【文章內(nèi)容簡介】 少使用。 ? 方案二：雙積分式 A/D轉(zhuǎn)換。它由積分器、過零比較器（ C）、時鐘脈沖控制門（ G）和定時器、計數(shù)器（ FF0～ FFn）等幾部分組成。其轉(zhuǎn)換原理如圖 5所示： 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 11 圖 5雙積分 A/D轉(zhuǎn)換原理 雙積分轉(zhuǎn)換器把待轉(zhuǎn)換的輸入模擬電壓先轉(zhuǎn)換為中間變量時間 T，然后再對中間變量量化編碼，得出轉(zhuǎn)換結(jié)果 IR E F1iR E F1 UVNUVT TD CP ?? （ 2） 其中 N1 、 VREF均為常量，故計數(shù)結(jié)果與模擬電壓有較好的線性度。因有積分器的存在，積分器的輸出只對輸入信號的平均值有所響應(yīng)，所以，它突出優(yōu)點是工作性能比較穩(wěn)定且抗干擾能力強；計數(shù) 器的計數(shù)結(jié)果與 RC 無關(guān)，所以，該電路對 RC精度的要求不高，而且電路的結(jié)構(gòu)也比較簡單。只要兩次積分過程中積分器的時間常數(shù)相等，所用于數(shù)據(jù)采集及精度要求比較高的場合。在本題目中，我們考慮作為發(fā)揮部分，采用了速度較快的轉(zhuǎn)換模式，作為雙積分式 轉(zhuǎn)換 其 轉(zhuǎn)換精度依賴于積分時間，因此轉(zhuǎn)換速率極低 ，再三考慮后，我們放棄了此方案。 ? 方案三：采用 V/F 轉(zhuǎn)換方案。 壓頻變換型（ VoltageFrequency Converter）是通過間接轉(zhuǎn)換方式實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計數(shù)器將頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字 量。從理論上講這種 AD 的分辨率幾乎可以無限增加，只要采樣的時間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個數(shù)的寬度。其優(yōu)點是分辯率高、功耗低、價格低，但是需要外部計數(shù)電路共同完成 AD 轉(zhuǎn)換 ，而且其轉(zhuǎn)換速度較低 。 ? 方案四：逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換。逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換器屬于直接型 AD轉(zhuǎn)換器，它能把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字代碼，而不需要經(jīng)過中間變量。C 1nFFR1J1KC 1n 1FFR1J1KC 11FFR1J1KC 10FFR1J1K1 1 1 1ACR CvOvCT CS 2n 級計數(shù)器D D Dn 11 0. . .（ M S B ） （ L S B ）數(shù)字量輸出Q n 1 Q 1 Q 0QnCR+A1ISVvR E FSVB1CPamp。v G 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 12 轉(zhuǎn)換過程相當(dāng)于一架天平秤量物體的過程，不過這里不是加減砝碼，而是通過DA 轉(zhuǎn)換器及寄存器加減標(biāo)準(zhǔn)電壓，使標(biāo)準(zhǔn)電壓值與被轉(zhuǎn)換電壓平衡。 逐次逼近型 AD 轉(zhuǎn)換既能照顧了轉(zhuǎn)換速度 ，又具有一定的精度。故而我們選擇逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換方案。 AD轉(zhuǎn)換器由以 DA轉(zhuǎn)換器為主，故我們要新增 DA 轉(zhuǎn)換模塊的討論選擇。 D/A 模塊 DA轉(zhuǎn)換器是利用電阻網(wǎng)絡(luò)和模擬開關(guān)，將多位二進制數(shù) D轉(zhuǎn)換為與之成比例的模擬量的一種轉(zhuǎn)換電路。因此，輸入應(yīng)是一個 n 位的二進制數(shù)，它可以按二進制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)的通式展開為 00112n2n1n1nn 2222 ????????? ???? ddddD ?? （ 3） 而輸出應(yīng)當(dāng)是與輸入的數(shù)字量成比例的模擬量 A A=KDn=K( 00112n2n1n1n 2222 ???????? ???? dddd ??) （ 4） 式中的 K為轉(zhuǎn)換系數(shù)。其轉(zhuǎn)換過程是把輸入的二進制數(shù)中為 1的每一位代碼，按每位權(quán)的大小，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將各位轉(zhuǎn)換以后的模擬量，經(jīng)求和運算放大器相加，其和便是與被轉(zhuǎn)換數(shù)字量成正比的模擬量，從而實現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換。一般的 D/A轉(zhuǎn)換器輸出 A是正比于輸入數(shù)字量 D的模擬電壓量。比例系數(shù) K 為一個常數(shù)，單位為伏特。 這就是組成 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本指導(dǎo)思想。 圖 6 D/A轉(zhuǎn)換器原理圖 參考電源 數(shù)字接口 數(shù)字開關(guān)控制 模擬轉(zhuǎn)換 放大器 電源∑ Ii 模擬電 壓輸出 D0 D1 D2 Dn .... 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 13 如圖 6所示， DA 轉(zhuǎn)換器由參考電源、數(shù)字開關(guān)控制、模擬轉(zhuǎn)換、數(shù)字接口及放大器組成。其中數(shù)字開關(guān)與模擬轉(zhuǎn)換部分的電阻解碼網(wǎng)絡(luò)是 D/A 轉(zhuǎn)換器的核心。 ? 多路開關(guān) ： 多路開關(guān)可以分時的選通某個來自多個輸入通道的信號。在該系統(tǒng)中待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量經(jīng)數(shù)字接口控制各位相應(yīng)的開關(guān)，以接通或斷開各自的解碼電阻，從而 改變標(biāo)準(zhǔn)參考電源經(jīng)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的總電流，該電流經(jīng)放大器放大后，輸出與數(shù)字量相對應(yīng)的模擬電壓。 ? 方案一：采用機電開關(guān)，如干簧繼電器，濕式水銀繼電器等。機電開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單，在通斷指標(biāo) 方面具有近似理想的電氣特性，閉合時接觸電阻小，而斷開接點時阻抗高，工作壽命長，且不受外界環(huán)境溫度的影響，但是速度、體積方面則不夠理想。此外，在簧片和連線間還存在著熱電勢。 ? 方案二：采用集成電路芯片。模擬開關(guān)是通過數(shù)字量來控制傳輸門（ TG）的接通和斷開以傳輸數(shù)字信號或模擬信號的開關(guān)。半導(dǎo)體多路開關(guān)的特點是： ? 采用標(biāo)準(zhǔn)的雙列直插式結(jié)構(gòu)，尺寸小，便于安排， ? 直接與 TTL（或 CMOS）電平相兼容 ? 內(nèi)部帶有通道選擇譯碼器 ? 可采用正或負(fù)雙極性輸入 ? 轉(zhuǎn)換速度快，通常其道統(tǒng)或關(guān)斷時間在 1μ s 左右，有些產(chǎn)品已達到幾十到幾百納 秒 ? 壽命長，無機械磨損 ? 接通電阻低，一般小于幾百歐，有的可達幾歐 ? 短開電阻高，通常達 109歐以上 因為半導(dǎo)體集成電路多路開關(guān)具有明顯的優(yōu)點，所以，我們采用集成芯片 CD4053三重二通道多路開關(guān)。 ◆ 電阻解碼網(wǎng)絡(luò) ? 方案一：權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)。 權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)原理電路見圖 7所示，這是將 n位二進制碼轉(zhuǎn)換為電壓的網(wǎng)絡(luò)。它是由權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)、 n 個模擬開關(guān)和 1個求和放大器組成。 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 14 AR FU od 1S 1d n 1d n 2S n 2 S n 122nR 21R 20Rd 0S 021nR?( R / 2)I 0 I 1 ?I n 2 ?I n 1?iREFV 圖 7 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DA轉(zhuǎn)換器 其輸出電壓為 2)2( 26 )2222(2 001122n11nRE Fo ddddVU nnn ?????? ???? ? (5) 由于權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)各位的權(quán)電阻阻值不同，因而要求電阻的種類較多，制作 工藝比較復(fù)雜，特別是在集成電路芯片中受到電阻間阻值差異的現(xiàn)實（兩個電阻阻值比率超過 20： 1 時，即不能良好的匹配），從而制約了 D/A 轉(zhuǎn)換器位數(shù)的增加（上限為 5位）。故我們不采用此種方案。 ? 方案二：開關(guān)樹型解碼網(wǎng)絡(luò)。 開關(guān)樹型 D/A 轉(zhuǎn)換器電路由電阻分壓器和接成樹狀的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)組成。圖 8 是輸入為 3位二進制數(shù)碼的開關(guān)樹型 D/A轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)圖。圖中這些開關(guān)的狀態(tài)分別受 3位輸入代碼狀態(tài)的控制。 圖 8 開關(guān)樹型 D/A轉(zhuǎn)換器 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 15 當(dāng) d2=1 時 S21接通而 S20斷開；當(dāng) d 2=0時 S20接通而 S21斷開。同理， S11和 S10兩組開關(guān)的狀態(tài)由 d1的狀態(tài)控制， S01和 S00兩組開關(guān)由 d0的狀態(tài)控制。由圖可知 對于輸入為 n位二進制數(shù)的 D/A 轉(zhuǎn)換器有 (6) 開關(guān)樹解碼網(wǎng)絡(luò)中 電阻種類單一，有利于提高轉(zhuǎn)換速度 ， .輸出端不取電流，對開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻要求不高 ，轉(zhuǎn)換 .速度快。 但是 轉(zhuǎn)換位數(shù)增加時，電阻開關(guān)器件的數(shù)量呈 2n增加 ，不利于實現(xiàn) 16位轉(zhuǎn)換。 ? 方案三： R2RT 型解碼網(wǎng)絡(luò) 倒 T 型電阻網(wǎng)絡(luò) D/A 轉(zhuǎn)換器中電阻網(wǎng)絡(luò)阻值僅有 R 和 2R 兩種，各 2R 支路電流 Ii與 Di數(shù)碼狀態(tài)無關(guān)，是一定值。由于支路電流流向運放反相端時不存在傳輸時間，因而具有較高的轉(zhuǎn)換速度。 在權(quán)電流型 D/A轉(zhuǎn)換器中，由于恒流源電路和高速模擬開關(guān)的運用使其具有精度高、轉(zhuǎn)換快的優(yōu)點，雙極型單片集成 D/A 轉(zhuǎn)換器多采用此種類型電路。 經(jīng)過比較，考慮到轉(zhuǎn)換精度及可實現(xiàn)型，我們最終選擇方案三，采用 R2RT 型解碼網(wǎng)絡(luò)。 綜合選擇 AD 轉(zhuǎn)換部分如圖 9所示，其中下劃線部分為選擇方案。 AD轉(zhuǎn)換 圖 9 AD轉(zhuǎn)換方案 計數(shù)器式 雙積分式 壓頻轉(zhuǎn)換式 逐次逼近式 逐次逼近寄存器 比較器 時鐘 控制邏輯 DA轉(zhuǎn)換器 數(shù)字開關(guān)控制 參考電源 數(shù)字接口 放大器 機電開關(guān) 集成芯片 4053 R2RT 型解碼網(wǎng)絡(luò) 權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò) 開關(guān)樹解碼網(wǎng)絡(luò) 模擬轉(zhuǎn)換部分 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 16 控制模塊 ? 方案 1：采用可編程邏輯器件 CPLD 作為控制器。 CPLD可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，體積小，穩(wěn)定性高， IO資源豐富，易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)處理的速度要求也不高。因此我們放棄了這個方案。 ? 方案 2： 采用 MCS— 51 系列單片機。 51 系列單片機價格便宜，使用簡單，開發(fā)軟件以及硬件調(diào)試器型號眾多，應(yīng)用廣泛而普遍。但是 51系列單片機 RAM,ROM 等資源少，外圍模塊少，指令周期長，運算速度較其他 RISC 指令系統(tǒng)單片機慢。經(jīng)實踐證明，不能達到系 統(tǒng)的設(shè)計要求。 ? 方案 3：采用凌陽公司的 SPCE061A 單片機作為控制器。 它是 16 位微處理器，具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點，內(nèi)嵌 32k 字閃存 FLASH，處理速度高，尤其適用于數(shù)字語音播報和識別等應(yīng)用領(lǐng)域。 綜合考慮后我們選擇凌陽 SPCE061A 作為我們的主控制器。 信號源模塊 產(chǎn)生一個 0100mv 連續(xù)可調(diào)的模擬電壓信號作為該系統(tǒng)得被測信號源。 ? 方案一：利用一穩(wěn)壓電源以及電位器組成簡易可調(diào)電源。這種方案電路簡單易于實現(xiàn)，但用其產(chǎn)生一個 峰值 100mv 的電壓時精度偏低，且所測電壓不易實時檢測，故不采用此種方案。 ? 方案二：利用凌陽 D/A轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)電壓數(shù)控輸出。當(dāng)在 D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入偏置端確定某一數(shù)字后， D/A 轉(zhuǎn)換器能把這一組數(shù)字量轉(zhuǎn)換成與此相當(dāng)?shù)哪骋缓愣妷褐递敵?，若輸入得?shù)字值改變，則輸出的電壓值也做相應(yīng)的變化。若輸入得數(shù)字值不變，則輸出就為一恒定的電壓值。由于我們采用凌陽單片機，其內(nèi)置的 10位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片精度高，轉(zhuǎn)換速度快，但是它不能實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，另外我們做的 AD為 16位，故而不能 A/D 轉(zhuǎn)換電路的分辨率進行精準(zhǔn)測試。 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計 競 賽 17 ? 方案三：。 采用頻壓轉(zhuǎn)換，利用 F/V 電路，通過調(diào)節(jié)頻率達到對電壓的調(diào)節(jié)。其積分輸入特性十分適合用于噪聲工作環(huán)境，精度高，線性度高，溫漂低，可以實現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，良好的穩(wěn)定性為我們實現(xiàn)對 16 位 AD轉(zhuǎn)換器的分辨率測試提供了可能。 經(jīng)過比較，方案三精度高、成本低且易于實現(xiàn)，故我們采用專用的壓頻頻壓轉(zhuǎn)換芯片 AD650 作為我們的信號源，頻壓轉(zhuǎn)換的輸入由凌陽 AD轉(zhuǎn)換讀出并實時顯示出來。 電氣隔離方案 ? 方案一：采用繼電器實現(xiàn)電氣隔離。 繼電器的線圈和觸點之間沒有電氣上的聯(lián)系。因此，可以利用繼電器的線圈接受電氣信號 ，而用觸點發(fā)送和輸出信號，從而避免強電和弱電信號之間的直接聯(lián)系，實現(xiàn)了抗干擾隔離。繼電器隔離一般用于一個系統(tǒng)的兩個單元的相互隔離。 ? 方案二：采用 光耦隔離 的方案。光耦隔離 就是采用光耦合器進行隔離 ,光耦合器的結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏 (