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)性聲明本人鄭重承諾：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)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，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 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對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謝意。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；

2、學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)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?、縮印、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內(nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：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)注引用的內(nèi)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)位論文版權(quán)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)

3、定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)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內(nèi)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 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc145768885 高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc145768885 h 3 HYPERLINK l _Toc145768886 Design of the High-resolution A/D Conver

4、tor Circuit PAGEREF _Toc145768886 h 3 HYPERLINK l _Toc145768887 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc145768887 h 4 HYPERLINK l _Toc145768888 1.1 設(shè)計(jì)要求 PAGEREF _Toc145768888 h 4 HYPERLINK l _Toc145768889 1.2 方案比較與論證 PAGEREF _Toc145768889 h 4 HYPERLINK l _Toc145768890 1.2.1 總體方案論證 PAGEREF _Toc145768890 h 4 HYPERLINK l _

5、Toc145768891 1.2.2 系統(tǒng)電源模塊方案論證 PAGEREF _Toc145768891 h 7 HYPERLINK l _Toc145768892 1.2.3 模擬信號采集與處理模塊方案論證 PAGEREF _Toc145768892 h 9 HYPERLINK l _Toc145768893 1.2.4 AD轉(zhuǎn)換模塊方案論證 PAGEREF _Toc145768893 h 10 HYPERLINK l _Toc145768894 1.2.5 數(shù)字信號處理與輸出模塊方案論證 PAGEREF _Toc145768894 h 13 HYPERLINK l _Toc145768895

6、 1.2.6 單片機(jī)控制接口部分設(shè)計(jì)方案論證 PAGEREF _Toc145768895 h 13 HYPERLINK l _Toc145768896 1.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc145768896 h 15 HYPERLINK l _Toc145768897 1.3.1 總體設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc145768897 h 15 HYPERLINK l _Toc145768898 1.3.2 設(shè)計(jì)方案選擇 PAGEREF _Toc145768898 h 16 HYPERLINK l _Toc145768899 2 硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc1457688

7、99 h 17 HYPERLINK l _Toc145768900 2.1 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源 PAGEREF _Toc145768900 h 17 HYPERLINK l _Toc145768901 2.2 精密基準(zhǔn)電壓源 PAGEREF _Toc145768901 h 17 HYPERLINK l _Toc145768902 2.3 模擬可調(diào)電壓源 PAGEREF _Toc145768902 h 18 HYPERLINK l _Toc145768903 2.4 信號調(diào)理與采樣保持電路 PAGEREF _Toc145768903 h 20 HYPERLINK l _Toc145768904

8、2.5 積分與比較電路 PAGEREF _Toc145768904 h 21 HYPERLINK l _Toc145768905 2.6 時(shí)鐘信號產(chǎn)生電路 PAGEREF _Toc145768905 h 22 HYPERLINK l _Toc145768906 2.7 計(jì)數(shù)器與輸出接口電路 PAGEREF _Toc145768906 h 22 HYPERLINK l _Toc145768907 2.8 定時(shí)器模塊 PAGEREF _Toc145768907 h 23 HYPERLINK l _Toc145768908 2.9 單片機(jī)最小系統(tǒng)及應(yīng)用電路 PAGEREF _Toc145768908

9、 h 25 HYPERLINK l _Toc145768909 2.10 鍵盤模塊 PAGEREF _Toc145768909 h 26 HYPERLINK l _Toc145768910 2.11 顯示模塊 PAGEREF _Toc145768910 h 27 HYPERLINK l _Toc145768911 3 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc145768911 h 27 HYPERLINK l _Toc145768912 3.1軟件總體設(shè)計(jì)思路 PAGEREF _Toc145768912 h 27 HYPERLINK l _Toc145768913 3.2 中斷服務(wù)程序 PAGERE

10、F _Toc145768913 h 28 HYPERLINK l _Toc145768914 3.3 動態(tài)顯示子程序 PAGEREF _Toc145768914 h 29 HYPERLINK l _Toc145768915 3.4 連續(xù)轉(zhuǎn)換1s子程序 PAGEREF _Toc145768915 h 30 HYPERLINK l _Toc145768916 3.5 連續(xù)顯示子程序 PAGEREF _Toc145768916 h 31 HYPERLINK l _Toc145768917 3.6 頻率顯示子程序 PAGEREF _Toc145768917 h 32 HYPERLINK l _Toc1

11、45768918 4 系統(tǒng)分析與理論計(jì)算 PAGEREF _Toc145768918 h 33 HYPERLINK l _Toc145768919 4.1 系統(tǒng)工作原理 PAGEREF _Toc145768919 h 33 HYPERLINK l _Toc145768920 系統(tǒng)初始化 PAGEREF _Toc145768920 h 33 HYPERLINK l _Toc145768921 4.1.2 AD轉(zhuǎn)換過程 PAGEREF _Toc145768921 h 33 HYPERLINK l _Toc145768922 4.1.3 測量數(shù)據(jù)的顯示與控制 PAGEREF _Toc14576892

12、2 h 34 HYPERLINK l _Toc145768923 4.2 系統(tǒng)誤差分析 PAGEREF _Toc145768923 h 35 HYPERLINK l _Toc145768924 4.2.1 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因 PAGEREF _Toc145768924 h 35 HYPERLINK l _Toc145768925 4.2.2 系統(tǒng)誤差的計(jì)算 PAGEREF _Toc145768925 h 36 HYPERLINK l _Toc145768926 5 系統(tǒng)測試 PAGEREF _Toc145768926 h 37 HYPERLINK l _Toc145768927 5.1測設(shè)環(huán)境

13、與條件 PAGEREF _Toc145768927 h 37 HYPERLINK l _Toc145768928 5.2 測試內(nèi)容 PAGEREF _Toc145768928 h 38 HYPERLINK l _Toc145768929 5.3 測試結(jié)果 PAGEREF _Toc145768929 h 39 HYPERLINK l _Toc145768930 6 總結(jié) PAGEREF _Toc145768930 h 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)

14、換結(jié)果。凌陽16位單片機(jī)對輸出信號進(jìn)行處理，存儲與顯示。模擬電壓輸入信號由自制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 integral transformation technology, maintain

15、ing the converting results after the sampling and holding, voltage integral and comparatoring process, from the voltage - time reversal results; and then outputs the transformation result by the counter. The single-chip microcomputer controller SPCE061A can carry on processing to the output signal,

16、the memory and the display. The analog input signal will be produced by the self-made 0100mv continual variable voltage source. The survey demonstration part and the AD converting circuit electrical is isolated through the photoelectricity coupler. This A/D converting circuit has the characteristics

17、 of high transformation precision, simple control propertis and so on.Key words：A/D convert, double integral, electic isolation, LCD display 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)對模擬電壓的測量和顯示。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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

18、誤差小于1%；2 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有測量和顯示功能的儀器或裝置，將該A/D轉(zhuǎn)換電路的結(jié)果顯示出來，有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，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；4 自行設(shè)計(jì)一個(gè)可以從0100mV連續(xù)調(diào)節(jié)的模擬電壓信號作為該系統(tǒng)的被測信號源，以便對A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率進(jìn)行測試。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 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

19、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有次序地進(jìn)行比較，從而確定輸出數(shù)字信號的各個(gè)位的值。其原理框圖如2所示。啟動轉(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中的內(nèi)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最高位進(jìn)行修正。接著，在時(shí)鐘信號驅(qū)動下，SAR中次高位置1，SAR中的內(nèi)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

20、較，通過比較器的輸出實(shí)現(xiàn)對該位的修正。當(dāng)完成SAR中最低位的修正后，AD轉(zhuǎn)換完成，這時(shí)SAR中的值即為轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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)間內(nèi)難以購買，并且市場有限，該方案

21、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。其將處理后的模擬電壓信號予以量化，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，然后使分壓信號同時(shí)通過2N個(gè)比較器與輸入模擬電壓信號進(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。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，

22、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 SEQ 圖 * ARABIC 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)間間隔內(nèi)利用計(jì)數(shù)器對時(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

23、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，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，A

24、D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)鐘信號的頻率以及各級電路的響應(yīng)速率便能達(dá)到要求。圖 SEQ 圖 * ARABIC 4 雙積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換原理基于以上論證，選擇方案三，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)簡單，抗干擾能力強(qiáng)。 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)測試功能。.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

25、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。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 SEQ 圖 * ARABIC 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。其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓不受輸入電壓波動的影響，并且內(nèi)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

26、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 SEQ 圖 * ARABIC 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。.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

27、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，以及低失調(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 SEQ 圖 * ARABIC 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?yīng)的BCD碼，按從高位到低位的次序依次存入存儲器，存儲器的輸出又作為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

28、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。其外圍硬件電路連接簡便，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%以內(nèi)，低動態(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)溫度范圍內(nèi)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。基于以上論證，選擇方案三，以便于靈活方

29、便得獲得高精度高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓源。.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地；規(guī)模小，易于調(diào)試。但其使用時(shí)對各個(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。

30、基于以上討論，采用方案一制作模擬可調(diào)電壓源。 模擬信號采集與處理模塊方案論證該模塊分為信號調(diào)理模塊和采樣保持模塊。經(jīng)過處理后的模擬信號便可以送入AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。.1信號調(diào)理模塊由于AD轉(zhuǎn)換電路輸入電壓為0100mV，故需要對信號進(jìn)行前級放大和濾波等處理。方案一：采用精密儀用放大器AD620對毫伏級的電壓信號進(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倍的信號放大。故該運(yùn)放適合于為該轉(zhuǎn)換器的輸入信號進(jìn)行放大，可以減小產(chǎn)生在信號放大及上的系統(tǒng)誤差。為防止上電噪聲信號的干擾和轉(zhuǎn)換器工作時(shí)外界的強(qiáng)信號干擾，保護(hù)后級電路

31、，在放大器前后均連入合適的旁路電容。方案二：使用專用的信號調(diào)理電路或集成芯片。考慮到該電路的輸入為較小的直流信號，AD轉(zhuǎn)換器對信號也沒有特殊的要求，使用集成運(yùn)放和電容便足以達(dá)到題目要求；同時(shí)，專用的信號調(diào)理電路成本較高?；谝陨嫌懻?，采用方案一經(jīng)濟(jì)而且高效地完成該模塊功能。.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 SEQ 圖 * ARABIC 8 簡易采樣保

32、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，另一方面對其他電路及芯片的干擾也相對較低。集成采樣保持器LF398，采用了雙結(jié)型場效應(yīng)管技術(shù)，具有許多優(yōu)良的特性，如工作電源范圍寬，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，在國內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。綜上考慮，采用方案二，以更好得對輸入電壓信號進(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

33、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 時(shí)鐘信號模塊經(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。方案一：采用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器SN74121級聯(lián)組成高頻方波振蕩器。可由三級單穩(wěn)電路級聯(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，振蕩電路對外界干擾信號敏感。方案二：由TTL非門組成簡單振蕩器?？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時(shí)間工作時(shí)會產(chǎn)生一定的誤差，故輸出頻率穩(wěn)定性不佳。

34、圖 SEQ 圖 * ARABIC 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，以及易受電源電壓和環(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。方案三：采用TTL門電路組成晶體振蕩器。在對頻率精度和穩(wěn)定度要求高的場合，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，該頻率的信號最容

35、易通過；而對于其他頻率的信號，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。圖 SEQ 圖 * ARABIC 10 TTL門電路組成晶體振蕩器基于以上討論，選擇方案三產(chǎn)生精確穩(wěn)定的時(shí)鐘信號，供計(jì)數(shù)器進(jìn)行精確計(jì)數(shù)。.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級聯(lián)成16位計(jì)數(shù)器。74

36、LS161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)位信號輸出端直接級聯(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)鐘信號輸入；同時(shí)該方案級聯(lián)使用方便，電路參數(shù)適應(yīng)范圍廣。綜上考慮，選擇方案二。.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

37、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內(nèi)部含三級運(yùn)放，前兩級作差動放大，后一級起隔離作用，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。.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及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8

38、0ns。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SOIC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范圍內(nèi)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?，AD620能確保高

39、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。.5 定時(shí)器模塊方案一：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，因而廣泛用于信號的產(chǎn)生、變換、控制與檢測。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

40、于計(jì)數(shù)器從0直至計(jì)滿所需的時(shí)間；從而該信號便可作為AD轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號和轉(zhuǎn)換初始化控制信號。該方案輔助了單片機(jī)對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)器的進(jìn)位信號接入單片機(jī)的一個(gè)外部中斷端口，當(dāng)對輸入模擬電壓信號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，在執(zhí)行相應(yīng)的延時(shí)；延時(shí)結(jié)束后對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AD轉(zhuǎn)換過程較為流暢的控制，簡化了外圍電路，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

41、，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)字信號處理與輸出的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；又考慮到題目要求將AD轉(zhuǎn)換電路與測量顯示部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，從而消除單片機(jī)測量顯示部分與AD轉(zhuǎn)換電路共地而產(chǎn)生的相互影響，數(shù)字信號的輸出可以首先通過光電耦合器件再接到數(shù)字信號接口。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，便直接

42、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經(jīng)過光電耦合器接入單片機(jī)的輸入輸出口，容易對單片機(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)控制信號直接控制。計(jì)數(shù)結(jié)束后，單片機(jī)發(fā)出一控制信號使能鎖存器鎖存信號并由單片機(jī)讀入進(jìn)行顯示等的處理。基于以上論證，選擇方案二。 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

43、特殊功能選擇；人機(jī)對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 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，使用簡單，開發(fā)軟件以及硬件調(diào)試器型號眾多，應(yīng)用廣泛而普遍。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，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)，以及RISC指令系統(tǒng)，其具有豐富的I/O口資源，1K容量RAM，64K的FLASH，內(nèi)置A/D和EEPROM，看門狗電路，倍頻電路等豐富的外圍

44、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、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)、開發(fā)靈活等特點(diǎn)，內(nèi)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。其內(nèi)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 SEQ 圖 * ARABIC 11 SPCE061A內(nèi)核結(jié)構(gòu)框圖比較上述方案，選擇

45、方案三。.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，控制內(nèi)容主要有555定時(shí)器的定時(shí)脈沖輸出信號，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)換器的啟動信號START；以及鎖存器鎖存控制信號，作為AD轉(zhuǎn)換器的輸出使能信號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。該方案電路連接簡單，但鑒于題目要求將AD轉(zhuǎn)換電路與測量顯示部分實(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)換電路與測量顯示部分的電氣

46、隔離，這樣可以避免單片機(jī)測量顯示部分與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。.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，按鍵信號由單片機(jī)掃描讀取。該方案電路設(shè)計(jì)簡單，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)對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器動態(tài)顯示，可以節(jié)省CPU處理鍵盤和顯示器的時(shí)間，

47、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)動及鍵盤控制芯片CH451管理鍵盤電路。CH451是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及P監(jiān)控的多功能外圍芯片，其內(nèi)置64 鍵鍵盤控制器，按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻和去抖動電路，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。.4 顯示模塊方案一：

48、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)對話的順利進(jìn)行。方案二：使用并行LCD點(diǎn)陣液晶顯示。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)對話和系統(tǒng)操作控制。在本系統(tǒng)中，需要對一段時(shí)間內(nèi)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

49、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?？紤]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晰的顯示輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。1.3 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 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，通過信號產(chǎn)生，信號處理，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輸入端Vx，參考電壓輸入端Vref，16位數(shù)

50、字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端；控制接口有AD轉(zhuǎn)換啟動控制端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 SEQ 圖 * ARABIC 12 高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)原理框圖 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級聯(lián)成為16位計(jì)

51、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)電氣隔離功能以及鎖存器74LS373實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存；單片機(jī)選用凌陽16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。2

52、20V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 SEQ 圖 * ARABIC 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，內(nèi)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)壓器前后級并聯(lián)電阻可以用來實(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高頻干擾，最后一級并聯(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 SEQ 圖 * ARABIC 14 基準(zhǔn)電壓源

53、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 SEQ 圖 * ARABIC 15 鏡像電流源原理基本恒流源電路如圖16所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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

54、而有 （2.6）本電路要求輸出0100mV電壓信號，信號較小，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 SEQ 圖 * ARABIC 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。2.4 信

55、號調(diào)理與采樣保持電路信號調(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Vx。該電路原理如圖18所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 18 信號調(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LM311。電路原理圖如圖19所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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補(bǔ)償失調(diào)電路，主要

56、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)值相同的電壓對進(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)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)能夠被自動消除。需指出的

57、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 SEQ 圖 * ARABIC 20 時(shí)鐘信號產(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

58、.000MHz，故C3取值為18pF。與非門U1C是緩沖輸出級，起隔離作用。電容C2選用可變電容時(shí)，可以對輸出頻率進(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。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)換啟動信號START，由單片機(jī)直接控制，第一級計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘觸發(fā)端由時(shí)鐘信號輸出端CP和比較器

59、輸出端CO經(jīng)與非門U5A接入，以后各級的時(shí)鐘觸發(fā)均由前級計(jì)數(shù)器的進(jìn)位信號控制，其他控制信號接法如原理圖所示。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)字信號出入端，可接入單片機(jī)的I/O口進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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

60、電路原理圖如圖22所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 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 SEQ 圖 * ARABIC 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