1、題目：高分辨率A/D轉換電路的設計（C題）畢業設計（論文）原創性聲明和使用授權說明原創性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經發表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機構的學位或學歷而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日期： 使用授權說明本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業設計（論文）的規定，即：按照學校要求提交畢業設計（論文）的印刷本和電子版本；

2、學校有權保存畢業設計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學?？梢圆捎糜坝?、縮印、數字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績热?。作者簽名： 日 期： 學位論文原創性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。作者簽名： 日期： 年 月 日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規

3、定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權 大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導師簽名： 日期： 年 月 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc145768885 高分辨率A/D轉換電路的設計 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 系統設計 PAGEREF _Toc145768887 h 4 HYPERLINK l _Toc145768888 1.1 設計要求 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轉換模塊方案論證 PAGEREF _Toc145768893 h 10 HYPERLINK l _Toc145768894 1.2.5 數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 單片機控制接口部分設計方案論證 PAGEREF _Toc145768895 h 13 HYPERLINK l _Toc145768896 1.3 系統方案設計 PAGEREF _Toc145768896 h 15 HYPERLINK l _Toc145768897 1.3.1 總體設計思路 PAGEREF _Toc145768897 h 15 HYPERLINK l _Toc145768898 1.3.2 設計方案選擇 PAGEREF _Toc145768898 h 16 HYPERLINK l _Toc145768899 2 硬件電路設計 PAGEREF _Toc1457688

7、99 h 17 HYPERLINK l _Toc145768900 2.1 系統電路供電穩壓源 PAGEREF _Toc145768900 h 17 HYPERLINK l _Toc145768901 2.2 精密基準電壓源 PAGEREF _Toc145768901 h 17 HYPERLINK l _Toc145768902 2.3 模擬可調電壓源 PAGEREF _Toc145768902 h 18 HYPERLINK l _Toc145768903 2.4 信號調理與采樣保持電路 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 時鐘信號產生電路 PAGEREF _Toc145768905 h 22 HYPERLINK l _Toc145768906 2.7 計數器與輸出接口電路 PAGEREF _Toc145768906 h 22 HYPERLINK l _Toc145768907 2.8 定時器模塊 PAGEREF _Toc145768907 h 23 HYPERLINK l _Toc145768908 2.9 單片機最小系統及應用電路 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 軟件設計 PAGEREF _Toc145768911 h 27 HYPERLINK l _Toc145768912 3.1軟件總體設計思路 PAGEREF _Toc145768912 h 27 HYPERLINK l _Toc145768913 3.2 中斷服務程序 PAGERE

10、F _Toc145768913 h 28 HYPERLINK l _Toc145768914 3.3 動態顯示子程序 PAGEREF _Toc145768914 h 29 HYPERLINK l _Toc145768915 3.4 連續轉換1s子程序 PAGEREF _Toc145768915 h 30 HYPERLINK l _Toc145768916 3.5 連續顯示子程序 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 系統分析與理論計算 PAGEREF _Toc145768918 h 33 HYPERLINK l _Toc145768919 4.1 系統工作原理 PAGEREF _Toc145768919 h 33 HYPERLINK l _Toc145768920 系統初始化 PAGEREF _Toc145768920 h 33 HYPERLINK l _Toc145768921 4.1.2 AD轉換過程 PAGEREF _Toc145768921 h 33 HYPERLINK l _Toc145768922 4.1.3 測量數據的顯示與控制 PAGEREF _Toc14576892

12、2 h 34 HYPERLINK l _Toc145768923 4.2 系統誤差分析 PAGEREF _Toc145768923 h 35 HYPERLINK l _Toc145768924 4.2.1 系統誤差產生的原因 PAGEREF _Toc145768924 h 35 HYPERLINK l _Toc145768925 4.2.2 系統誤差的計算 PAGEREF _Toc145768925 h 36 HYPERLINK l _Toc145768926 5 系統測試 PAGEREF _Toc145768926 h 37 HYPERLINK l _Toc145768927 5.1測設環境

13、與條件 PAGEREF _Toc145768927 h 37 HYPERLINK l _Toc145768928 5.2 測試內容 PAGEREF _Toc145768928 h 38 HYPERLINK l _Toc145768929 5.3 測試結果 PAGEREF _Toc145768929 h 39 HYPERLINK l _Toc145768930 6 總結 PAGEREF _Toc145768930 h 39高分辨率A/D轉換電路的設計摘要：該高分辨率A/D轉換電路采用雙積分型轉換技術，經采樣保持，積分與比較電路完成電壓-時間轉換，使用計數器，定時器控制轉換過程，最終由計數器輸出轉

14、換結果。凌陽16位單片機對輸出信號進行處理，存儲與顯示。模擬電壓輸入信號由自制0100mv連續可調電壓源產生。通過光電耦合器實現了測量顯示部分與AD轉換電路的電氣隔離。語音。該A/D轉換電路具有轉換精度高，控制簡單等特點。關鍵詞：A/D轉換，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 系統設計1.1 設計要求設計一個具有高分辨率A/D轉換器，實現對模擬電壓的測量和顯示。系統組成框圖如圖1所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 1 高分辨率A/D轉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）設計一個具有15位分辨率的A/D轉換電路，轉換速度不低于10次/S，線性

18、誤差小于1%；2 設計并制作一個具有測量和顯示功能的儀器或裝置，將該A/D轉換電路的結果顯示出來，有轉換結束信號，顯示器可采用LED或LCD；3 要求有一個A/D轉換結束后的輸出信號；4 自行設計一個可以從0100mV連續調節的模擬電壓信號作為該系統的被測信號源，以便對A/D轉換電路的分辨率進行測試。例如輸入100mV電壓時顯示器顯示值不低于32767。發揮部分要求如下：1 分辨率為16位，線性誤差小于0.5%；2 轉換速度不低于20次/s；3 將A/D轉換電路與測量顯示部分實現電氣隔離；4 實現其他功能。1.2 方案比較與論證 總體方案論證方案一：采用逐次漸進型模數轉換方案。該方案屬于反饋比

19、較型的模數轉換，通過DA轉換器輸出值與輸入模擬信號有次序地進行比較，從而確定輸出數字信號的各個位的值。其原理框圖如2所示。啟動轉換后，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中的內容經DA轉換器轉換后得到的電壓值送入比較器中與輸入模擬信號Ui進行比較。比較的結果輸出到SAR，并在下一次比較前對最高位進行修正。接著，在時鐘信號驅動下，SAR中次高位置1，SAR中的內容經DA轉換器轉換后的電壓值再次送入比較器中與Ui進行比較，并在下一次比較前對次高位進行修正。這樣SAR中的各位從高到低不斷置1，不斷的送入DA轉換器進行轉換，并把轉換后值不斷送入比較器中與Ui進行比

20、較，通過比較器的輸出實現對該位的修正。當完成SAR中最低位的修正后，AD轉換完成，這時SAR中的值即為轉換后的數字量。圖 SEQ 圖 * ARABIC 2 逐次漸進型模數轉換原理逐次漸進型模數轉換的精度取決于D/A轉換器和SAR的位數，位數越高，精度越好，但轉換所需的時間也相應遞增，N位轉換需要N個時鐘周期。該方案轉換速度較高，轉換時間約為幾十微秒，最大轉換位數可達18位；同時，其功耗相當低并且功耗可隨采樣速率而改變。但逐次漸進型的模數轉換對比較器的要求非常高，該題目要求AD轉換器達到16位的精度，從而比較器精度需達到0.01mV；考慮到高精度比較器芯片在短時間內難以購買，并且市場有限，該方案

21、的實現有一定難度。方案二：采用并行比較型模數轉換方案。該方案屬于非反饋比較型的模數轉換，即為一種直接的轉換方式。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電壓分量（由一個總的基準電壓源經過電阻串的分壓得到）進行并行比較，將比較結果再進行編碼，從而給出了相應的數字信號輸出。其原理框圖如3所示。精密分壓網絡通過2N只精密電阻將基準電壓源按等差遞增的方式分壓，然后使分壓信號同時通過2N個比較器與輸入模擬電壓信號進行比較，輸出比較結果再按一定的邏輯進行編碼，生成N位的數字轉換信號。該方案的主要優點在于轉換速度快，它大大減少了轉換過程的中間步驟，每一位數字代碼幾乎在同一時刻得到，

22、因此，在所有的模數轉換中，它的轉換速度最快。其缺點是分辨率不高，一般都在10位以下；同時精度較高時，功耗較大。這主要是受到了電路實現的影響，因為一個N位的并行轉換器，需要2N個比較器和分壓電阻，當N=10時，比較器的數目就會超過1000個，轉換的精度越高，其電路的復雜程度便成倍增加。圖 SEQ 圖 * ARABIC 3 并行比較型模數轉換原理方案三：采用雙積分型模數轉換方案。這種方法屬于積分型模數轉換，是一種經過中間變量間接轉換的轉換器，通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉換成與其平均值成正比的時間間隔，與此同時，在此時間間隔內利用計數器對時鐘脈沖進行計數，從而實現模數轉換。其原理框圖如4所示。開始

23、時，計數器與定時器清零，控制邏輯控制模擬開關，將處理后的模擬信號送入積分電路進行積分，同時計數器開始計數。當計數器計滿歸零時，定時器置1，控制邏輯使模擬開關合向基準電壓源，使積分電路進行反向積分，同時計數器重新計數；隨著反向積分過程的進行，其輸出值歸零時，比較器輸出一邏輯電平停止計數器計數，這時計數器的計數值便是所轉換成的數字信號，可以送入寄存器或輸出。本方案性能比較穩定，精度較高，可以達到22位，同時轉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，并且電路較為簡單，易于實現。但是，該方案轉換速度較慢，轉換精度隨轉換速率的增加而降低。根據題目要求，A

24、D轉換的速度需達到20次/秒，考慮該方案，適當提高時鐘信號的頻率以及各級電路的響應速率便能達到要求。圖 SEQ 圖 * ARABIC 4 雙積分型模數轉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，又能保證轉換的速度，同時電路設計簡單，抗干擾能力強。 系統電源模塊方案論證系統電源模塊主要分為三部分，第一部分是系統電路供電穩壓源，用于電路中芯片等的供電；第二部分是精密基準電壓源，用于提供AD轉換中的參考電壓；第三部分是模擬可調電壓源，完成題目中的系統測試功能。.1 系統電路供電穩壓源該系統既包括數字電路部分，也包括模擬電路部分，因而在供電系統設計上須充分考慮兩部分的供電要求。方案一：采

25、用串聯反饋式穩壓電路，利用輸出電壓的變化量由反饋網絡取樣經放大電路放大后去控制調整三極管的集電發射極間的電壓降，從而達到穩定輸出電壓的目的。其電路原理圖如圖5。此方案能達到一定的穩壓精度，同時輸出電流較高，但該穩壓電路由純模擬電路搭建而成，對單個器件的要求較為嚴格，而且在搭建中容易造成電路不穩定。圖 SEQ 圖 * ARABIC 5 串聯反饋式穩壓電路方案二：采用三端集成穩壓器78XX系列作穩壓器件組成穩壓電路。三端式穩壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。其內部基準電壓不受輸入電壓波動的影響，并且內部設計了減流式保護電路和過熱保護電路，能很好得保證穩壓

26、值的穩定。穩壓器應用電路如圖6所示。其正常工作時，穩壓器的輸入、輸出電壓差為23V，其輸出端能夠直接輸出所需的電壓值，并聯電阻C1和C2用來實現頻率補償，防止穩壓器產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定性增強，同時穩壓精度很好，輸出電流為0.1A，可以滿足系統供電要求。圖 SEQ 圖 * ARABIC 6 三端集成穩壓器應用電路比較以上兩種方案，采用方案二作為系統電路供電。.2 精密基準電壓源方案一：利用運算放大器構成可調直流基準電壓源。原理圖如7圖所示，恒流源D1為穩壓管D2供電，穩壓管

27、輸出電壓經過運算放大器負反饋而輸出一穩壓值。需要精確地選擇R1和R2的值，以及低失調電壓，低失調電流，低噪聲，低漂移的集成運放以確保輸出電壓的精度和穩定性。該方案由于電阻和運放的選取問題，可能造成輸出誤差，穩定性難以保證。同時，根據題目要求，基準電壓源不需連續可調。圖 SEQ 圖 * ARABIC 7 運放構成基準電壓源方案二：采用精密DA轉換器構成數控可編程基準電壓源，從數字鍵盤輸入的十進制數（即所需輸出電壓Vo的數值）, 在控制電路的控制下經編碼器編碼, 變為對應的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轉換器的數據輸入, 經過轉換輸出一電壓值，再通過運算放大器

28、的處理輸出合適的基準電壓。該方法經過DA轉換可以得到精度很高的基準電壓，但其電路設計較為復雜，同時軟件設計需占用一定的單片機資源，模塊整體調試費時較多。方案三：利用基準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，應用方便，同時基準電壓輸出穩定性好，輸出電壓誤差非常低。TL431精密可調基準電源有如下特點：穩壓值從2.536V連續可調；參考電壓源誤差在1.0%以內，低動態輸出電阻，典型值為0.22，歐姆輸出電流1.0100毫安；在適應溫度范圍內溫度特性平坦，典型值為50ppm；低輸出電壓噪聲。故其非常適合做基準電壓源?；谝陨险撟C，選擇方案三，以便于靈活方

29、便得獲得高精度高穩定性基準電壓源。.3 模擬可調電壓源方案一：使用高精度恒流源串接入一穩定性好的可調電阻器分壓輸出連續可調的微小電壓值。該方案易于實現，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；規模小，易于調試。但其使用時對各個器件精度要求很高，否則容易產生漂移，造成輸出不穩定。方案二：采用穩壓器件對一小電壓值穩壓，再輸入運算放大器組成的比例運算電路實現可調電壓值衰減，實現低伏電壓值連續可調。比例運算電路采用串聯反饋，其降低了輸入電阻，經實驗，其會使運算放大器在衰減增益較大時所輸出的微小電壓值不穩定，易受外界噪聲影響。并且該方案的實現成本較高。

30、基于以上討論，采用方案一制作模擬可調電壓源。 模擬信號采集與處理模塊方案論證該模塊分為信號調理模塊和采樣保持模塊。經過處理后的模擬信號便可以送入AD轉換模塊進行轉換。.1信號調理模塊由于AD轉換電路輸入電壓為0100mV，故需要對信號進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行精確放大。該集成運放不僅放大倍數精確，而且放大電路的接法簡便，僅使用一個精密可調電阻接入兩個RG端便可以實現11000倍的信號放大。故該運放適合于為該轉換器的輸入信號進行放大，可以減小產生在信號放大及上的系統誤差。為防止上電噪聲信號的干擾和轉換器工作時外界的強信號干擾，保護后級電路

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轉換器對信號也沒有特殊的要求，使用集成運放和電容便足以達到題目要求；同時，專用的信號調理電路成本較高?；谝陨嫌懻?，采用方案一經濟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。該方案電路易于實現，可以根據設計要求靈活地調節電路的參數，方便調試；但與此同時，由于自行焊接阻容元件，其工作時容易對相關電路造成干擾，使系統電路工作不穩定，并且該電路本身的穩定性也難以保證。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，采用了雙結型場效應管技術，具有許多優良的特性，如工作電源范圍寬，可在供電電壓5V18V下工作；電壓跟隨時間短（10s），下降率低；輸出電壓零點可調；高精度的直流誤差( 0.01%)；低功耗等。并且其價格低廉，在國內應用非常廣泛。綜上考慮，采用方案二，以更好得對輸入電壓信號進行采樣保持。1.2.4 AD轉換模塊方案論證本模塊是該電路系統的核心部分，其實現了系統設計的基本要求，包括精密比較器模塊，時鐘信號

33、模塊，積分電路模塊，計數器模塊和定時器模塊等幾個部分。各部分的方案論證如下。.1 時鐘信號模塊經估算，要達到題目要求的轉換頻率，大于20次/s，即每次轉換時間不超過50ms，根據雙積分型模數轉換原理，所需的時鐘頻率應在5MHz左右。方案一：采用單穩態觸發器SN74121級聯組成高頻方波振蕩器?？捎扇墕畏€電路級聯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?？蓸嫵森h形振蕩器如圖9所示。經過RC值的調整，該振蕩電路頻率最高可達到5MHz以上。但由于阻容元件在長時間工作時會產生一定的誤差，故輸出頻率穩定性不佳。

34、圖 SEQ 圖 * ARABIC 9 TTL非門構成環形振蕩器TTL門電路和阻容元件組成的多諧振蕩器的優點是電路簡單、易于調節。但是，由于決定振蕩頻率的主要因素是電路達到轉換電平的時間，所以振蕩頻率的精度和穩定度取決于門電路的閾值電壓。因為閾值電壓的離散性，以及易受電源電壓和環境溫度變化的影響，使振蕩頻率穩定度通常只有10-2數量級。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定性，而且由于品質因數高，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諧振頻率上，此時晶體阻抗最小，該頻率的信號最容

35、易通過；而對于其他頻率的信號，晶體呈現高阻抗。從而實現了選頻振蕩，振蕩頻率穩定。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頻措施，其穩頻度也可達到數量級。圖 SEQ 圖 * ARABIC 10 TTL門電路組成晶體振蕩器基于以上討論，選擇方案三產生精確穩定的時鐘信號，供計數器進行精確計數。.2 計數器模塊方案一：利用普通的門電路和觸發器搭建一個16位的加法計數器。該電路控制方便，但其電路龐大，不能實現系統的集約性，同時容易造成系統的不穩定，不利于調試。方案二：采用集成二進制同步加法計數器74LS161級聯成16位計數器。74

36、LS161是4位計數器，具有異步清零，同步置數和保持數據等功能?？梢酝ㄟ^進位信號輸出端直接級聯到下一個4位計數器的計數脈沖輸入端，再設置相應的控制端實現16位加法計數功能。74LS161的輸入響應頻率的典型值為40MHz，完全可以滿足本系統約5MHz的時鐘信號輸入；同時該方案級聯使用方便，電路參數適應范圍廣。綜上考慮，選擇方案二。.3 積分電路模塊方案一：采用普通運算放大器OP07構成積分器。OP07是低輸入失調電壓的集成運放，具有低噪聲，小溫漂等特點。它的主要技術指標如下：輸入失調電壓為10V，輸入失調電流為0.7nA，輸入失調電壓溫度系數為0.2V/。但經實驗驗證，該運放的調整比較繁瑣，而

37、且穩定程度不高。方案二：采用精密運放AD620構成積分電路。AD620內部含三級運放，前兩級作差動放大，后一級起隔離作用，共模抑制比高,低頻響應特性良好，性能穩定；并且可調整輸入失調電壓，使用方便。用于積分電路中，可以大大提高積分過程的穩定性，提高AD轉換的精度。由于積分電路是雙積分型模數轉換電路的核心部分，需要很高的精度和穩定性，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，可直接驅動TTL和LED；同時，其速度較快，例如高速雙比較器LM319的建立時間為8

38、0ns。但其最大輸入失調電壓可達到8mV，最大輸入偏置電流為200nA。LM311的建立時間為200ns，輸入失調電壓典型值為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，它的最大輸入失調電壓為50V，最大輸入失調電壓漂移為lV /，最大輸人偏置電流為2.0nA。在0.1Hz10Hz范圍內輸人電壓噪聲的峰一峰值為0.28V。放大倍數為1時其增益帶寬為120kHz，建立時間為15s?？傊?，AD620能確保高

39、增益精密放大所需的低失調電壓、低失調電壓漂移和低噪聲等性能指標。綜合論證方案一和方案二，又考慮到比較器的建立時間對AD轉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 定時器模塊方案一：使用555定時器輔助控制。555定時器是一種應用極為廣泛的中規模集成電路。該電路使用靈活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以構成單穩、施密特觸發器和多諧振蕩器，因而廣泛用于信號的產生、變換、控制與檢測。在該AD轉換電路中，可以使用555定時器的單穩態工作方式。當計數器計滿時，觸發定時器輸出一個延時一定的高電平脈沖，使其定時時間長

40、于計數器從0直至計滿所需的時間；從而該信號便可作為AD轉換結束標志信號和轉換初始化控制信號。該方案輔助了單片機對AD轉換電路的控制，同時，由于該定時器應用技術較為成熟，其穩定性也有一定保證，廣泛見于各電子市場上。方案二：直接利用單片機完成定時與控制功能。將計數器的進位信號接入單片機的一個外部中斷端口，當對輸入模擬電壓信號第一階段積分完成后，計數器輸出一高電平脈沖，由單片機中斷查詢的該信號，在執行相應的延時；延時結束后對AD轉換部分執行讀取轉換值和初始化控制功能。該方案可以實現對AD轉換過程較為流暢的控制，簡化了外圍電路，可以達到題目要求；但其不足之處在于，首先，其不利于將來AD轉換器的封裝使用

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的一個外部中斷源，不利于單片機功能的擴展。故選擇方案一實現定時功能。1.2.5 數字信號處理與輸出模塊方案論證AD轉換過程結束后，需要將轉換后的結果輸出到單片機中進行處理，需要保證數字信號處理與輸出的準確性和穩定性；又考慮到題目要求將AD轉換電路與測量顯示部分實現電氣隔離，從而消除單片機測量顯示部分與AD轉換電路共地而產生的相互影響，數字信號的輸出可以首先通過光電耦合器件再接到數字信號接口。方案一：將計數器的計數并行輸出端通過光電耦合器直接同單片機相連。74LS161具有數據保持功能，計數結束后，單片機接收到AD轉換結束的信號，便直接

42、從計數器端讀取數據。由于計數器在其計數的同時并行輸出端的值也在不斷變化，如果其直接將輸出信號經過光電耦合器接入單片機的輸入輸出口，容易對單片機在不讀入數據時的數據處理過程造成影響，也容易對電氣隔離元件造成損壞。 方案二：將計數器的計數并行輸出端通過光電耦合器接入一個鎖存器，其輸出端接入單片機的輸入輸出口，鎖存器可由單片機控制信號直接控制。計數結束后，單片機發出一控制信號使能鎖存器鎖存信號并由單片機讀入進行顯示等的處理。基于以上論證，選擇方案二。 單片機控制接口部分設計方案論證該部分包括AD轉換控制接口，人機對話界面接口兩個部分。其中AD轉換控制接口可以通過相應的程序代碼實現AD轉換的連續進行和

43、特殊功能選擇；人機對話界面接口包括鍵盤，顯示等部分，可以完成轉換結果的顯示，AD轉換的功能設置等。其方案論證如下。.1 單片機選型方案方案一：采用MCS51系列單片機。51系列單片機價格便宜，使用簡單，開發軟件以及硬件調試器型號眾多，應用廣泛而普遍。但51系列單片機RAM，ROM等資源少，中斷系統功能不豐富，外圍模塊少；同時，指令周期也較長，運算速度較其他RISC指令系統單片機慢。方案二：采用PIC18F4620單片機。PIC18F4620采用哈佛結構，以及RISC指令系統，其具有豐富的I/O口資源，1K容量RAM，64K的FLASH，內置A/D和EEPROM，看門狗電路，倍頻電路等豐富的外圍

44、模塊；其一個指令周期是四個機器周期，運算速度快，完全能夠滿足系統要求。但由于其不是主流單片機，價格比較高，購買不方便，使用也不廣泛。方案三：采用凌陽16位單片機SPCE061A作為控制與數據處理核心。其具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強、開發靈活等特點，內嵌32k字閃存FLASH，處理速度高，適用于快速數據處理和數字語音等應用領域；也可以方便得進行外圍設備的擴展。其內部結構框圖如圖11所示。由于本系統需要較一定的數據運算與處理，可用C語言比較容易的進行編程以完成相應功能。圖 SEQ 圖 * ARABIC 11 SPCE061A內核結構框圖比較上述方案，選擇

45、方案三。.2 AD轉換控制接口AD轉換電路中，需要單片機輔助控制來完成轉換，控制內容主要有555定時器的定時脈沖輸出信號，作為AD轉換完成的標志EOC；積分與比較電路中失調電壓的初始化調整，計數器初始化清零（控制三個光電耦合器，具體方法見單元電路設計部分），作為AD轉換器的啟動信號START；以及鎖存器鎖存控制信號，作為AD轉換器的輸出使能信號OE。方案一：將控制線經過一定的邏輯，直接將單片機與AD轉換電路相連接。該方案電路連接簡單，但鑒于題目要求將AD轉換電路與測量顯示部分實現電氣隔離，因此該方案不能滿足題目要求。方案二：控制線經過光電耦合器接入單片機，以實現AD轉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測量顯示部分與AD轉換電路共地的相互影響，能達到題目要求。根據以上論證，選擇方案二以達到發揮部分的相應要求。.3 鍵盤模塊分析題目要求，選擇44鍵盤，以便于將來系統功能的擴展。方案一：將44矩陣式鍵盤直接接入單片機的I/O口，按鍵信號由單片機掃描讀取。該方案電路設計簡單，硬件接口方便，但由于矩陣式鍵盤進行掃描工作的需要，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可以實現對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器動態顯示，可以節省CPU處理鍵盤和顯示器的時間，

47、提高CPU的工作效率。但8279是總線型鍵盤和數碼管顯示器管理芯片，對于61單片機來說編程比較復雜，而且為并行工作方式，占用相當多的I/O口，外圍電路也相對復雜，不利于單片機其他功能的擴展。方案三：利用數碼管驅動及鍵盤控制芯片CH451管理鍵盤電路。CH451是一個整合了數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制以及P監控的多功能外圍芯片，其內置64 鍵鍵盤控制器，按鍵狀態輸入的下拉電阻和去抖動電路，并提供按鍵釋放標志位，可供查詢按鍵按下與釋放。CH451同單片機進行串行通信，只占用較少的I/O口，節省資源。雖然編程相對復雜，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數碼管顯示相應的數據。這種方法在軟硬件設計上比較容易實現，顯示直觀，并且可以降低設計成本。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，數據信息辨認比較困難，不利于人機對話的順利進行。方案二：使用并行LCD點陣液晶顯示。LCD可顯示中文，顯示數據明確清晰，顯示信息容量大，界面友好，有利于人機對話和系統操作控制。在本系統中，需要對一段時間內AD轉換的數據進行連續顯示，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點陣液晶顯示。該方案只占用3個單片機I/O口，大大節省了單片機資源，可以方

49、便得再進行系統功能的擴展，但同時也提高了編程難度?？紤]到AD轉換并行數據輸出需占用16個單片機I/O口，故需要減少對其他外設I/O口的分配數量。雖然軟件編寫難度較大，但從系統設計的角度出發，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換結果。1.3 系統方案設計 總體設計思路該高分辨率A/D轉換電路采取雙積分型轉換方式，通過信號產生，信號處理，采樣保持，積分和比較，計數與定時，最后送入單片機完成轉換結果的顯示，同時，通過單片機也可以實現對A/D轉換電路的控制。該系統的核心AD轉換模塊的數據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

50、字數據輸出端；控制接口有AD轉換啟動控制端START，轉換結束指示端EOC，輸出允許端OE。系統原理框圖如圖12所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 12 高分辨率A/D轉換電路設計原理框圖 設計方案選擇各個模塊最終設計方案如下：系統電路供電穩壓源使用三端集成穩壓器78XX系列作穩壓器件組成穩壓電路；精密基準電壓源使用基準電壓源模擬集成芯片AD588；模擬可調電壓源采用鏡像恒流源串入電阻分壓方案；信號調理模塊使用精密運放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；時鐘信號模塊使用TTL門電路組成晶體振蕩器； 計數器模塊使用4片74LS161級聯成為16位計

51、數器；積分電路模塊使用精密運放AD620接電容負反饋構成積分器；精密比較器模塊使用專用比較器芯片LM311；定時器模塊使用定時器NE555P；數字信號處理與輸出模塊采用光電耦合器TLP521-4實現電氣隔離功能以及鎖存器74LS373實現數據鎖存；單片機選用凌陽16位單片機SPCE061A；AD轉換控制接口使用光電耦合器P521實現單片機與AD轉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點陣液晶顯示。2 硬件電路設計2.1 系統電路供電穩壓源電源電路采用自制的+5V，12V，15V五路輸出電源，以滿足數字系統和模擬系統的供電需要。2

52、20V交流電通過變壓器降壓后，進行整流，濾波，穩壓而輸出相應電壓值。電路原理圖如圖13所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 13 系統電路供電穩壓源該電源電路采用三段固定穩壓器78和79系列，電壓輸出穩定，內部設計了減流式保護電路和過熱保護電路，能保證其工作的穩定性。穩壓器前后級并聯電阻可以用來實現頻率補償，防止穩壓器產生高頻自激振蕩和抑制電路引入高頻干擾，最后一級并聯入電解電容，以減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。2.2 精密基準電壓源該電路使用基準電壓源芯片AD584構成輸出基準電壓為10V的基準電壓源。電路原理圖如圖14所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 14 基準電壓源

53、電路2.3 模擬可調電壓源模擬可調電壓源由基本的鏡像電流源經改進設計而成，經過各個元器件的精心選擇，調選性能穩定，符合系統要求的元器件進行組裝焊接。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 基本恒流源電路設三極管基射極電壓為UBE，輸出電流為IC1，基準電流為IR，則有 （2.1）此時，RC兩端輸出電壓Uo為 （2.2）若三極管的發射極分別接入電阻Re0，Re，則組成了比例電流源，依電路的對稱性 （2.3）又根據晶體管發射結電壓與發射極電流的近似關系可得 （2.4）由近似關系 （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（2.6）得到 （2.8）從而可根據電路相關參數得到IC1的值，進而選擇相應的串接分壓電阻。本電路中，R取15K，Re取275，可得到IC1的取值100A；再在Q1管集電極串聯一阻值為1 K的可調電阻器，便能在其兩端輸出0100mV電壓信號。2.4 信

55、號調理與采樣保持電路信號調理與采樣保持電路的調理部分包括放大電路和旁路濾波電路，其中集成運算放大器采用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放AD620和電容C1構成；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電壓，該電路中添加了自動補償失調電路，主要

56、由補償電容和光電耦合開關U4、U5組成。在AD轉換開始以前，U4和U5均導通，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；從而對運放U1，設其失調電壓為，C2兩端電壓為V2，有如下關系，即 （2.9）對比較器U2，設其失調電壓為，C1兩端電壓為V1，有類似關系，即 （2.10）可以看出，比較器的輸入失調電壓對積分電容C1充電，在補償電容C2上，由與運放的輸入失調電壓極性相反，數值相同的電壓對進行充電。當U4和U5斷開時，開始進行AD轉換，此時輸入電壓的積分是在運放輸入失調電壓基礎上進行的，而且由于在補償電容上已保持與失調電壓極性相反的電壓，所以在進行積分時能夠被自動消除。需指出的

57、是，補償電容須選用泄漏電阻大的補償電容，以防止其充電后電壓值在AD轉換結束前發生較大的改變。2.6 時鐘信號產生電路采用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 時鐘信號產生電路在該電路中，與非門U1A和U1B可構成正反饋振蕩器，電容C1連接正反饋支路，晶振Y1和耦合電容C2是串聯選頻網絡，只有頻率為晶體串聯諧振頻率fo的信號才能產生振蕩輸出，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，當晶體諧振頻率為fo時，C3應選一固定值。 （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，可以對輸出頻率進行微調。選擇使用不同振蕩頻率的石英晶體，可獲得1MHz10MHz的方波輸出。即使不采用其他穩頻措施，該電路其穩頻度也可達到10-5數量級。2.7 計數器與輸出接口電路該部分電路由4片二進制同步加法計數器74LS161級聯成16位計數器，計數結果通過光電耦合器接入到鎖存器74LS373實現數據鎖存。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轉換器的轉換啟動信號START，由單片機直接控制，第一級計數器的時鐘觸發端由時鐘信號輸出端CP和比較器

59、輸出端CO經與非門U5A接入，以后各級的時鐘觸發均由前級計數器的進位信號控制，其他控制信號接法如原理圖所示。計數器的輸出端通過16支光電耦合器同AD轉換的測量顯示部分實現電氣隔離，以實現相應的題目要求。兩鎖存器的使能端接測量控制部分的數字低電平，使其在AD轉換器工作期間始終有鎖存功能，鎖存控制端作為AD轉換器的輸出允許端OE，由單片機控制；鎖存器的輸出端為AD轉換器的數字信號出入端，可接入單片機的I/O口進行數據處理。圖 SEQ 圖 * ARABIC 21 計數器與輸出接口電路2.8 定時器模塊定時器模塊采用NE555定時器，使其工作于單穩態工作方式，定時器觸發工作后輸出一個高電平定時脈沖。其

60、電路原理圖如圖22所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 22 定時器電路從圖22可以看出，按單穩態工作時，基本上僅需外部連接定時電阻和電容，除此之外，應將旁路電容接控制端5。當負觸發脈沖加到觸發輸入端2時（其值應低于Vcc/3，在本電路中Vcc=+5V），定時器被觸發，開始其定時循環。輸出上升為高電平，其值近似為Vcc-1.6V；與此同時，電容C開始充電，以RC時間常數趨向Vcc。當電容C上電壓Vc充電達到2/3Vcc時，暫穩態結束，輸出恢復到近似為零。定時器等待下一個觸發脈沖的到來。其觸發時序圖如圖23所示。圖 SEQ 圖 * ARABIC 23 555定時器觸發時序圖在該系統中，當計數器