【正文】 ，可以 省去所 有 限流 電 阻 。 ? 掃描 極限 控制， 支持 1 到 8 個數(shù)碼管， 只為 有 效 數(shù)碼管 分配 掃描時 間 。 鍵盤控制 ? 內(nèi)置 64 鍵鍵盤控制 器 ， 基于 8 8 矩陣 鍵盤掃描。 ? 內(nèi)置 按 鍵 狀 態(tài) 輸入 的 下拉 電 阻 ，內(nèi)置 去抖 動電路。 ? 鍵盤中 斷 ， 低 電 平 有 效輸出 。 ? 提供 按 鍵 釋放標志 位， 可供 查詢按 鍵 按下 與 釋放 。 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 26 芯片引腳 表一： CH451芯片引腳 鍵盤設置 LED 以及鍵盤部分我們均采用了此芯片，我們設置了 14*1 鍵盤，鍵值設置為： 表二：鍵碼值 0x43 0x4b 0x53 0x5b 時鐘電路 時鐘引腳 我們采用了專用時鐘芯片 DS1302，其引腳圖如 圖 17 所示 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 27 圖 17 DS1302引腳 外圍電路 DS1302 時鐘外圍電路如圖 18所示 圖 18 DS1302外圍電路 語音電路 我們采用的放音電路與凌陽單片機的接口電路如圖 19 所示。該電路非常簡單，是凌陽公司的標準放音電路。 AV SS 2VD D HDACVS SC32 24R11K C51 04C11 0412J2S pe a ke r132R21KC41 04+54612837U1S P Y 0 0 3 0+C21 00 u1 2 3J1單片機音頻接口 圖 19 凌陽 61單片機語音電路 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 28 A/D 轉換部分 采樣保持電路 圖 20所示的是一個實際的采樣保持電路 LF398 的電路結構圖，圖中 A A2是兩個運算放大器， S 是模擬開關， L是控制 S狀態(tài)的邏輯單元電路。采樣時令 uL=1， S隨之閉合。 A A2接成單位增益的電壓跟隨器，故 ioo uuu ??? 。同時 ou? 通過 R2對外接電容 Ch充電，使 uch=ui。，因電壓跟隨器的輸出電阻十分小，故對 Ch充電很快結束。當 uL=0 時， S斷開，采樣結束，由于 uch無放電通路，其上電壓值 基本不變，故使 uo得以將采樣所得結果保持下來。 圖中還有一個由二極管 D D2組成的保護 電路。在沒有 D1和 D2的情況下，如果在S再次接通以前 ui變化了，則 ou? 的變化可能很大，以致于使 A1的輸出進入非線性區(qū)，ou? 與 ui不再保持線性關系，并使開關電路有可能承受過高的電壓。接入 D1和 D2以后，當 ou? 比 ou 所保持的電壓高出一個二極管的正向壓降時， D1將導通， ou? 被鉗位于 iu + UD1。這里的 UD1表示二極管 D1的正向?qū)▔航?。?ou? 比 ou 低一個二極管的壓降時，將 ou? 鉗位于 iu UD2。在 S 接通的情況下，因為 ou? ? ou ，所以 D1和 D2都不導通，保護電路不起作用。 A1A2LR 1R 2SC h?3 0 0?3 0 k2D 1DiuLuo39。uou 圖 20 采樣保持電路 A/D 轉換 通過了采樣保持電路，我們放大了開始的模擬信號，通過 DA轉換后結果進行逐 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 29 次比較，并得出最終結果。逐次逼近比較式 AD轉換器以 D/A 轉換為主，另包括比較器、逐次逼近寄存器、控制邏輯及時鐘。如圖 21 所示： 圖 21 AD轉換電路示意圖 在逐次逼近型 AD 轉換器由比較器、控制邏輯、逐次逼近寄存器與 DA轉換器構成。比較的過程首先是取最大的電壓砝碼，即寄存器最高位為 1 時的二進制數(shù)所對應的 DA轉換器輸出的模擬電壓，將此模擬電壓 uA與 uI進行比較，當 uA大于 uI時，最高位置 0；反之，當 uA小于 uI時，最高位 1 保留，再將次高位置 1，轉換為模擬量與 uI進行比較，確定次高位 1保留還是去掉。依次類推，直到最后一位比較完畢，寄存器中所存的二進制數(shù)即為 uI對應的數(shù)字量。以上過程可以用圖 22 加以說明，圖中表示將模擬電壓uI轉換為四位二進制數(shù)的過程。圖中的電壓砝碼依次為 800mV、 400mV、 200mV 和 100mV，轉換開始前先將寄存器清零，所以加給 DA 轉換器的數(shù)字量全為 0。當轉換開始時，通過 DA轉換器送出一個 800mV 的電壓砝碼與輸入電壓比較，由于 uI＜ 800mV，將 800mV的電壓砝碼去掉，再加 400mV 的電壓砝碼， uI＞ 400mV，于是保留 400mV 的電壓砝碼，再加 200mV 的砝碼， uI＞ 400mV+200mV， 200mV 的電壓砝碼也保留；再加 100mV 的電壓W1 W2 D/A 控制邏輯 逐次逼近寄存器 （ SAR ） 模擬量輸入 VREF 數(shù)字輸出 (DN~D0) VC 比較器 時鐘 啟動信號 轉換結束 ...….… … 光電耦合 輸出到單片機 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 30 砝碼，因 uI＜ 400mV+200mV+100mV，故去掉 100mV 的電壓砝碼。最后寄存器中獲得的二進制碼 0110，即為 uI對應的二進制數(shù)。 1 0 0 m V2 0 0 m V4 0 0 m V/m Vu oOm V8 0 010 1 0tIu 圖 22 逐次逼近型 AD轉換器的逼近過程示意圖 74502 是八位逐次逼近寄存器，它與八位 DA轉換器的連接如圖 23 所示： 圖 23 74502與 DA轉換連線圖 我們采用的是十六位 AD 轉換故采用兩片 74502 并聯(lián)的方式，兩片 74502 接同一個時鐘信號。第一片結束 后輸出轉換結束信號 CC 經(jīng)反向后接到第二片寄存器啟動信號 S 上 D/A 模塊 ? 電阻解碼網(wǎng)絡 我們采用了 T 型電阻解碼網(wǎng)絡，電路結構如圖 24： 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 31 圖 24 R2R T型電阻網(wǎng)絡 D/A變換器 當輸入數(shù)字信號的任何一位是“ 1”時，對應開關便將 2R 電阻接到運放反相輸入端，而當其為“ 0”時，則將電阻 2R接地。由圖可知，按照虛短、虛斷的近似計算方法，求和放大器反相輸入端的電位為虛地，所以無論開關合到那一邊，都相當于接到了“地”電位上。在圖示開關狀態(tài)下，從最左側將電阻折算到最右側，先是 2R//2R并聯(lián)，電阻值為 R，再和 R 串 聯(lián)，又是 2R，一直折算到最右側，電阻仍為 R，則可寫出電流 I的表達式為 RVI REF? （ 8） 只要 VREF選定，電流 I為常數(shù)。流過每個支路的電流從右向左，分別為12I、22I、32I、?。當輸入的數(shù)字信號為“ 1”時，電流流向運放的反相輸入端，當輸入的數(shù)字信號 為“ 0”時，電流流向地，可寫出 ?I 的表達式 01121 2242 dIdIdIdII nnnn ????? ???? ? 在求和放大器的反饋電阻等于 R 的條件下，輸出模擬電壓為 )2242( 01121o dIdIdIdIRRIU nnnn ???????? ???? ? )2222(2 00112n2n1n1nnR E F ddddV ?????? ? nVU 2REF0 ?? )2222(00112211 ???????? ???? dddd nnnn ?? (9) 與權電阻解碼網(wǎng)絡相比，所用的電阻阻值僅兩種，串聯(lián)臂為 R，并聯(lián)臂為 2R，便于制造和擴展位數(shù)。 數(shù)字開關采用了S0 S1 Si Sn1 Sn2 I0 Ii I n1 +A ∞ + Rf R R R R 2R IREF R VREF 2R 2R 2R 2R 2R If vO Dn1 D n2 DI D1 D0 ? ? A1 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 32 在此基礎上我們再加了一級電壓放大器，并配以相關的電阻網(wǎng)絡，即可以構成雙極性電壓輸出，配合繼電器，可實現(xiàn)單極性、雙極性之間的相互轉換。其原理是將 A2輸入端 ∑ 通過電阻 R1與參考電源 VREF相連。 VREF經(jīng) R1 向 A2 提供偏流 I1 ， 運算放大器 A2的輸入電流為兩支路電流 I1， I2之代數(shù)和。如圖 25所示可 D/A 轉換器的總輸出電壓： 圖 25 雙極性輸出電路 Vout2=R3(I2+I1)=－ R3( Vout1/R2+ VREF/R1) (10) 代入的值 ,可得 Vout2=－ (2 Vout1 +VREF) (11) ? 數(shù)字開關 數(shù)字開關采用了芯片 4053，其管腳圖如 26：： 圖 26 4053芯片引腳 R1=2R VREF R3=2R R3=R Vout1 I1 I2 Vout2 A2 _ + R4 2021 年 山 東 省 凌 陽 杯 大 學 生 電 子 設 計 競 賽 33 4053 為三路 2 選一雙向模擬開關， AD 轉換為 16 位，故共需 4053 為 16/3 共需 6片。 4 軟件設計 設計特點 ? 使用經(jīng)典電路仿真軟件 Multisim 2021進行電路的仿真設計與分析，驗證采 用原理的正確性，排除不能實現(xiàn)的方案，大大加快了電路設計的速度與質(zhì)量。 ? 配合 SPCE061A，我們使用凌陽公司的在線調(diào)試與編程軟件 unSP IDE ，采用主流設計語言 C語言和匯編語言對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。軟件設計的宗旨是為硬件系統(tǒng)創(chuàng)造更加友好的用戶操作界面和延拓更人性化的功能。 軟件功能實現(xiàn) ? 驅(qū)動 LED動態(tài)顯示 0150mV電壓信號源的輸出電壓值 ? 向 AD轉換模塊發(fā)送工作模式選擇信號，例如：量程選擇、工作方式選擇（單極性、雙極性）、測量模式選擇（單步測量、動態(tài)顯示 )、 AD轉換啟動信號 ，并監(jiān)控 AD轉換模組的工作狀態(tài)，讀取最終轉換結果送入 LCD液晶顯示 ? 通過菜單方式使用戶可以自行設定各項系統(tǒng)參數(shù)，例如：語音播報開關、 LCD背光開關 ? AD轉換模塊轉換結果的語音播報（十進制 /十六進制雙模式） 軟件系統(tǒng)架構 軟件系統(tǒng)采用 3層架構設計，底層為芯片驅(qū)動程序、中層為由程序功能模塊組成的用戶操作界面，上層是信號源調(diào)節(jié)和 AD轉換電路，如圖 29所示。底層是 SPCE061A與 LED、 LCD、鍵盤等 I/O硬件通訊的基礎類驅(qū)動程序，在此基礎上，根據(jù)功能