【正文】 下工作；電壓跟隨時(shí)間短（10μs），下降率低；輸出電壓零點(diǎn)可調(diào)；高精度的直流誤差( %)；低功耗等。圖 8 簡(jiǎn)易采樣保持電路方案二：采用專用的采樣保持芯片，如LF298或LF398?？紤]到該電路的輸入為較小的直流信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)也沒(méi)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(hào)調(diào)理電路成本較高。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(jiǎn)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)1~1000倍的信號(hào)放大。 模擬信號(hào)采集與處理模塊方案論證該模塊分為信號(hào)調(diào)理模塊和采樣保持模塊。方案二：采用穩(wěn)壓器件對(duì)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)?；谝陨险撟C，選擇方案三，以便于靈活方便得獲得高精度高穩(wěn)定性基準(zhǔn)電壓源。其外圍硬件電路連接簡(jiǎn)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。同時(shí)，根據(jù)題目要求，基準(zhǔn)電壓源不需連續(xù)可調(diào)。 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。穩(wěn)壓器應(yīng)用電路如圖6所示。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(duì)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。 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(cè)試功能。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(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。這種方法屬于積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換，是一種經(jīng)過(guò)中間變量間接轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器，通過(guò)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(duì)時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。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(guò)程的中間步驟，每一位數(shù)字代碼幾乎在同一時(shí)刻得到，因此，在所有的模數(shù)轉(zhuǎn)換中，它的轉(zhuǎn)換速度最快。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。圖 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。比較的結(jié)果輸出到SAR，并在下一次比較前對(duì)最高位進(jìn)行修正。 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。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。語(yǔ)音。作者簽名： 日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日目 錄高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 3Design of the Highresolution A/D Convertor Circuit 31 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 設(shè)計(jì)要求 4 方案比較與論證 4 總體方案論證 4 系統(tǒng)電源模塊方案論證 7 模擬信號(hào)采集與處理模塊方案論證 9 AD轉(zhuǎn)換模塊方案論證 10 數(shù)字信號(hào)處理與輸出模塊方案論證 13 單片機(jī)控制接口部分設(shè)計(jì)方案論證 13 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 15 總體設(shè)計(jì)思路 15 設(shè)計(jì)方案選擇 162 硬件電路設(shè)計(jì) 17 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源 17 精密基準(zhǔn)電壓源 17 模擬可調(diào)電壓源 18 信號(hào)調(diào)理與采樣保持電路 20 積分與比較電路 21 時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路 22 計(jì)數(shù)器與輸出接口電路 22 定時(shí)器模塊 23 單片機(jī)最小系統(tǒng)及應(yīng)用電路 25 鍵盤(pán)模塊 26 顯示模塊 273 軟件設(shè)計(jì) 27 27 中斷服務(wù)程序 28 動(dòng)態(tài)顯示子程序 29 連續(xù)轉(zhuǎn)換1s子程序 30 連續(xù)顯示子程序 31 頻率顯示子程序 324 系統(tǒng)分析與理論計(jì)算 33 系統(tǒng)工作原理 33 系統(tǒng)初始化 33 AD轉(zhuǎn)換過(guò)程 33 測(cè)量數(shù)據(jù)的顯示與控制 34 系統(tǒng)誤差分析 35 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因 35 系統(tǒng)誤差的計(jì)算 365 系統(tǒng)測(cè)試 37 37 測(cè)試內(nèi)容 38 測(cè)試結(jié)果 396 總結(jié) 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(guò)程，最終由計(jì)數(shù)器輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作 者 簽 名：　　 　 　　日　 期：　　 　 　　 指導(dǎo)教師簽名：　　 　 　　 日　　期：　　 　 　　 使用授權(quán)說(shuō)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；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　⒖s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)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。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(shuō)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。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。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)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)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)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。凌陽(yáng)16位單片機(jī)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，存儲(chǔ)與顯示。該A/D轉(zhuǎn)換電路具有轉(zhuǎn)換精度高，控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。圖 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，線性誤差小于1%；2 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有測(cè)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(lái)，有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，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(hào)；4 自行設(shè)計(jì)一個(gè)可以從0—100mV連續(xù)調(diào)節(jié)的模擬電壓信號(hào)作為該系統(tǒng)的被測(cè)信號(hào)源，以便對(duì)A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率進(jìn)行測(cè)試。該方案屬于反饋比較型的模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)DA轉(zhuǎn)換器輸出值與輸入模擬信號(hào)有次序地進(jìn)行比較，從而確定輸出數(shù)字信號(hào)的各個(gè)位的值。接著，在時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)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(duì)次高位進(jìn)行修正。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。其將處理后的模擬電壓信號(hào)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(guò)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(hào)輸出。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。其原理框圖如4所示。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。 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。圖 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。其正常工作時(shí)，穩(wěn)壓器的輸入、輸出電壓差為2~3V，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(lái)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。原理圖如7圖所示，恒流源D1為穩(wěn)壓管D2供電，穩(wěn)壓管輸出電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器負(fù)反饋而輸出一穩(wěn)壓值。圖 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(pán)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?duì)應(yīng)的BCD碼，按從高位到低位的次序依次存入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器的輸出又作為DA轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸入, 經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換輸出一電壓值，再通過(guò)運(yùn)算放大器的處理輸出合適的基準(zhǔn)電壓。TL431精密可調(diào)基準(zhǔn)電源有如下特點(diǎn)：~36V連續(xù)可調(diào)；參考電壓源誤差在177。 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。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(huì)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。經(jīng)過(guò)處理后的模擬信號(hào)便可以送入AD轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換。故該運(yùn)放適合于為該轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)進(jìn)行放大，可以減小產(chǎn)生在信號(hào)放大及上的系統(tǒng)誤差?；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。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(duì)其他電路及芯片的干擾也相對(duì)較低。并且其價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用非常廣泛。 時(shí)鐘信號(hào)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(guò)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。方案二：由TTL非門(mén)組成簡(jiǎn)單振蕩器。圖 9 TTL非門(mén)構(gòu)成環(huán)形振蕩器TTL門(mén)電路和阻容元件組成的多諧振蕩器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、易于調(diào)節(jié)。在對(duì)頻率精度和穩(wěn)定度要求高的場(chǎng)合，通常采用晶體振蕩器。其組成的電路原理圖如圖10所示。 計(jì)數(shù)器模塊方案一：利用普通的門(mén)電路和觸發(fā)器搭建一個(gè)16位的加法計(jì)數(shù)器。可以通過(guò)進(jìn)位信號(hào)輸出端直接級(jí)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。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)。AD620內(nèi)部含三級(jí)運(yùn)放，前兩級(jí)作差動(dòng)放大，后一級(jí)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。該系列比較器的電源電壓是2~36V或177。方案二：使用精密運(yùn)算放大器AD620?！?。 定時(shí)器模塊方案一：使用555定時(shí)器輔助控制。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(zhǎng)于計(jì)數(shù)器從0直至計(jì)滿所需的時(shí)間；從而該信號(hào)便可作為AD轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志信號(hào)和轉(zhuǎn)換初始化控制信號(hào)。該方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)AD轉(zhuǎn)換過(guò)程較為流暢的控制，簡(jiǎn)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(lái)AD轉(zhuǎn)換器的封裝使用，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。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(hào)，便直接從計(jì)數(shù)器端讀取數(shù)據(jù)。基于以上論證，選擇方案二。 單片機(jī)選型方案方案一：采用MCS—51系列單片機(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(mén)狗電路，倍頻電路等豐富的外圍模塊；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。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。方案一：將控制線經(jīng)過(guò)一定的邏輯，直接將單片機(jī)與AD轉(zhuǎn)換電路相連接。 鍵盤(pán)模塊分析題目要求，選擇44鍵盤(pán)，以便于將來(lái)系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。8279可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)和顯示器的自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合