【文章內(nèi)容簡介】 簡稱A/D 轉(zhuǎn)換器） 。 A/D 轉(zhuǎn)換器原理CPSSADC取 樣 保 持 電 路ADC的量 化 編 碼 電 路... DDDn110Iv163。168。t163。169。vI163。168。t163。169。輸 入 模 擬 電 壓 取 樣 展 寬 信 號數(shù) 字 量 輸 出 （ n位 ）圖 26A/D 轉(zhuǎn)換原理圖在 A/D 轉(zhuǎn)換器中，因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)量，而輸出的數(shù)字信號代碼是離散量，所以進行轉(zhuǎn)換時必須在一系列選定的瞬間（亦即時間坐標軸上的一些規(guī)定點上）對輸入的模擬信號取樣，然后再把這些取樣值轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量。因此，一般的 A/D 轉(zhuǎn)換過程是通過取樣、保持、量化和編碼這四個步驟完成的。（一）取樣定理可以證明，為了正確無誤地用取樣信號 vS表示模擬信號 vI，必須滿足： max2iSf?式中 fS取樣頻率， fimax為輸入信號 vI的最高頻率分量的頻率。在滿足取樣定理的條件下，可以用一個低通濾波器將信號 vS還原為 vI，這個低通濾波器的電壓傳輸系數(shù) 在低于 fimax的范圍內(nèi)應保持不變，而在 fS－ fimax以)(fA前應迅速下降為零。因此，取樣定理規(guī)定了 A/D 轉(zhuǎn)換的頻率下限。tIvovoSt oA163。168。f163。169。fimaxf imaxffs圖 27 對輸入模擬信號的采樣 圖 28 所用濾波器的頻率特性因為每次把取樣電壓轉(zhuǎn)換為相應的數(shù)字量都需要一定的時間，所以在每次取樣以后，必須把取樣電壓保持一段時間?？梢?，進行 A/D 轉(zhuǎn)換時所用的輸入電壓，實際上是每次取樣結束時的 vI值。（二）量化和編碼我們知道，數(shù)字信號不僅在時間上是離散的，而且在數(shù)值上的變化也不是連續(xù)的。這就是說，任何一個數(shù)字量的大小，都是以某個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來表示的。因此，在用數(shù)字量表示取樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用 Δ 表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的 1 表示的數(shù)量大小，就等于 Δ。把量化的數(shù)值用二進制代碼表示，稱為編碼。這個二進制代碼就是 A/D 轉(zhuǎn)換的輸出信號。既然模擬電壓是連續(xù)的，那么它就不一定能被 Δ 整除，因而不可避免的會引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號劃分為不同的量化等級時，用不同的劃分方法可以得到不同的量化誤差。假定需要把 0～+1V 的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成 3 位二進制代碼，這時便可以取Δ=（1/8）V，并規(guī)定凡數(shù)值在 0～（1/8）V 之間的模擬電壓都當作 0Δ 看待，用二進制的 000 表示；凡數(shù)值在（1/8）V～（2/8）V 之間的模擬電壓都當作 1Δ 看待，用二進制的 001 表示，……等等。不難看出，最大的量化誤差可達 Δ，即（1/8）V。00000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81V 166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。01234567 ========(7/8)V6/85/84/83/82/81/801V13/1511/159/157/155/153/151/150166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。166。164。01234567 ========(14/15)V12/1510/158/156/154/152/150模 擬 電 平 二 進 制 代 碼 代 表 的 模 擬 電 平 模 擬 電 平 二 進 制 代 碼 代 表 的 模 擬 電 平163。168。a163。169。 163。168。b163。169。圖 29 劃分量化電平的兩種方法為了減少量化誤差，通常采用圖 29（b）所示的劃分方法，取量化單位Δ=（2/15）V，并將 000 代碼所對應的模擬電壓規(guī)定為 0～（1/15）V，即0～Δ/2。這時，最大量化誤差將減少為為 Δ/2=（1/15）V。這個道理不難理解，因為現(xiàn)在把每個二進制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對應的模擬電壓范圍的中點，所以最大的量化誤差自然就縮小為 Δ/2 了。（三） 取樣—保持電路1. 電路組成及工作原理N 溝道 MOS 管 T 作為取樣開關用。RRifIvLvTACh vo圖 210 取樣—保持電路的基本形式當控制信號 vL為高電平時，T 導通，輸入信號 vI經(jīng)電阻 Ri和 T 向電容 Ch充電。若取 Ri=Rf，則充電結束后 vO=－ vI=vC。當控制信號返回低電平，T 截止。由于 Ch無放電回路，所以 vO的數(shù)值被保存下來。 轉(zhuǎn)換精度精度的提高除了與測量傳感器有關系外，A/D轉(zhuǎn)換器件也是影響稱重儀表精度的一個重要的方面。選擇合適的、高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件將大幅度提高稱重儀表的性能和精度，減少占用硬件資源。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇主要取決于系統(tǒng)要求的精度，但整個系統(tǒng)最終達到的技術指標是由各個環(huán)節(jié)共同作用完成的。例如：一個智能檢測儀%，表面上看只要采用12位A/D轉(zhuǎn)換器件就可以達到這個指標，其實不然，如果傳感器的非線性、溫漂等指標達不到這個水平，或者抗干擾措施不利，那么整個系統(tǒng)的指標是根本不可能完成的，即使數(shù)字顯示出足夠多的位數(shù)，但它的低位數(shù)字跳躍不停，則輸出的高精度也是虛假的。%，而我們采用12位MAX187就是保留了一定的余地。MAXIM 推出的MAX187方便之處在于它包括了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所必須的所有部件—— 的A/D 轉(zhuǎn)換器(逐次比較式)、T/ H (采樣保持 )、 參考電壓源,以串行方式輸出；8 腳DIP封裝或16 腳SO 封裝,節(jié)約印刷板空間；177。1/2 LSB的誤碼率(MAX187A )；內(nèi)置采樣保持電路, 數(shù)據(jù)采樣速度為75kbps ；單+ 5V 電源供電，等待方式靜態(tài)工作電流2μA ,正；串行接口, 兼容SPI、QSPI、Microwave。幾乎不需任何外圍器件就能構成一個完整的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖211 MAX187引腳功能圖 關于顯示 顯示分類顯示分為CRT、LCD、LED等幾種顯示方式，早期的顯示器一般都是CRT顯示，它的全稱是Cathode Ray Tube，即陰極射線管陰極射線管主要有五部分組成:電子槍(Electron Gun)、偏轉(zhuǎn)線圈(Defiection coils)、蔭罩(Shadow mask)、熒光粉層(Phosphor)及玻璃外殼。它是目前應用最廣泛的顯示器之一，CRT純平顯示器具有可視角度大、無壞點、色彩還原度高、色度均勻、可調(diào)節(jié)的多分辨率模式、響應時間極短等LCD顯示器難以超過的優(yōu)點，而且現(xiàn)在的CRT顯示器價格要比LCD顯示器便宜不少。CRT(陰極射線管)顯示器的核心部件是CRT顯像管。經(jīng)典的CRT顯像管使用電子槍發(fā)射高速電子，經(jīng)過垂直和水平的偏轉(zhuǎn)線圈控制高速電子的偏轉(zhuǎn)角度，最后高速電子擊打屏幕上的磷光物質(zhì)使其發(fā)光，通過電壓來調(diào)節(jié)電子束的功率，就會在屏幕上形成明暗不同的光點形成各種圖案和文字。與CRT不同，LCD（英文全稱為Liquid Crystal Display）是一種采用了液晶控制透光度技術來實現(xiàn)色彩的顯示器。LCD顯示器還通過液晶控制透光度的技術原理讓底板整體發(fā)光，所以它做到了真正的完全平面。一些高檔的數(shù)字LCD顯示器采用了數(shù)字方式傳輸數(shù)據(jù)、顯示圖像，這樣就不會產(chǎn)生由于顯卡造成的色彩偏差或損失。LCD沒有輻射，即使長時間使用也不會對健康造成很大傷害。LED （LightEmitting Diode）顯示是基于發(fā)光二極管的顯示器，多數(shù)發(fā)光二極管按矩陣排列就可以組成大屏幕顯示器。它采用低電壓掃描驅(qū)動，具有如下優(yōu)點：耗電省使用壽命長成本低亮度高視角大可視距離遠規(guī)格品種多。目前LED顯示屏作為信息傳播的一種重要手段，已經(jīng)成為城市信息現(xiàn)代化建設的標志。 LED 在本設計中的應用結合本設計，由于 LED 耗電省、使用壽命長、成本低、亮度高等優(yōu)點，再加上驅(qū)動簡單，容易利用單片機對其進行控制和編程等特點，準備利用 4 個 8 段碼管實現(xiàn)數(shù)字化顯示。關于 8 段碼管，在下一章有詳細介紹。3　硬件設計 系統(tǒng)的結構及工作原理 系統(tǒng)的功能及結構（一）系統(tǒng)具備的功能該系統(tǒng)采用單片機作為主控制系統(tǒng)，主要目的在于稱重之后的數(shù)字化顯示和實現(xiàn)精確的測量，故系統(tǒng)應該具有單片機工作所需的穩(wěn)定的+5V直流電源，又考慮到數(shù)字化顯示所用到的數(shù)碼管中會出現(xiàn)某段被損壞而不被點亮的情況，系統(tǒng)應該具有開機自檢功能，就是開機后自動逐個掃描每一個晶體管，用來檢查數(shù)碼管各段是否完好，可以依靠軟件編程實現(xiàn)。除此之外還有超重報警功能，防止超重物對傳感器件造成損壞。圖31 操作和顯示面板（二）單片機控制系統(tǒng)結構框圖測量放大模塊A/D 模塊 顯示模塊控制模塊聲光報警報警指示燈電源指示燈稱重結果顯示Щｂｂｂ報警音響開/關圖 32 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)的工作原理該系統(tǒng)主要由5大模塊構成，測量放大模塊、A/D模塊、控制模塊、顯示模塊、報警模塊。直接與稱重對象接觸的是稱重傳感器，本設計采用的是濟南金鐘電子衡器股份有限公司生產(chǎn)的LPSII10型壓力傳感器，為雙孔懸臂梁形式，是電子秤的專用產(chǎn)品。再加上信號調(diào)節(jié)放大電路，所有這些電路及其外圍結構統(tǒng)一構成了測量放大模塊。 稱重的模擬信號經(jīng)放大后送進A/D轉(zhuǎn)換器，把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號供給單片機，所用的A/D轉(zhuǎn)換器為美信公司生產(chǎn)的12位串行A/D轉(zhuǎn)換器MAX187。MAX187 采用逐次比較法實現(xiàn)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換, 模擬輸入經(jīng)采樣/保持 (T/H電路、內(nèi)部DAC、比較器、逐次比較寄存器SAR ) ,將模擬量輸入變成12位數(shù)據(jù)輸出,整個轉(zhuǎn)換過程僅10μs (包括T/H 采樣時間 )。12位數(shù)據(jù)經(jīng)移位寄存器由DOUT 引腳串行輸出(由CS、SCLK控制)。內(nèi)置T/H電路無需保持電容就能工作。信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換以后，送由單片機進行處理，單片機及其外圍電路構成控制模塊，它把所感知的二進制信號轉(zhuǎn)換成十進制，并送進顯示模塊式顯示出來。此外，當單片機感知測量對象超出系統(tǒng)測量范圍時，單片機會向報警模塊發(fā)出指令，啟動聲光報警裝置，設計中為了安全期間，留有較大的過負載能力，因此系統(tǒng)報警時的負載并不會對測量器件造成損壞。　所用單片機簡介AT89C51 是一種低功耗，高性能的片內(nèi)含有 4KB 快閃可編程/擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 COMS 微控制器，使用高密度，非易失存儲技術制造，并且與 80C51 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線編程或采用通用的非易失存儲編程器對存儲器重復編程。AT89C51（以下簡稱 89C51）將具有多種功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結合在一個芯片上，為很多嵌入式控制應用提供了非常靈活而又便宜的方案，其性能價格比遠高于 8751。由于片內(nèi)帶 EPROM 的 87C51 價格偏高，而片內(nèi)帶 FPEROM 的 89C51 價格低且與 80C51 兼容，這就顯示出了 89C51 的優(yōu)越性。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。　電源設計本時鐘電源采用整流濾波電路和三端穩(wěn)壓電路 LM7805CT。LM7805CT 芯片輸入端電壓約為 ,輸出端電壓為 5V。輸入端和輸出端的壓差應大于 ,否則會失去穩(wěn)壓能力。同時考慮到功耗問題,此壓差又不易太大,太大則增加 7805 本身的功率消耗,增加芯片的升溫,不利于安全。根據(jù)變壓器副邊電壓與經(jīng)過濾波后輸出電壓關系可知,副邊電壓約為 9V,據(jù)此確定變壓器原副邊匝數(shù)比這樣即可得到系統(tǒng)所需要的+5V 電源。圖33 電源設計圖 稱重傳感器電路設計圖34 稱重傳感器與放大器的連接傳感器的輸出電壓信號在0～20mv左右，因此放大器的放大倍數(shù)在20