【正文】 沖寄存器。作者：王海濱 梅鋒 余赟。我們?nèi)齻€(gè)隊(duì)員暗自慶幸省組委會(huì)和學(xué)校領(lǐng)導(dǎo)給了一次讓我們鍛煉自己的機(jī)會(huì)。在開(kāi)始制定方案的時(shí)候，我們以自己的想法和方案為主，同時(shí)老師們也提供了好的想法；這樣開(kāi)放的比賽模式讓我們感受到了一種全新的設(shè)計(jì)電路和解決實(shí)際問(wèn)題的氛圍，從大賽的題目要求就可以看到省大賽組委會(huì)的各位老師的良苦用心不僅讓學(xué)生會(huì)設(shè)計(jì)一種電路，還要讓學(xué)生設(shè)計(jì)多種思路。B：上位機(jī)的軟件還可以進(jìn)行深入加工上位機(jī)的界面是儀器的顯示界面，為了提高系統(tǒng)的實(shí)用性，上位機(jī)可以提供很多的輔助功能，比如存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)、自動(dòng)生成表格、打印、上傳、以不同坐標(biāo)顯示、坐標(biāo)可以進(jìn)行拉伸和壓縮、局部放大和縮小、開(kāi)機(jī)時(shí)間、測(cè)量次數(shù)等等。2）解決的方法A：測(cè)量不精確的解決方法輸出穩(wěn)定的改進(jìn)在不對(duì)本設(shè)計(jì)進(jìn)行原則性改動(dòng)時(shí)可以使用RC濾波器對(duì)噪聲進(jìn)行濾除，同時(shí)單片機(jī)軟件上可以采用平均的辦法在一定程度上改善穩(wěn)定性。利用放大器參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量的實(shí)際效果如下圖所示：圖56 放大器參數(shù)測(cè)試儀測(cè)量實(shí)際效果圖綜上所述：利用放大器參數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)得的數(shù)據(jù)，基本上是準(zhǔn)確的，存在一定的誤差，這是由于各方面的因素導(dǎo)致的，比如A/D精度，運(yùn)算放大器的噪聲，檢波二極管的非線(xiàn)性等導(dǎo)致。4Ω表58 放大器輸出電阻測(cè)試數(shù)據(jù)（二） f=500HzU/VUo/VRo/Ω由以上數(shù)據(jù)可以計(jì)算出當(dāng)信號(hào)頻率為500Hz時(shí)，放大器的輸出電阻為Ro=12177。測(cè)量電路如下圖所示。最大不失真電壓Vpp=177。 圖51 放大器幅頻特性圖（0~500kHz）(12990Hz,848)圖52 放大器幅頻特性圖（0~100kHz） 由以上的數(shù)據(jù)和幅頻圖分析我們可以很明顯的看到，放大器的低頻放大倍數(shù)為1220倍，通頻帶為0Hz~13kHz，滿(mǎn)足低頻放大器的要求。4．屏幕顯示 在OnPaint()函數(shù)中將接收到的數(shù)據(jù)按其特定的方式顯示出來(lái)。程序?qū)崿F(xiàn)方法，串口通過(guò)MSComm控件接收數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并在屏幕上顯示出來(lái)。第一節(jié) 通信協(xié)議為了實(shí)現(xiàn)更好的數(shù)據(jù)傳輸，防止出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，我們?cè)趩纹瑱C(jī)與上位機(jī)通訊時(shí)，約定了協(xié)議，當(dāng)單片機(jī)向PC機(jī)發(fā)送關(guān)鍵字時(shí)，PC機(jī)程序才執(zhí)行相應(yīng)的功能。通信函數(shù)是中斷驅(qū)動(dòng)的：發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將其放入緩存區(qū)，串口準(zhǔn)備好后，就將其發(fā)送出去；傳來(lái)的數(shù)據(jù)迅速申請(qǐng)中斷，使WINDOWS 接收它并將其存入緩沖區(qū)，以供讀取。此部分程序由于在數(shù)碼管掃描時(shí)采用的是MAX7219專(zhuān)用數(shù)碼管掃描芯片，MAX7219是串行接口，能驅(qū)動(dòng)8位數(shù)碼管，其讀寫(xiě)時(shí)序非常簡(jiǎn)單，根據(jù)下面的時(shí)序圖，我們很容易的編寫(xiě)了AT89C51的程序，在單片機(jī)當(dāng)中，我們開(kāi)辟了8個(gè)字節(jié)作為顯示緩沖區(qū)，同時(shí)用MAX7219的最大優(yōu)點(diǎn)是，一旦單片機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送給MAX7219之后，那么單片機(jī)就不用去管理數(shù)碼管了，可以由MAX7219單獨(dú)來(lái)完成掃描過(guò)程。==180。（詳細(xì)程序見(jiàn)附錄）2）中斷程序設(shè)計(jì)中斷程序主要用于鍵盤(pán)檢測(cè)與相應(yīng)功能標(biāo)志位的置位，一旦有中斷申請(qǐng)，證明要測(cè)量放大器的某個(gè)參數(shù)，程序馬上執(zhí)行置標(biāo)志位的工作，并迅速跳回主程序，主程序可以通過(guò)判斷相應(yīng)的測(cè)量標(biāo)志位是否置位來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的程序，這樣可以保證對(duì)鍵盤(pán)響應(yīng)的測(cè)量任務(wù)每一次都能以最快的速度執(zhí)行，并且不會(huì)影響其他中斷源的工作。雖然繼電器切換頻率不能過(guò)快，但是對(duì)于放大器輸出阻抗的測(cè)量上并不需要對(duì)繼電器進(jìn)行過(guò)高頻率的切換，因此采用繼電器實(shí)現(xiàn)切換是理想的選擇。電路實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在放大器放大倍數(shù)超過(guò)800倍時(shí)，放大器輸出檢波器會(huì)對(duì)放大器的輸出信號(hào)造成影響，這對(duì)測(cè)量輸出阻抗和最大不失真電壓是極為不利的。為了對(duì)幅度小的信號(hào)也能進(jìn)行檢波，防止檢波管的死區(qū)電壓影響檢波管的效率，在檢波管上加了一個(gè)偏置電壓，該電壓能夠讓檢波管處于微導(dǎo)通狀態(tài)，從而提高了檢波效率。圖215 RS232C/TTL電平轉(zhuǎn)換圖電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算1) 待測(cè)放大器的設(shè)計(jì)為了滿(mǎn)足測(cè)試要求，設(shè)計(jì)的放大器應(yīng)該具有放大倍數(shù)在1000倍以?xún)?nèi)可調(diào)的特點(diǎn)，因此我們采用兩級(jí)運(yùn)放，第一級(jí)最大放大倍數(shù)50倍，第二級(jí)最大放大倍數(shù)為20倍，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。傳輸介質(zhì)為二芯屏蔽電纜，接線(xiàn)圖如下圖所示：圖214 RS232串行口接線(xiàn)圖RS232信號(hào)的電平和單片機(jī)串口的電平不一致，必須進(jìn)行二者之間的電平轉(zhuǎn)換。8） 與上位機(jī)通訊電路串口是計(jì)算機(jī)與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的重要介質(zhì)，所以串行通信在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)中有著廣泛的應(yīng)用。顯示AD985089C51單片機(jī)鍵盤(pán)MAX7219圖213 顯示與鍵盤(pán)電路由于本設(shè)計(jì)用了多達(dá)16個(gè)鍵盤(pán)和8個(gè)數(shù)碼管，用專(zhuān)用模塊編碼譯碼成本相對(duì)較高(ICL8279零售價(jià)40元)，所以不采用A方案。用戶(hù)程序可以直接燒錄到芯片內(nèi)而不需要外配ROM和RAM非常方便，AT89C51內(nèi)含兩個(gè)16位定時(shí)器，一個(gè)全雙工串口，5個(gè)雙優(yōu)先級(jí)中斷源，4個(gè)8位I/O口。DSP器件的缺點(diǎn)是成本高對(duì)開(kāi)發(fā)人員的數(shù)學(xué)功底要求較苛刻，但DSP器件以其固有的優(yōu)點(diǎn)代表著數(shù)字信號(hào)處理器件發(fā)展的方向。表21 選擇模擬輸入通道通道號(hào)CH0CH1輸入數(shù)據(jù)流（bit）110111圖212 TLC0831時(shí)序圖6） 數(shù)據(jù)處理與主控電路由于對(duì)數(shù)據(jù)采集與處理的速度要求不太高，同時(shí)以控制和運(yùn)算為主的系統(tǒng)一般選用單片機(jī)來(lái)處理數(shù)據(jù)，單片機(jī)技術(shù)是比較成熟的技術(shù)，它的特點(diǎn)是以程序控制的方式把比較復(fù)雜的問(wèn)題化大為小逐步求精，（如：乘法可以化為若干次加法處理）這樣一來(lái)非常復(fù)雜的問(wèn)題也可以處理了，缺點(diǎn)是實(shí)時(shí)性較差，單片機(jī)由于其使用面非常之廣因此價(jià)格極其低廉，對(duì)于本系統(tǒng)使用單片機(jī)是再合適不過(guò)了。在經(jīng)過(guò)8個(gè)時(shí)鐘后，轉(zhuǎn)換完成，CS變高，內(nèi)部所有寄存器清零，此時(shí)，輸出電路變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘的時(shí)間間隔被自動(dòng)插入后，可以使多種轉(zhuǎn)換器選定的通道穩(wěn)定。其中，ad9850的各位控制字和讀寫(xiě)時(shí)序見(jiàn)下圖：圖211 AD9850時(shí)序圖A/D數(shù)據(jù)采集電路采用TLC0832進(jìn)行測(cè)量，A/D轉(zhuǎn)換器的輸入范圍是0—5V，8BIT串行，因此與微處理機(jī)接口與編程都十分方便。具體電路如下圖所示：圖210 最大不失真電壓測(cè)試電路5） 信號(hào)源電路與A/D電路信號(hào)源采用AD公司的專(zhuān)用集成芯片AD9850，可以產(chǎn)生頻率可控的正弦信號(hào)。圖28 輸入阻抗測(cè)試電路需要說(shuō)明的是，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入阻抗時(shí)上端已知電阻的選取到底以何種標(biāo)準(zhǔn)為宜，經(jīng)過(guò)我們反復(fù)的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這個(gè)已知電阻的選取既不能太大，又不能太小，太大則導(dǎo)致落在放大器等效輸入阻抗的電壓值過(guò)小，測(cè)量不準(zhǔn)確；同理，如果阻值過(guò)小，導(dǎo)致信號(hào)源的壓降全都落在放大器的等效輸入電阻上，也不能精確的測(cè)量放大器的輸入電阻值。A/D轉(zhuǎn)換器，我們采用的是TI公司的8位串行單通道AD TLC0831，它占用外界資源少，接口簡(jiǎn)單，編程方便。在實(shí)際電路當(dāng)中，根據(jù)實(shí)際需要對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行了恰當(dāng)?shù)脑O(shè)置。對(duì)于下位機(jī)的操作系統(tǒng)主要包括，鍵盤(pán)部分，數(shù)碼管顯示部分，數(shù)據(jù)上傳部分，電源部分所構(gòu)成。2：同相放大器 同相放大器的電路圖如下圖24所示：+_++Uo_+Ui_R1RfRp圖24 同相放大器電路輸入與輸出之間的關(guān)系為 Uo=（R1+Rf）Ui/R1輸入電阻 Ri=ric此式中ric 為運(yùn)放本身同相端對(duì)地的共模輸入電阻，一般比較大，約為100兆歐母左右。R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)小于信號(hào)源的內(nèi)阻。集成運(yùn)放的輸出電壓由下式?jīng)Q定：Uo＝Ao（Ui1－Ui2）式中：Uo為集成運(yùn)放的輸出電壓；Ao為集成運(yùn)放的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)；　Ui1為集成運(yùn)放同相輸入端信號(hào)電壓；Ui2為集成運(yùn)放反相輸入端信號(hào)電壓。集成運(yùn)放的共模抑制比很大，通常大于80至100dB。經(jīng)過(guò)直接測(cè)量，放大器的最大放大倍數(shù)為1200倍，輸出最大不失真電壓為14V,輸入阻抗為10K，輸出阻抗為50100歐姆。對(duì)于這一系統(tǒng)，由于對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是太高，而精度是主要矛盾，因此我們決定選取基于數(shù)字器件的信號(hào)處理系統(tǒng)，來(lái)完成本設(shè)計(jì)。方案三：基于單片機(jī)作為主控單元，利用數(shù)字器件的測(cè)量整機(jī)測(cè)試指標(biāo)：幅頻特性、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓；電路實(shí)現(xiàn)方法：信號(hào)源采用AD9850進(jìn)行生成，采用AD9850的最大優(yōu)點(diǎn)是頻率可控，頻率穩(wěn)定度高，且幅度穩(wěn)定，一般不需要外界的附加電路便可以實(shí)現(xiàn)，從而給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，放大器的輸入阻抗測(cè)量采用等效電阻法進(jìn)行測(cè)量，放大器的輸出阻抗利用雙重負(fù)載法進(jìn)行測(cè)量，大負(fù)載接入放大器輸出端，可以將電壓信號(hào)完全采集出來(lái)，而利用小負(fù)載時(shí)，由于放大器本身存在內(nèi)阻，因此當(dāng)小負(fù)載可以和放大器的輸出電阻相匹配的時(shí)候，便可以等效為放大器的輸出電阻和小電阻進(jìn)行分壓，從而利用公式可以求得放大器的輸出電阻。方案二：基于CPLD作主控單元數(shù)字測(cè)量與分析方法整機(jī)測(cè)試指標(biāo)：幅頻特性、輸入阻抗、輸出阻抗、最大不失真電壓、失真度的測(cè)量；電路實(shí)現(xiàn)方法：前級(jí)信號(hào)源利用FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)DDS技術(shù)產(chǎn)生頻率和幅度可程控的信號(hào)源，用于對(duì)放大器的測(cè)量；后級(jí)輸入阻抗，輸出阻抗，最大不失真電壓，失真度的測(cè)量，采用CPLD控制外接高速AD進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理，從而得到對(duì)放大器參數(shù)的測(cè)量。對(duì)于最大不失真電壓的測(cè)量采用模擬濾波法，眾所周知，在放大器輸出電壓失真的情況下，會(huì)產(chǎn)生諧波分量，利用低通和高通濾波器，我們便可以將基波分量和諧波分量分離出來(lái)，從而得到基波分量與諧波分量的比值，根據(jù)比值的大小，我們便可以判斷出失真與否，還有失真的程度，即完成了對(duì)放大器參數(shù)的測(cè)量。一、題目要求和方案論證題目要求：1）制作出放大器參數(shù)測(cè)試儀1） 測(cè)試參數(shù)的種類(lèi)、數(shù)量自定，電壓增益不小于1000，輸出幅度不小于10V；2） 測(cè)試參數(shù)的精度自定；3） 測(cè)試儀的功能，例如對(duì)測(cè)試的結(jié)果是否存儲(chǔ)、顯示、打印等自定。放大器輸出幅度的測(cè)量采用二級(jí)管檢波的方法進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)利用模擬除法電路對(duì)輸入信號(hào)和輸出信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，從而得到放大器的放大倍數(shù)。但用于這種場(chǎng)合是不合適的，原因在于這一信號(hào)處理系統(tǒng)要用到除法器，而模擬除法器要達(dá)到比較高的精度，其造價(jià)是比較高的，而且調(diào)試也比較困難，穩(wěn)定性很難保證，因此本設(shè)計(jì)將不采用模擬器件作為核心的信號(hào)處理系統(tǒng)。缺點(diǎn)：成本高，編程任務(wù)重，同時(shí)針對(duì)題目的要求，由于電壓增益不小于1000倍，輸出幅度不小于10V,可以很明顯的看出，測(cè)量對(duì)象是低頻放大器，因此對(duì)主控單元的處理速度要求不是非常嚴(yán)格，因此設(shè)計(jì)過(guò)程中沒(méi)有采用此方案。缺點(diǎn)是：實(shí)時(shí)性較差、系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)稍高，需要較多的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。1） 待測(cè)放大器：待測(cè)放大器的主要技術(shù)指標(biāo)均已達(dá)到或超過(guò)題目當(dāng)中給定的測(cè)量指標(biāo)。理想集成運(yùn)算放大器的主要特點(diǎn)：差模增益趨向于無(wú)窮大，輸入電阻趨向于無(wú)窮大，即兩個(gè)輸入端之間的等效電阻很大。在同相輸入端信號(hào)電壓不變時(shí)，反相輸入端的信號(hào)電壓增大，輸出端的信號(hào)電壓減??；反相輸入端的信號(hào)電壓減小，輸出端的信號(hào)電壓增大。1：反相放大器反相輸入運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系為+_++Uo_+Ui_R1RfRpUo= Auf Ui=Rf Ui/R1輸入電阻 Ri=R1輸出電阻Ro≈0平衡電阻Rp=R1//Rf 圖22 反相放大器電路反饋電阻的阻值不可太大，否則會(huì)產(chǎn)生教大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐到幾百兆歐。當(dāng)輸入交流信號(hào)時(shí)，由于運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益是頻率的函數(shù)，反相放大器的輸出阻抗也是頻率的函數(shù)，則Zoe=Zo/[1+Ad（jω）F]一般信號(hào)頻率ω〈〈ωn，則輸出阻抗Zoe≈Ro/（1+AdF），當(dāng)輸出頻率比較高時(shí)，輸出阻抗將有很大的變化。主要框圖如下：信號(hào)源待測(cè)放大器檢波器多路開(kāi)關(guān)A/D數(shù)據(jù)采集主控器MCU鎖存器圖25 放大器參數(shù)測(cè)試原理框圖3）人機(jī)界面：主要由兩大部分組成，分別為上位機(jī)顯示界面和下位機(jī)操作系統(tǒng)所構(gòu)成。對(duì)于前端信號(hào)利用了AD公司的專(zhuān)用集成芯片AD9850，它具有于單片機(jī)便捷的接口，因此可以通過(guò)軟件對(duì)輸出信號(hào)的頻率進(jìn)行控制，由于測(cè)量的對(duì)象是低頻放大器，因此我們使AD9850輸出的頻率范圍是從0—500KHZ, 幅度的測(cè)量通過(guò)二極管檢波。鑒于此種原因，我們選擇了模擬開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓信號(hào)的切換測(cè)量。具體的電路如下圖所示。圖29 輸出阻抗測(cè)試電路4） 最大不失真電壓測(cè)量的電路選取對(duì)于最大不失真的測(cè)量，已經(jīng)在前面的方案選擇里講到了很多種的實(shí)際測(cè)量方法，可以利用時(shí)域分析法，頻域法；在這里我們采用了頻域分析的方法，利用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)放大器的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換，從而得到電壓的頻譜，再設(shè)計(jì)作品的實(shí)際過(guò)程中，我們利用了Tektronix TDS220數(shù)字示波器對(duì)放大器地輸出電壓進(jìn)行了頻譜分析，得到了其基波與各次諧波之間的頻譜幅度關(guān)系，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)放大器的輸出電壓出現(xiàn)失真時(shí)，它的基波分量和三次諧波分量會(huì)有較大的變化，特別是三次諧波分量會(huì)很快上升，而基波分量有小幅度的下降，從而在對(duì)輸出電壓進(jìn)行FFT之后，對(duì)其的基波與三次諧波的幅度進(jìn)行比較，便可以得到該放大器的輸出電壓是否失真，并可以得到最大不失真電壓。通過(guò)單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)ad9850的操作就很容易的得到了測(cè)量放大器的前端信號(hào)源。CS在整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中必須置為低電平，接著從處理器接受一個(gè)時(shí)鐘。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)同時(shí)從DO端輸出，并以最高位