微弱信號(hào)檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)及微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)計(jì)計(jì)算法實(shí)現(xiàn)

摘要“微弱信號(hào)”不僅意味著信號(hào)的幅度很小，而且主要指的是被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)，微弱是相對(duì)于噪聲而言的。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào),或用一些新技術(shù)和新儀器來(lái)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的首要任務(wù)是提高信噪比。由于被測(cè)量的信號(hào)微弱，傳感器、放大電路和測(cè)量?jī)x器的固有噪聲以及外界的干擾噪聲往往比有用信號(hào)的幅度大的多，放大被測(cè)信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲，而且必然會(huì)附加一些額外的噪聲，因此只靠放大是不能把微弱信號(hào)檢測(cè)出來(lái)的。本文研究了一套微弱信號(hào)檢測(cè)的裝置。AD524作為前置放大電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行初步放大，再利用MAX267程控濾波器對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波以獲取有用信號(hào)，TLC2652作為二次放大；然后再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)使用增強(qiáng)型8051內(nèi)核的USB控制器CY7C68013A在背景噪聲中檢測(cè)有用信號(hào)的儀器，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了強(qiáng)有力的測(cè)試手段，應(yīng)用范圍遍及幾乎所有的科學(xué)領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代科技必備的常用儀器。關(guān)鍵詞：微弱信號(hào)，噪聲，信噪比，檢測(cè)裝置Abstract"Weaksignal"meansnotonlysignalamplitudeissmall,andreferstothefloodedsignalbynoise,weaksignalisrelativetonoise.Thepurposeoftheweaksignaldetectionextractedusefulsignalfromstrongnoise,orwithsomenewtechnologyandnewinstrumentstoimprovetheSNRofoutputsignaldetectionsystem.PrimarymissionofweaksignaldetectionistoimproveSNR.Duetothemeasuredweaksignalissmall,sensors,amplifyingcircuitandtheinherentnoiseofmeasurementinstrumentandoutsidedisturbancenoisearelargerthantheusefulsignalamplitudeoftheoften.Enlargingthemeasuredsignalmeansalsoenlargingnoisesandwilladdsomeextranoise,soonlybytheamplifiercannotdetectiontheweaksignal.Onlyineffectivenoiseconditionssuppressingamplitudeofweaksignalcanextractusefulsignal.Thispaperstudiesasetdeviceofweaksignaldetection.AD524aspreamplifierisprimarilytoamplifiersignal,thenusesMAX267tofiltersignaltogettheusefulsignal,andusesTLC2652assecondtoamplifier;Thentheadcconvertsaanaloguesignaltoadigitalsignal,alsousestheUSBcontrollerCY7C68013Aofenhanced8051kernelasthemaincontrollerandcollecteddatawilltransmitthroughUSB2.0implementinghigh-speedreal-timewiththePC;Anddevisesapowersupplymoduleandmicrocomputerexpansionmodule.Detectionequipmentofusefulsignalinthebackgroundnoise,whichprovidesastrongmeanstestingformodernscienceandtechnology,andtheindustryandagricultureproduction,applicationscopeisthroughoutalmostallthefieldsofscience.Ithasbecomethecommoninstrumentformodernscienceandtechnology.Keywords:weaksignal，noise,signal-to-noiseratio,detectiondevice

目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1微弱信號(hào)檢測(cè)裝置研究的意義 11.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況 21.2.1國(guó)內(nèi)檢測(cè)儀器的發(fā)展 21.2.2國(guó)外檢測(cè)儀器的發(fā)展 21.3設(shè)計(jì)內(nèi)容 3第2章噪聲概述 42.1噪聲種類及其特性 42.2干擾的抑制方法 5第3章微弱信號(hào)檢測(cè)的原理和常用檢測(cè)理論 83.1微弱信號(hào)檢測(cè)的原理 83.2微弱信號(hào)檢測(cè)的方法 8第4章檢測(cè)電路總體設(shè)計(jì) 124.1信號(hào)調(diào)理模塊 124.2數(shù)據(jù)采集模塊 134.3檢測(cè)電路圖 13第5章微弱信號(hào)的采集與調(diào)理 155.1信號(hào)拾取和低噪聲前置放大器 155.2程控濾波器 175.3TLC2652放大器 20第6章基于USB2.0協(xié)議的數(shù)據(jù)采集裝置 236.1A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 236.2USB2．0特點(diǎn) 276.3CY7C68013A單片機(jī) 286.4CY7C68013A單片機(jī)的外部擴(kuò)展電路 306.5單片機(jī)軟件編程 356.6電源的設(shè)計(jì) 376.6.1穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 376.6.2各器件的電源 39第7章CY7C68013A與上位機(jī)的通信 417.1CY7C68013A固件程序 417.2USB驅(qū)動(dòng)程序 417.3動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL 427.4LabVIEW界面應(yīng)用程序 42第8章結(jié)語(yǔ) 44參考文獻(xiàn) 45致謝 46河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)PAGEPAGE4第1章緒論微弱信號(hào)檢測(cè)是測(cè)量技術(shù)中的一個(gè)綜合性的技術(shù)分支，它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特征和相關(guān)性，檢出并恢復(fù)被背景噪聲掩蓋的微弱信號(hào)。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究的重點(diǎn)是如何從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，探索采用新技術(shù)和新方法來(lái)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。微弱信號(hào)檢測(cè)理論的研究是探索新的微弱信號(hào)檢測(cè)方法。分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律,以及被測(cè)信號(hào)的特征,采用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)手段和方法,把有用信號(hào)從噪聲中提取出來(lái),即研究其檢測(cè)方法[1]。1.1微弱信號(hào)檢測(cè)裝置研究的意義微弱信號(hào)處理主要是解決伴有噪聲信號(hào)的檢測(cè)，降噪和分離等問(wèn)題。在我們?nèi)粘Ｉ钪?，噪聲干擾隨處可見(jiàn)，它常常與有用信號(hào)共存，并且普通方法難以將分離，從而嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行和目標(biāo)信號(hào)的正常檢測(cè)。因此在信號(hào)處理領(lǐng)域，是想方設(shè)法去除干擾噪聲以獲取有用信號(hào)。而在目前一些科學(xué)研究和工程實(shí)踐中，我們經(jīng)常會(huì)遇到噪聲很強(qiáng)的情況，就是在強(qiáng)噪聲中檢測(cè)微弱信號(hào)(毫微伏數(shù)量級(jí)的問(wèn)題，這無(wú)疑更增加了信號(hào)檢測(cè)的難度，比如測(cè)定材料分析時(shí)測(cè)量熒光光強(qiáng)、震的波形和波速、紅外探測(cè)以及生物電信號(hào)測(cè)量、衛(wèi)星信號(hào)的接收等，這些問(wèn)題歸結(jié)為噪聲中微弱信號(hào)的檢測(cè)[2]。所以微弱信號(hào)主要是指被強(qiáng)噪聲淹沒(méi)的小幅度號(hào)，微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。微弱信號(hào)檢測(cè)作為一門新興的技術(shù)學(xué)科，應(yīng)用范圍遍及光、電、磁、聲、熱、生物、力學(xué)、地質(zhì)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、激光、材料等領(lǐng)域，對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)理論的研究探索新的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，研制新的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備是當(dāng)今檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的個(gè)熱點(diǎn)。目前，微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)主要采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)及物理學(xué)的段，分析噪聲產(chǎn)生的原因和統(tǒng)計(jì)特性，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)與相關(guān)性，從而檢測(cè)噪聲淹沒(méi)的微弱有用信號(hào)。常用的檢測(cè)方法有窄帶濾波、取樣積分、相關(guān)檢測(cè)、重相關(guān)匹配、隨機(jī)共振、渾沌振子、小波變換等方法，其宗旨都是研究如何從強(qiáng)聲中提取有用信號(hào)，任務(wù)是研究微弱信號(hào)檢測(cè)的理論、探索新方法和新技術(shù)，從而其應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域當(dāng)中[3]。在本文所涉及的自動(dòng)化測(cè)量控制領(lǐng)域中，各種參數(shù)的測(cè)量將直接關(guān)系到工業(yè)產(chǎn)的質(zhì)量，尤其對(duì)超精密儀器儀表的測(cè)量，測(cè)量精度的要求非常嚴(yán)格。如果測(cè)量裝置工作在電源變壓器或輸電線路附近，采集信號(hào)往往會(huì)受到工頻電磁場(chǎng)及其諧波的干擾，從而增加了獲取精準(zhǔn)信號(hào)的難度。傳統(tǒng)傳感器測(cè)量技術(shù)的噪聲抑制能力和溫度特性相對(duì)都比較差，不能滿足高精度測(cè)量對(duì)抗干擾能力的要求。因此，在對(duì)低頻微弱信號(hào)的智能數(shù)據(jù)采集中，具有抗工頻干擾的微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)也成為關(guān)鍵技術(shù)之一。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展概況儀器科技產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是微型化、數(shù)字化、智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步向縱深發(fā)展，并在產(chǎn)品性能上向高精度、高可靠性、高環(huán)境適用性目標(biāo)前進(jìn)，在人機(jī)界面上更便于人的操作、使用，以及與人類生活、健康有關(guān)的各類儀器科技產(chǎn)品有望得到較大的發(fā)展并進(jìn)入家庭，通過(guò)家庭、社區(qū)、醫(yī)院聯(lián)網(wǎng)使保健、疾病診治從醫(yī)院象社區(qū)、家庭發(fā)展。1.2.1國(guó)內(nèi)檢測(cè)儀器的發(fā)展要提高信號(hào)的信噪比，這就需要采用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)和物理學(xué)的方法，以便從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)出有用的微弱信號(hào)，從而滿足現(xiàn)代科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展的需要。微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)不同于一般的檢測(cè)技術(shù)，它注重的不是傳感器的物理模型和傳感原理、相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路和儀表的實(shí)現(xiàn)方法，而是如何抑制噪聲和提高信噪比，因此可以說(shuō)，微弱信號(hào)檢測(cè)是一門專門抑制噪聲的技術(shù)。為此，人們開(kāi)始研究新的檢測(cè)理論、方法和設(shè)備，以滿足現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究之需。微弱信號(hào)檢測(cè)這門新興的信號(hào)檢測(cè)與處理的技術(shù)科學(xué)就是在這種情況下產(chǎn)生并得到迅速發(fā)展。自60年代初到現(xiàn)在已取得重大進(jìn)展，應(yīng)用范圍很廣，其儀器已成為現(xiàn)代科學(xué)研究中不可缺少的設(shè)備了。微弱信號(hào)檢測(cè)的目的是從強(qiáng)噪聲中提取有用信號(hào)，或用一些新技術(shù)和新方法來(lái)提高檢測(cè)系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。對(duì)微弱信號(hào)檢測(cè)理論的研究，探索信的微弱信號(hào)檢測(cè)方法，研制新的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備是目前檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。根據(jù)微弱信號(hào)檢測(cè)理論，許多機(jī)構(gòu)研制出了微弱信號(hào)檢測(cè)儀。目前常見(jiàn)的微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備有低噪聲放大器、濾波器和鎖相放大器等。低噪聲放大器對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)儀器或設(shè)備，低噪聲放大器是引入噪聲的主要部件之一。根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)和公式推導(dǎo)，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前置放大器的噪聲系數(shù)。因此，儀器可檢測(cè)的最小信號(hào)主要取決于低噪聲放大器的噪聲。低噪聲放大器是任何一個(gè)微弱信號(hào)檢測(cè)儀器及裝置中的關(guān)鍵部件之一。隨著半導(dǎo)體工藝與技術(shù)的發(fā)展，低噪聲放大器的性能得到了極大的提升。鎖相放大器完成正弦信號(hào)幅度及相位檢測(cè)的相關(guān)檢測(cè)裝置，自1962年第一臺(tái)儀器問(wèn)世后，在科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域有很廣泛的用途。目前，這種儀器是微弱信號(hào)檢測(cè)儀器中一個(gè)十分重要的品種。已經(jīng)有很多廠家生產(chǎn)這種儀器，并在世界各地得到廣泛應(yīng)用。1.2.2國(guó)外檢測(cè)儀器的發(fā)展發(fā)達(dá)國(guó)家為了保持產(chǎn)品在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)力，都十分重視產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，各企業(yè)都設(shè)有試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室。大型公司還有試制車間，對(duì)新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品精益求精，力求投入市場(chǎng)的新產(chǎn)品能為客戶所信賴。為了加快產(chǎn)品更新?lián)Q代，企業(yè)非常重視科技進(jìn)步，盡量在新產(chǎn)品中采用各種高新技術(shù)及其形成的新型傳感器、新型器件（特別是超大規(guī)模集成專用電路）及新材料，并采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）以縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。微弱信號(hào)檢測(cè)儀器科技產(chǎn)品的微型化發(fā)展趨勢(shì)，主要依托于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS）微米/納米制造技術(shù)和微電子IC制造技術(shù)，使儀器科技產(chǎn)品集機(jī)械、傳感、測(cè)控等部件于一個(gè)芯片上，并能按微電子IC批量加工工藝制造。微弱信號(hào)檢測(cè)儀器科技產(chǎn)品的數(shù)字化、智能化發(fā)展趨勢(shì)，隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展而進(jìn)步，它使儀器科技產(chǎn)品與數(shù)字處理器，超大規(guī)模專用集成電路、PC技術(shù)、人工智能技術(shù)進(jìn)一步融合在一起。國(guó)際上目前先進(jìn)的數(shù)字化、智能化儀器儀表系統(tǒng)構(gòu)成，以數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)（DSPS）為代表，它以DSP為核心，配合先進(jìn)的混合信號(hào)電路，專用系統(tǒng)集成電路、元件及開(kāi)發(fā)工具等組成對(duì)整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的完整解決方案。在數(shù)字化和智能化發(fā)展的趨勢(shì)中，硬件和軟件處于同樣重要的地位，旦硬件是基礎(chǔ)，儀器使用新器件、新工藝，特別是超大規(guī)模集成的新器件，能使原來(lái)不能實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)成為可能，因此新器件的采用能成為產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)的重要籌碼。另一方面軟件在智能儀表的發(fā)展中起著越來(lái)越重的作用，現(xiàn)代儀器儀表設(shè)計(jì)中軟件工作量已占到70%～80%，這在某種程度上決定著儀器的功能和性能。軟件能完成性能指標(biāo)補(bǔ)償、自動(dòng)測(cè)試，自檢、自診斷、數(shù)據(jù)采集、控制、傳輸、顯示等功能。有的如計(jì)算機(jī)、光盤等的評(píng)估測(cè)試，主要由軟件完成。軟件將成為今后智能儀表發(fā)展的重要方向。未來(lái)10年，更高程度的智能化應(yīng)包括理解、推理、判斷與分析等一系列功能，是數(shù)值、邏輯與知識(shí)的結(jié)合分析結(jié)果，智能化的標(biāo)志是知識(shí)的表達(dá)與應(yīng)用。微弱信號(hào)檢測(cè)儀器科技產(chǎn)品的集成化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，以總線技術(shù)、儀表及其模塊開(kāi)放式互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)及通信技術(shù)為基礎(chǔ)，包括測(cè)試軟件的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，使自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成向大生產(chǎn)領(lǐng)域和軍事工程領(lǐng)域擴(kuò)展，并能提供所需要測(cè)試的系統(tǒng)方案或系統(tǒng)集成力。微弱信號(hào)檢測(cè)儀器科技產(chǎn)品在生物、環(huán)保、醫(yī)學(xué)等有關(guān)人的生存、發(fā)展領(lǐng)域的應(yīng)用日新月異，現(xiàn)代高科技軍事方面的發(fā)展也促進(jìn)了儀器科技產(chǎn)品的應(yīng)用拓展，靈敏、準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)毒物檢測(cè)、生命保障任務(wù)也大大擴(kuò)大了儀器科技產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域。1.3設(shè)計(jì)內(nèi)容（1）研究噪聲特點(diǎn)和常用微弱信號(hào)檢測(cè)理論。（2）設(shè)計(jì)針對(duì)不同目標(biāo)的微弱信號(hào)拾取探頭。（3）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件電路設(shè)計(jì)。包含電源電路、前置放大電路、二次放大電路、陷波電路、光電隔離電路。（4）確定數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總體方案。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：USB2.0接口模塊設(shè)計(jì)，A/D轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)，數(shù)字I/O模塊設(shè)計(jì)，復(fù)雜大規(guī)?？删幊碳呻娐?CPLD)設(shè)計(jì)，電源設(shè)計(jì)等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：Firmware固件設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。第2章噪聲概述論文中分兩種噪聲討論，電路內(nèi)部的固有噪聲和外部的干擾噪聲[5]。由組成檢測(cè)電路的元件產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲稱之為固有噪聲，它是由電荷載體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。例如，散彈噪聲就是流過(guò)勢(shì)壘（如半導(dǎo)體PN結(jié)）的電流的隨機(jī)部分，它是由載流子隨機(jī)越過(guò)勢(shì)壘所造成的。熱力引起的載流子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)是熱噪聲的根源，其幅度取決于溫度，也與導(dǎo)體的電阻值有關(guān)，即使沒(méi)有電流流過(guò)導(dǎo)體，熱噪聲依然存在。固有噪聲包括電阻的熱噪聲，PN結(jié)的散彈噪聲，1/f噪聲和爆裂噪聲。（1/f噪聲是由兩種導(dǎo)體的接觸點(diǎn)電導(dǎo)的隨機(jī)漲落引起的凡是有導(dǎo)體接觸不理想的期間都存在1/f噪聲，所以1/f噪聲又叫接觸噪聲）。外部干擾噪聲的種類很多，例如，音頻系統(tǒng)中的50Hz及其諧波交流聲，就是經(jīng)過(guò)電源線和音頻線之間的互感或分布電容引入到音頻通道中的，這是一種確定性的干擾噪聲。另一個(gè)例子是部分電路可能扮演天線的角色，從而接受廣播信號(hào)。在這兩個(gè)例子中，在一個(gè)電路中有用的信號(hào)，如果引入到其他電路中就成為噪聲。2.1噪聲種類及其特性干擾噪聲種類有很多種，它可能是電子噪聲，通過(guò)電場(chǎng)，磁場(chǎng)，電磁場(chǎng)或直接的電氣連接耦合到敏感的檢測(cè)電路，這些都是電磁兼容性所涉及的領(lǐng)域；干擾噪聲的本源也可能是機(jī)械性的，例如，通過(guò)壓電效應(yīng)，機(jī)械振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電噪聲；甚至溫度的隨機(jī)波動(dòng)也可能導(dǎo)致隨機(jī)的熱電勢(shì)噪聲。工頻噪聲是影響電路的主要噪聲,通?？赏ㄟ^(guò)電路的電源傳遞到電路中。為了減少這種影響,在電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在連接電源處增加旁路電容,隔離電源的交流噪聲。除了這些措施外,為了濾除50Hz的工頻干擾,還可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)采用具有50Hz陷波的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。另外,數(shù)字電路部分與模擬電路部分分別接地,盡量減少模擬電路的接地點(diǎn)同時(shí)采用畫圈接地的方法都可以有效的隔離噪下聲。下面列舉出常見(jiàn)的噪聲源：電力線噪聲隨著工業(yè)電氣化的發(fā)展，工頻（50Hz）電源幾乎無(wú)處不在，因此工頻電力線干擾也普遍存在。電力線干擾噪聲主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①尖峰脈沖：由于電網(wǎng)中大功率開(kāi)關(guān)的通斷，電機(jī)，變壓器和其他大功率設(shè)備的啟停以及電焊機(jī)等的原因，工頻電網(wǎng)中頻繁出現(xiàn)干擾脈沖。這種尖峰脈沖的幅度可能是幾伏，幾百伏有時(shí)甚至是幾千伏，持續(xù)時(shí)間一般較短，多數(shù)在微妙數(shù)量級(jí)。這種尖峰干擾脈沖的高次諧波分量很豐富，而且出現(xiàn)得頻繁，幅度高，是污染低壓工頻電網(wǎng)的一種主要噪聲，對(duì)交流供電的電子系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)很多不利的影響。多數(shù)檢測(cè)儀表都是由工頻電路線供給能源，電網(wǎng)的尖峰脈沖干擾一般是通過(guò)電源系統(tǒng)引入到檢測(cè)電路中。如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧┮种齐娫吹酿I尖峰脈沖干擾，就有可能導(dǎo)致檢測(cè)波形的畸變，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致信號(hào)處理計(jì)算機(jī)的程序跑飛和死機(jī)。②工頻電磁場(chǎng)：在由工頻電力線供電的實(shí)驗(yàn)室，工廠車間和其他生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，工頻電磁場(chǎng)幾乎是無(wú)處不在。在高電壓，小電流的工頻設(shè)備附近，存在著較強(qiáng)的工頻電場(chǎng)；在低電壓，大電流的工頻設(shè)備附近，存在著較強(qiáng)的工頻磁場(chǎng)；即使在一般的電器設(shè)備和供電線的相當(dāng)距離之內(nèi)，都會(huì)存在一定強(qiáng)度的50Hz電磁輻射波。工頻電壓的波動(dòng)就有可能串入到檢測(cè)信號(hào)中。隨著電力工業(yè)的發(fā)展和供電設(shè)備還有可能產(chǎn)生射頻噪聲。電氣設(shè)備噪聲電氣設(shè)備必然產(chǎn)生工頻電磁場(chǎng)，而且在開(kāi)關(guān)時(shí)還會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生尖峰脈沖。某些特殊的電氣設(shè)備還有可能產(chǎn)生射頻噪聲，例如高頻加熱電器和逆變電源。此外，某些電氣設(shè)備還會(huì)產(chǎn)生放電干擾，包括輝光放電，弧光放電，火花放電和電暈放電。2.2干擾的抑制方法外部干擾源產(chǎn)生的噪聲影響到檢測(cè)系統(tǒng)的正常工作，是經(jīng)由某種傳播途徑被耦合到了檢測(cè)系統(tǒng)之中。抑制干擾噪聲有3種方法：①消除或削弱干擾源；②設(shè)法使檢測(cè)電路對(duì)干擾噪聲不敏感；③使噪聲傳輸通道的耦合作用最小化。在多數(shù)情況下，對(duì)于產(chǎn)生噪聲的外部干擾源很難采取有效措施將其消除或隔離，但是如果能夠切斷或削弱干擾耦合途徑的傳播作用，則可以有效地削弱干擾噪聲對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的不利影響。在各種干擾耦合途徑中，場(chǎng)耦合是最普遍的耦合方式，也是最難于計(jì)算的一種耦合方式。通常，載有時(shí)變電流的電路總要向外部發(fā)射電場(chǎng)和磁場(chǎng)，其強(qiáng)度可以利用麥克斯韋方程來(lái)計(jì)算。從理論上來(lái)說(shuō)，給定發(fā)射源電流的特性，并給定敏感接受電路以及與其相耦合的電路結(jié)構(gòu)，利用麥克斯韋方程可以計(jì)算出接收電路各部分的感生電壓和電流。但是實(shí)際上，即使是在簡(jiǎn)單的情況下，邊界條件往往是非常復(fù)雜的，為了把實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)換為可以求解的問(wèn)題，總要進(jìn)行一些粗略的簡(jiǎn)化。除了場(chǎng)耦合方式外，常見(jiàn)的干擾噪聲耦合方式還有傳導(dǎo)耦合和公共阻抗耦合方式。此外，檢測(cè)電路的供電電源有可能將工頻電網(wǎng)上的各種噪聲耦合到檢測(cè)電路中。噪聲源和檢測(cè)電路之間的電氣連接是噪聲耦合的直接途經(jīng)，人們也許會(huì)認(rèn)為這種耦合很容易避免，而事實(shí)上并非如此。在很多實(shí)踐情況中，對(duì)噪聲敏感的檢測(cè)電路與噪聲源的連接又是必要的。解決傳導(dǎo)耦合的一種方法是使信號(hào)線盡量遠(yuǎn)離噪聲源，另一種方法是在干擾噪聲傳導(dǎo)檢測(cè)系統(tǒng)之前，采取有效的去耦和濾波措施。電路接地方法，設(shè)計(jì)檢測(cè)設(shè)備的接地系統(tǒng)基于3個(gè)目的：一是減少多個(gè)電路的電流經(jīng)公共阻抗產(chǎn)生的噪聲電壓；二是減縮信號(hào)回路感應(yīng)電磁噪聲的感應(yīng)面積；三是減除地電位差對(duì)信號(hào)回路的不利影響。（1）50HZ限波器的設(shè)計(jì)濾波的目的是從所要測(cè)量的信號(hào)中除去干擾信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，幾乎所有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)都會(huì)不同程度地受到來(lái)自電源線的5OHz的噪聲干擾。50Hz的工頻電源干擾經(jīng)過(guò)信號(hào)放大后，其幅度也相對(duì)較大。因此，該模塊對(duì)抑制50Hz的工頻干擾尤其重要。濾除工頻干擾的主要方法是使用Sinc3型FIR濾波器，其主要優(yōu)點(diǎn)是它具有陷波特性，因此可以將Sinc3的陷波點(diǎn)設(shè)定在工頻附近抑制干擾。本系統(tǒng)中Sinc3型數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)取決于Σ一△型AD7718芯片的采樣速率fADC(32.768KHz)和寄存器設(shè)置SF。它們決定了ADC的更新速率廠ADC(通道轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù))，頻率響應(yīng)中的陷波位置和ADC的轉(zhuǎn)換噪聲。陷波位置直接相關(guān)于ADC的更新速率fADC。AD7718芯片的工作方式有斬波(CHOP)和非斬波兩種，在非斬波方式時(shí)Sinc3濾波器的頻率響應(yīng)公式為:（2-1）此時(shí)ADC的更新速率為（2-2）通道轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定時(shí)間三倍于通道轉(zhuǎn)換時(shí)間，即（2-3）通過(guò)公式(2-1)，(2-2)，(2-3)，我們就可以計(jì)算特定的SF值與陷波點(diǎn)頻率以及穩(wěn)定時(shí)間的關(guān)系。表l所示為AD7718芯片陷波頻率、穩(wěn)定時(shí)間與50Hz、60Hz頻率抑制的關(guān)系。當(dāng)陷波點(diǎn)設(shè)在50Hz時(shí)，穩(wěn)定時(shí)間t=3/50Hz=60ms。因此若采用Sinc3濾波器，則當(dāng)輸入信道改變后，最先采樣輸出的3個(gè)數(shù)據(jù)不能使用，應(yīng)該拋棄；只有從第4個(gè)輸出數(shù)據(jù)開(kāi)始才是可用的，這一點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用中至關(guān)重要。當(dāng)工作在斬波方式時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器具有非常低的偏移誤差和漂移，此時(shí)各項(xiàng)性能都趨于最佳。頻率響應(yīng)公式為(2-4)，(2-5)所示:（2-4）（2-5）在寄存器設(shè)置的SF值相等時(shí)，ADC的更新速率是非斬波時(shí)的1/3，穩(wěn)定時(shí)間為2個(gè)輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間。如表4-1所示，分別設(shè)置SF=82或68時(shí)，對(duì)率的抑制會(huì)大于1O0dB。（2）光電隔離的設(shè)計(jì)信號(hào)采集系統(tǒng)通常是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，其中模數(shù)變換是不可缺少的。從信號(hào)通路來(lái)說(shuō)，AD變換之前是模擬電路，之后是數(shù)字電路。模擬電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路決定了硬件系統(tǒng)輸出信號(hào)的信噪比。為了提高信噪比，要想辦法抑制系統(tǒng)中噪聲對(duì)模擬電路和數(shù)據(jù)采集卡的干擾。在各種噪聲當(dāng)中，由數(shù)字電路產(chǎn)生并串入模擬及AD電路的噪聲普遍存在且較難克服。數(shù)字電平上下跳變時(shí)集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺。數(shù)字電路越復(fù)雜，數(shù)據(jù)速率越高，高頻干擾分量越多。而普通印刷電路的分布電感較大，使地線不能完全吸收邏輯電平跳變產(chǎn)生的電流高頻分量，產(chǎn)生電壓的毛刺，而這種毛刺進(jìn)入地線后就不能靠旁路電容吸收，而且還會(huì)通過(guò)共同的地線干擾模擬電路和數(shù)據(jù)采集卡中的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，從而影響了數(shù)據(jù)采集卡準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。因此，這種情況下需要使用光電隔離電路將輸入和輸出電路進(jìn)行隔離，以有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾。設(shè)計(jì)可選用響應(yīng)速度較快的光電隔離芯片6N137。表4-1SF既定后陷波頻率、穩(wěn)定時(shí)間與50Hz、60Hz頻率抑制的關(guān)系

第3章微弱信號(hào)檢測(cè)的原理和常用檢測(cè)理論3.1微弱信號(hào)檢測(cè)的原理下面我從信號(hào)處理系統(tǒng)的信噪比改善來(lái)簡(jiǎn)單地論述一下微弱信號(hào)檢測(cè)的原理。信噪比改善的定義為:SNIR=SNRo/SNRi?，F(xiàn)在以輸入系統(tǒng)的噪聲為白噪聲(電阻噪聲)時(shí)來(lái)討論SNIR的表達(dá)式。圖3-1推導(dǎo)SNIR的示意圖在圖3-1中設(shè)信號(hào)處理系統(tǒng)的輸入信號(hào)電壓和輸出信號(hào)電壓分別為Vsi和Vso,輸入噪聲為帶寬白噪聲,其噪聲帶寬為Bi,噪聲功率譜密度為Sni,則輸入噪聲的均方值為V2ni=Sni·Bi,若系統(tǒng)的電壓增益為Kv(f),系統(tǒng)的噪聲等效帶寬為Be,則輸出噪聲的均方值為其中,于是可得到系統(tǒng)的SNIR為:由上式可以看到,信號(hào)處理系統(tǒng)的信噪比改善等于輸入(白)噪聲帶寬與系統(tǒng)的噪聲等效帶寬之比。因此,減少系統(tǒng)的噪聲等效寬度便可以提高系統(tǒng)的輸出信噪比。對(duì)于信噪比小于1的被噪聲淹沒(méi)的信號(hào),只要信號(hào)處理系統(tǒng)的噪聲等效帶寬做得很小,就可以將信號(hào)(或信號(hào)攜帶的信息)從噪聲中提取出來(lái)。3.2微弱信號(hào)檢測(cè)的方法要檢測(cè)種類繁多的信號(hào),只有根據(jù)不同信號(hào)、不同的要求、不同的條件采用不同的檢測(cè)方法,這才是一種正確的選擇。下面我們給出幾種方法[6]。（1）窄帶濾波法使用窄帶濾波器,濾掉寬帶噪聲只讓窄帶寬信號(hào)通過(guò)(僅有極少量窄帶噪聲通過(guò))。白噪聲上面已分析,下面我對(duì)1/f噪聲的情況進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。設(shè)1/f噪聲通過(guò)一個(gè)帶寬B=f2-f1的濾波器后。1/f噪聲的功率譜密度為K0·1/f,則輸出噪聲電壓均方值:上式可看出B越小,即通頻帶愈窄,噪聲電壓均方值愈小,抑制噪聲能力愈強(qiáng)。可把信號(hào)檢測(cè)出來(lái),對(duì)于任何單個(gè)脈沖信號(hào)(方波、正弦波等)可認(rèn)為它的帶寬為△t,為了檢測(cè)單次信號(hào),濾波器B≥△f=1/△t,且信噪比改善SNIR≤△fm·△t(△fm為噪聲帶寬)。窄帶濾波法能減少噪聲對(duì)有用信號(hào)的影響。濾除掉通頻帶以外噪聲,提高信號(hào)的信噪比。但是,由于一般濾波器的中心頻率不穩(wěn)定,不能滿足更高的濾除噪聲的要求。(2）雙路消噪聲由于信號(hào)與噪聲性能完全不同,信號(hào)一般為一些變化規(guī)律已知的量,而噪聲是一些隨機(jī)量滿足統(tǒng)計(jì)規(guī)律。根據(jù)這個(gè)條件我們?cè)O(shè)計(jì)出了一種雙路消噪法的原理圖,如圖3-2。當(dāng)隨機(jī)性的噪聲從兩路到達(dá)加法器時(shí),極性正好相反,經(jīng)過(guò)加法器相加后把噪聲消掉。只有少數(shù)強(qiáng)噪聲才通過(guò)閥值電路而產(chǎn)生本底計(jì)數(shù),根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。本底計(jì)數(shù)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)為恒定值。故可以先測(cè)出它,然后從總計(jì)數(shù)中把它減掉得到信號(hào)計(jì)數(shù)。這種方法只能檢測(cè)到微弱的正弦信號(hào)是否存在,而不能復(fù)現(xiàn)信號(hào)波形。圖3-2雙路消噪法的原理圖（3）同步累積法利用信號(hào)的重復(fù)性,噪聲的隨機(jī)性,對(duì)信號(hào)進(jìn)行重復(fù)累積(幾次),使SNIR提高,但需耗費(fèi)時(shí)間。下面給出詳細(xì)的分析:重復(fù)累積幾次后輸出信號(hào)與噪聲分別為噪聲:信號(hào):則由上式可知,累計(jì)次數(shù)n越大,則SNIR越大。下面給出同步累積器的原理框圖,如圖3-3。圖3-3同步累積法的原理圖（4）鎖定接收法(頻域分析法)鎖定檢測(cè)法是利用互相關(guān)原理,使輸入待測(cè)的周期信號(hào)與頻率相同的參考相關(guān)器中實(shí)現(xiàn)互相關(guān),從而將深埋在噪聲中的周期信號(hào)攜的信息檢測(cè)出來(lái),它的原理框圖如圖4-4。圖3-4鎖定接收法原理圖①考慮最簡(jiǎn)單情況,只有信號(hào)無(wú)噪聲輸入信號(hào):參考信號(hào):令,則乘法:積分:積分時(shí)間常數(shù)為T=RC;令T=P/X,則，輸出是直流量。②只有噪聲輸入時(shí)設(shè)Q(t),U(t)均為隨機(jī)變量，則，T→∞,Vn0(t)=0③當(dāng)輸入為信號(hào)與噪聲之和時(shí),可將上面的結(jié)果相加起來(lái),可以將積分時(shí)間取的較長(zhǎng),就可將噪聲抑制,將信號(hào)檢測(cè)出來(lái)。（5）相關(guān)檢測(cè)法相關(guān)檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)用信號(hào)周期性和噪聲隨機(jī)性的特點(diǎn),通過(guò)自相關(guān)或互相關(guān)運(yùn)算,達(dá)到去除噪聲檢測(cè)出信號(hào)的一種技術(shù)。由于信號(hào)和噪聲是相互獨(dú)立的過(guò)程,根據(jù)相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)的定義,信號(hào)只與信號(hào)本身相關(guān)與噪聲不相關(guān)。而噪聲之間一般也是不相關(guān)。①自相關(guān)檢測(cè)法如圖3-5圖3-5自相關(guān)檢測(cè)法原理圖則輸出的,根據(jù)互相關(guān)函數(shù)的性質(zhì),由于信號(hào)s(t)與噪聲n(t)不相關(guān),并且噪聲的平均值為零,得到Rsn=0,Rns=0,則,隨S的增大,Rnn(S)→0則對(duì)充分大的S,可得Rxx(S)=Rss(S)就得到了信號(hào)S(t)的自相關(guān)函數(shù)Rss(S),它將包含著S(t)所攜帶的某些信息。②互相關(guān)檢測(cè)圖6是實(shí)現(xiàn)互相關(guān)檢測(cè)的原理框圖4-6。設(shè)輸入x(t)為:x(t)=s(t)+n(t)圖3-6互相關(guān)檢測(cè)原理圖s(t)為待測(cè)信號(hào),n(t)為信號(hào)s(t)中混入的噪聲,y(t)為已知參考信號(hào),則互相關(guān)輸出Rxy(S)為:如果參考信號(hào)y(t)與信號(hào)s(t)有某種相關(guān)性,而y(t)與噪聲n(t)沒(méi)有相關(guān)性,且噪聲的平均值為零,則:Rxy(S)=Rsy(S),Rsy(S)中包含了信號(hào)S(t)所攜帶的信號(hào),這樣就把待測(cè)的信號(hào)S(t)檢測(cè)出來(lái)。（6)取樣積分法(時(shí)域分析法)工作原理,取樣積分器原理框圖(圖4-8)。圖3-8取樣積分法原理圖取樣積分(或信號(hào)平均)法是將待測(cè)的重復(fù)信號(hào)逐點(diǎn)多次取樣并進(jìn)行同步積累,從而達(dá)到從噪聲中恢復(fù)信號(hào)波形的方法。取樣積分也采用同步相關(guān)檢測(cè)的原理和方法,實(shí)現(xiàn)從噪聲中提取信號(hào),但它的參考信號(hào)只在窗口持續(xù)期間與被測(cè)信相關(guān),每周相關(guān)時(shí)間很短,此外它的相移也是在很慢的變化。

第4章檢測(cè)電路總體設(shè)計(jì)由于信號(hào)與噪聲之和往往比較微弱，所以需要對(duì)信號(hào)和噪聲進(jìn)行放大調(diào)理。系統(tǒng)從整體上可由信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和顯示執(zhí)行模塊構(gòu)成。系統(tǒng)框圖4-1如下所示:圖4-1系統(tǒng)組成框圖4.1信號(hào)調(diào)理模塊信號(hào)調(diào)理模塊主要完成信號(hào)的前置放大、濾波、50Hz陷波電路、二次放大及光電隔離的功能。由于微弱信號(hào)幅度很小，所以信號(hào)調(diào)理電路必須具有一些必備的性能。首先，電路必須具有很高的共模抑制比，能抑制工頻干擾以及其它可能的干擾。從數(shù)字平均法的原理知，若微弱信號(hào)受到外界周期性的外界干擾，那么將嚴(yán)重地影響信號(hào)波形的復(fù)原，所以，濾波環(huán)節(jié)、抑制共模干擾非常重要。同時(shí)電路的輸入阻抗也是一個(gè)很重要的參數(shù)。高輸入阻抗可以有效地減小信號(hào)源內(nèi)阻的影響，這就要求設(shè)計(jì)的電路的輸入阻抗較大。此外，調(diào)理電路的低噪聲、低漂移等指標(biāo)也是極為重要的因素。前置放大采用AD524，濾波器采用兩片MAX267構(gòu)成的8階濾波器，二級(jí)放大采用TLC2652放大器。前置放大器的設(shè)計(jì)前置放大器是指置于信源與放大器級(jí)之間的電路或電子設(shè)備，例如置于光盤播放機(jī)與高級(jí)音響系統(tǒng)功率放大器之間的音頻前置放大器。前置放大器是專為接收來(lái)自信源的微弱電壓信號(hào)而設(shè)計(jì)的，已接收的信號(hào)先以較小的增益放大，有時(shí)甚至在傳送到功率放大器級(jí)之前便先行加以調(diào)節(jié)或修正。無(wú)論為家庭音響系統(tǒng)還是PDA設(shè)計(jì)前置放大器，都要面對(duì)一個(gè)十分頭疼的問(wèn)題。本文采用AD524作為前置放大器，由于它集成電路體積小巧、性能卓越，精度高，共模抑制比高、非線性誤差小、輸入阻抗高、低噪聲、低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移，并帶差動(dòng)輸入，可變?cè)鲆孑敵?。濾波器的設(shè)計(jì)集總低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通、帶阻濾波器大都是根據(jù)此特性推導(dǎo)出來(lái)的。正因如此，才使得濾波器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，精度得以提高?！鞍吞匚炙鬼憫?yīng)”帶通濾波器具有平坦的響應(yīng)特性，而“切比雪夫響應(yīng)”帶通濾波器卻具有更陡的衰減特性。所以具體選用何種特性，需要根據(jù)電路或系統(tǒng)的具體要求而定。但是，“切比雪夫響應(yīng)”濾波器對(duì)于元件的變化最不敏感，而且兼具良好的選擇性與很好的駐波特性（位于通帶的中部），所以在本文中使用“切比雪夫響應(yīng)”濾波器。濾波器的階數(shù)是指在濾波器的傳遞函數(shù)中有幾個(gè)極點(diǎn)，階數(shù)同時(shí)也決定了轉(zhuǎn)折區(qū)的下降速度，一般每增加一階(一個(gè)極點(diǎn))，就會(huì)增加-20dBDec(-20dB每十倍頻程)。綜上所述：本文采用MAX267程控帶通“切比雪夫響應(yīng)”，兩片MAX267并聯(lián)的8階濾波器。主放大電路的設(shè)計(jì)TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小，TLC2652非常適合用于微信號(hào)的放大。4.2數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集分為三個(gè)模塊：10通道Σ一△型模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、CY7C68013A單片機(jī)控制模塊、USB接口模塊、數(shù)字顯示、鍵盤和電源模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用AD7718是一個(gè)5對(duì)差分輸入24bits分辨率的數(shù)據(jù)采集芯片。應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，模擬輸入可直接與傳感器相連，數(shù)字接口（標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口）直接與單片機(jī)相連。CY7C68013A單片機(jī)功能強(qiáng)大，包含增強(qiáng)型8051內(nèi)核和智能USB接口優(yōu)良的性價(jià)比，價(jià)格便宜；開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，CYPRESS公司提供了完整開(kāi)發(fā)方案，如調(diào)試界面和固件框架；真正體現(xiàn)USB2.0傳輸速度，增強(qiáng)型8051的指令周期只有4時(shí)鐘周期。USB2.0是一種高效、快速、價(jià)格低廉、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔，可以在不重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的情況下直接將USB外部設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)并開(kāi)始通信。在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼顯示器來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)，由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的LED7顯示器有七段和“米”字段之分，有小數(shù)點(diǎn)位的7段顯示器的字形碼為八位二進(jìn)制，正好一個(gè)字節(jié)，“米”字顯示器有15個(gè)發(fā)光二極管，所以其字形碼需兩個(gè)字節(jié)。本文數(shù)字顯示部分采用了七段數(shù)碼管顯示，循環(huán)動(dòng)態(tài)顯示6位字符。鍵盤采用4×4鍵盤輸入，按鍵數(shù)目較少，可根據(jù)實(shí)際情況靈活編碼。直流穩(wěn)壓電源是常用的電子設(shè)備，它能保證在電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，輸出穩(wěn)定的電壓。在此次設(shè)計(jì)中，我們采用的電源通過(guò)市電電網(wǎng)的交流電經(jīng)變壓，整流，濾波，穩(wěn)壓后得到系統(tǒng)所需的直流電源。電源部分采用W78，W79系列的穩(wěn)壓器?；赪78，W79系列設(shè)計(jì)了個(gè)元器件所需電源。4.3檢測(cè)電路圖檢測(cè)電路圖（如圖4-2）圖4-2系統(tǒng)總電路圖第5章微弱信號(hào)的采集與調(diào)理信號(hào)調(diào)理的基本流程：將傳感器采集到的信號(hào)通過(guò)前置放大，程控濾波后，再進(jìn)行最終放大。5.1信號(hào)拾取和低噪聲前置放大器對(duì)于微弱信號(hào)檢測(cè)儀器或設(shè)備，前置放大器是引入噪聲的主要部件之一。根據(jù)弗里斯公式，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)主要取決于前置放大器的噪聲系數(shù)。因此，儀器可檢測(cè)的最小信號(hào)也主要取決于前置放大器的噪聲[7]。設(shè)計(jì)低噪聲前置放大器的內(nèi)容包括選擇低噪聲半導(dǎo)體器件，確定電路級(jí)數(shù)和電路組態(tài)，確定低噪聲工作點(diǎn)，進(jìn)行噪聲匹配等工作。在實(shí)現(xiàn)噪聲指標(biāo)的基礎(chǔ)上，還要根據(jù)放大器要求的總增益，頻率響應(yīng)，輸入輸出阻抗，動(dòng)態(tài)范圍，穩(wěn)定性等指標(biāo)，確定整體電路的級(jí)數(shù)，組態(tài)，反饋和頻率補(bǔ)償方法等。此外，低噪聲設(shè)計(jì)還要確定抑制外來(lái)干擾的技術(shù)措施，這對(duì)于前置放大器尤其重要。所以要求前置放大電路不僅要有較大的輸入阻抗，高的共模抑制比，而且噪音要低，并滿足檢測(cè)頻帶寬度，具有一定的放大倍數(shù)。（1）AD524及其特點(diǎn)儀表放大器是一種閉環(huán)增益組件，它具有一對(duì)差分輸入和一個(gè)單端輸出。它與運(yùn)算放大器相比，不同點(diǎn)是運(yùn)算放大器的閉環(huán)增益是由其反相輸入端與輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則是由與輸入隔離的內(nèi)部反饋電阻決定。儀表放大器兩個(gè)輸入端的阻抗完全匹配，而且數(shù)值很高，典型值為109Ω-1013Ω。如果在它的兩個(gè)差分輸入端輸入信號(hào)時(shí)，則增益既可以由內(nèi)部預(yù)置，也可以由用戶通過(guò)引腳內(nèi)部設(shè)置或通過(guò)與輸入信號(hào)隔離的外部增益電阻設(shè)置。由于儀表放大器是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理，專門設(shè)計(jì)的精密差分電壓放大器，所以它具有很多優(yōu)點(diǎn)，如共模抑制比高、非線性誤差小、輸入阻抗高、低噪聲、低失調(diào)電壓和失調(diào)電壓漂移，并帶差動(dòng)輸入，可變?cè)鲆孑敵?。從儀表放大器的特點(diǎn)來(lái)看，非常適合對(duì)微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行放大，因此本文利用儀表放大器來(lái)放大微弱電信號(hào)。通過(guò)比較，我們選用美國(guó)AD公司的精密儀表放大器AD524作為前置放大。AD524采用雙電源供電，供電電壓最高可達(dá)士15V[9]。它具有低的增益誤差和高的共模抑制比，當(dāng)增益為1時(shí)，共模抑制比大于90dB，增益誤差最大為0.05%；當(dāng)增益為1000時(shí)，共模抑制比可達(dá)120dB，且增益誤差最大為士2%。AD524的非線性誤差在士0.01%之內(nèi)(增益為1000)；輸入失調(diào)電壓50μV,輸入失調(diào)電壓漂移士0.5μV/℃。AD524兩個(gè)差動(dòng)輸入端的阻抗完全匹配，而且數(shù)值很高，典型值為109Ω，既可以差動(dòng)輸入也可以單端輸入。AD524內(nèi)置輸入電源保護(hù)電路，適應(yīng)上電和掉電時(shí)各種惡劣的工作環(huán)境。同時(shí)，它還提供較寬的增益帶寬、高的輸出轉(zhuǎn)換速率和低的階躍響應(yīng)建立時(shí)間等優(yōu)越的動(dòng)態(tài)待性。AD524可以通過(guò)改變外圍接線來(lái)設(shè)置增益，增益倍數(shù)分別為1,10,100，1000。當(dāng)需要?dú)w至1到1000之間其它增益時(shí)，可通過(guò)外接電阻來(lái)設(shè)置所需增益。AD524的引腳圖如圖5-1所示圖5-1引腳圖各引腳的功能：1輸入負(fù)，2輸入正，4、5輸入零，6基準(zhǔn)電壓，7電源負(fù)，8電源正，9輸出，10檢測(cè)，11、12、13G是設(shè)計(jì)增益短接到RG2，14、15輸出零。將毫伏級(jí)電壓信號(hào)接到儀表放大器AD524的差動(dòng)輸入端，這里選取設(shè)置片內(nèi)增益的方法，將3腳與12腳短接，選取增益倍數(shù)為100。輸入偏置電流和輸入失調(diào)電流是引起輸入誤差的來(lái)源之一[8]。盡管儀表放大器采用差動(dòng)輸入，仍需在輸入端和地之間為偏置電流提供一條直流通路，避免偏置電流通過(guò)寄生電容引起輸出的不可控漂移或飽和現(xiàn)象。本文通過(guò)在兩個(gè)輸入端接入阻值相同的接地電阻，消除了偏置電流的影響，見(jiàn)圖5-2。圖5-2AD524的電路圖5.2程控濾波器濾波是信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等領(lǐng)域必不可少甚至是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。最常用的濾波器是RC有源濾波器,它是由電阻、電容以及運(yùn)算放大器構(gòu)成，并通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選取不同的R，C的值來(lái)改變?yōu)V波器的頻率特性。對(duì)于高階有源濾波器，由于所需模擬開(kāi)關(guān)很多，電路復(fù)雜，分布參數(shù)較大，截止頻率精度不高。而采用頻率特性可變的程控開(kāi)關(guān)電容濾波器，用程控方法對(duì)帶寬大的信號(hào)進(jìn)行濾波的方法可以克服以上的缺點(diǎn)。由于MAXIM公司生產(chǎn)的開(kāi)關(guān)電容程控濾波器性價(jià)比較高，且易于程控，本文在微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中采用了MAX267帶通有源濾波器。

(1)MAX267概述[10]

MAX267是一種應(yīng)用非常廣泛的4階開(kāi)關(guān)電容濾波器。這款芯片不需要外部元件就能做成契比雪夫、巴特沃斯、貝塞爾等帶通濾波器。所設(shè)計(jì)濾波器的中心頻率與Q值均可通過(guò)芯片引腳方便地選擇。芯片有外部時(shí)鐘的輸入引腳，可精確地設(shè)定濾波器的中心頻率與截止頻率的比值。MAX267部有2個(gè)二階濾波器，每個(gè)濾波器均由開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組成，性能相同，參數(shù)也相同，可以級(jí)聯(lián)成4階、6階或8階等更高級(jí)的濾波器使用。在芯片的外部增加電阻和電容可組成多級(jí)反饋帶通濾波器。MAX267的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖l，其時(shí)鐘信號(hào)的頻率范圍為40Hz～4MHz，中心頻率的選擇范圍為0.4Hz～40kHz，時(shí)鐘頻率與中心頻率之比由芯片引腳F0～F4決定，Q值由芯片引腳QO～Q6決定。MAX267的結(jié)構(gòu)主要由兩個(gè)獨(dú)立的濾波單元、分頻單元、f0邏輯單元、Q邏輯單元及模式設(shè)置單元等電路組成。主要特性描述如下:①濾波器設(shè)計(jì)軟件化；②中心頻率32階可控；③Q值128階可控；④Q值與f0獨(dú)立可編程；⑤f0可達(dá)140kHz；⑥支持正負(fù)5V供電方式。MAX267內(nèi)部含有2個(gè)獨(dú)立的二階開(kāi)關(guān)電容帶通濾波器，它有12個(gè)可編程輸入端，其中5個(gè)用來(lái)設(shè)置濾波器中心頻率，另外7個(gè)用來(lái)設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。因此，不需要外加任何元件，僅需要外部時(shí)鐘就可以實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，使用極為方便。MAX267采用24腳窄DIP封裝，各主要引腳功能如圖5-3所示。圖5-3MAX267引腳圖INa，INb(5,1)分別為兩路帶通濾波器的信號(hào)輸入端；

BPa,BPb(2,24)分別為兩路帶通濾波器的信號(hào)輸出端；

Q0～Q6(13,14,19,20,23,6,7)為品質(zhì)因數(shù)設(shè)置輸入端，分別接低電平或高電平,可以在0.5～64之間設(shè)置濾波器的品質(zhì)因數(shù)；F0～F4(22,15,21,10,9)為濾波器中心頻率設(shè)置輸入端，分別接低電平或高電平，可以將中心頻率設(shè)置為時(shí)鐘頻率的1/197.92～1/100.53；

CLKa,CLKb(11,12)分別為兩路帶通濾波器的時(shí)鐘輸入端；OSCOUT(18)連接至晶振，當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，該端子懸空；

OPIN(4)為片上獨(dú)立運(yùn)放的反相輸入端，同相輸入端內(nèi)部連接至地；

OPOUT(3)為獨(dú)立運(yùn)放的輸出端。

(2)帶通濾波器的設(shè)計(jì)①契比雪夫型濾波器與貝塞爾型和巴特沃斯型濾波器相比，其通帶邊界下降較快，與橢圓型濾波器相比具有較平的通帶幅頻特性。根據(jù)所需信號(hào)的處理要求，確定濾波器的類型，據(jù)此可以確定濾波參數(shù)F及Q值。②將F值和Q值轉(zhuǎn)化為濾波芯片所需要的數(shù)字系數(shù)，進(jìn)而確定芯片的F系列引腳與Q系列引腳的輸入。③用外部電阻和電容將濾波器級(jí)聯(lián)起來(lái)，形成所需要的8階濾波器。MAX264原理及設(shè)計(jì)。對(duì)M0、M1兩個(gè)管腳編程可使芯片工作于模式1、2、3、4幾種方式,對(duì)應(yīng)的功能如表1所示,時(shí)鐘與中心頻率比值與編碼對(duì)應(yīng)。模式2用于實(shí)現(xiàn)全極點(diǎn)低通和帶通濾波器,該模式下fclk/f0是模式1的√2倍，這樣就延寬了截止頻率。MAX267只有在這種模式下，帶通濾波器的中心頻率只與外部輸入時(shí)鐘及F0—F4的設(shè)置有關(guān)，因此，中心頻率的控制十分方便。其中心頻率處的增益(G0)僅由品質(zhì)因數(shù)Q決定，品質(zhì)因數(shù)由引腳Q0-Q6設(shè)置。(4)例如：①8階契比雪夫帶通濾波器設(shè)計(jì)信號(hào)需要進(jìn)行的截止頻率定為fp1=0.4Hz、fp2=l5Hz的帶通濾波。確定濾波輸入信號(hào)需要進(jìn)行4階以上契比雪夫帶通濾波，為確保信號(hào)正確性，系統(tǒng)采用8階契比雪夫帶通濾波。②8階契比雪夫帶通濾波器設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行計(jì)算[11]：帶寬：BW=fp2-fp1=15-0.4=14.6Hz；中心頻率：f0=√fp1fp2=√15x0.4=2.4495；取時(shí)鐘輸入頻率fclk為400Hz，則：fclk:f0=400:2.4495=163.3通過(guò)查芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)確定芯片的F系列引腳,F0～F4的值為o0101；品質(zhì)因數(shù)為：Q=f0:BW=2.4495:14.6=0.1678系統(tǒng)采用的是8階契比雪夫帶通濾波，帶通波紋取1.0dB，查MAX267芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)，KQ=4.1981；K0=O.1869；K2=O.2038；K3=0.6840；K4=0.3002；修正由4個(gè)2階濾波器所構(gòu)成的8階濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q=Q×KQ=0.1678×4.1981=0.7044；另外,MAX267只能用于模式1，所以由芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可確定芯片的Q系列引腳Q0～Q6的值為1010010。8階帶通濾波的反饋電路如圖2，取Rf為10KΩ，R0決定濾波器的總增益。R0=K0×Rf×(Qr/2)MM=(濾波器的階數(shù))/2,RN=KN×Rf×(Qr/2)N所以M=8/2=4，計(jì)算R0=O.1869×10×(0.7044/2)4×1000=28.67Ω,取R0為30ΩR2=0.2038×10×(0.7044/2)2×1000=252.8Ω,取R2為250ΩR3=0.6840×10×(0.7044/2)3×1000=298.8Ω,取R3為300ΩR4=0.3002×10×(0.7044/2)4×l000=46.2Ω,取R4為51Ω,C2～C4取3pF。基于以上參數(shù)，設(shè)計(jì)的8階帶通濾波器原理如圖5-4。CLK輸入是DSP產(chǎn)生的400Hz的PWM波，VIN是采集的信號(hào)，VOUT是濾波以后的信號(hào)。采用開(kāi)關(guān)電容濾波器MAX267設(shè)計(jì)和制作的契比雪夫高階帶通濾波器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)，性能可靠，避免了傳統(tǒng)高階濾波器電子元件多、不宜調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。值得提出的是：由于高階濾波器濾波節(jié)數(shù)多，因而不可避免地會(huì)帶來(lái)一些高噪聲；另外，模擬濾波器在通帶范圍內(nèi)還會(huì)產(chǎn)生一定的相移。這些都是實(shí)際操作過(guò)程中需要考慮的因素。圖5-4MAX267帶通濾波器原理圖5.3TLC2652放大器TLC2652是德州儀器公司使用先進(jìn)的LinCMOS工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。斬波穩(wěn)零的工作方式使TLC2652具有優(yōu)異的直流特性，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小，TLC2652非常適合用于微信號(hào)的放大。在微弱信號(hào)的測(cè)量中，常常需要放大微伏級(jí)的電信號(hào)。這時(shí)，普通的運(yùn)算放大器已無(wú)法使用了，因?yàn)樗鼈兊妮斎胧д{(diào)電壓一般在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上。固然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移則是難以消除的。德州儀器公司生產(chǎn)的斬波穩(wěn)零型運(yùn)算放大器提供了一種解決微信號(hào)放大問(wèn)題的廉價(jià)方案。(1)TLC2652的內(nèi)部結(jié)構(gòu)下面對(duì)TLC2652的內(nèi)部功能單元作一簡(jiǎn)單介紹：

①主放大器。它與一般的運(yùn)算放大器不同之處在于，它有三個(gè)輸入端。除引出芯片外部的同相和反相輸入端外，其在芯片內(nèi)部還有一個(gè)用于校零的同相輸入端。②校零放大器。它也有三個(gè)輸入端，但與主放大器相反，在芯片內(nèi)部的輸入端是反相輸入端。

③時(shí)鐘和開(kāi)關(guān)電路。內(nèi)部時(shí)鐘產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，控制各開(kāi)關(guān)按一定的時(shí)序閉合與斷開(kāi)。在14和20引腳的芯片中時(shí)鐘信號(hào)還可從外部引入。

④補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。它使電路在較寬的頻帶內(nèi)有平坦的響應(yīng)。在TLC2652中，電路的高頻響應(yīng)主要由主放大器決定。

⑤箝位電路（CLAMP）。它實(shí)際上是一個(gè)當(dāng)輸出與電源電壓相差接近1V時(shí)動(dòng)作的開(kāi)關(guān)，把CLAMP與運(yùn)放的反相輸入端短接，則其引入的深度負(fù)反饋可使電路在過(guò)載時(shí)的增益大大下降以防止飽和。它可以加速電路在過(guò)載后的恢復(fù)。(2)斬波穩(wěn)零的工作原理TLC2652芯片上的控制邏輯產(chǎn)生兩個(gè)主要的時(shí)鐘周期：校零周期和放大周期。主放大器一直與電路的輸入端和輸出端相連，而校零放大器則在兩個(gè)周期內(nèi)分別對(duì)自己和主放大器校零。在校零周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)A閉合，使校零放大器的兩個(gè)輸入端短路，通過(guò)自身的反饋，校零放大器的失調(diào)電壓被減到最小。同時(shí)，外接記憶電容CXA中儲(chǔ)存了這一失調(diào)電壓，在放大周期內(nèi)，開(kāi)關(guān)B閉合，把校零放大器的輸出與主放大器的同相輸入端連接起來(lái)，使主放大器被校零。同時(shí)，外接記憶電容CXB中儲(chǔ)存了校零電壓，使主放大器在下一個(gè)校零周期內(nèi)仍保持校零。圖4-5TLC2652的簡(jiǎn)化框圖在TLC2652中，內(nèi)部時(shí)鐘使放大器以450Hz的頻率校零。在這種連續(xù)校零的機(jī)制下，失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓、低頻噪聲、電源電壓變化等對(duì)運(yùn)算放大器的影響被降低到了最小。由于低頻信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)放大器放大，電路可以獲得極高的增益，這在需要精密高增益放大的電路中是十分有用的。由于使用了LinCMOS工藝和低噪聲的MOSFET，輸入噪聲被大大減小。(3)TLC2652的主要技術(shù)性能；

①極低的輸入失調(diào)電壓：0.5μV（典型值），1μV（最大值）；

②極低的失調(diào)電壓漂移：0.003μV/℃（典型值），失調(diào)電壓長(zhǎng)期漂移為0.003μV/月

③低輸入偏置電流：4pA（典型值），60pA（最大值）；

④低輸入失調(diào)電流：2pA（典型值），60pA（最大值），500pA（T=-55℃至125℃最大值）⑤開(kāi)環(huán)電壓增益：135dB（最小值），150dB（典型值）；

⑥共模抑制比：120dB（最小值），140dB（典型值）；

⑦電源抑制比：110dB（最小值），135dB（典型值）；

⑧電源電流：1.5mA；輸出電流：±50mA；

⑨帶寬增益積：1.9MHz；

⑩擺動(dòng)速率：2.8V/μs（SR+），3.1V/μs（SR-）；

在元件的選擇中需要特別注意的是，電路中的兩個(gè)記憶電容CXA和CXB必須使用絕緣電阻很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等可以作為記憶電容器，容量可以從0.1μF至1μF中選擇，電容的一端接到CXA或CXB引腳，另一端接至VDD-或CRETURN引腳。在一些斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器中把記憶電容接至VDD-引腳會(huì)增加噪聲，而TLC2652則沒(méi)有這種問(wèn)題。圖5-6是TLC2652的典型電路（反相放大器）。

圖5-6TLC2652的原理圖TLC2652是高精度放大器，往往在輸入電壓為微伏量級(jí)的情況下高增益工作。要保證放大器的精度，一是負(fù)反饋電阻必須有足夠的精度，且電路的閉環(huán)增益不能太大；二是必須提高印制板的質(zhì)量，防止印板表面的漏電流。第6章基于USB2.0協(xié)議的數(shù)據(jù)采集裝置6.1A/D轉(zhuǎn)換器的選擇Σ-ΔADC采用了數(shù)字式反饋比較，大大降低了量化噪聲，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。和一般的模擬濾波器一樣，濾波器的階數(shù)越高，其濾波性能就越好。因此，高階Σ-Δ調(diào)制器便得到了廣泛的應(yīng)用。采用藝一△轉(zhuǎn)換技術(shù)，數(shù)字電路占有很大的比重(Σ-Δ調(diào)制、數(shù)字濾波等)，使制成高精度、低成本的轉(zhuǎn)換起成為現(xiàn)實(shí)。在低頻測(cè)量應(yīng)用中，AD7718是一個(gè)單電源供電（+3V或+5V）的完整前端。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。從圖中可以看出片內(nèi)有一個(gè)帶PGA（可編程增益放大器）的Σ-Δ型ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。ADC的分辨率為24bits，PGA的范圍為20～27，8檔可編程。所以，AD7718能直接轉(zhuǎn)換范圍在20mV～2.56V之間的輸入信號(hào)而無(wú)須信號(hào)調(diào)理電路。AD7718片內(nèi)還有一個(gè)多路開(kāi)關(guān)MUX，可以將模擬輸入配置成4或5通道差分輸入，也可以配置成8或10通道偽差分輸入。AD7718需要外接32.768KHZ晶體，片內(nèi)PLL通過(guò)它產(chǎn)生所需要的工作時(shí)鐘。圖6-1內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖外部引腳AD7718的外部引腳有28個(gè)（參見(jiàn)圖5-2）。按性質(zhì)主要分為模擬、數(shù)字兩個(gè)部分。模擬部分引腳有模擬輸入、參考電壓輸入和模擬電源三類。配置成偽差分輸入時(shí)最多有10個(gè)通道，模擬信號(hào)分別從AIN1～AIN10輸入，共同參考AINCOM引腳；配置成差分輸入時(shí)最多有5個(gè)通道，AIN1～AIN10中相鄰2個(gè)輸入分別是差分對(duì)的同相輸入端和反相輸入端。參考電壓一般為REFIN1(+)與REFIN1(-)的差。當(dāng)AD7718配置成8通道時(shí)，參考電壓還可選REFIN2(+)-REFIN2(-)。因?yàn)檫@2個(gè)引腳與模擬輸入引腳AIN9和AIN10復(fù)用[12]。圖5-2AD7718引腳圖AD7718的外部引腳有28個(gè)（參見(jiàn)圖5-2）。按性質(zhì)主要分為模擬、數(shù)字兩個(gè)部分。模擬部分引腳有模擬輸入、參考電壓輸入和模擬電源三類。配置成偽差分輸入時(shí)最多有10個(gè)通道，模擬信號(hào)分別從AIN1～AIN10輸入，共同參考AINCOM引腳；配置成差分輸入時(shí)最多有5個(gè)通道，AIN1～AIN10中相鄰2個(gè)輸入分別是差分對(duì)的同相輸入端和反相輸入端。參考電壓一般為REFIN1(+)與REFIN1(-)的差。當(dāng)AD7718配置成8通道時(shí)，參考電壓還可選REFIN2(+)-REFIN2(-)。因?yàn)檫@2個(gè)引腳與模擬輸入引腳AIN9和AIN10復(fù)用[12]。數(shù)字部分引腳有SPI接口、數(shù)據(jù)就緒、通用I/O口和數(shù)字電源四類。SPI接口的4根標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線分別是片選信號(hào)CS、串行時(shí)鐘輸入SCLK、串行數(shù)據(jù)輸入DIN和串行數(shù)據(jù)輸出DOUT。當(dāng)AD7718接在SPI總線上時(shí)是從器件，從引腳CS輸入低電平信號(hào)使能AD7718。數(shù)據(jù)就緒RDY是一個(gè)低電平有效的輸出引腳。當(dāng)所選通道數(shù)據(jù)寄存器中有有效數(shù)據(jù)時(shí)，輸出低電平信號(hào)；數(shù)據(jù)被讀出后，輸出高電平。AD7718的通用I/O口是2個(gè)一位口P1和P2。它們既可配置成輸入也可配置成輸出，單片機(jī)通過(guò)SPI口讀寫AD7718片內(nèi)相關(guān)寄存器實(shí)現(xiàn)對(duì)P1和P2的操作。它們擴(kuò)展了單片機(jī)的I/O接口能力。AD7718的模擬電源和數(shù)字電源是分別供電的，都既可以采用+3V供電，也可以采用+5V供電。但必須一致，要么都用+3V，要么都用+5V。芯片內(nèi)部寄存器是用戶可以使用的資源，通過(guò)對(duì)這些寄存器的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的配置和控制。AD7718片內(nèi)有很多寄存器，用戶可以使用的寄存器有9組，如表1所示。所有與AD7718的通信都必須先從寫通信寄存器開(kāi)始，寫入的數(shù)據(jù)決定下一次操作是讀還是寫，以及讀寫的是哪一個(gè)寄存器。芯片上電或復(fù)位后，AD7718等待著寫通信寄存器。狀態(tài)寄存器SR是一個(gè)8位寄存器（SR7～SR0），但只有4位有意義。其中SR7（RDY）是數(shù)據(jù)就緒狀態(tài)位，與引腳RDY意義相同，但編碼互補(bǔ)。狀態(tài)RDY=1，表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已傳送到數(shù)據(jù)寄存器中或校準(zhǔn)周期完成；當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀取后自動(dòng)清0。當(dāng)向模式寄存器中寫入數(shù)據(jù)選擇轉(zhuǎn)換或校準(zhǔn)時(shí)，該位也被清0。所有與AD7718的通信都必須先從寫通信寄存器開(kāi)始，寫入的數(shù)據(jù)決定下一次操作是讀還是寫，以及讀寫的是哪一個(gè)寄存器。芯片上電或復(fù)位后，AD7718等待著寫通信寄存器。狀態(tài)寄存器SR是一個(gè)8位寄存器（SR7～SR0），但只有4位有意義。其中SR7（RDY）是數(shù)據(jù)就緒狀態(tài)位，與引腳RDY意義相同，但編碼互補(bǔ)。狀態(tài)RDY=1，表示轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)已傳送到數(shù)據(jù)寄存器中或校準(zhǔn)周期完成；當(dāng)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀取后自動(dòng)清0。當(dāng)向模式寄存器中寫入數(shù)據(jù)選擇轉(zhuǎn)換或校準(zhǔn)時(shí)，該位也被清0。模式寄存器MR用于設(shè)置AD7718的工作方式、參考電壓、通道配置和模數(shù)轉(zhuǎn)換方式等。當(dāng)MR7（CHOP）=0，AD7718工作在斬波方式，此時(shí)AD7718各種性能最佳，但轉(zhuǎn)換速度較慢。當(dāng)MR6（NEGBUF）=1，AINCOM緩沖輸入。此位僅在單端方式時(shí)有意義。當(dāng)MR5（REFSEL）REFSEL=0，參考電壓VREF=REFIN1(+)-REFIN1(-)；REFSEL=1，VREF=REFIN2(+)-REFIN2(-)。當(dāng)MR4（CHCON）=0，AD7718配置成8通道（8個(gè)單端或4對(duì)差分），此時(shí)可以選擇兩種參考電壓之一；CHCON=1，AD7718配置成10通道，此時(shí)參考電壓只能選擇REFIN1(+)-REFIN1(-)。當(dāng)MR3（OSCPD）=1，若ADC進(jìn)入備用模式（standbymode）時(shí)將使振蕩器停振，這樣可以減少功耗。重新恢復(fù)時(shí)需要300ms的時(shí)間。MR2～MR0（MD2～MD0）是ADC模式選擇位。用3位組合選擇表明AD7718有8種工作模式：掉電、空閑、單次轉(zhuǎn)換、連續(xù)轉(zhuǎn)換、零點(diǎn)校正、滿幅校正等?？刂萍拇嫫鰽DCCON用于配置輸入通道、輸入范圍和轉(zhuǎn)換極性。在選擇通道的同時(shí)還動(dòng)態(tài)配置輸入為差分或偽差分。濾波器寄存器FR是一個(gè)8位寄存器，用于存放8bits濾波器抽取因子SF。其取值與轉(zhuǎn)換速率有如下關(guān)系[13]：當(dāng)，,I/O控制寄存器IOCON實(shí)現(xiàn)對(duì)2個(gè)通用一位I/O口P1和P2的操作。ADC數(shù)據(jù)結(jié)果寄存器DATA是一個(gè)字長(zhǎng)24bits的寄存器，存放所選通道的24bits轉(zhuǎn)換結(jié)果。單極性模式時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的編碼為：；雙極性模式時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果的編碼為：。式中，AIN為模擬輸入電壓，GAIN為增益，VREF為參考電壓。（2）基準(zhǔn)電壓源AD780

高精度參考電壓源AD780為AD7714提供基準(zhǔn)電壓。其基本特性：通過(guò)8腳的懸空或接地，可實(shí)現(xiàn)2.5V或3.0V的輸出；輸出電壓范圍在2.5V±1mV或3.0V±lmV；輸入電壓范圍可從4～36V來(lái)實(shí)現(xiàn)2.5V或3.0V的輸出[14]。

在使用AD780作基準(zhǔn)電壓源時(shí)，其周圍的電容一定要按照?qǐng)D5-3上所給的進(jìn)行配置，否則，輸出的精度會(huì)下降很多。特別要注意AD780輸出端和地的100μF電容，試驗(yàn)表明這個(gè)電容可以使系統(tǒng)的精度提高2～3位(二進(jìn)制位)。圖6-3AD780原理圖AD7718的應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，模擬輸入可直接與放大器相連，數(shù)字接口（標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口）直接與單片機(jī)相連。從圖6-4中可以看出：AD7718的模擬輸入前只設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波電路（圖中只畫了一個(gè)差分通道的濾波電路），輸入范圍可以根據(jù)信號(hào)實(shí)際情況設(shè)置片內(nèi)PGA的放大倍數(shù)來(lái)確定。AD7718的SPI口直接接在單片機(jī)的SPI口上。AD7718的片選信號(hào)CS是輸入信號(hào)，接在單片機(jī)的一個(gè)普通I/O口上（通常是接譯碼電路輸出）。AD7718的數(shù)據(jù)就緒RDY則作為中斷信號(hào)接到單片機(jī)的中斷輸入引腳上，當(dāng)然也可接在普通I/O口上而采用查詢方式。下圖6-4為AD7718的原理圖。圖6-4AD7718的電路原理圖6.2USB2.0特點(diǎn)USB是一種高效、快速、價(jià)格低廉、體積小的新型串行通信接口，其最大的特點(diǎn)是支持熱插拔，可以在不重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)的情況下直接將USB外部設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)并開(kāi)始通信。通用串行總線USB（UniversalSerialBus）是由Intel等廠商制定的連接計(jì)算機(jī)與具有USB接口的多種外設(shè)之間通信的串行總線。目前，帶USB接口的設(shè)備越來(lái)越多，如鼠標(biāo)、鍵盤、數(shù)碼相機(jī)、調(diào)制解調(diào)器、掃描儀、攝像機(jī)、電視及視頻抓取盒、音箱等。USB具有以下主要特點(diǎn)：(1)節(jié)省系統(tǒng)資源。在計(jì)算機(jī)中，系統(tǒng)為USB主控制器分配一根中斷控制線和一些輸入/輸出地址，USB再為外部設(shè)備分配惟一的地址。(2)可以提供電源。計(jì)算機(jī)上的USB接口可以向外部設(shè)備提供一定的電力支持,其輸出電流最小值為100mA，最大值為500mA，輸出電壓為5V。(3)良好的兼容性。USB規(guī)范已經(jīng)有USB1.0,USB1.1,USB2.0,無(wú)線USB等多個(gè)版本的協(xié)議，這些協(xié)議都有很好的向下兼容性。(4)共享式接口。USB采用“菊花鏈”式的連接方式,同時(shí)支持多個(gè)設(shè)備的連接,一個(gè)USB主控制器最多可以連接126個(gè)外部設(shè)備。D+和D-分別與CY7C68013A單片機(jī)DPLUS和DMINUS相連，如圖6-5。圖6-5USB2.0的原理圖6.3CY7C68013A單片機(jī)CYPRESS公司推出的CY7C68013器件自從推出以來(lái)就受到廣大用戶的好評(píng)，主要原因有：出色USB2.0單芯片解決方案，68013包含增強(qiáng)型8051內(nèi)核和智能USB接口優(yōu)良的性價(jià)比，56引腳的68013市場(chǎng)售價(jià)不到50元；開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，CYPRESS公司提供了完整開(kāi)發(fā)方案，如調(diào)試界面和固件框架；真正體現(xiàn)USB2.0傳輸速度，包含通用可編程接口(GPIF)，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的“膠連接”；增強(qiáng)型8051的指令周期只有4時(shí)鐘周期[15]。CY7C68013A(下面有時(shí)也簡(jiǎn)稱為FX2LP)屬于CYPRESS公司的FX2LP系列產(chǎn)品，是FX2LP的增強(qiáng)性產(chǎn)品，它提供了USB2．0的低功耗高速的完整解決方案。包括帶16KB的片內(nèi)RAM、高速CPU、16位并行地址總線、8位數(shù)據(jù)總線、12C總線、雙串口、4KFIFO的可配置的存儲(chǔ)器以及通用可編程接口(GPlF)、智能串行接口引擎(SIE)和USB2.0收發(fā)器。其內(nèi)核為增強(qiáng)性的8051，代碼與MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，且速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的3—5倍。CY7C68013A與外設(shè)有兩種接口方式：可編程接口GPIFMaster和SlaveFIFO?？删幊蘂PIF的主機(jī)方式(MasterMode)，可以由軟件設(shè)置讀寫控制波形，靈活性很大，幾乎可以對(duì)任何8/16位接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫，使用非常靈活。SlaveFIFOs方式是從機(jī)方式(SlaveMode)，外部控制器可像對(duì)普通FIFO一樣對(duì)FX2LP的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。FX2LP的SlaveFIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時(shí)鐘為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入可選；其它控制信號(hào)也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效，或是作為讀寫選通信號(hào)。引腳說(shuō)明:FX2的引腳主要可以分為幾類：電源引腳，包括數(shù)字電源地和模擬電源地；系統(tǒng)引腳，如時(shí)鐘，USB掛起外部喚醒,USB差分?jǐn)?shù)據(jù)線，復(fù)位引腳，中斷，計(jì)數(shù)器輸入，UART通信；通用IO，包括端口A,B,C，D，E；地址與數(shù)據(jù)總線，可用來(lái)外擴(kuò)展RAM；GPIF主模式引腳；FIFO從模式SLAVEFIFO引腳。引腳圖見(jiàn)圖6-6。圖6-6CY7C68013A引腳圖－XTALIN和XTALOUT時(shí)鐘輸入引腳－RESET#復(fù)位輸入引腳，低電平有效－WAKEUP#外部喚醒引腳輸入，低電平有效－SCL和SDA為I2C接口時(shí)鐘與數(shù)據(jù)引腳－IFCLK，GPIF時(shí)鐘，可作為輸入或輸出－CLKOUT，時(shí)鐘輸出，可設(shè)置為12M，24M或48M時(shí)鐘輸出，作為其他外設(shè)時(shí)鐘－DPLUS和DMINUS，USB數(shù)據(jù)線D+和D-－PB0～PB7端口B，復(fù)用引腳，可設(shè)置為GPIF數(shù)據(jù)總線的低八位FD[0]～FD[7]－PD0～PD7端口D，復(fù)用引腳，可設(shè)置為GPIF數(shù)據(jù)總線的高八位FD[8]～FD[15]－RDY0～RDY5，GPIF主模式作為狀態(tài)輸入引腳，RDY0和RDY1為復(fù)用引腳，F(xiàn)IFO從模式作為讀寫信號(hào)SLRD和SLWR－CTL0～CTL5，GPIF主模式作為控制輸出引腳，CTL0～CTL2可復(fù)用為FIFO從模式狀態(tài)標(biāo)志引腳FLAGA，F(xiàn)LAGB，F(xiàn)LAGC－PA0～PA7端口A，復(fù)用引腳，PA0與中斷INT0復(fù)用，PA1與中斷INT1復(fù)用，PA3與USB喚醒可選引腳WU2復(fù)用，PA2與FIFO從模式FIFO輸出使能引腳復(fù)用，PA4與FIFO從模式FIFO地址FIFOADD0引腳復(fù)用，PA5與FIFO從模式FIFOFIFOADD1引腳復(fù)用，PA6與FIFO從模式包結(jié)束PKTEND引腳復(fù)用，PA7與FIFO從模式狀態(tài)標(biāo)志位FLAGD，以及和FIFO從模式SLAVEFIFO使能/觸發(fā)SLCS#引腳復(fù)用，PA7引腳功能由寄存器IFCONFIG[1:0]來(lái)配置－PC0～PC7端口C，復(fù)用引腳，與GPIF主模式地址GPIFADR0～7引腳復(fù)用－PE0～PE7端口E，復(fù)用引腳，PE7與GPIF主模式地址GPIFADR8引腳復(fù)用，端口E其他引腳復(fù)用可見(jiàn)圖－A0～A15外擴(kuò)RAM地址總線－D0～D15外擴(kuò)RAM數(shù)據(jù)總線－RD#,WR#,CS#,OE#,PSEN#外擴(kuò)RAM控制邏輯－EA,外部地址使能－RxD0,TxD0,RxD1,TxD1串口1和2－INT4,INT5#，外部中斷－TIMER0，TIMER1,TIMER2計(jì)數(shù)器時(shí)鐘輸入引腳6.4CY7C68013A單片機(jī)的外部擴(kuò)展電路（1）8255芯片8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，能并行傳送8位數(shù)據(jù)，具有3個(gè)通道3種工作方式的可編程并行接口芯片。8255提供與主機(jī)相連的3總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)必須具有與外設(shè)連接的接口A、B、C口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為三個(gè)部分：與CPU連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。8255是一個(gè)40引腳的雙列直插式芯片，圖5-7為8255與CY7C68013A的連接圖。與CY7C68013A的連接就是3總線的連接[16]。A0A1線：A0A100A口

01B口

10C口

11控制寄存器端口：片選信號(hào)，低電平有效用來(lái)選通該芯片；：讀信號(hào)，低有效

；：寫信號(hào)，低有效。①讀信號(hào)：8255的讀信號(hào)與CY7C68013A的相連。②寫信號(hào)：8255的寫信號(hào)與CY7C68013A的相連。③復(fù)位信號(hào)RST：8255的復(fù)位信號(hào)RST與CY7C68013A的RST相連。圖6-78255與CY7C68013A的連接圖（2）74LS373鎖存器74lS373是常用的地址鎖存器芯片，它實(shí)質(zhì)是一個(gè)是帶三態(tài)緩沖輸出的8D發(fā)器，在單片機(jī)系統(tǒng)中為了擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器，通常需要一塊74lS373芯片。圖6-8單片機(jī)與外設(shè)的擴(kuò)展電路圖外擴(kuò)展顯示器七段LED顯示譯碼器分段式。這種數(shù)碼管的每個(gè)線段都是一個(gè)發(fā)光二極管，因此也稱LED數(shù)碼管或LED七段顯示器。我們把能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)輸出的BCD碼換成7段字型代碼，并使數(shù)碼管顯示出十進(jìn)制數(shù)的電路稱“七段字型譯碼器”。從功能表還可看出，對(duì)輸入代碼0000，譯碼條件是：LT和RBI同時(shí)等于1，而對(duì)其它輸入代碼則僅要求LT＝1，這時(shí)候，譯碼器各段a～g輸出的電平是由輸入BCD碼決定的，并且滿足顯示字形的要求。工作電壓:5V。圖6-974LS48引腳功能圖其中8255的PB口作段選碼口，與LED的段相連，8255的PA0～PA5作選碼口，與LED的位相連。在單片機(jī)系統(tǒng)中，通常用LED數(shù)碼顯示器來(lái)顯示各種數(shù)字或符號(hào)，由于它具有顯示清晰、亮度高、使用電壓低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此使用非常廣泛。它由若干個(gè)發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆畫發(fā)亮?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的LED7顯示器有七段和“米”字段之分，有小數(shù)點(diǎn)位的7段顯示器的字形碼為八位二進(jìn)制，正好一個(gè)字節(jié)，“米”字顯示器有15個(gè)發(fā)光二極管，所以其字形碼需兩個(gè)字節(jié)。這兩類顯示器都有共陽(yáng)極和共陰極兩種接法，共陰極LED顯示器的發(fā)光二極管陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示；同樣，共陽(yáng)極LED顯示器的發(fā)光二極管陽(yáng)極連接在一起，通常此公共陽(yáng)極接正電壓，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。共陽(yáng)極和共陰極的字形碼是不同的，而且字形碼可由設(shè)計(jì)者根據(jù)硬件接線的不同自行設(shè)計(jì)，不必局限于固定格式。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。當(dāng)顯示器位數(shù)較少時(shí)，適合采用靜態(tài)顯示的方法。當(dāng)位