【文章內(nèi)容簡介】 體為LED顯示值=衰減倍數(shù)衰減后的電壓量。所以在實現(xiàn)過程中，需要首先判斷輸入電壓量與5V的大小，： 量程自動轉(zhuǎn)換功能的實現(xiàn)方案3量程自動轉(zhuǎn)換數(shù)字萬用表的硬件電路設(shè)計 A/D轉(zhuǎn)換電路 隨著數(shù)字技術(shù)，特別是信息技術(shù)的飛速發(fā)展與普及，在現(xiàn)代控制、通信及檢測等領(lǐng)域，為了提高系統(tǒng)的性能指標(biāo)，對信號的處理廣泛采用了數(shù)字計算機(jī)技術(shù)。由于系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量(如溫度、壓力、位移、圖像等),要使計算機(jī)或數(shù)字儀表能識別，處理這些信號，必須首先將這些模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度對測量電路極其重要，它的參數(shù)關(guān)系到測量電路性能。所以我依據(jù)設(shè)計性能指標(biāo)要求，并綜合A/D轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)和價格選擇了TLC1543。TLC1543是美國TI公司生產(chǎn)的多通道、低價格的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。采用串行通信接口，具有輸入通道多、性價比高、易于和單片機(jī)接口的特點，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。TLC1543為20腳DIP封裝的CMOS 10位開關(guān)電容逐次A/D逼近模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中A0～A10（1～112腳）為11個模擬輸入端，REF+（14腳，通常為VCC）和REF（13腳，通常為地）為基準(zhǔn)電壓正負(fù)端，CS（15腳）為片選端，在CS端的一個下降沿變化將復(fù)位內(nèi)部計數(shù)器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK（18腳）和DATA OUT（16腳）。ADDRESS（17腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，是一個4位的串行地址用來選擇下一個即將被轉(zhuǎn)換的模擬輸入或測試電壓。DATA OUT為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束3態(tài)串行輸出端，它與微處理器或外圍的串行口通信，可對數(shù)據(jù)長度和格式靈活編程。I/O CLOCK為數(shù)據(jù)輸入/輸出提供同步時鐘，系統(tǒng)時鐘由片內(nèi)產(chǎn)生。芯片內(nèi)部有一個14通道多路選擇器，可選擇11個模擬輸入通道或3個內(nèi)部自測電壓中的任意一個進(jìn)行測試。片內(nèi)設(shè)有采樣保持電路，在轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC（19腳）輸出端變高表明轉(zhuǎn)換完成。內(nèi)部轉(zhuǎn)換器具有高速（10μS轉(zhuǎn)換時間），高精度（10位分辨率，最大177。1LSB不可調(diào)整誤差）和低噪聲的特點。A/D轉(zhuǎn)換器的精度為Vref/（）（參考電壓默認(rèn)為5V） 單片機(jī)控制與顯示電路AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器 A/D轉(zhuǎn)換電路可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51單片機(jī)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。主要特性：與MCS51兼容、4K字節(jié)可編程FLASH存儲器、壽命：1000寫/擦循環(huán)、數(shù)據(jù)保留時間：10年、全靜態(tài)工作：0Hz24MHz、三級程序存儲器鎖定、1288位內(nèi)部RAM、32可編程I/O線、兩個16位定時器/計數(shù)器、5個中斷源、可編程串行通道、低功耗的閑置和掉電模式、片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 對51單片機(jī)來說，最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：單片機(jī)、時鐘電路、復(fù)位電路、輸入/輸出設(shè)備。 單片機(jī)最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 51系列單片機(jī)最小系統(tǒng)⑴時鐘電路在設(shè)計時鐘電路之前，讓我們先了解下51單片機(jī)上的時鐘管腳：XTAL1（19腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端。XTAL2（18腳）：芯片內(nèi)部振蕩電路輸出端。XTAL1和XTAL2是獨立的輸入和輸出反相放大器，它們可以被配置為使用石英晶振的片內(nèi)振蕩器，或者是器件直接由外部時鐘驅(qū)動。圖2中采用的是內(nèi)時鐘模式，即采用利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTALXTAL2的引腳上外接定時元件（一個石英晶體和兩個電容），內(nèi)部振蕩器便能產(chǎn)生自激振蕩?！?2MHz之間任選，甚至可以達(dá)到24MHz或者更高，但是頻率越高功耗也就越大。和晶振并聯(lián)的兩個電容的大小對振蕩頻率有微小影響，可以起到頻率微調(diào)作用。當(dāng)采用石英晶振時，電容可以在20～40pF之間選擇（本實驗套件使用30pF）；當(dāng)采用陶瓷諧振器件時，電容要適當(dāng)?shù)卦龃笠恍?，?0～50pF之間。通常選取33pF的陶瓷電容就可以了。⑵復(fù)位電路在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是非常關(guān)鍵的，當(dāng)程序跑飛（運行不正常）或死機(jī)（停止運行）時，就需要進(jìn)行復(fù)位。MCS5l系列單片機(jī)的復(fù)位引腳RST（第9管腳）出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RST持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電自動復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。圖2中所示的復(fù)位電路就包括了這兩種復(fù)位方式。上電瞬間，電容兩端電壓不能突變，此時電容的負(fù)極和RESET相連，電壓全部加在了電阻上，RESET的輸入為高，芯片被復(fù)位。隨之+5V電源給電容充電，電阻上的電壓逐漸減小，最后約等于0，芯片正常工作。并聯(lián)在電容的兩端為復(fù)位按鍵，當(dāng)復(fù)位按鍵沒有被按下的時候電路實現(xiàn)上電復(fù)位，在芯片正常工作后，通過按下按鍵使RST管腳出現(xiàn)高電平達(dá)到手動復(fù)位的效果。一般來說，只要RST管腳上保持10ms以上的高電平，就能使單片機(jī)有效的復(fù)位。圖中所示的復(fù)位電阻和電容為經(jīng)典值，實際制作是可以用同一數(shù)量級的電阻和電容代替，讀者也可自行計算RC充電時間或在工作環(huán)境實際測量，以確保單片機(jī)的復(fù)位電路可靠。⑶EA/VPP（31腳）的功能和接法 51單片機(jī)的EA/VPP（31腳）是內(nèi)部和外部程序存儲器的選擇管腳。當(dāng)EA保持高電平時，單片機(jī)訪問內(nèi)部程序存儲器；當(dāng)EA保持低電平時，則不管是否有內(nèi)部程序存儲器，只訪問外部存儲器。 對于現(xiàn)今的絕大部分單片機(jī)來說，其內(nèi)部的程序存儲器容量都很大，因此基本上不需要外接程序存儲器，而是直接使用內(nèi)部的存儲器。⑷P0口外接上拉電阻51單片機(jī)的P0端口為開漏輸出，內(nèi)部無上拉電阻。所以在當(dāng)做普通I/O輸出數(shù)據(jù)時，輸出級是漏極開路電路，要使“1”信號（即高電平）正常輸出，必須外接上拉電阻。 LED顯示電路設(shè)計 LED顯示電路設(shè)計圖 因為顯示部分只是用于顯示數(shù)字，所以可以選用LED數(shù)碼管，在顯示數(shù)字方面完全可以滿足本設(shè)計的要求。 量程自動轉(zhuǎn)換模塊電路⑴ PGA的定義 隨著計算機(jī)的應(yīng)用，為了減少硬件設(shè)備，可以使用可編程增益放大器PGA(Pmgrammable Gain Amplifier)。它是一種通用性很強(qiáng)的放大器，其放大倍數(shù)可以根據(jù)需要用程序進(jìn)行控制。采用這種放大器，可通過程序調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，使A/D轉(zhuǎn)換器滿量程信號達(dá)到均一化，因而大大提高測量精度。所謂量程自動轉(zhuǎn)換就是根據(jù)需要對所處理的信號利用可編程增益放大器進(jìn)行倍數(shù)的自動調(diào)節(jié)，以滿足后續(xù)電路和系統(tǒng)的要求?？删幊淘鲆娣糯笃饔袃煞N——組合PGA和集成PGA。①組合PGA：一般由運算放大器、儀器放大器或隔離型放電器再加上一些其他附加電路組成。其工作原理是通過程序調(diào)整多路轉(zhuǎn)換開關(guān)接通的反饋電阻的數(shù)值，從而調(diào)整放大器的放大倍數(shù)。常用的儀用測量放大器采用兩級放大電路，第一級采用同向并聯(lián)差動放大器，第二級加了一級基本差動放大器，從而構(gòu)成儀用放大器。改電路的最大優(yōu)點是輸入阻抗高，共模抑制能力強(qiáng)，增益調(diào)節(jié)方便，并由于結(jié)構(gòu)對稱，矢調(diào)電壓及溫度漂移小，故在傳感器微弱信號放大系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。②集成PGA：專門設(shè)計的可編程增益放大器電路即集成PGA。集成PGA電路的種類很多，如美國微芯Microchip公司生產(chǎn)的MCP6S2MCP6S2MCP6S2MCP6S28系列，美國模擬儀器公司Analog Devices生產(chǎn)的AD8321等，都屬于可編程增益放大器。下面是以MCP6S系列PGA為例說明這種電路的原理及應(yīng)用，其他于此類似。MCP6S系列時一種單端、可級聯(lián)、增益可編程放大器，MCP6S2MCP6S2MCP6S2MCP6S28分別是1路、2路、6路、8路可編程增益放大器，其主要特點如下：　　8種可編程增益選擇：+++++++16或+32?！　PI串行編程接口。　　級聯(lián)輸入和輸出?！　〉驮鲆嬲`差，最大正負(fù)百分之一?！　〉推?，最大正負(fù)275uv。低電源電流，典型值為1mA。單電源供電，～。 綜上所述，本設(shè)計采用組合PGA，因為集成PGA不能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)的增益變化。⑵ 組合PGA的設(shè)計 本設(shè)計采用數(shù)字電位器實現(xiàn)增益可連續(xù)變化的PGA,數(shù)字電位器是一種單片集成電路，、模擬開關(guān)、譯碼電路、非易失性數(shù)據(jù)寄存器、接口電路等組成。?本設(shè)計采用數(shù)字電位計MCP41010，其特性為： ?每個電位器有256個抽頭 ?電位器阻值可以是10k?、50k?和100k? ?有單電位器和雙電位器兩種形式 ?SPI串行接口（模式0,0和1,1） ?最大INL和DNL誤差為177。1LSB 數(shù)字電位器結(jié)構(gòu)示意圖 ?采用低功耗CMOS技術(shù) ?靜態(tài)工作電流最大值為1181。A ?多個器件可以通過菊花鏈連接在一起（僅MCP42XXX） ?關(guān)斷功能可斷開所有電阻電路，最大限度節(jié)省功耗 ?有硬件關(guān)斷引腳（僅MCP42XXX） ?單電源工作（ ） ?工業(yè)級溫度范圍：40176。C至+85176。C ?擴(kuò)展級溫度范圍：40176。C至+125176。C?引腳說明 ?PA0和PA1 電位器A端接頭。 ?PB0和PB1 電位器B端接頭。 ?PW0和PW1 電位器抽頭接頭。 ?片選（CS） 這是SPI端口片選引腳，在新命令裝入移位寄存器后，引腳執(zhí)行該命令。該引腳上有一個施密特觸發(fā)器輸入。 ?串行時鐘（SCK） 這是SPI端口的時鐘引腳，用于在向寄存器移入新數(shù)據(jù)時提供時鐘。數(shù)據(jù)在時鐘上升沿送入SI引腳，而在時鐘下降沿移出SO引腳。該引腳的門控信號來自CS引腳（即在CS為高電平時，即便SCK引腳上有時鐘信號，器件也不會汲取任何電流）。該引腳上有一個施密特觸發(fā)器輸入。 ?串行數(shù)據(jù)輸入（SI） 這是SPI端口的串行數(shù)據(jù)輸入引腳。使用該引腳將命令和數(shù)據(jù)字節(jié)送入移位寄存器。該引腳的門控信號來自CS引腳（即在CS為高電平時，即便SI引腳上有時鐘信號，器件也不會汲取任何電流）。該引腳上有一個施密特觸發(fā)器輸入。 ?串行數(shù)據(jù)輸出（SO）（僅MCP42XXX器件） 這是SPI端口的串行數(shù)據(jù)輸出引腳，用于將多個器件用菊花鏈連接起來。數(shù)據(jù)在時鐘下降沿移出SO引腳。這是一種推挽式輸出，在CS為高電平時不會進(jìn)入高阻態(tài)，而是被驅(qū)動為邏輯低電平。 ?復(fù)位（RS）（僅MCP42XXX器件） 如果復(fù)位引腳保持低電平至少150ns，它就會將所有電位器的抽頭置于半量程（編碼80h）位置。當(dāng)CS引腳為低電平時，該引腳不應(yīng)翻轉(zhuǎn)為低電平。當(dāng)SHDN為低電平時，該引腳可以翻轉(zhuǎn)。為了使功耗最小，在該引腳配備了一個有效的上拉電路。當(dāng)該引腳處于邏輯電平“0”和“1”時，引腳電流可以忽略不計。不得將該引腳懸空。 MCP41010芯片引腳圖?MCP41010的典型應(yīng)用 MCP41010的典型應(yīng)用數(shù)量關(guān)系： （）其中： （=電位器總電阻值） =抽頭設(shè)置為=0至255所以放大倍數(shù)為。 （）⑶ PGA設(shè)計最終方案 在這里我們用數(shù)字電位器代替反相放大器的輸入電阻或反饋電阻來實現(xiàn)PGA，當(dāng)選用滑動觸