【正文】 的在系統(tǒng)可編程器件，其可供用戶使用的 I／ O口數(shù)在 64個(gè)以上。 其最高響應(yīng)頻率是 10MHZ，隔離電壓為 2500V，滿足要求。 AD650 輸出經(jīng)分頻后最高可達(dá)到 500KHZ，必需使用高速光電耦合器才能響應(yīng)，在這里我們選用的是東芝的 6N137， 6N137 光耦合器是一款用于單通道的高速光耦合器，其內(nèi)部有一 個(gè) 850 nm波長 AlGaAs LED 和一個(gè)集成檢測器組成，其檢測器由一個(gè)光敏 二極管 、高增益線性運(yùn)放及一個(gè)肖特基鉗位的集電極開路的 三極管 組成。 光耦合器以光 作 為媒介傳輸電 信號(hào) 。 19 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(jī)音頻接口 圖 15 放音電路 光耦合隔離電路的設(shè)計(jì) AD650 的輸出頻率不是方波信號(hào)，而是很窄的斜坡脈沖，很難測量其頻率，因此先用 D 觸發(fā)器 7474 對(duì)其進(jìn)行二分頻，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)邊沿整定和占空比調(diào)整，并輸出占空比 50％的方波信號(hào)。 圖 14凌陽 SPCE061A單片機(jī)管腳分布圖語音電路的設(shè)計(jì) 語音電路的設(shè)計(jì) 我們采用的語音電路為凌陽 SPCE061a 開發(fā)板上集成有的語音模塊，它與單片機(jī)接口電路如圖 1。 B11－ B14為 4 位鍵盤口，負(fù)責(zé)鍵盤按鍵的去抖動(dòng)和掃描。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的 A/D 轉(zhuǎn)換頻率為 50Hz，所以在計(jì)數(shù)周期內(nèi)基準(zhǔn)晶振脈沖個(gè)數(shù)為 400000， CPLD 因?yàn)殡S機(jī)時(shí)間出現(xiàn)的誤差僅為一個(gè)脈沖，而 AD650 的滿刻度量程為 400000，所以精度可達(dá)到幾百千分之一 [7]。 圖 13頻率計(jì)原理圖 頻率計(jì)測得的數(shù)據(jù)為此系統(tǒng)的 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，由于 CPLD 的基準(zhǔn)晶振選用的是 的高精度晶振。因?yàn)?CPLD 能夠?qū)崿F(xiàn)高速響應(yīng)和準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。 (3)CPLD 頻率計(jì)的設(shè)計(jì) 由于輸入的信號(hào)是交流信號(hào)而 CPLD（現(xiàn)場可編程邏輯器件）和施密特觸發(fā)器是數(shù)字芯片，不識(shí)別負(fù)信號(hào)，要把輸入交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)。 17 或邏輯陣列選擇了乘積項(xiàng)共享的結(jié)構(gòu)形式。 （ 2） CPLD 的通用邏輯模塊（ GLB） 通用邏輯模塊 GLB 的電路結(jié)構(gòu)由可編程的與邏輯陣列、乘積項(xiàng)共享的或邏輯陣列和輸出邏輯宏單元（ OLMC）三部分構(gòu)成。在 ispPLD 中都包含有編程電路部分，不過通常在為用戶提 供的結(jié)構(gòu)框圖中都沒有畫出。） CPLD 產(chǎn)品的種類和型號(hào)繁多，目前各大半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠商仍在不斷推出CPLD 新產(chǎn)品。在 ispPLD 電路中除了原有的可編程邏輯電路以外，還集成了編程所需的高壓脈沖產(chǎn)生電路以及編程控制電路。 CPLD 多采用 CMOS 工藝制作。最后的實(shí)際電路原理如圖 12所示： 16 圖 12 V/F變換原理圖 等精度頻率計(jì)的設(shè)計(jì) （ 1） CPLD 的總體結(jié)構(gòu) 近年來迅速發(fā)展起來的復(fù)雜的可編程邏輯器件 CPLD，可以認(rèn)為是從 EPLD 演變的。因此，一定要仔細(xì)選擇溫度系數(shù)比較小的電容，在設(shè)計(jì)電路和進(jìn)行實(shí)際安裝時(shí)，也要最大程度的減小寄生電容產(chǎn)生的影響，需要保證 Cos與電路引腳盡量靠近，如果可以還應(yīng)對(duì) Cos 進(jìn)行屏蔽，避免電容的容量受到外界環(huán)境中活動(dòng)物體產(chǎn)生的影響，特別是在精度要求較高 (0． 05 ％ )的情況下 更要注意。因?yàn)橄到y(tǒng)能夠要求 0— 100mv對(duì)電壓搬移后電壓值仍為正值，所以我們選擇正輸入電路接線方式 ,如圖 10所示： 圖 10正輸入接線圖 積分電容過大過小 都不行，其滿刻度量程與 Cos關(guān)系如圖 11所示。其中當(dāng)輸入滿度電壓時(shí)輸出信號(hào)的占空比 Dvs這個(gè) 參散對(duì) V／ F的線性度的影響是最明顯的，如果想要達(dá)到最高的線性度，就一定要選擇 Dvs=25％ 。而在選擇元件時(shí)， V／ F輸出信號(hào) (頻率 )的占空比是最先要考慮的要素，其值 t1/(t1+t2)，能夠從圖中的波形圖看出。 R1＋ R3=VINmax／ （ 2） R2min(Ω)=VP ／ (8mA－ IL) （ 3） C2=(10－ 4／ SEC)／ fMAX (1000pF min) （ 4） 其外部引腳如圖 7 所示。 AD650的輸出頻率 fOUT與輸入電壓 VIN的關(guān)系可用公式 。 AD650可用于高分辨率數(shù)模轉(zhuǎn)換器、長期高精度積分器、雙線高抗噪聲數(shù)字傳輸和數(shù)字電壓表，并可廣泛用于航空、航天、雷達(dá)、通訊、導(dǎo)航、遠(yuǎn)距離字傳輸?shù)阮I(lǐng)域。其原理圖如圖 6所示。如圖， U2構(gòu)成了反相加法器， Uo=40VAD ＋ Voffset，U3構(gòu)成了單位增益的反相器，從而產(chǎn)生 1～ 5V 的電壓。這里的運(yùn)放我們選擇的是具有斬波穩(wěn)定功能的 ICL7650 運(yùn)算放大器，它可以提供低的偏置電流（ 10pA）、溫度的穩(wěn)定性、偏置電壓和相對(duì)時(shí)間。分壓用的電阻為指針式10圈可調(diào)，可以達(dá)到理想的精度。為了降低電源波動(dòng)造成的影響，我們使用了兩個(gè) 的基準(zhǔn)源 LM336 對(duì)其供電。為了增加電壓的負(fù)載能力，需要進(jìn)行電壓跟隨。 主要單元電路的設(shè)計(jì) 精密測試基準(zhǔn)源 對(duì)于 16位的 AD轉(zhuǎn)換器，且滿幅度輸入電壓僅為 100mV，如果要對(duì)它的性能進(jìn)行測試，則需要非常高精度以及非常低溫漂的基準(zhǔn)源，市場上很難找到這樣的基準(zhǔn)源，因此需要自已動(dòng)手制造。具體的單元電路包括： V/F 轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)調(diào)理電路、頻率計(jì)、鍵盤電路、數(shù)碼管顯示、語音播報(bào)、電源，光耦合隔離。 系統(tǒng)基本框圖如圖 3所示。 綜上所述，采用方案二。 方案二：采用光耦合隔離。 9 方案一：采用霍爾元件進(jìn)行磁隔離，霍爾元件比較便宜，容易 加工制作，便于實(shí)現(xiàn)。因此嘗試語音和數(shù)碼管報(bào)數(shù)同時(shí)進(jìn)行。可以省去自己制作外圍電路、擴(kuò)展 ROM 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)語音資源的繁瑣。 根據(jù)以上論述，采用方案二。數(shù)碼管（ LED）對(duì)環(huán)境因素要求較低，顯示明亮，采用 BCD 編碼顯示數(shù)字，程序編譯相對(duì)容易，資源占用少。液晶顯示屏 (LCD)具有輕薄短小，耗電量低，無輻射危險(xiǎn)，可以平面直角顯示以及影像比較穩(wěn)定不易閃爍等優(yōu)勢，顯示面積大，畫面效果比較好，分辨率高，抗干擾能力較強(qiáng)和顯示形式較靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是編程工作量比較大，控制其占用資源比較多。 （ 5）顯示 在 A/D 轉(zhuǎn)換完成后，由于系統(tǒng)對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果需要有一個(gè)比較清晰的顯示，因此考慮了以下幾種方案。而且 SPEC061A 單片機(jī)自帶語音模塊，便于實(shí)現(xiàn)語音的添加 [6]。 方案二：選擇凌陽公司出產(chǎn)的 SPCE061A 單片機(jī)。 FGPA 可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有的器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、在線調(diào)試，易于進(jìn)行功能8 擴(kuò)展，響應(yīng)速度快。 （ 4）控制器 由于本此設(shè)計(jì)對(duì)與運(yùn)算控制器的響應(yīng)速度要求 并不是很高，只是在與 CPLD通訊的時(shí)候要求有較高的響應(yīng)速度，且可進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算。我們可以運(yùn)用 EDA 軟件仿真、在線調(diào)試，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，電路一次即可成型，不必對(duì)實(shí)際焊接的電路再進(jìn)行繁瑣的調(diào)試、修改，對(duì)于越大規(guī)模的數(shù)字電路優(yōu)越性越強(qiáng) [5]。 CPLD 響應(yīng)速度快可以達(dá)到十幾納秒甚至幾納秒，且響應(yīng)頻率可以達(dá)到幾十兆甚 至上百兆，能夠?qū)崿F(xiàn)高速計(jì)數(shù)。但是設(shè)計(jì)起來較為麻煩，需要的硬件多，電路制作復(fù)雜，由于引腳太多搭焊和線路連接都比較繁瑣，調(diào)試起來很難發(fā)現(xiàn)問題所在。 方案二：用 8253 等專用硬件計(jì)數(shù)器配合邏輯電路設(shè)計(jì)一套硬件測量電路。但是，由于單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器所能計(jì)數(shù)的頻 率有限，且通用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘精度較低，更重要的是開始計(jì)數(shù)和停止計(jì)數(shù)難以做到同步。然后通過計(jì)數(shù)的比值計(jì)算出被測信號(hào)的頻率。 （ 3）頻率測量 對(duì) V/F 變換后的頻率進(jìn)行測量，由于頻率較高，一般在幾十 k甚至上百 k，要實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測量頻率，必須要有良好的硬件響應(yīng)速度和良好的測量策略。 LM331 具有較低的最佳溫度穩(wěn)定性，但其 滿刻度頻率只有100kHz， 數(shù)字分辨率只能達(dá)到 12位；而盡管 AD650 的 最佳溫度穩(wěn)定性不如 LM331好，但其滿刻度頻率高，線性度也能夠完全符合要求。完全可以達(dá)到題目對(duì)精度以及線性度的要求 【 4】 。 AD650的 滿刻度頻率很高 ,可以達(dá)到 1MHz；具有非常低的非線性度：在 10kHz滿刻度時(shí)非線性度將小于 ％，在 l0kHz滿刻度時(shí)非線性度將小于 ％ ,在 1MHz滿刻度時(shí)非線性度將小于 0． 07％；并且 最佳溫度穩(wěn)定性為177。 15V的電源電壓下，功耗電流將小于 15mA，滿刻度為 1MHz時(shí)，其非線性度將小于 ％ 。AD650集成芯片是美國的 ANALOG DEVICES公司近年推出的高精度電壓頻率 (V/F)轉(zhuǎn)換器，它由積分器、精密電流源、比較器、輸出晶體管和單穩(wěn)多諧振蕩器組成。50ppm/℃，滿刻度量程為 1Hz～ 100kHz[3]。集成芯片 LM331 的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)到 100dB；線性度好，最大非線性失真小于 ％，工作頻率低到 時(shí)仍然有較好的線性；變換精度高，數(shù)字分辨率可以達(dá) 到 12 位；外接電路簡單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成 V/F 變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。 LM331 是美國 NS 公司出產(chǎn)的性能價(jià)格較高的集成芯片，可以用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器、長時(shí)間積分器、 A/D 轉(zhuǎn)換器及其他相關(guān)器件。 （ 2） V/F 轉(zhuǎn)換 方案一：采用集成型 555 定時(shí)器，可以很方便的與單片機(jī)實(shí)現(xiàn)接口通信，價(jià)格比較便宜且容易購買，但其響應(yīng)速度較慢，外圍電路比較 復(fù)雜，只適合用于一些要求不太高的場合。本方案能夠提供比較大的輸出電流，高檔的基準(zhǔn)源和運(yùn)放可以保證低的溫漂特性和輸出的精度。但是一般的 D/A 位數(shù)比較低，并且其精度和溫漂都難以達(dá)到理想。 方案二：直接由 D/A 輸出。這種基準(zhǔn)源有很多，市場上容易買到，如 MC1403， TL431,LM336 等。 圖 2系統(tǒng)模塊框圖 為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行了論證，我們選取了較好的方案實(shí)現(xiàn)?？刂撇糠职ǎ嚎刂破髂K，語音模塊，顯示模塊。其中電壓發(fā)生部分包括：精密測試電壓源。綜上所述選擇方案三。因?yàn)檗D(zhuǎn)換是并行的，轉(zhuǎn)換速度最快，但隨著分辨率的提高組建數(shù)目要按級(jí)數(shù)增加，在 16 位轉(zhuǎn)換應(yīng)用中電路已經(jīng)過于復(fù)雜，極難實(shí)現(xiàn)。 方案四 ： 并行比較式。并且 由于要求位數(shù)太多，連線太多進(jìn)而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響，成本較高。 輸入電壓 A/D轉(zhuǎn)化電路 單片機(jī) 顯示器 信號(hào) （自行設(shè)計(jì)） 鍵盤 電源 圖 1系統(tǒng)組成框圖 系統(tǒng)總體方案的論證 根據(jù)題目要求，需要設(shè)計(jì)并制作一個(gè)高精度高分辨率的 16位 A/D轉(zhuǎn)換器， 從而對(duì) 常用的 A／ D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分類并進(jìn)行選擇論證： 方案一：雙積分式 以 BCD碼或二進(jìn)制的形 式輸出，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，價(jià)格便宜，但是轉(zhuǎn)換速度比較低，而且電路設(shè)計(jì)與連接比較復(fù)雜，速度比較慢。 系統(tǒng)組成框圖和方案論證 系統(tǒng)組成框圖 本論文設(shè)計(jì)一個(gè)具有高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓的測量和顯示。自行設(shè)計(jì)一 個(gè)可以從 0— 100mV連續(xù)調(diào)節(jié)的模擬電壓信號(hào)作為該系統(tǒng)的被測信號(hào)源，以便對(duì) A/D轉(zhuǎn)換電路的分辨率進(jìn)行測試。設(shè)計(jì)并制作一個(gè)具有測量和顯示功能的儀器或裝置，將該 A/D 轉(zhuǎn)換電路的結(jié)果顯示出來，有轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，顯示器可采用 LED或 LCD。 4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)具有高分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電壓的測量和顯示。首先交代自己使用的測試儀器，然后介紹本次測試電壓的方法，最后列出本次設(shè)計(jì)測試結(jié)果的理論值和實(shí)際測試值，進(jìn)行對(duì)比，找到成功和失敗的地方原因。 第四章先簡要介紹了一下選擇的編程軟件 Keil C51,然后畫出控制程序流 程圖，使程序流程清晰明了，最后介紹等精度頻率計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法。 第三章首先簡單的介紹了系統(tǒng)基本組成部分，接著開始介紹具體的單元電路設(shè)計(jì)過程，包括： V/F 轉(zhuǎn)換電路，電壓的放大 和偏置、頻率計(jì)、數(shù)碼管顯示、語音播報(bào)、電源，光耦合隔離。其中包括畢業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求，簡單介紹了一下 A/D 轉(zhuǎn)換器的原理、類型以及工作方式。 本論文章節(jié)安排如下： 第一章主要敘述了本次課題的研究背景和意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和全文章節(jié)體系。 CPLD 頻率測試計(jì)既是本文的重點(diǎn)也是難點(diǎn)， 對(duì) V/F變換后的頻率進(jìn)行測量時(shí)，由于頻率較高，一般在幾十 K