(xiàn)的原理方框圖

fr為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘頻率,Tr=1/fr;

fo為輸出波形頻率,To=1/fo;

Pw為相位增量系數(shù),這個(gè)值給出的是相位變化的速度。如果累加器的位數(shù)是N位,則2π/2N

rad就是最小的相位增量。于是對(duì)應(yīng)的相位增量是Pw×2π/2N

rad。完成一周正弦波輸出需要經(jīng)過(guò)2π/(Pw×2π/2N)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘周期,可以得出輸出波形的周期為或根據(jù)上述分析可知,相位增量系數(shù)Pw越小,波形的失真度越小,輸出波形的頻率fo越低,最低時(shí)的輸出頻率:同樣,相位增量系數(shù)Pw越大,波形的失真度越高,輸出波形的頻率fo越大,最大的輸出頻率:2.波形產(chǎn)生器設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的幾個(gè)問(wèn)題1)D/A轉(zhuǎn)換器指標(biāo)任意波形發(fā)生器的特性很大程度上取決于D/A轉(zhuǎn)換器的性能。主要性能指標(biāo)是D/A的轉(zhuǎn)換速度和分辨率(位數(shù))。通常,高速D/A的分辨率較低。目前常采用8位、10位和12位的D/A轉(zhuǎn)換器。8位D/A的分辨率有28=256個(gè)離散電壓等級(jí),而12位D/A分辨率有212=4096個(gè)電壓等級(jí)。D/A位數(shù)越多,分辨率越高,再現(xiàn)的波形量化誤差就小,從而波形的失真度小。因此,選擇什么樣的分辨率可根據(jù)失真度要求來(lái)考慮。2)分頻器分頻器主要用于改變地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率。一般設(shè)計(jì)波形發(fā)生器要考慮產(chǎn)生的波形頻率可在一定范圍內(nèi)變化,如低頻信號(hào)的頻率范圍一般為1Hz~1MHz。為了達(dá)到最高信號(hào)頻率的要求,振蕩器的頻率要有最高信號(hào)頻率的幾十倍。如果不對(duì)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻,要得到最低信號(hào)頻率1Hz時(shí),就要求有很大的波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,并且改變一次波形頻率fo就要改變一次波形存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù),這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的任意波形發(fā)生器靈活性就差。如果采用可編程分頻器,通過(guò)控制分頻系數(shù)來(lái)控制地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率fr的變化,而存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)M不變,則波形頻率就只隨fr的變化而變化這樣就方便了。3)波形存儲(chǔ)器的選擇存儲(chǔ)器的選擇可根據(jù)波形產(chǎn)生的功能要求,選擇隨機(jī)存儲(chǔ)器(RAM)或只讀存儲(chǔ)器(EPROM)。(1)RAM存儲(chǔ)器使用RAM存儲(chǔ)器時(shí),設(shè)計(jì)者可通過(guò)計(jì)算機(jī)編程及I/O接口電路對(duì)RAM進(jìn)行波形存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)任意波形和函數(shù)發(fā)生器。甚至可以通過(guò)鍵盤輸入方程式或從顯示器掃描曲線產(chǎn)生較復(fù)雜的波形。RAM存儲(chǔ)方式可通過(guò)計(jì)算機(jī)改變波形點(diǎn)數(shù)和分頻系數(shù)兩個(gè)參數(shù)來(lái)改變波形頻率。RAM存儲(chǔ)器與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的原理框圖如圖11-12所示。圖11-12計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)波形發(fā)生器的原理框圖(2)EPROM存儲(chǔ)器如果設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器只要求產(chǎn)生幾種確定的波形時(shí),可預(yù)先利用EPROM編程器寫好各種波形的數(shù)據(jù)表,然后通過(guò)計(jì)數(shù)器查表產(chǎn)生波形。EPROM存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)不能改變,因此信號(hào)頻率的改變靠改變分頻系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。EPROM存儲(chǔ)方式的波形產(chǎn)生器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本低,容易實(shí)現(xiàn)。3.任意波形產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)電路1)波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)表波形發(fā)生器產(chǎn)生的各種波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi),電路中的存儲(chǔ)器選用2764EPROM,存儲(chǔ)容量為8K×8。本設(shè)計(jì)電路的存儲(chǔ)器只存入了四種波形的數(shù)據(jù)表,每一種波形用1K個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一個(gè)周期,共用4K個(gè)內(nèi)存,其余4K個(gè)可供擴(kuò)展波形種類使用。四種波形的數(shù)據(jù)表地址和對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元內(nèi)容如表11-1所示。從表可看出每一種波形的高三位地址A12A11A10不變,只有A9~A0十位地址從全0變到全1。表11-1四種波形的數(shù)據(jù)表地址及對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元內(nèi)容2)地址計(jì)數(shù)器電路地址計(jì)數(shù)器由D4、D5、D6三塊74161構(gòu)成最大模值為1024的計(jì)數(shù)器。地址計(jì)數(shù)器從全0計(jì)到全1,可循環(huán)產(chǎn)生1K個(gè)地址。對(duì)4K個(gè)波形尋址時(shí)EPROM的A12可直接接地,只要用開關(guān)S1、S2選擇A11A10從00到11,就可實(shí)現(xiàn)四種波形的選擇輸出。圖11-13波形發(fā)生器電路4.波形頻率計(jì)算式中fr為地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率,M為存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的點(diǎn)數(shù)。由于M=1024為固定值,只有控制分頻器的分頻系數(shù)改變fr,才能改變fo。該電路的分頻器由D7、D8、D9、D10四塊74161構(gòu)成可預(yù)置計(jì)數(shù)器,實(shí)現(xiàn)任意M分頻。分頻系數(shù)N與置數(shù)端值D的關(guān)系為其中n為計(jì)數(shù)器的位數(shù)(n=16),D為置數(shù)端D15~D0的二進(jìn)制數(shù)值,取值范圍為0~2n-2。分頻器的輸出頻率為式中fCP為振蕩器產(chǎn)生的頻率,由12MHz晶體振蕩電路產(chǎn)生。將fr代入fo的公式得由于2764EPROM的最快讀出時(shí)間為150ns,分頻器的最大輸出頻率frmax=6MHz。當(dāng)Nmin=2時(shí),M=1024,當(dāng)Nmax=65536時(shí),M=1024,為了獲得更高的信號(hào)頻率可采取以下措施:①減少波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間M;②采用讀出頻率更高的EPROM。

降低信號(hào)頻率的方法:①增加波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間M;②降低振蕩器頻率;③增加分頻計(jì)數(shù)器位數(shù)n。

綜合高、低頻率要求,只有采用高頻的EPROM和增加分頻器位數(shù)比較合適。11.2.4數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件是A/D轉(zhuǎn)換器。通常在不同的應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)有不同的技術(shù)要求,主要有分辨率、采樣率、采樣方式、精度和輸入范圍等。圖11-14數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖1)A/D輸入電壓動(dòng)態(tài)范圍不同的A/D其輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍不同,一般有0~5V、0~+10V、-5~+5V和-2.5~+2.5V等。如果某一A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍是0~10V,而輸入模擬信號(hào)電壓范圍為-5~+5V,為了滿足A/D輸入的要求,應(yīng)采用運(yùn)放加法電路使輸出模擬量在0~10V范圍內(nèi)變化。對(duì)微弱的模擬信號(hào)常常要經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大后再輸入A/D轉(zhuǎn)換器。2)采樣頻率模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)必須經(jīng)過(guò)采樣保持電路。為了不失真地采集模擬信號(hào),要求A/D的采樣頻率最低為2倍的信號(hào)頻率。在實(shí)際應(yīng)用中,為了保證信號(hào)采集質(zhì)量,選擇A/D的采樣頻率通常為信號(hào)頻率的3~4倍,工程上有時(shí)取10倍。常用的A/D器件ADC0809的最高采樣頻率fmax=10kHz。3)分辨率A/D的分辨率一般由A/D的位數(shù)和輸入電壓范圍來(lái)決定。如兩個(gè)輸入電壓范圍都為0~10V,轉(zhuǎn)換位數(shù)一個(gè)為8位,另一個(gè)為10位,則分辨率分別為由此可見(jiàn),如何選擇A/D的位數(shù),以便滿足分辨率的要求,應(yīng)從這兩方面來(lái)考慮。2.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電路介紹1)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、顯示電路數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)電路如圖11-15所示。ADC0809是一種常用的8路輸入8位逐次比較A/D轉(zhuǎn)換器,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和詳細(xì)工作時(shí)序請(qǐng)參閱10.2節(jié)。ADC0809的基本參數(shù)為:電源電壓UCC=+5V,輸入電壓范圍為0~5V,時(shí)鐘頻率f≤640kHz,線性誤差為±1LSB,轉(zhuǎn)換時(shí)間Tc=100μs。電路工作過(guò)程如下:(1)輸入放大電路輸入信號(hào)經(jīng)運(yùn)放0P07同相放大后送入ADC0809,放大器的放大倍數(shù)AV=(R1+RF)/R1,改變RF和R1的值可以調(diào)節(jié)AV,從而使放大器輸出電壓Uo滿足ADC0809的動(dòng)態(tài)范圍。電路中只使用一路模擬信號(hào),由IN0輸入,因此ADC0809的輸入信號(hào)地址ADDA、ADDB、ADDC接地。(2)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)過(guò)程在這一過(guò)程中,首先使開關(guān)S2置高電平UCC,以便地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘通過(guò)與門A8(A74LS08),然后把開關(guān)S1由UCC撥到地,再撥到UCC,產(chǎn)生一負(fù)脈沖,使D觸發(fā)器A7的Q置“1”,地址計(jì)數(shù)器清0,采集過(guò)程開始。

START信號(hào)由時(shí)鐘fCP和EOC轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)相與形成。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換未開始時(shí),EOC=1,START的正脈沖寬度為fCP的正脈沖寬度。START正脈沖的下降沿到達(dá)后,EOC=0,A/D轉(zhuǎn)換器開始轉(zhuǎn)換;當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后,EOC由0變成1,EOC=1保持一個(gè)fCP周期,第二個(gè)START正脈沖產(chǎn)生,第二次A/D轉(zhuǎn)換開始;如此循環(huán),形成不斷的采集過(guò)程,直到地址計(jì)數(shù)器為全“1”時(shí)結(jié)束。

ALE信號(hào):ALE與START端接在一起,輸入地址在ALE=START=1時(shí)允許,ALE=0時(shí)被禁止。OE信號(hào):輸出允許端OE由EOC和D觸發(fā)器的Q相與提供,在采集過(guò)程中Q一直為1,則OE=EOC,只有當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)EOC=1,才有OE=1,即允許數(shù)據(jù)輸出,8位數(shù)據(jù)此時(shí)送入RAM存儲(chǔ)器。

RAM寫入過(guò)程:由于A7∶A的Q=1,開關(guān)S2=1,RAM地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘

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