【文章內(nèi)容簡介】 過光電耦合器直接同單片機相連。74LS161具有數(shù)據(jù)保持功能，計數(shù)結(jié)束后，單片機接收到AD轉(zhuǎn)換結(jié)束的信號，便直接從計數(shù)器端讀取數(shù)據(jù)。由于計數(shù)器在其計數(shù)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(jīng)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(shù)據(jù)時的數(shù)據(jù)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(shù)器的計數(shù)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(shù)結(jié)束后，單片機發(fā)出一控制信號使能鎖存器鎖存信號并由單片機讀入進(jìn)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(shè)計方案論證該部分包括AD轉(zhuǎn)換控制接口，人機對話界面接口兩個部分。其中AD轉(zhuǎn)換控制接口可以通過相應(yīng)的程序代碼實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的連續(xù)進(jìn)行和特殊功能選擇；人機對話界面接口包括鍵盤，顯示等部分，可以完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示，AD轉(zhuǎn)換的功能設(shè)置等。其方案論證如下。 單片機選型方案方案一：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51系列單片機RAM，ROM等資源少，中斷系統(tǒng)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(tǒng)單片機慢。方案二：采用PIC18F4620單片機。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，看門狗電路，倍頻電路等豐富的外圍模塊；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(tǒng)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強、開發(fā)靈活等特點，內(nèi)嵌32k字閃存FLASH，處理速度高，適用于快速數(shù)據(jù)處理和數(shù)字語音等應(yīng)用領(lǐng)域；也可以方便得進(jìn)行外圍設(shè)備的擴展。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖11所示。由于本系統(tǒng)需要較一定的數(shù)據(jù)運算與處理，可用C語言比較容易的進(jìn)行編程以完成相應(yīng)功能。圖 11 SPCE061A內(nèi)核結(jié)構(gòu)框圖比較上述方案，選擇方案三。 AD轉(zhuǎn)換控制接口AD轉(zhuǎn)換電路中，需要單片機輔助控制來完成轉(zhuǎn)換，控制內(nèi)容主要有555定時器的定時脈沖輸出信號，作為AD轉(zhuǎn)換完成的標(biāo)志EOC；積分與比較電路中失調(diào)電壓的初始化調(diào)整，計數(shù)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(shè)計部分），作為AD轉(zhuǎn)換器的啟動信號START；以及鎖存器鎖存控制信號，作為AD轉(zhuǎn)換器的輸出使能信號OE。方案一：將控制線經(jīng)過一定的邏輯，直接將單片機與AD轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路與測量顯示部分實現(xiàn)電氣隔離，因此該方案不能滿足題目要求。方案二：控制線經(jīng)過光電耦合器接入單片機，以實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換電路與測量顯示部分的電氣隔離，這樣可以避免單片機測量顯示部分與AD轉(zhuǎn)換電路共地的相互影響，能達(dá)到題目要求。根據(jù)以上論證，選擇方案二以達(dá)到發(fā)揮部分的相應(yīng)要求。 鍵盤模塊分析題目要求，選擇44鍵盤，以便于將來系統(tǒng)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(shè)計簡單，硬件接口方便，但由于矩陣式鍵盤進(jìn)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(xiàn)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(tài)顯示，可以節(jié)省CPU處理鍵盤和顯示器的時間，提高CPU的工作效率。但8279是總線型鍵盤和數(shù)碼管顯示器管理芯片，對于61單片機來說編程比較復(fù)雜，而且為并行工作方式，占用相當(dāng)多的I/O口，外圍電路也相對復(fù)雜，不利于單片機其他功能的擴展。方案三：利用數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤控制芯片CH451管理鍵盤電路。CH451是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制以及μP監(jiān)控的多功能外圍芯片，其內(nèi)置64 鍵鍵盤控制器，按鍵狀態(tài)輸入的下拉電阻和去抖動電路，并提供按鍵釋放標(biāo)志位，可供查詢按鍵按下與釋放。CH451同單片機進(jìn)行串行通信，只占用較少的I/O口，節(jié)省資源。雖然編程相對復(fù)雜，但讀取精確，方便控制?；谝陨险撟C，采用方案三接入鍵盤模塊。 顯示模塊方案一：利用LED數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。這種方法在軟硬件設(shè)計上比較容易實現(xiàn)，顯示直觀，并且可以降低設(shè)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(shù)據(jù)信息辨認(rèn)比較困難，不利于人機對話的順利進(jìn)行。方案二：使用并行LCD點陣液晶顯示。LCD可顯示中文，顯示數(shù)據(jù)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(tǒng)操作控制。在本系統(tǒng)中，需要對一段時間內(nèi)AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)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(jié)省了單片機資源，可以方便得再進(jìn)行系統(tǒng)功能的擴展，但同時也提高了編程難度?？紤]到AD轉(zhuǎn)換并行數(shù)據(jù)輸出需占用16個單片機I/O口，故需要減少對其他外設(shè)I/O口的分配數(shù)量。雖然軟件編寫難度較大，但從系統(tǒng)設(shè)計的角度出發(fā)，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(zhuǎn)換結(jié)果。 系統(tǒng)方案設(shè)計 總體設(shè)計思路該高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路采取雙積分型轉(zhuǎn)換方式，通過信號產(chǎn)生，信號處理，采樣保持，積分和比較，計數(shù)與定時，最后送入單片機完成轉(zhuǎn)換結(jié)果的顯示，同時，通過單片機也可以實現(xiàn)對A/D轉(zhuǎn)換電路的控制。該系統(tǒng)的核心AD轉(zhuǎn)換模塊的數(shù)據(jù)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(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出端；控制接口有AD轉(zhuǎn)換啟動控制端START，轉(zhuǎn)換結(jié)束指示端EOC，輸出允許端OE。系統(tǒng)原理框圖如圖12所示。圖 12 高分辨率A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計原理框圖 設(shè)計方案選擇各個模塊最終設(shè)計方案如下：系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源使用三端集成穩(wěn)壓器78XX系列作穩(wěn)壓器件組成穩(wěn)壓電路；精密基準(zhǔn)電壓源使用基準(zhǔn)電壓源模擬集成芯片AD588；模擬可調(diào)電壓源采用鏡像恒流源串入電阻分壓方案；信號調(diào)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(shù)器模塊使用4片74LS161級聯(lián)成為16位計數(shù)器；積分電路模塊使用精密運放AD620接電容負(fù)反饋構(gòu)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(shù)字信號處理與輸出模塊采用光電耦合器TLP5214實現(xiàn)電氣隔離功能以及鎖存器74LS373實現(xiàn)數(shù)據(jù)鎖存；單片機選用凌陽16位單片機SPCE061A；AD轉(zhuǎn)換控制接口使用光電耦合器P521實現(xiàn)單片機與AD轉(zhuǎn)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(shè)計 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源電源電路采用自制的+5V，177。12V，177。15V五路輸出電源，以滿足數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)的供電需要。220V交流電通過變壓器降壓后，進(jìn)行整流，濾波，穩(wěn)壓而輸出相應(yīng)電壓值。電路原理圖如圖13所示。圖 13 系統(tǒng)電路供電穩(wěn)壓源該電源電路采用三段固定穩(wěn)壓器78和79系列，電壓輸出穩(wěn)定，內(nèi)部設(shè)計了減流式保護電路和過熱保護電路，能保證其工作的穩(wěn)定性。穩(wěn)壓器前后級并聯(lián)電阻可以用來實現(xiàn)頻率補償，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，最后一級并聯(lián)入電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。 精密基準(zhǔn)電壓源該電路使用基準(zhǔn)電壓源芯片AD584構(gòu)成輸出基準(zhǔn)電壓為10V的基準(zhǔn)電壓源。電路原理圖如圖14所示。圖 14 基準(zhǔn)電壓源電路 模擬可調(diào)電壓源模擬可調(diào)電壓源由基本的鏡像電流源經(jīng)改進(jìn)設(shè)計而成，經(jīng)過各個元器件的精心選擇，調(diào)選性能穩(wěn)定，符合系統(tǒng)要求的元器件進(jìn)行組裝焊接。其電路原理圖如圖15所示。圖 15 鏡像電流源原理基本恒流源電路如圖16所示。圖 16 基本恒流源電路設(shè)三極管基射極電壓為UBE，輸出電流為IC1，基準(zhǔn)電流為IR，則有 （）此時，RC兩端輸出電壓Uo為 （）若三極管的發(fā)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 （）又根據(jù)晶體管發(fā)射結(jié)電壓與發(fā)射極電流的近似關(guān)系可得 （）由近似關(guān)系 （）從而有 （）本電路要求輸出0~100mV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 17 微電流源電路依近似關(guān)系（）和（）式，得到Q1管集電極電流 （）從（）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(jù)（）得到 （）從而可根據(jù)電路相關(guān)參數(shù)得到IC1的值，進(jìn)而選擇相應(yīng)的串接分壓電阻。本電路中，R取15KΩ，Re取275Ω，可得到IC1的取值100μA；再在Q1管集電極串聯(lián)一阻值為1 KΩ的可調(diào)電阻器，便能在其兩端輸出0~100mV電壓信號。 信號調(diào)理與采樣保持電路信號調(diào)理與采樣保持電路的調(diào)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(zhuǎn)換電路的模擬電壓輸入信號Vx。該電路原理如圖18所示。圖 18 信號調(diào)理與采樣保持電路 積分與比較電路積分電路由精密運放AD620和電容C1構(gòu)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 19 積分與比較電路由于比較器存在輸入失調(diào)電壓，該電路中添加了自動補償失調(diào)電路，主要由補償電容和光電耦合開關(guān)UU5組成。在AD轉(zhuǎn)換開始以前，U4和U5均導(dǎo)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(shè)其失調(diào)電壓為，C2兩端電壓為V2，有如下關(guān)系，即 （）對比較器U2，設(shè)其失調(diào)電壓為，C1兩端電壓為V1，有類似關(guān)系，即 （）可以看出，比較器的輸入失調(diào)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(diào)電壓極性相反，數(shù)值相同的電壓對進(jìn)行充電。當(dāng)U4和U5斷開時，開始進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，此時輸入電壓的積分是在運放輸入失調(diào)電壓基礎(chǔ)上進(jìn)行的，而且由于在補償電容上已保持與失調(diào)電壓極性相反的電壓，所以在進(jìn)行積分時能夠被自動消除。需指出的是，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(zhuǎn)換結(jié)束前發(fā)生較大的改變。 時鐘信號產(chǎn)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 20 時鐘信號產(chǎn)生電路在該電路中，與非門U1A和U1B可構(gòu)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(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)，只有頻率為晶體串聯(lián)諧振頻率fo的信號才能產(chǎn)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