【文章內(nèi)容簡介】 計(jì)數(shù)結(jié)果與 RC 無關(guān)，所以，該電路對(duì) 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(shí)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(chǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的。其原理是首先將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成頻率，然后用計(jì)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(shí)間能夠滿足輸出頻率分辨率要求的累積脈沖個(gè)數(shù)的寬度。其優(yōu)點(diǎn)是分辯率高、功耗低、價(jià)格低，但是需要外部計(jì)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。 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 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(jìn)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(gè) n 位的二進(jìn)制數(shù)，它可以按二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)的通式展開為 （3）012n1nn 22??????? dddD??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( ) （4）012n1?????式中的 K 為轉(zhuǎn)換系數(shù)。其轉(zhuǎn)換過程是把輸入的二進(jìn)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(yùn)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(shí)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(gè)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。 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∑I i 模擬電壓輸出D0 D1 D2 Dn.... 圖 6 D/A 轉(zhuǎn)換器原理圖 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 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(shí)的選通某個(gè)來自多個(gè)輸入通道的信號(hào)。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(duì)應(yīng)的模擬電壓。? 方案一：采用機(jī)電開關(guān)，如干簧繼電器，濕式水銀繼電器等。機(jī)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(shí)接觸電阻小，而斷開接點(diǎn)時(shí)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(shì)。? 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(hào)或模擬信號(hào)的開關(guān)。半導(dǎo)體多路開關(guān)的特點(diǎn)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(shí)間在 1μs 左右，有些產(chǎn)品已達(dá)到幾十到幾百納秒? 壽命長，無機(jī)械磨損? 接通電阻低，一般小于幾百歐，有的可達(dá)幾歐? 短開電阻高，通常達(dá) 109歐以上因?yàn)榘雽?dǎo)體集成電路多路開關(guān)具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，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(jìn)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(gè)模擬開關(guān)和 1 個(gè)求和放大器組成。 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 14ARFUod1S1dn12S212nR1R0001n? (/2)I ?In?iREFV圖 7 權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò) DA 轉(zhuǎn)換器其輸出電壓為 2)(6 )2(012n1nREFo ddVU??????? (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(shí)（兩個(gè)電阻阻值比率超過 20：1 時(shí)，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(jìn)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 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 15 當(dāng) d2=1 時(shí) S21接通而 S20斷開；當(dāng) d 2=0 時(shí) 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(duì)于輸入為 n 位二進(jìn)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(duì)開關(guān)的導(dǎo)通內(nèi)阻要求不高。但是轉(zhuǎn)換位數(shù)增加時(shí)，電阻開關(guān)器件的數(shù)量呈2n增加，不利于實(shí)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(yùn)放反相端時(shí)不存在傳輸時(shí)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(yùn)用使其具有精度高、轉(zhuǎn)換快的優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(jì)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(shí)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(jī)電開關(guān)集成芯片 4053R2RT 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 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 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(shí)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(jìn)行功能擴(kuò)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(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求也不高。因此我們放棄了這個(gè)方案。? 方案 2： 采用 MCS—51 系列單片機(jī)。51 系列單片機(jī)價(jià)格便宜，使用簡單，開發(fā)軟件以及硬件調(diào)試器型號(hào)眾多，應(yīng)用廣泛而普遍。但是 51 系列單片機(jī) RAM,ROM 等資源少，外圍模塊少，指令周期長，運(yùn)算速度較其他 RISC 指令系統(tǒng)單片機(jī)慢。經(jīng)實(shí)踐證明，不能達(dá)到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。? 方案 3：采用凌陽公司的 SPCE061A 單片機(jī)作為控制器。它是 16 位微處理器，具有體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，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(bào)和識(shí)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(hào)源模塊產(chǎn)生一個(gè) 0100mv 連續(xù)可調(diào)的模擬電壓信號(hào)作為該系統(tǒng)得被測(cè)信號(hào)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(shí)現(xiàn)，但用其產(chǎn)生一個(gè)峰值 100mv 的電壓時(shí)精度偏低，且所測(cè)電壓不易實(shí)時(shí)檢測(cè)，故不采用此種方案。? 方案二：利用凌陽 D/A 轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)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(jī)，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(shí)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(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)試。 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 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(dá)到對(duì)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(shí)現(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)，良好的穩(wěn)定性為我們實(shí)現(xiàn)對(duì) 16 位 AD 轉(zhuǎn)換器的分辨率測(cè)試提供了可能。 經(jīng)過比較，方案三精度高、成本低且易于實(shí)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(hào)源，頻壓轉(zhuǎn)換的輸入由凌陽 AD 轉(zhuǎn)換讀出并實(shí)時(shí)顯示出來。 電氣隔離方案? 方案一：采用繼電器實(shí)現(xiàn)電氣隔離。繼電器的線圈和觸點(diǎn)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(hào)，而用觸點(diǎn)發(fā)送和輸出信號(hào)，從而避免強(qiáng)電和弱電信號(hào)之間的直接聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了抗干擾隔離。繼電器隔離一般用于一個(gè)系統(tǒng)的兩個(gè)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(jìn)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(三極)管封裝在一起。發(fā)光二極管把輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)傳給光敏管轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，由于沒有直接的電氣連接，這樣既耦合傳輸了信號(hào)，又有隔離作用。只要光耦合器質(zhì)量好，電路參數(shù)設(shè)計(jì)合理，一般故障少見。如果系統(tǒng)中出現(xiàn)異常，使輸入、輸出兩側(cè)的電位差超過光耦合器所能承受的電壓，就會(huì)使之被擊穿損壞。光電耦合適合一些電子控制器件和強(qiáng)電的隔離體積小，比如 plc 的 i/o 都是光電隔離的。 比較以上兩種方案，光電耦合抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高，實(shí)現(xiàn)比較容易，故我們采用第二種方案，即采用光電耦合實(shí)現(xiàn)電氣隔離。 鍵盤顯示模塊? 鍵盤顯示接口電路芯片? 方案一：鍵盤顯示電路可采用 INTEL 公司生產(chǎn)的通用可編程鍵盤和顯示器的接口電路芯片 8279。8279 可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和顯示器的自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合 2022 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學(xué) 生 電 子 設(shè) 計(jì) 競(jìng) 賽 18鍵的鍵號(hào)，完成顯示器動(dòng)態(tài)顯示，可以節(jié)省 CPU 處理鍵盤和顯示器的時(shí)間提高 CPU 的工作效率。另外 8279 與單片機(jī)的接口簡單，現(xiàn)實(shí)穩(wěn)定，工作可靠。但 8279 所需外圍元件多（顯示驅(qū)動(dòng)、譯碼等） 、占用電路板面積大、綜合成本高，在中小系統(tǒng)中常常小材大用。? 方案二：采用通用并行 I/O 芯片擴(kuò)展（如用 8155 等） ，但此方案同樣需要驅(qū)動(dòng)顯示，同時(shí)鍵盤顯示掃描還需占用 CPU 大量時(shí)間? 方案三：采用串行接口的鍵盤顯示專用芯片，如BC7280/8HD727CH451 等。這類芯片占用 CPU 的資源少，傳輸速度較快，外圍器件要求也較少，在中小系統(tǒng)中都可得到廣泛的應(yīng)用。人機(jī)界面中若鍵盤顯示占用了系統(tǒng)太多資源，會(huì)因?yàn)橘Y源不足而不得不大量擴(kuò)展接口芯片以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的需要從而造成系統(tǒng)龐大，同時(shí)降低了系統(tǒng)的可靠性。故比較后我們采用方案三，采用 CH451 作為鍵盤芯片? 顯示部分? 方案一：使用液晶顯示屏 OCMJ12232 4*8 顯示。液晶顯示屏（LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積及顯示信息量大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，調(diào)用方便簡單，而且可以節(jié)省了軟件中斷資源，其功能是強(qiáng)大的，可以保證良好的用戶模式。但 LCD 采用并行，占用的 I/O 口資源較多，控制也較復(fù)雜。? 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管低能耗、壽命長、耐老化，對(duì)外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)，同時(shí)其精度比較高操作簡單。LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，價(jià)格低廉，可以用靜態(tài)顯示或動(dòng)態(tài)顯示，在該系統(tǒng)中通過 CH451 節(jié)省了LED 對(duì) IO 口的占用。采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，但 LED 顯示單一，不能實(shí)現(xiàn)大信息量的顯示。LED、LCD 都有其優(yōu)缺點(diǎn)，通過比較，在信號(hào)源輸入端