1、一、論述高速數據采集系統的電磁兼容性（EMC設計。主要考慮因素：射頻干擾問題，差模輻射，共模輻射，電源去耦，連線端接，接地 技術，模擬/數字混合系統，PCBS計。可能產生的影響、問題解決方法、注意事項等。答：電磁兼容（EMC是指設備或系統在其電磁環境中符合要求運行并不對其環境中的任何設備產生 無法忍受的電磁騷擾的能力。EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁騷擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁騷擾具有一 定程度的抗擾度，即電磁敏感性（Electromagnetic Susceptibility ,即EMS換句話說，即設備不會由于受到

2、同一電磁環境中其他設備的電磁干擾而導致不允許的性能降低或失效；同時，設備也 不會使同一電磁環境中其他設備因受其電磁干擾而導致不允許的性能降低或失效。 以下是從不同角度對電磁兼容性的討論：1 .射頻干擾就是電磁波所帶來的干擾.防止射頻干擾最佳的方法是保證層間布線盡量短，避免產生額外的諧振回路。短的連線能減小電感阻抗、縮短信號傳輸延時。2 .差模輻射：應減小電流幅度I,減小信號頻率及其諧波，加大數字信號上升/下降沿tr ,減小環面積S ,將信號線緊挨接地線。3 .共模輻射：共模電流會產生很強的輻射，對周圍的電路形成輻射性干擾，盡量減小激勵此天 線的源電壓，即地電位；提供與電纜串聯的高共模阻抗，即加

3、共模扼流圈；將共模電流旁路到地。4 .電源去耦：一個電路的各個單元共用同一電源供電，為了防止各單元之間的耦合，需加去耦 電路。造成耦合的原因有：數字電路一一在電平翻轉時的瞬間會有較大的電流，且會在供電線路上 產生自感電壓。功率放大電路一一因電流較大，此電流流過電源的內阻和公共地和電源線路時產生電壓，使得電源電壓有波動。高頻電路一一電路中有高頻部分因輻射和耦合在電源上產生干擾。應 設計較小的電流回路具有更低輻射。5 .接地技術：數字和模擬地要采用單點星形連接且靠近電源。6 .對于*II擬/數字混合系統，主要措施有抑制地線干擾， 總原則是數字電路與模擬電路分開接地， 對微弱模擬量電路實行全面覆蓋的

4、電磁屏蔽，采用直流隔離措施。7 .PCB設計：PCB板設計的開始階段就是層的設置，層設置不合理可能產生諸多的噪聲而形成電磁干擾和自身的 EMC'可題，所以合理的層布局對電磁兼容性而言是十分重要的。PCB板層由電源層、地線層和信號層組成。層的選擇、層的相對位置以及電源、地平面的分割、PCB板的布線、信號質量、接口電路的處理等都對 PCB雙白EMC旨標起著至關重要的作用，也直接影響到整臺電子產品的電 磁兼容性。根據電源、地的種類、信號線的密集程度、信號頻率、特殊布線要求的信號數量、周邊 要素、成本價格等方面的綜合因素來確定PC時的層數。要滿足EMM嚴格指標并且考慮制造成本 ，適當增加地平面

5、是 PCB的EMCS計最好的方法之一。對電源層而言，一般通過內電層分割能滿足多種 電源的需要，但若需要多種電源供電，且互相交錯，則必須考慮采用兩層或兩層以上的電源平面。對信號層而言，除了考慮信號線的走線密集度外，從EMC勺角度，還需要考慮關鍵信號（如時鐘、復位信號等）的屏蔽或隔離，以此確定是否增加相應層數。對PCB板進行空間分割的目的是為了降低PCB上不同類型的元器件之間互相干擾。空間分割的實施方法就是對元器件進行分組，可以根據電源電壓高低、數字器件或模擬器件、 高速器件或低速器件以及電流大小等特點，對電路板上的不同電氣單元進行功能分組，每個功能組的元器件彼此被緊湊地放置在一起以便得到最短的線

6、路長度和最佳的功能 特性。高壓、大功率器件時，與低壓、小功率器件應保持一定間距，盡量分開布線。三、選擇一種專用的A/D轉換器，介紹其機構、特點、應用場合、工作原理、基本工作 模式、時序以及微機數據采集接口電路，設計應用實例與同題。答：積分式A/D: ICL7135,它是4位雙積分A/D轉換芯片，以轉換輸出土 20000個數字量，STB選 通控制的BC加輸出，微機接口十分方便。特點：ICL7135具有精度高（相當于14位A/D轉換），格低的優點.其轉換速度與時鐘頻率相關， 每個轉換周期均有：自校準（調零），正向積分（被測模擬電壓積分）,反向積分（基準電壓積分）和過零 檢測四個階段組成，其中自校準

7、時間為10001個脈沖，正向積分時間為10000個脈沖，反向積分直至電 壓到零為止（最大不超過20001個脈沖）。故設計者可以采用從正向積分開始計數脈沖個數，到反向積分為零時停止計數。將計數的脈沖個數減 10000,即得到對應的模擬量。ICL7135為DIP28封裝，芯片互 2625 紅 亙2115UNDERRAHGEOVEFtRAIMGESTROBE： rfFTDIGITAL GNDPOLCLOCK INBUSY(LSD) DID2D3D4(MSB) 0SB4引腳排列如圖1所示：REFERENCE AtlALOG COMMOHINT OUTAZ IN BUFF OUT REF CAP - R

8、EF CAP +IN LO IN HIV+ (MSD) D5 (LS0)B2圖1 ICL7135引腳ICL7135引腳功能及含義如下：與供電及電源相關的引腳（共7腳）：-V:ICL7135負電源引入端，典型值-5V,極限值-9V ; +V:ICL7135正電源引入端，典型值+5V,極限值+6V; DGNDB：字地，ICL7135正，負電源的低電平基準； REF:參考電壓輸入，REF的地為AGNDH腳，典型值1V,輸出數字量=10000ms； （VIN/VREF） AC:模擬地，典型應用中，與DGND數字地）“一點接地”；INHI:模擬輸入正；INLO:模擬輸入負，當模擬信號輸入為單端對地時 ，

9、直接與AC相連。與控制和狀態相關的引腳（共12腳）： CLKIN:時鐘信號輸入.當T=80ms時,fcp=125kHz,對50Hz工頻干擾有較大抑制能力，此時轉 換速度為3次/s.極限值fcp=1MHz時，轉換速度為25次/s； REFC+外接參考電容正，典型值1 ；REFC-:外接參考電容負；BUFFO緩沖放大器輸出端，典型外接積分電阻；INTO:積分器輸出端，典型外接積分電容； AZIN:自校零端；LOW:欠量程信號輸出端，當輸入信號小于量程范圍的10%t該端輸出高電平； HIGH:過量程信號輸出端，當輸入信號超過計數范圍（20001）時，該端輸出高電平； STOR數據輸出選通信號（負脈沖

10、），寬度為時鐘脈沖寬度的一半，每次A/D轉換結束時，該端 輸出5個負脈沖，分別選通由高到低的 BC加數據（5位），該端用于將轉換Z果打到并行I/O接口； R/H:自動轉換/停頓控制輸入.當輸入高電平時；每隔40002個時鐘脈沖自動啟動下一次轉換 當輸入為低電平時，轉換結束后需輸入一個大于300ns的正脈沖，才能啟動下一次轉換；11 POL:極性信號輸出，高電平表示極性為正；12 BUSY忙信號輸出，高電平有效.正向積分開始時自動變高，反向積分結束時自動變低。與選通和數據輸出相關的引腳（共9腳）： B8B1:BCD碼輸出.B8為高位，對應BCD碼； D5:萬位選通； D4D1:千，百，十，個位選

11、通。時序圖如圖2:RtlSY圖2時序圖硬件接口電路：ICL7135僅通過兩根I/O線與AT89C52相接，僅占用AT89C52的T1、T2兩個計 數器及外部中斷INT1。o li_34s Av 7 _Q 153 *6 fl 7- ro.做PD.FO,穌FO,PD,應接也憶F2,FZ,F2.ETrol 01234567X1I2帆sr理s乳pl.pl.H:U210.7136STover 陋Bl 留 B4 IN BIIN WINJ OUTAZ DiK1F cvr REF Cl皿C2REFCLK DELWflBUSTDGW圖3硬件電路圖工作原理：AT89C52的T2計數器通過編程設置工作于方波產生器模

12、式時，P1. 0 管腳輸出連續方波信號。該信號一方面接至ICL7135的時鐘輸入管腳，為ICL7135提供時鐘信號,另一方面接至AT89C52的T1計數器的計數輸入端，以便對ICL7135時鐘周期進行計數。根據前面的時序分析 ，當 模擬彳t號Vin接至ICL7135的模擬信號輸入端，啟動ICL7135進彳T A/ D轉換時，1個完整的A/ D 轉換過程需要經歷 3個階段：即AZ、SI、RI階段。只要控制 T1計數器僅在ICL7135的管腳為高電 平時計數，那么T1計數器在此段時間里所計的數減去10001,就是模擬信號 Vin經A/ D轉換后所對應的數字碼。BUSY言號接至AT89C52的外部中

13、斷INT1,通過編程設置 T1計數器工作于方式 1、 對外部脈沖計數、設置GAT或T1計數受INT1控制，就實現了 T1計數器僅在ICL7135的管腳為高電平時進行計數。BUSY言號接至AT89C52的外部中斷INT1的另一個意圖是：當BUSY言號由高電平 跳變為低電平瞬間，以中斷形式通知 CPU,以讀出A/ D轉換后的數字碼。應用實例：ICL7135與MCS51連接：-5VO100kIN414S本Hlo.22F-嬴 心o苗1小爐-V REF INTOK/rl | v ilEtJL.BUSY LOW HIGH STROAZINBUFFO REFC+CLK IND5IN HlDGNDAC1CU1

14、3581 聲 II 7I1由一圖 4 ICL7135 與 MCS51 連接設 MCS-51的外接晶振 fosc=6MHz,貝U ALE輸出約為1MHz,將 ALE信號車入 CD4040的CLK引 腳.CD4040是由12個T型觸發器組成的串行二進制計數器 /分頻器，有12個分頻輸出端，Q1Q12,最 大分頻系數為 212=4096，由于CD4040的所有輸入，輸出端都設有緩沖器 ，所以有較好的噪聲容限.CD4040的Q2輸出是對 ALE進行了 22=4分頻，故輸入ICL7135的時鐘為1MHz/4=250kHz,可得 TCP=1/250ms=0.004ms,由于一次轉換最多需 （10001+1

15、0000+20001）=40002個脈沖，故轉換一次需 0.004ms*40002 = 160ms,因此ICL7135的轉換速度為 6.25次/s.選擇這 一頻率，以犧牲ICL7135抗工頻干擾為代價，使MCS-51的16位計數器能一次計數 A/D轉換的CP脈沖 數。在滿電壓輸入時，BUSY寬度為正向積分10000個CP脈沖，反向積分20001個CP脈沖（總計30001 個CP脈沖）。四、自選元器件，設計一臺 5 1/2位數字多用表，要求測量：直流電壓、電流、交流電 壓、電流、電阻、電感、電容、溫度（-20 +150 C）。答：數字多用表是目前應用最廣泛發展最快的常規儀器隨著科學技術的發展對數

16、字多用表的不確定度和功能要求越來越高特別是現代控制中的自動測試系統逐漸普遍可程控的數字多用表是各類自動測試系統中必備的部件目前5 1/2位數字多用表正在逐漸替換 4 1/2位數字多用表的位置 5 1/2位數字多用表市場有很大空間。數字多用表硬件電路結構如圖1所示分為內層模擬電路部分和外層數字電路部分.內層模擬電路部分由量程轉換及自校準電路電流電壓（A/V）轉換，頻率信號整形分頻電路，電阻電壓轉換，DC/AC緩沖器，量程放大電路，交流真有效值（ AC/RMS轉換，模數轉換器，浮置電源等成，外 層數字部分由SOCII片機組成的微控制器，鍵盤，顯示器，RS232C組成。星程及日校 引播電路T,平伍號

17、荽聲fT g/筆挑了卜受敏投制群假片亂器M 1性件電路的呼為架1 .內層電路分析1.1 模數（ADC轉換器及其數學模型本設計中采用了 HARRIS公司的HI7159A模數轉換器HI7159A是內含微處理機，采用多重積分 轉換，BC加輸出的儀表專用芯片。它采用積分轉換摸式，具有較弓金的抗干擾能力。歷圖2模數轉換罌輸入輸出簡圖1.2 直流量程轉換網絡數學模型圖4電阻電壓轉換電路2 .外層電路設計2.1 控制電路<77圖5頻率測量前置電路圖6 RS232C通信電路JL111Vcc GNDTloiit XIEii Stloui J|nRlont T2tn五、畫出逐次比較式 A/D（如ADC080

18、9）積分式A/D（如ICL7135）、VFM A/D（如LM331） 分別與8031 （或其他你所熟悉的）單片機的接口電路，并寫出 A/D轉換、軟件流程框 圖。答：1.ADC0809 與 8051接口電路：通道選擇:軟件流程圖:2.ICL7135 與 8051接口電路：CEA被選擇的通道QQ0以001叫010項011以100IH101以110以111IN.d1T啟動 0809進行本次A/D 轉換r延時等待A/D轉換讀取 A/D轉換結果，r將結果轉換成顯示 代碼r調用顯示轉換結果 子程序開始+ ； fIN4148坦 2?T_EluF -X+ V-TTR/HVREFINTOPCjLrBUSYLOW

19、 HIGH STROAZINSKINHUFR3REFC+D5avpipKJEjVIN HInGNDiwt oHLACKX713525 亙 7T 莖 27 26 互 2a 咬 1(16A/D轉換時序圖:軟件流程圖:3.LM331 與 8031接口電路：QL CLKO-<ALE- 1Q3 RST_ ttQ10QltQii15RtlSYNA/D轉換框圖:軟件流程圖:轉換程序入口初始化：設置定時器T0為外部 技術方式初始化：設置定時器T1為內部 技術方式設置定時器T0升始計數啟動 T1開始定時N六、硬件抗干擾措施的目的是盡可能切斷干擾進入系統的通道，但由于干擾存在的隨機性與復雜性，尤其是在一些惡

20、劣的外部環境下，盡管采用了硬件抗干擾措施，但并不能 將各種干擾完全拒之門外，這是就應該發揮系統軟件編程方面的靈活性，采用各種軟件抗干擾措施，與硬件措施相結合，提高系統的抗干擾性能。那么軟件有哪些抗干擾手段？ 分別應用于哪些場合？答：軟件抗干擾主要方法有：開機自檢、軟件陷阱（進行程序“跑飛”檢測）、設置程序運行狀態標記、輸出端口刷新、輸入多次采樣、軟件“看門狗”等。1 .開機自檢：開機后首先對單片機系統的硬件及軟件狀態進行檢測，一旦發現不正常，就進行 相應的處理。開機自檢程序通常包括對RAM ROM I/O 狀態等的檢測。2 .軟件陷阱：在程序存儲器中總會有一些區域未使用，如果因干擾導致單片機的

21、指令計數器PC值被錯置，程序跳到這些未用的程序存儲空間，系統就會出錯。軟件陷阱是在程序存儲器的未使用 的區域中，加上若干條空操作和無條件跳轉指令，無條件跳轉指令指向程序“跑飛”處理子程序的 入口地址。如果程序跳到這些未用區域，就會執行無條件跳轉指令，轉到相應的程序出錯“跑飛” 處理程序。除程序未用區域外，還可以在程序段之間（如子程序之間及一段處理程序完成后）及一頁的末尾處插入軟件陷阱，效果會更好。3 .程序“跑飛”處理：要進行程序“跑飛”處理，就要分清程序“跑飛”所造成的影響，以及 程序“跑飛”前運行的進程，這就需要的設置相應的標志。就是在程序由軟件陷阱檢測到“跑飛” 后，轉入“跑飛”處理程序。“跑飛”處理程序判斷“跑飛”影響的程度，根據影