【正文】 取樣結(jié)束時(shí)的 vI值。（二）量化和編碼我們知道，數(shù)字信號(hào)不僅在時(shí)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(gè)數(shù)字量的大小，都是以某個(gè)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(shí)，也必須把它化成這個(gè)最小數(shù)量單位的整倍數(shù)，這個(gè)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(hào)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(jìn)制代碼表示，稱為編碼。這個(gè)二進(jìn)制代碼就是 A/D轉(zhuǎn)換的輸出信號(hào)。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(huì)引入誤差，我們把這種誤差稱為量化誤差。在把模擬信號(hào)劃分為不同的量化等級(jí)時(shí)，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(hào)轉(zhuǎn)換成 3 位二進(jìn)制代碼，這時(shí)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(dāng)作 0Δ看待，用二進(jìn)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(dāng)作 1Δ 看待，用二進(jìn)制的 001 表示，……等等。不難看出，最大的量化誤差可達(dá) Δ，即（1/8）V。哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1800000101001110010111011100000101001110010111011101/82/83/84/85/86/87/81V 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(jìn) 制 代 碼 代 表 的 模 擬 電 平 模 擬 電 平 二 進(jìn) 制 代 碼 代 表 的 模 擬 電 平163。168。a163。169。 163。168。b163。169。圖 37 劃分量化電平的兩種方法為了減少量化誤差，通常采用圖 37（b）所示的劃分方法，取量化單位Δ=（2/15）V，并將 000 代碼所對(duì)應(yīng)的模擬電壓規(guī)定為 0～（1/15）V，即0～Δ/2。這時(shí)，最大量化誤差將減少為為 Δ/2=（1/15）V。這個(gè)道理不難理解，因?yàn)楝F(xiàn)在把每個(gè)二進(jìn)制代碼所代表的模擬電壓值規(guī)定為它所對(duì)應(yīng)的模擬電壓范圍的中點(diǎn)，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(guān)用。RRifIvLvTACh vo圖 38 取樣—保持電路的基本形式如圖 38 所示上的取樣保持電路中，當(dāng)控制信號(hào) vL為高電平時(shí)，T 導(dǎo)通，輸入信號(hào) vI經(jīng)電阻 Ri和 T 向電容 Ch充電。若取 Ri=Rf，則充電結(jié)束后vO=－ vI=vC。當(dāng)控制信號(hào)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。哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19 A/D 轉(zhuǎn)換器外圍電路 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)、內(nèi)置 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，引腳功能圖如圖39 所示；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 ,；串行接口, 兼容SPI、QSPI、Microwave。幾乎不需任何外圍器件就能構(gòu)成一個(gè)完整的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖39 MAX187引腳功能圖MAX187 使用采樣/保持器（T/H）和逐次逼近寄存器（SAR）電路將一個(gè)模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成 12 位的數(shù)字輸出。其輸入信號(hào)在 0V~ Vref 之間，轉(zhuǎn)換時(shí)間包括 T/H 的采樣時(shí)間在內(nèi)為 10us。串行接口只需 3 根數(shù)字線：SCLK,CS 和DOUT，與微處理器接口非常簡(jiǎn)單，它的外圍引腳接線圖如圖 310 所示。哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）20圖 310 MAX187 外圍引腳接線圖MAX187 有兩種工作方式：正常方式和暫停方式。將 SHDN 引腳拉成低電平，器件處于暫停狀態(tài)，電源電流減低至 10uA 屬于低功耗狀態(tài)。引腳懸空時(shí)，禁止內(nèi)部參考電源，允許使用外部電源；接高電平時(shí)，允許使用內(nèi)部的參考電源。當(dāng)CS 變?yōu)榈碗娖綍r(shí), 開始轉(zhuǎn)換, 此時(shí),DOUT輸出為低電平。包括T/ H 時(shí)間的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10μs , 轉(zhuǎn)換結(jié)束, DOUT變?yōu)楦唠娖? 當(dāng)檢測(cè)到DOU T 為高電平時(shí), 即可讀出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。在SCL K 輸入一個(gè)脈沖, 最高位B11出現(xiàn)在DOUT上,經(jīng)過11個(gè)時(shí)鐘后,分別移位輸出B10～B0數(shù)據(jù),再進(jìn)入一個(gè)時(shí)鐘后,一個(gè)轉(zhuǎn)換周期結(jié)束。因此,每次數(shù)據(jù)讀取需經(jīng)過13個(gè)時(shí)鐘周期,12MHz時(shí)鐘下共13 = ,因此完成一次轉(zhuǎn)換需10+ ,約為11μs。 顯示電路設(shè)計(jì)顯示器是最常用的輸出設(shè)備。特別時(shí)發(fā)光二極管顯示器（LED）和液晶顯示器（LCD） ，LED 是一類可直接將電能轉(zhuǎn)化為可見光和輻射能的發(fā)光器件，具有工作電壓低，耗電量小，發(fā)光效率高，發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短，光色純，結(jié)構(gòu)牢固，抗沖擊，耐振動(dòng)，性能穩(wěn)定可靠，重量輕，體積小，成本低等一系列特性，發(fā)展突飛猛進(jìn)，現(xiàn)已能批量生產(chǎn)整個(gè)可見光譜段各種顏色的高亮度、高性能產(chǎn)品。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格廉價(jià)和接口容易，而得到廣泛的應(yīng)用。尤其是在單片機(jī)系統(tǒng)中大量應(yīng)用。LED 的核心發(fā)光部分是由 p 型和 n 型半導(dǎo)體構(gòu)成的 pn 結(jié)管芯，當(dāng)注入 pn 結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)發(fā)出可見光，紫外光或近紅外光。但 pn 結(jié)區(qū)發(fā)出的光子是非定向的，即向各個(gè)方向發(fā)射有相同的幾率，因此，并不是管芯產(chǎn)生的所有光都可以釋放出來，這主要取決于半導(dǎo)哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21體材料質(zhì)量、管芯結(jié)構(gòu)及幾何形狀、封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)與包封材料，應(yīng)用要求提高LED 的內(nèi)、外部量子效率。LED 發(fā)光顯示器可由數(shù)碼管或米字管、符號(hào)管、矩陳管組成各種多位產(chǎn)品，由實(shí)際需求設(shè)計(jì)成各種形狀與結(jié)構(gòu)。以數(shù)碼管為例，有反射罩式、單片集成式、單條七段式等三種封裝結(jié)構(gòu)，連接方式有共陽極和共陰極兩種，一位就是通常說的數(shù)碼管，兩位以上的一般稱作顯示器。反射罩式具有字型大，用料省，組裝靈活的混合封裝特點(diǎn)，一般用白色塑料制作成帶反射腔的七段形外殼，將單個(gè) LED 管芯粘結(jié)在與反射罩的七個(gè)反射腔互相對(duì)位的 PCB 板上，每個(gè)反射腔底部的中心位置是管芯形成的發(fā)光區(qū)，用壓焊方法鍵合引線，在反射罩內(nèi)滴人環(huán)氧樹脂，與粘好管芯的 PCB 板對(duì)位粘合，然后固化即成。反射罩式又分為空封和實(shí)封兩種，前者采用散射劑與染料的環(huán)氧樹脂，多用于單位、雙位器件；后者上蓋濾色片與勻光膜，并在管芯與底板上涂透明絕緣膠，提高出光效率，一般用于四位以上的數(shù)字顯示。單片集成式是在發(fā)光材料晶片上制作大量七段數(shù)碼顯示器圖形管芯，然后劃片分割成單片圖形管芯，粘結(jié)、壓焊、封裝帶透鏡(俗稱魚眼透鏡)的外殼。單條七段式將已制作好的大面積 LED 芯片，劃割成內(nèi)含一只或多只管芯的發(fā)光條，如此同樣的七條粘結(jié)在數(shù)碼字形的可伐架上，經(jīng)壓焊、環(huán)氧樹脂封裝構(gòu)成。單片式、單條式的特點(diǎn)是微小型化，可采用雙列直插式封裝，大多是專用產(chǎn)品。LED 光柱顯示器在106mm 長(zhǎng)度的線路板上，安置 101 只管芯(最多可達(dá) 201 只管芯)，屬于高密度封裝，利用光學(xué)的折射原理，使點(diǎn)光源通過透明罩殼的 1315 條光柵成像，完成每只管芯由點(diǎn)到線的顯示，封裝技術(shù)較為復(fù)雜。在許多實(shí)際的系統(tǒng)中，經(jīng)常需要多個(gè) LED 顯示系統(tǒng)的信息，比如，數(shù)字鐘實(shí)驗(yàn)要顯示時(shí)、分和秒信息，就必須要 6 個(gè) LED，對(duì)這些 LED 的控制也可以和上面一位 LED 顯示器一樣，采用6 個(gè)七段譯碼器驅(qū)動(dòng)每一個(gè) LED,并使所有 LED 的公共端始終接有效信號(hào)，即共陰極 LED 公共端接地，共陽極 LED 公共端接電源。這種 LED 顯示方式稱為靜態(tài)顯示方式。采用靜態(tài)方式,LED 亮度高，但這是以復(fù)雜硬件驅(qū)動(dòng)電路作為代價(jià)的，硬件成本高。因此,在實(shí)際使用時(shí),特別是有微處理器的系統(tǒng)中，如果用多位的LED 顯示,一般采取動(dòng)態(tài)掃描方式、分時(shí)循環(huán)顯示，即多個(gè)發(fā)光管輪流交替點(diǎn)亮。這種方式的依據(jù)是利用人眼的滯留現(xiàn)象，只要在 1 秒內(nèi)一個(gè)發(fā)光管亮 24 次以上，每次點(diǎn)亮?xí)r間維持 1ms 以上，則人眼感覺不到閃爍，宏觀上仍可看到多位LED 同時(shí)顯示的效果。動(dòng)態(tài)顯示可以簡(jiǎn)化硬件、降低成本、減小功耗。 LED 結(jié)構(gòu)與原理發(fā)光二極管顯示器是單片機(jī)應(yīng)用產(chǎn)品中常用的廉價(jià)輸出設(shè)備。它是由若干哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）22個(gè)發(fā)光二極管組成顯示的字段。當(dāng)二極管導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)的一個(gè)點(diǎn)或一個(gè)筆劃發(fā)光，就能顯示出各種字符，常用的八段 LED 顯示器的結(jié)構(gòu)如圖 311 所示。圖 311 八段數(shù)碼顯示 圖 312 共陰極接法圖 313 共陽極接法LED 數(shù)碼顯示器有兩種結(jié)構(gòu)：將所有發(fā)光二極管的陽極連在一起，稱為共陽接法如圖 313 所示，公共端 m 接高電平，當(dāng)某個(gè)字段的陰極接低電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮；而將有發(fā)光二極管的陰極連在一起如圖 312 所示，稱為共陰接法，公共端 m 接低電平，當(dāng)某個(gè)字段的陽極接高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮。每段所需電流一般為 5~15mA，實(shí)際電流視具體的 LED 數(shù)碼顯示器而定。 動(dòng)態(tài)顯示 LED 顯示器接口所謂的動(dòng)態(tài)顯示就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度跟導(dǎo)通的電流有關(guān)，也和點(diǎn)亮的時(shí)哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23間與間隔的比例有關(guān)。顯示部分采用 4 個(gè)八段共陰數(shù)碼管，采用動(dòng)態(tài)顯示，利用驅(qū)動(dòng)器 74LS244驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示數(shù)據(jù)，達(dá)到控制八段碼的目的?？梢杂脠D 314 來形象說明動(dòng)態(tài)顯示原理。段驅(qū)動(dòng)器和位驅(qū)動(dòng)器同時(shí)發(fā)出有效信號(hào)才能點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)段，否則就呈現(xiàn)不亮狀態(tài)。由單片機(jī)來控制點(diǎn)亮的時(shí)間，第一位點(diǎn)亮后依次點(diǎn)亮后面各位。圖 315 為設(shè)計(jì)選用的顯示部分電路圖驅(qū)動(dòng)器 74LS244 控制 4 位數(shù)碼管的段選，反向驅(qū)動(dòng)器 74LS04 控制位選，最后由單片機(jī)發(fā)出采集到的信號(hào)指令來決定各個(gè)數(shù)碼管的明滅狀態(tài)和時(shí)間長(zhǎng)短。DS1DS4 四位 LED 分別顯示的是稱重結(jié)果的千位、百位、十位、個(gè)位，單位為克，顯示精度為 1/5000，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。圖 314 多位 LED 動(dòng)態(tài)顯示電路哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）24圖 315 系統(tǒng)顯示部分接線圖 報(bào)警電路設(shè)計(jì)一個(gè)完美的電路設(shè)計(jì),不但只是能夠保證系統(tǒng)能夠在正常條件下穩(wěn)定運(yùn)行,還要能夠使系統(tǒng)在非正常情況下向用戶發(fā)出警告,以便使用戶發(fā)現(xiàn)問題。為此，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)后，又添加了聲光報(bào)警部分電路，如圖 316 所示。把發(fā)光二極管引線接到單片機(jī) 口，把報(bào)警電路引線接到單片機(jī) 口，當(dāng)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和單片機(jī)處理后大于系統(tǒng)的稱重范圍時(shí)，發(fā)光二極管開始點(diǎn)亮，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。圖 316 聲光報(bào)警電哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）25本 章 小 結(jié)本章主要是講述系統(tǒng)各單元的硬件設(shè)計(jì)，把各單元的硬件電路具體設(shè)計(jì)與實(shí)際電路設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的講解，并對(duì)設(shè)計(jì)中所用到的主要芯片做了詳細(xì)的闡述。哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）26第 4 章　稱 重 儀 的 軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)方案，特設(shè)計(jì)出本系統(tǒng)主程序流程，可以用框圖 41 表示。 是 否圖 41 主程序框圖開始初始化調(diào)用 A/D 子程序送單片機(jī)進(jìn)行處理BCD 碼轉(zhuǎn)換調(diào)用顯示子程序返回是否超重？聲光報(bào)警哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）27 MAX187 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計(jì)在 CS 的下降沿將初始化轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果是在 DOUT 端以單極性串行格式輸出，轉(zhuǎn)換結(jié)束（EOC）為高電平，跟著是串行數(shù)據(jù)流（MSB 在先） 。在串行接口有效時(shí)，設(shè)置 CPU 的串行接口為主方式，因而 CPU 發(fā)出串行時(shí)鐘，并選擇時(shí)鐘頻率為 ，其程序設(shè)計(jì)如圖 42 所示。A/D 轉(zhuǎn)換的工作過程是：當(dāng)為低電平時(shí)，在下降沿 MAX187 的 T／H 電路進(jìn)入保持狀態(tài)，并開始轉(zhuǎn)換， 后 DOUT 輸出為高電平作為轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志。這時(shí)可在 SCLK 端輸入一串脈沖將結(jié) DOUT 端移出，讀入單片機(jī)中處理。否是 圖 42 A/D 轉(zhuǎn)換子程序框圖開始A/D 置位軟件時(shí)鐘頻率讀取 A/D 轉(zhuǎn)換查詢是否轉(zhuǎn)換完畢數(shù)據(jù)送入單片機(jī)軟件延時(shí)哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）28 顯示程序設(shè)計(jì)點(diǎn)亮 LED 顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定得導(dǎo)通或截止，這種方法，每一顯示位都需要一個(gè) 8 位的輸出口控制，占用的硬件較多，一般僅用于顯示位數(shù)較少的場(chǎng)合。而動(dòng)態(tài)就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器，對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次，利用人的視覺留感達(dá)到顯示的目的。為了顯示字符和數(shù)字，要為 LED 顯示器提供顯示段碼(或稱字形代碼),組成一個(gè) “8”字形的 7 段，再加上一個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì) 8 段，因此提供 LED 顯示器的顯示段碼為 1 個(gè)字節(jié)。各段碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖 43 所示：段碼位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0顯示段 dp g f e d c b a圖 43 各段碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系用 LED 顯示器顯示十進(jìn)制數(shù)顯示段碼，如圖 44 所示。從 LED 顯示器的顯示原理可知，為了顯示數(shù)字，必須最終轉(zhuǎn)換成相應(yīng)段選碼。這種轉(zhuǎn)換可以通過硬件譯碼器或軟件進(jìn)行譯碼。字型 共陽極段碼 共陰極段碼 字型 共陽極段碼 共陰極段碼0 C0 3FH 9 90H 6FH1 F9H 06H A 88H 77H2 A4H 5BH B 83H 7CH