【正文】 科技（中國(guó)）有限公司 2 直流毫伏表 1 測(cè)試儀器 將電壓信號(hào)源連接萬(wàn)用表，將檔位選擇在直流檔上，將旋鈕扭到最低端，萬(wàn)用表可靠的輸出 將旋鈕旋到最大端時(shí)，萬(wàn)用表可靠的輸出 。 圖 21 等精度頻率計(jì)主控結(jié)構(gòu) 測(cè)頻開(kāi)始前，首先發(fā)一個(gè)清 0 信號(hào) CL,高電平有效，是兩個(gè)計(jì)數(shù)器、 D觸發(fā)器和 4位選通信號(hào)均置 0，接著單片機(jī)發(fā)出測(cè)頻允許命令，即命令預(yù)置門控信號(hào)CL為高電平，此時(shí) D 觸發(fā)器要一直等到被測(cè)信號(hào)的上升沿到來(lái)之后 Q 端才被置 1（即令 START 為高電平），與此同時(shí)，將同時(shí)啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 B 和計(jì)數(shù)器 T，進(jìn)入計(jì)數(shù)允許周期。 等精度頻率計(jì) VHDL 子程序 等精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法可以簡(jiǎn)單的用圖 21 表示。 本系統(tǒng)對(duì)軟件的要求不高，用前后臺(tái)式的程序即可能輕松完成系統(tǒng)的基本任務(wù)。 23 4. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 由于本文設(shè)計(jì)需要用到程序編寫，于是要選擇一款編程軟件來(lái)進(jìn)行操作，經(jīng)過(guò)綜合考慮，選擇了 Keil C51 軟件。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成陰極公共引腳，使用時(shí)陰極公共引腳接地，這樣陽(yáng)極引腳上加高電平的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而加低電平的則不點(diǎn)亮。 通過(guò)數(shù)碼管中發(fā)光二極管的亮暗組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其他符號(hào)。因?yàn)? CPLD 完全可以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)和實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)，所以 頻率計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù) 即為 系統(tǒng)的 AD轉(zhuǎn)換 后得出的 結(jié)果，轉(zhuǎn)換精度 同時(shí) 受基準(zhǔn)晶振 和AD650的 V／ F滿刻度時(shí)的量程的影響，因?yàn)? CPLD 的基準(zhǔn)晶振選 擇了 20MHz 的高精度晶振，而本次 設(shè)計(jì)的 AD 轉(zhuǎn)換頻率為 50kHz，所以在計(jì)數(shù)周期內(nèi)基準(zhǔn)晶振脈沖個(gè)數(shù)為 400， CPLD由于只有 一個(gè)脈沖 隨機(jī)時(shí)間出現(xiàn)的誤差，而且 AD650 的滿刻度 21 頻率 很 高，可達(dá) 1 MHz，因此 精度可 以 達(dá)到幾千分之一 [8]。其外部引腳如圖 16所示。光耦合器對(duì)輸入、輸出電 信號(hào) 有良好的 隔離作用。該電路非常簡(jiǎn)單，是凌陽(yáng)公司的標(biāo)準(zhǔn)放音電路。 18 語(yǔ)音顯示部分的設(shè)計(jì) 圖 14 為凌陽(yáng) SPCE061A 單片機(jī)管腳分布圖，在實(shí)際連接中， A0－ A15 口為與A/D 轉(zhuǎn)換電路的接口， B0－ B10 與顯示模塊相連接；其中 B0－ B7 為數(shù)據(jù)口， B8－ B10 為控制口（包含片選，復(fù)位等）。 其 原理圖如圖 13 所示?？梢詫?duì)它的輸入和輸出關(guān)系進(jìn)行編程， 4 個(gè)輸入 F0~F3，任何一個(gè)都可以送到 4 個(gè) D 觸發(fā)器當(dāng)中任何一個(gè)的輸入端，每個(gè)輸入又可以同時(shí)送給幾個(gè)觸發(fā)器， 4個(gè)輸入還可以再組合成更大規(guī)模的與或邏輯函數(shù)送到任何一個(gè)觸發(fā)器的輸入端。 ispPLD 的電路結(jié)構(gòu)由 32 個(gè)通用邏輯模塊（ GLB）、 64個(gè)輸入 \輸出單元（ I/O Cell,簡(jiǎn)稱 IOC）、可編程的內(nèi)部連線區(qū)和編程控制電路組成。因此，編程時(shí)不需要使用另外的編程器，也無(wú)需將 ispPLD 從系統(tǒng)中拔出，在正常的工作電壓下即可完成對(duì)器件的編程（寫入編程數(shù)據(jù)或擦除。為了提高集成度，同時(shí)又保持 EPLD 傳輸時(shí)間可預(yù)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，將若干個(gè)類似于 GAL 的功能模塊和實(shí)現(xiàn)互連的開(kāi)關(guān)矩陣集成于同一芯片上，就形成了所謂的CPLD。 圖 4 滿刻度量程與 Cos線性關(guān)系 在實(shí)際應(yīng)用中，該電容的溫度系數(shù)是 一 個(gè)重要參數(shù)，它將 對(duì) AD650芯片的轉(zhuǎn)換精度有著直接影響。在 定時(shí)電容 Cos 進(jìn)定后， t1 是 一個(gè)定值， （ t1 + t2） 則 需要 根據(jù)輸入電壓的大小變 化，所以 輸入電壓 Vi的函數(shù)是 占空 D。 fOUT=VIN／ (R1＋ R3) （ 1） 上式中 R1， R2， R3， C2的取值由式 (1)～（ 4） 決定，式中 VINmax為最大輸入電壓， fMAX為滿刻度頻率， VP為輸出電路的電源電壓，一般為 5V， IL為負(fù)載電流。 12 4510V7+V11NC(GUARD)6NC(GUARD)3EXT CLKB1CLM9EXTCLK A2EXT/CLK IN13INT/CLK OUT12RTN CLK8IN/EXT14U2ICL7650BCPD104C13104C14+1212100pC12100pC174510V7+V11NC(GUARD)6NC(GUARD)3EXT CLKB1CLM9EXTCLK A2EXT/CLK IN13INT/CLK OUT12RTN CLK8IN/EXT14U3ICL7650BCPD104C15104C16+1212100pC11100pC18800KR920KR8800KR7VAD312Res3Vref 5200KR5200KR6VAD650Voffset 圖 6電壓放大偏置原理圖 V/F 轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) AD650是美國(guó) ANALOG DEVICES公司推出的高精度電壓頻率 (V/F)轉(zhuǎn)換器， 可構(gòu)成廉價(jià)高分辨率低速 A/D轉(zhuǎn)換器、遠(yuǎn)距離隔離信號(hào)傳輸電路、鎖相環(huán)電路、調(diào)制解調(diào)電路、精密步進(jìn)馬達(dá)速度控制電路、窄帶濾波電路。輸入的 0～ 100mV 電壓經(jīng) 40倍的放大后，產(chǎn)生 0～4V 的輸出，因?yàn)?AD650 在 0V 輸入的情況下，輸出頻率也是 0，這樣計(jì)數(shù)得到頻率很難 達(dá)到 16 的精度，因此 我們把 0～ 4V 的輸入向上搬移了 1V，從而產(chǎn)生 1～5V的輸入信號(hào)送給 AD650。 LM336 的輸出電流為 10mA，可滿足 OPA33 的需要。 AD586 是 AD 公司 出產(chǎn)的 高精度 5V 的基準(zhǔn)電壓源 ,溫漂低至 2ppm/℃，噪聲為100nV/HZ,通過(guò)可調(diào)電阻 和 固定電阻進(jìn)行分壓 從而 產(chǎn)生 0100mV 的電壓。 圖 3 系統(tǒng)框圖 ICL7650 AD650 SPEC061A CPLD 顯示模塊 語(yǔ)音模塊 基準(zhǔn)源 被測(cè)量 鍵盤 10 系統(tǒng)硬件的基本組成部分 本系統(tǒng)可分為電壓信號(hào)產(chǎn)生部分、信號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)量部分和控制部分。光耦合可以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng)，而且對(duì)外電路沒(méi)有干擾，且電路連接比較方便，唯一的缺點(diǎn)就是成本 較高。 （ 7）電氣隔離 由于 AD650 對(duì)外部電磁干擾反應(yīng)非常敏感， V/F轉(zhuǎn)換部分必須與測(cè)量顯示部分實(shí)現(xiàn)電氣隔離，我們考慮了以下兩種方案。 （ 6）語(yǔ)音 雖然設(shè)計(jì)要求中沒(méi)要求必須設(shè)置語(yǔ)音報(bào)數(shù)，但是 由于凌陽(yáng)公司的 SPCE061A單片機(jī)自帶語(yǔ)音錄入、播放模塊，可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的報(bào)數(shù)、說(shuō)明功能。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管 （ LED） 顯示轉(zhuǎn)換結(jié)果。 綜上所述， 選擇方案二。但由于本設(shè)計(jì)對(duì)控制器的響應(yīng)速度要求不高， FGPA 的高速處理優(yōu)勢(shì)得不到充分體現(xiàn)，并且由于芯片集成度很高，成本偏高，同時(shí)由于引腳較多，電路板的布線比較復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和實(shí)際焊接的工作。 綜上所述，考慮到時(shí)間的緊迫性和本題目要求達(dá)到 16 位的高分辨率，計(jì)數(shù)器必須達(dá)到很高的響應(yīng)速度而且易于實(shí)現(xiàn)，所以 選用方案三。 方案三：采用 CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件） 來(lái) 編寫代碼 以 實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)數(shù)功能。所以，此種方法測(cè)得的頻率精度比較低，頻率帶寬也較窄。 方案一：用單片機(jī)的計(jì)數(shù)器對(duì)基準(zhǔn)時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)數(shù)。 7 V/F 轉(zhuǎn)換作 為本 次設(shè)計(jì)的核心模塊，必須要有較低的最佳溫度穩(wěn)定性 和 較高的 滿刻度頻率響應(yīng) 。 AD650既能 夠用于 頻率電壓轉(zhuǎn)換器，又可 用于 電壓頻率轉(zhuǎn)換器。 方案三：采用 V/F轉(zhuǎn)換專用集成芯片 AD650 ， 再 輔以的外圍電路就 可實(shí)現(xiàn)。 LM331 采用了新的溫度補(bǔ)償能隙基準(zhǔn)電路， 并且 在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都能夠 有極高的精度。 考慮到系統(tǒng)對(duì)溫漂的要 求非常嚴(yán)格，雖然對(duì)精度的要求不像溫漂要求那么嚴(yán)格，但是必須 選擇方案三。優(yōu)點(diǎn)是可以程控，可 以 由鍵盤 來(lái) 設(shè)定輸出。 ICL7650 AD650 SPCE061A CPLD 顯示模塊 語(yǔ)音模塊 基準(zhǔn)源 被測(cè)量 鍵盤 6 各模塊方案選擇和論證 （ 1）精密測(cè)試電壓源 方案一 ：普通基準(zhǔn)源直接分壓輸出。模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)化部分包括：電壓放大和偏置，V/F轉(zhuǎn)換模塊，頻率測(cè)量模塊。 考慮題目要求做一個(gè) 16位、 10Hz的 A/D轉(zhuǎn)換器， 實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓的測(cè)量和顯示。 方案三： VFC式 利用積分原理，將輸入電流或電壓轉(zhuǎn)換成頻率進(jìn)行輸出，脈沖頻率與輸入電流或電壓成比例，其線性度好、精度高、轉(zhuǎn)換速度居中、與 CPU的連線最少、轉(zhuǎn)換位數(shù)與速度可調(diào)，而且轉(zhuǎn)換位數(shù)增加時(shí)不會(huì)增加和 CPU 的連線，因此， VFC式為 A／ D轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種有效且廉價(jià)的解決辦法。系統(tǒng)組成框圖 1如下 [2]。要求有一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后的輸出信號(hào)。 最后是本文的一些總結(jié)，對(duì)導(dǎo)師和幫助我的同學(xué)的感謝，并列出本文選用的一些參考文獻(xiàn)，所編寫的程序和本次設(shè)計(jì)的實(shí)物圖。最終將各部分緊密連接形成了一套完善的 A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。 第二章主要敘述了本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案。 3 （ 3） CPLD 頻率測(cè)試計(jì)。 對(duì)于 16位的 AD 轉(zhuǎn)換器，且滿幅度輸入電壓僅為 100mV，如果要對(duì)它的性能進(jìn)行測(cè)試，則需要非常高精度以及非常低溫漂的基準(zhǔn)源，市場(chǎng)上很難找到這樣的基準(zhǔn)源，因此需要自已動(dòng)手制造。因此，設(shè)計(jì)生產(chǎn)出自己的高速高性能 A/D 轉(zhuǎn)換器已成為當(dāng)務(wù)之急。 隨著近年來(lái)投入的增加，國(guó)內(nèi)一些單位也取得了一定的成果，如 2020 年復(fù)旦大學(xué)專用集成電路與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室己研究成功低功耗的 10 位、 33MSPS流水線 A/D轉(zhuǎn)換器 。但是，在日常的實(shí)際應(yīng)用中，所遇到的主要是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將 模 擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào) ,A/D 轉(zhuǎn)換器正是為了滿足這種需要而應(yīng)運(yùn)而生的。原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，不存在時(shí)間延遲問(wèn)題， 適用于中等速率且分辨率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。也稱雙斜率或多斜率 A/D 轉(zhuǎn)換器。 A/D 轉(zhuǎn)換器將現(xiàn)實(shí)世界的模擬信號(hào)變換成數(shù)字信號(hào)以便進(jìn)行處理、傳輸及其他操作。 因此，就需要一種能夠在 模擬信號(hào) 與數(shù)字信號(hào)之間起到橋梁作用的電路 模數(shù)和 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 。 關(guān)鍵詞 ： V/F； CPLD； 頻率計(jì) ； A/D 轉(zhuǎn)換 Abstract IV In today39。它廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、聲納、高分辨率視頻和圖像顯示、軍事和醫(yī)療成像、高性能的控制器與傳感器、數(shù)字化儀表、各種檢測(cè)控制系統(tǒng)以及包括無(wú)線電話和基站接收機(jī)在內(nèi)的數(shù)字通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域。 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)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)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。 作者簽名： 日 期： II 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。 高分辨率 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì) 院 、 部： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 I 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： 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)校可以公布論文的部分或全部?jī)?nèi)容。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： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 III 摘 要 當(dāng)今社會(huì)是一個(gè)信息社會(huì)，隨著通信技術(shù) 、計(jì)算機(jī)技術(shù)