【文章內(nèi)容簡介】 晶顯示 一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示是人機(jī)通道的重要組成部分。顯示器是計(jì)算機(jī)用來顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果的必要設(shè)備。目前廣泛使用的顯示器件主要有 LED數(shù)碼管、LCD 液晶。 LED 數(shù)碼管 其特點(diǎn)是工作電壓低，清晰悅目，體積小，壽命長，工作可靠，顏色豐富，響應(yīng)速度快等，但其只能顯示阿拉伯?dāng)?shù)字和少量字符，不能完成本系統(tǒng)顯示要求。同時(shí)數(shù)碼管需要?jiǎng)討B(tài)掃描，占用大量 CPU資源，實(shí)踐中很容易造成時(shí)序混亂。 LCD 液晶顯示器是利用液態(tài)晶體的光學(xué)特性來工作的。它具有工作電壓低、耗電省，成本低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是遠(yuǎn)距離顯示不夠清晰，工作溫度范圍較窄。本系統(tǒng)顯示只需要近距離觀看，同時(shí)工作在室溫，可以忽略其缺點(diǎn)。液晶顯示還有一個(gè)突出有點(diǎn)，占用 I/O 口較少，內(nèi)部含有存儲(chǔ)器，不需要占用大 量 CPU 資源去維持顯示。本系統(tǒng)采用 1602 液晶顯示器，每行顯示 16 個(gè)字符，可以顯示兩行。能夠很好完成本系統(tǒng)的顯示任務(wù)。 1602 液晶顯示器為 5V電壓驅(qū)動(dòng)，帶背光，內(nèi)含128 個(gè)字符的 ASCII 字符集庫，只有并行接口，沒有串行接口。其連接電路如圖35 所示。 圖 35 1602液晶顯示與單片機(jī)接口 . . A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換器 A/D 轉(zhuǎn)換器 本系統(tǒng)在進(jìn)行系統(tǒng)輸出有效值檢測(cè)時(shí)，需要將模擬量通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過輸入通道傳送給單片機(jī)。 為了提高測(cè)量精度，本系統(tǒng)采用 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器 MAX197，單 5V電源供電，8通道模擬量輸入。 MAX197 內(nèi)部有一控制器，通過輸入控制字可以決定工作模式：時(shí)鐘工作模式、輸入電壓極性和量程選擇、模擬量輸入通道選擇。如圖 36 為MAX197 的典型接法。由于 MAX197 是 12位 A/D 轉(zhuǎn)換器，本來需要 12根數(shù)據(jù)線。為了減少 I/O 資源的占用，采用 8 根數(shù)據(jù)線分時(shí)復(fù)用，先傳送低四位數(shù)據(jù) D3～D0，再傳送高八位數(shù)據(jù) D11～ D4。這種設(shè)計(jì)巧妙的減少了 I/O 資源的使用，程序設(shè)計(jì)上只要按照時(shí)序說明，就可順利采集到數(shù)據(jù)。 [11] 圖 36 MAX197典型接法 D/A 轉(zhuǎn)換器 本系 統(tǒng)要求進(jìn)行增益可控，為了實(shí)現(xiàn)這一功能，采用可控增益放大器 AD603來實(shí)現(xiàn)增益可控。通過改變 AD603 的 2 管腳間的參考電壓進(jìn)而放大器的增益。這個(gè)參考電壓需要通過單片機(jī)控制 D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。 為了提高控制精度，本系統(tǒng)采用 12位 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC667 來實(shí)現(xiàn)增益可控。. . DAC667 內(nèi)部含有精密電壓基準(zhǔn)，微計(jì)算機(jī)接口邏輯，雙緩沖鎖存和一個(gè)帶有電壓輸出放大器的 D/A 轉(zhuǎn)換器。高速電流開關(guān)和激光微調(diào)薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)保證 D/A轉(zhuǎn)換器的高精度和高速度。 DAC667 采用雙電源177。 12V～ 177。 15V 供電，低功耗。 [12] DAC667 同樣采用數(shù)據(jù)線復(fù)用，分時(shí)傳送的方法。如圖 37 所示，采用 4 位 I/O傳送方式，通過改變控制端 A3～ A0電平，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分時(shí)傳送，先傳送低四位，再 傳 送 中四 位 ， 最后 傳 送高 四 位， 大 大減 少 了 I/O 資 源 的使 用 。 圖 37 DAC667典型接法 系統(tǒng)核心部分模塊 前級(jí)放大部分 由于 AD603 輸入阻抗小，大約只有 100Ω，設(shè)計(jì)要求放大器的輸入阻抗 ≥1K ?，故需要加入前級(jí)緩沖部分來提高輸入阻抗。本方案前級(jí)采用正向跟隨器；另外前級(jí)電路對(duì)整個(gè)電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲的干擾，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。故采用 高速低噪聲寬帶 電流反饋型 放大器 AD818 做前級(jí)緩沖，其帶寬增益積為 100MHz，其輸入阻抗為 。如圖 38 所示為輸入. . 緩沖級(jí)的電路連接原理圖。 圖 38 輸入緩沖級(jí)電路連接原理圖 可控增益放大部分 增益放大控制部分采用可控增益放大器 AD603 實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部有梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定，即 GPOS 與 GNEG 兩端電壓差，而這個(gè)參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算被控制 D/A轉(zhuǎn)換 器輸出控制電壓得到。如圖 39所示為 AD603 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖 39 AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 . . 固定增益放大器的增益 Gain 通過 VOUT 與 FDBK 端的連接形式確定，本設(shè)計(jì)采用寬頻帶模式（ 90MHz 帶寬），即 VOUT與 FDBK 端短路連接，如圖 310所示， AD603的增益被設(shè)置為 10dB～ +30dB。 圖 310 AD603寬頻帶連接方式 AD603 的基本增益可以用下式 3－ 1算出： GG a in ( d B ) = 4 0 V + 1 0 （ 3－ 1） 其中， VG 是差分輸入電壓 , 即 GPOS 與 GNEG 兩端電壓差，單位是 V，范圍為－ ～＋ 。 Gain 是 AD603 的基本增益 ,單位是 dB。變化范圍為－ 10dB～＋30dB。 [13] 為滿足題目要求最大增益 ? 40dB 要求 ,需要進(jìn)行兩級(jí)級(jí)聯(lián)，如圖 311所示， 圖 311 可控增益放大級(jí)電路連接原理圖 那么級(jí)聯(lián)后總增益為： . . GG a in ( d B ) = 8 0 V + 2 0 （ 3－ 2） 總增益變化范圍是－ 20dB～ +60dB，能夠滿足題目增益 10dB～ +40dB要求。 [14] 從 32式可以看出，以 dB 作單位的對(duì)數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。由此可以得出，只要單片機(jī)進(jìn)行簡單的線性計(jì)算就可以控制對(duì)數(shù)增益，增益步進(jìn)可以很準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)。 [15] 低通濾波部分 為了滿足題目帶寬要求，同時(shí)抑制高頻干擾。在可控增益放大部分之后加入一個(gè)低通濾波器。 低通濾波器采用一個(gè)無源 LC 濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。無源 LC 濾波器的優(yōu)點(diǎn)是： 電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗。為了使通帶內(nèi)的信盡量平坦，選用通帶比較平坦的巴特沃斯濾波器。 [16] 為滿足題目要求，設(shè)計(jì)了一個(gè) 5階巴特沃斯 10M 無源低通濾波器，進(jìn)行濾波。由于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)繁瑣。需要進(jìn)行理論推倒和公式化簡，不易實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)使用了專業(yè)濾波器設(shè)計(jì)軟件 Filter Solutions 進(jìn)行濾波器設(shè)計(jì)。如圖 312為 Filter Solutions 的控制面板。 圖 312 Filter Solutions控制面板圖 以下是 5階巴特沃斯 10M 無源低通濾波器的設(shè)計(jì)步驟： １、根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)要求，在 filter type 中選擇濾波器的類型為butterworth（巴特沃斯）； ２、在 filter class 中選擇濾波器的種類為 Low Pass(低通）； ３、在 filter Attributes 中設(shè)置濾波器的階數(shù) （ Order）為 5，通頻帶頻率（ Passband frequency）為 10M； . . ４、在 Implementation 中選擇有 passive（無源濾波器）； ５、在 Freq Scale 中選擇 Hertz 和 Log，如果選擇 了 Rad/Sec，則要注意Rad/Sec＝ ＊ Hertz； ６、在 Graph Limits 中設(shè)置好圖像的最大頻率和最小頻率，最大頻率要大于通頻帶的截止頻率；在 Passive Design/Ideal Filter Response 中觀察傳輸函數(shù) (Transfer Function)、時(shí)域響應(yīng) (Time Response)、零極點(diǎn)圖 (Pole Zero Plots)、頻域響應(yīng) (Frequency Response)的圖像； ７、在 Circuit Parmaters中設(shè)置源電阻 (Source Res)和負(fù) 載電阻 (Load Res)。最后點(diǎn)擊 Circuits 觀察濾波器電路圖； 根據(jù)以上步驟完成了一個(gè) 5 階巴特沃斯 10M 無源低通濾波器的設(shè)計(jì)，如圖312 所示為濾波器電路圖。如圖 313 所示為濾波器的頻域響應(yīng)圖像。 1 9 6 pF 1 9 6 pF6 3 6 pF1 . 2 8 8 uH 1 . 2 8 8 uH50Ω50ΩA D 6 0 3 O U T FI L T E R O U T 圖 312 低通濾波器電路圖 圖 313 濾波器的頻域響應(yīng) . . 功率放大部分 輸出級(jí)承擔(dān) 50Ω 的負(fù)載，基本要求輸出電壓的有效值大于 3V,同時(shí)由于低通濾波電路會(huì)造成信號(hào)衰減為原來幅值的一半，所以需要加后級(jí)功率放大電路。 本設(shè)計(jì)采用高速單運(yùn)放 AD811 完成放大。 AD811 為電流反饋型寬帶運(yùn) 放，其帶寬增益積為 140MHz， 177。1 2V供電，增益為 10 dB 的情況下， 3 dB 帶寬達(dá) 100MHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本系統(tǒng)的寬帶放大要求，有177。 12V 的輸出擺幅，且輸出電流最大可達(dá)100mA，完全可滿足峰峰值要求。 如圖 314 所示為功率放大級(jí)的電路連接原理圖。 A D 8 1 1 A N324761 0 0 p F1 0 0 p F2 2 u F2 2 u F12V1 2 V1kΩ1kΩF I L T E R O U TP A O U T 如圖 314 功率放大級(jí)電路連接原理圖 有效值檢測(cè)模塊 設(shè)計(jì)引入電壓有效值檢測(cè)芯片 AD637 檢測(cè)電壓。 AD637 可測(cè)量的信號(hào)有效值可高達(dá) 7V, AD637 是 AD 公司 RMSDC 產(chǎn)品中 當(dāng)前國際上轉(zhuǎn)換精度最高 (指加外部精調(diào)電路后 )及頻帶最寬的真有 效值轉(zhuǎn)換器， 并且 AD637 可以對(duì)輸 出 電平信號(hào)的以 dB 形式指示，可以測(cè)出任意波形交變信號(hào)的有效值 。器外圍器件少，頻帶寬；輸出有效值用 A/D 采樣來進(jìn)行單片機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)液晶顯示。 根據(jù)芯片手冊(cè)所給出的計(jì)算真有經(jīng)驗(yàn)公式為： 2inmsmsVV V? （ 3－ 3） 其中， inV 為輸入電壓， msV 為輸出電壓有效值。 . . AD637 的典型連接方式如 圖 315 所示。 圖 315 AD637的典型配置方式及內(nèi)部原理圖 直流穩(wěn)壓電源模塊 直流穩(wěn)壓電源模塊在整個(gè)系統(tǒng)中有非常重要的作用。由于系統(tǒng)信號(hào)的頻率較高，電源的穩(wěn)定性決定著整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以要求電源輸出穩(wěn)定，紋波小?？紤]到 開關(guān)穩(wěn)壓電源 雖然 效率高，但電路復(fù)雜 , 開關(guān)電源的工作頻率通常為幾十～幾百 KHz，基波與很多諧波均在本放大器通頻帶內(nèi)，極容易帶來串?dāng)_。線性穩(wěn)壓電源包括并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種結(jié)構(gòu)。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效率低，僅用于對(duì)調(diào)整速率和精度要求較高的場合；串聯(lián)型電路比較簡單，效率較高，尤其是采用 集成三端穩(wěn)壓器，更是方便可靠。 綜合考慮以上因素，選擇串聯(lián)型線性穩(wěn)壓電源作為直流穩(wěn)壓電源模塊。 [10] 直流穩(wěn)壓電源通常由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。其原理框圖如圖 316所示。 圖 315 直流穩(wěn)壓電源原理框圖 其各部分介紹如下： 電源變壓器：將電網(wǎng)交流電電壓 U1（ 220V）轉(zhuǎn)換成整流電路所需要的電壓 U2（ 15～ 20V） 。特別需要注意的是電源變壓器的選型，由于電源需要提供正負(fù). . 電壓，電源變壓器需要帶有中心抽頭作為零電勢(shì)點(diǎn)，否則無法產(chǎn)生負(fù)電壓。 整流電路：將交流電壓 U2轉(zhuǎn) 換為單相脈動(dòng)直流電壓 U3。整流電路采用橋式整流電路，整流是利用二極管的單相導(dǎo)電性來實(shí)現(xiàn)的。輸出電壓的平均值可由公式 3－ 4求得： 3 2 2 201 2 22 s in 0 . 9U U U U? ? ? ? ???? ? ?? d （ 3－ 4） 濾波電路：將脈動(dòng)直流電壓濾除紋波，轉(zhuǎn)換成紋波小的直流電壓 U4。本設(shè)計(jì)采用大電容濾波。電容濾波是最簡單的濾波方式，它是在整流電路的負(fù)載上并聯(lián)一個(gè)大電容 C。電容為帶有正、負(fù)極性的大電容電容器。輸出平均電壓可按公式 3－ 5進(jìn)行計(jì)算： ? （ 3－ 5） 穩(wěn)壓電路：起作用是將當(dāng)交流電網(wǎng)電壓波動(dòng)或者負(fù)載變化時(shí)，保證輸出直流電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓電路采用集成穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)。 其中正負(fù) 12V，正負(fù) 5V都可以使用相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片， LM780 LM790 LM781 LM7912。輸出電壓平均值可按公式 3－ 6進(jìn)行計(jì)算： 4opU U U?? （ 3－ 5） 式中， pU 為穩(wěn)壓器的降 壓，一般為 2～ 15V。 根據(jù)以上四個(gè)步驟進(jìn)行直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)，其電路圖如圖 315 所示。 圖 317 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖 . . 第四章 軟件設(shè)計(jì) 軟件開發(fā)環(huán)境 軟件開發(fā)使用常見