定時器的應(yīng)用及其仿真

1、電子電路設(shè)計實踐設(shè)計題目：定時器的應(yīng)用及其仿真系別：電氣工程學院專業(yè):電子信息工程班級： 2010級2班 姓名：學號： 201050182 指導教師： 時間：2012年12月15日綏化學院電氣工程學院1設(shè)計要求該集成運放綜合參數(shù)測試儀是以凌陽公司 SPCE061A單片機為控制核心，由 檢測電路、信號源、自動測試控制電路、鍵盤和LED顯示器等組成。它能對LM741 及與之引腳兼容的其他集成運放（例如卩A741、F007、F741）的基本參數(shù)UIOIIO、AVD KCM!及BW（進行測試和數(shù)字顯示，并具有語音播報、自動打印功能。 利用DDS芯片AD9835產(chǎn)生40kHz4MHz掃頻信號以及測試儀中

2、的5Hz信號。程 序設(shè)計采用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 程實現(xiàn)。2總體方案設(shè)計與選擇2.1主控制器的方案選擇方案一：采用89C51單片機。89C51I/O端口較少，與微型打印機、信號源、 鍵盤與顯示電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的接口電路比較復雜；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。該單片機內(nèi)置 A/D轉(zhuǎn)換模塊，在32 個I/O 口中，有8個端口可以作為模擬量輸入端口 （其中1路為音頻信號輸入口）， 能滿足對模擬信號輸入的要求，簡化外圍電路設(shè)計；具有兩路DAC 14個中斷源 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)，實現(xiàn)語音播放功能極為簡單。另外，該芯片內(nèi)置了在線仿真、編程接口，可方便地實現(xiàn)在線調(diào)試。 經(jīng)過比較后采用方案二。2.2 信號源的方案選擇根據(jù)題目要求，測試用的信號源應(yīng)輸出 5Hz、有效值為4V的正弦波信號， 頻率與電壓誤差絕對值均小于1%要求掃頻信號源輸出頻率范圍是 40kHz 4MHz頻率誤差絕對值小于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)生的頻率信號穩(wěn)定度差、精度低，且低頻信號失真較

4、大。由于其采用模擬控制方式，如果要實現(xiàn)掃頻信號輸出，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 對模擬周期信號抽樣得到的一系列數(shù)字信號存入存儲器中，再通過DAC轉(zhuǎn)換成模 擬信號來完成頻率合成的。由于DDS采用全數(shù)字方式實現(xiàn)頻率合成，直接對參考 正弦波時鐘進行抽樣和數(shù)字化，然后通過數(shù)字計算技術(shù)進行頻率合成，因此具有模

5、擬頻率合成技術(shù)無法比擬的優(yōu)點。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)點使其逐漸成為未來信號源發(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，使電路簡單、編程方便；內(nèi)部有一個32位相位累加器，用于存放頻率控制字，可實現(xiàn)1Hz的頻率調(diào)節(jié)。綜上所述，采用DDS專用芯片不僅可實現(xiàn)精密正弦信號發(fā)生器的優(yōu)化設(shè)計，而且給調(diào)試工作帶來極大的方便，經(jīng)反復論證，本設(shè)計采用方案二3集成運算放大器簡易測試儀的設(shè)計本系統(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、單位增益帶寬測試

6、電路、運放參數(shù)測試電路、由AD9835勾成的DDS言號源以及打印機等。系統(tǒng)硬件連接圖如圖 2。圖1集成運放綜合參數(shù)測試儀的系統(tǒng)框圖圖2系統(tǒng)硬件連接圖3.1電路設(shè)計1、單片機系統(tǒng)設(shè)計采用凌陽公司的單片機開發(fā)系統(tǒng)-SPCE061A精簡開發(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、運放參數(shù)測試電路輸入失調(diào)電壓、失調(diào)電流等參數(shù)的測試原理如圖3所示。圖3運放參數(shù)測試電路原理圖（1）輸入失調(diào)電壓UIO由于運放電路參數(shù)的不對稱

7、，使得兩個輸入端都接地時輸出電壓不為零， 稱 之為放大器的失調(diào)。為使輸出電壓回到零點，必須在輸入端加一個糾偏電壓來補 償這種失調(diào)，這個糾偏電壓就叫運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，在兩個輸入端之間加的直流補償電壓。 輸入失調(diào)電壓 的測量原理如圖3所示，此時應(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。這時若測得輔助運放 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的定義為補償失調(diào)電壓后，使輸出電壓為零時，流入運算放大器兩輸入 端的電流差值。測試原理仍用

8、圖 3,將S3 S4均撥到左邊位置。測試分兩步進 行：第一步是將S1、S2閉合，測得輸出電壓為ULO這時的電路與測試輸入失 調(diào)電壓完全相同。第二步是將 S1、S2都斷開，此時運放的兩個輸入端上除失調(diào) 電壓UIO之外，還有輸入電流在電阻上所產(chǎn)生的電壓， 只要測得輔助運放的輸出 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試誤差，因此 在測試開環(huán)

9、電壓增益時都采用交流開環(huán)、直流閉環(huán)的方法。測試原理如圖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)信號源輸出電 壓為US測得輔助運放輸出電壓為UL0,利用題目要求的公式即可用公式計算交 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)，還與輸入信號大小和波形有 關(guān)，因此測量頻率不宜太高，信號不宜過大。其測試原理如圖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)信號源輸出電壓為 US測 得輔助運放輸出電壓為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信號源DDS言號源由相位累加器、余弦存儲器（即余弦 ROM表）、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器等 組成，其框圖如圖4所示。參考時鐘由一個高穩(wěn)定度的50MHz晶體振蕩器來產(chǎn)生， 用它來同步整個合成器的各個組成部分。圖4DDS信號源的框圖DDS芯片AD9835的典型應(yīng)用電路如圖5所示。單片機與AD9835串行連接時, 三個端口（ IOA1I0A3）分別作為時鐘端、數(shù)據(jù)輸入端和片選端，由單片機向 AD9835寫入控制字和數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)產(chǎn)生正弦信號的目的。3vai圖5AD9835的典型應(yīng)用電路4、單位增益帶寬測試電路運放的單位增益帶寬（BWG是使開環(huán)增益Aod下降到零分

11、貝（亦即Aod= 1, 運放失去電壓放大能力）時的信號頻率。單位增益帶寬測試電路由待測運放和電 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 組成兩個峰值檢波電路。由DDS產(chǎn)生的正弦信號UIN經(jīng)過被測運放進行放大，形 成信號UC運放的增益是隨信號的頻率變化而變化的，即輸入信號的頻率越低， 其增益越高。UIN的頻率較低時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。隨著輸入信號頻率的升高，運放的增益逐 漸減小，UC的幅值也隨之減小，當Aod下降到零分貝時，比較器的兩個輸入信 號UA= UB比較器就輸出一個電壓正跳變，經(jīng)

12、過穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后在輸出端形成一個+5V的高電平，送至單片機，此時的頻率即為被測運放的單位增益帶寬。由于 集成運放的Aod比較大，為便于測試，應(yīng)當給被測運放引入適當?shù)呢摲答仭?.2軟件設(shè)計圖6單位增益帶寬測試電路測試說明 4.1 UIO、110、AVD KCM的測試方法從電路中引出一條模擬信號輸出線（即輔助運放輸出端）與SPCE061的 IOA0 端口相連，將模擬信號轉(zhuǎn)換成所需要的數(shù)字信號。 具體方法如下：對輸入的低頻 模擬信號進行1kHz的采樣，每500個抽樣點為一組，每兩個相鄰抽樣點之間進 行信號跳變處理，取完五百個抽樣點進行比較，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 測試數(shù)據(jù)測試UIO IIO、AVD KCMR勺數(shù)據(jù)見表1。測量值與標準值的誤差比較見表 2,這里的標準值是由專用集成運放測試儀測得的。表1測試UIO、II0、AVD KCMR勺數(shù)據(jù)次數(shù)測量值計算值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測量值與標準值的比較測試芯片測量值標準值誤差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信號源的輸出頻率范圍及輸出電壓有效值見表3表3信號源的輸出標準頻率/Hz實測頻率/Hz誤差/ (%有

15、效值/V10.9990.012.110099.90.12.11k0.994k0.62.010k9.98k0.22.0100k100 k01.81M1M01.94M4M01.8增益帶寬的測量數(shù)據(jù)見表4。表4增益帶寬的測量數(shù)據(jù)標準值/ MHz次數(shù)測量值/ MHz11.4011.40121.40231.4025 總結(jié)(1) 該集成運放參數(shù)測試儀能對 UIO 110、AVD KCMR四項基本參數(shù)進 行準確測試。其中UI0的測試范圍是040mV誤差絕對值小于2% II0的測 試范圍是04卩A,誤差絕對值小于2% AVD的測試范圍是60120dB,誤差 絕對值小于3dB。KCMR勺測試范圍是60120dB,誤差絕對值小于3dB。(2) DDS言號源能輸出頻率為5Hz、有效值為4V的正弦信號，誤差絕對值滿足小于1%勺設(shè)計要求。掃描信號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) 測量單位增益帶寬的范圍是 100kHz5MHz測量時間小于10s，頻率 分辨率