【正文】 W負載電阻。第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案論證和比較 系統(tǒng)總體設(shè)計及原理方框圖整體電路方框圖如圖21所示。放大部分有前級跟隨、可控增益放大和后級放大三部分構(gòu)成。其中加入濾波裝置，設(shè)計10MHz的LC巴特沃斯低通濾波器來提高系統(tǒng)控制效果。AD轉(zhuǎn)換將輸出電壓的有效值送回給單片機，實現(xiàn)液晶顯示。但這種電路結(jié)構(gòu)其抗噪聲能力關(guān)鍵取決于所用器件，由于特性一致的晶體管和場效應(yīng)管不容易購買，若采用一致性稍差的管子，其抗噪聲性能會明顯降低。方案比較：方案二其抗噪性能不一定優(yōu)于方案一，但電路形式簡單，易于調(diào)試，并且期間易于購買，能夠滿足題目的輸入阻抗的要求故選取該方案。利用高頻三極管構(gòu)成多極放大電路實現(xiàn)滿足增益40dB要求，同時用二極管在輸出端檢波產(chǎn)生電壓反饋，實現(xiàn)自動增益控制的目的。方案二：選擇高速、寬帶放大器，組建兩級放大電路，可以用繼電器或模擬開關(guān)構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)。但是控制的數(shù)字量和最后的增益(dB)不成線性關(guān)系而是成指數(shù)關(guān)系，造成增益調(diào)節(jié)不均勻，精度下降。方案三：直接選擇可控增益放大器AD603實現(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；而這個參考電壓可通過單片機進行運算被控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓得到，從而實現(xiàn)精準的控制。不足之處是兩級可變增益放大器串聯(lián)會導(dǎo)致零點漂移過大，有可能造成同頻帶下降，波形失真等不良影響。當(dāng)設(shè)定增益較低時，只使用可變增益放大器進行調(diào)節(jié)；當(dāng)設(shè)定增益較高時，可變增益放大器無法單獨完成增益放大要求，通過繼電器的切換選擇，固定增益放大器投入使用，即可完成任務(wù)要求。[6]方案比較：方案一采用分立元件，弊端極多，不予考慮；方案二存在阻抗匹配的問題，而且自行搭建的電阻網(wǎng)絡(luò)，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)干擾變大，且面臨步進難以進一步細分的困難，且增益量（dB）不成線性；方案四能夠較好的實現(xiàn)題目，但需要元器件難以獲得，并且控制規(guī)律復(fù)雜，不易進行程序設(shè)計。單片機易于控制，自動增益控制也可以通過軟件方法來實現(xiàn)，考慮到可以實現(xiàn)系統(tǒng)要求，通過一些電路設(shè)計改進措施，可以抑制零點漂移，因此最終選擇了方案三。該電路廣泛應(yīng)用于示波器、顯像管中。為獲得較低的通頻帶下限頻率，可用直接耦合方式，而直接耦合的多級放大器工作點調(diào)試繁瑣，需要較豐富的實踐經(jīng)驗。[7]原理圖見圖22。AD811的單位增益帶寬為140MHZ，擺率為2500V/uS，輸出電流可達100mA，完全可以滿足要求。 有效值檢測部分方案一：利用高速ADC對電路進行一周期數(shù)據(jù)采樣，將一周期內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入單片機并計算其均方根值，即可得出電壓有效值（式2－1）。[8] （2－1）方案二：對信號進行精密整流并積分，得到正弦電壓的平均值，再進行ADC采樣，利用平均值和有效值之間的簡單換算關(guān)系，計算出有效值并顯示。但此方法對非正弦波的測量會引起較大的誤差。器外圍器件少、頻帶寬，輸出有效值用A/D采樣來進行單片機處理。變換芯片選用AD637。第三章 硬件電路設(shè)計 單片機顯示控制模塊 單片機最小系統(tǒng) 單片機STC89C58RD系統(tǒng)核心控制器件采用宏晶科技公司生產(chǎn)的新型單片機STC89C58RD，此款單片機加密性較強。并具有超低功耗和對外部電磁輻射抗干擾性能。芯片內(nèi)含32K flash存儲器，1280B RAM存儲器，16K EEPROM存儲器，因為本系統(tǒng)代碼量較大，使用此款單片機可以不用再去擴展外部存儲器，簡化了硬件設(shè)計。STC89C58RD提供32個I/O通道、三個16位定時器/計數(shù)器、6個中斷源以全雙工串行接口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。較傳統(tǒng)51內(nèi)核單片機，STC89C58RD使用經(jīng)典的RS232標準串口就可以實現(xiàn)ISP程序下載功能。 圖31 STC89C58RD單片機在線編程典型電路 時鐘電路單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。本系統(tǒng)采用的是內(nèi)部時鐘方式。外接石英晶體振蕩器及瓷片電容接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。推薦使用兩片30pF陶瓷電容。圖32 時鐘電路 復(fù)位電路幾乎所有單片機都需要復(fù)位電路，復(fù)位電路的基本功能是：在單片機上電時能可靠復(fù)位，對單片機進行初始化操作，是單片機內(nèi)部各寄存器處于一個確定的初試狀態(tài)，以便進行下一步操作。單片機的復(fù)位電路有兩種形式：上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。上電復(fù)位是利用電容的充電來實現(xiàn)的，由于電容兩端電壓不能突變，上電瞬間RESET端的點位與Vcc相同，隨著電容上儲能增加，電容電壓也增大，充電電流減少，RESET端的電位逐漸下降。通常采用10μF的電解電容和 1kΩ的電阻。[10] 輸入設(shè)備—鍵盤鍵盤是計算機不可缺少的輸入設(shè)備，是實現(xiàn)人際對話的紐帶。獨立鍵盤與單片機連接時，每一個按鍵都要占用單片機的一個I/O口，由于本系統(tǒng)需要較多按鍵，使用獨立按鍵就需要占用過多的I/O口資源。本系統(tǒng)采用44矩陣鍵盤。[10]圖34 矩陣鍵盤電路圖無論是獨立鍵盤還是矩陣鍵盤，單片機檢測其是否被按下的依據(jù)都是一樣的，也就是檢測與該鍵對應(yīng)的I/O口是否為低電平。而矩陣鍵盤兩端都與單片機I/O口相連，因此檢測時需要人為通過單片機I/O口送出低電平。這就是矩陣鍵盤檢測的原理和方法。顯示器是計算機用來顯示數(shù)據(jù)和結(jié)果的必要設(shè)備。LED數(shù)碼管其特點是工作電壓低，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。LCD液晶顯示器是利用液態(tài)晶體的光學(xué)特性來工作的。缺點是遠距離顯示不夠清晰，工作溫度范圍較窄。液晶顯示還有一個突出有點，占用I/O口較少，內(nèi)部含有存儲器，不需要占用大量CPU資源去維持顯示。能夠很好完成本系統(tǒng)的顯示任務(wù)。其連接電路如圖35所示。為了提高測量精度，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。如圖36為MAX197的典型接法。為了減少I/O資源的占用，采用8根數(shù)據(jù)線分時復(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。[11]圖36 MAX197典型接法 D/A轉(zhuǎn)換器本系統(tǒng)要求進行增益可控，為了實現(xiàn)這一功能，采用可控增益放大器AD603來實現(xiàn)增益可控。這個參考電壓需要通過單片機控制D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。DAC667內(nèi)部含有精密電壓基準，微計算機接口邏輯，雙緩沖鎖存和一個帶有電壓輸出放大器的D/A轉(zhuǎn)換器。DAC667采用雙電源177。15V供電，低功耗。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，進行數(shù)據(jù)的分時傳送，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。本方案前級采用正向跟隨器；另外前級電路對整個電路的噪聲影響非常大，必須盡量減少噪聲的干擾，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖38所示為輸入緩沖級的電路連接原理圖。如圖39所示為AD603內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。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： （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－～＋。變化范圍為－10dB～＋30dB。[14]從32式可以看出，以dB作單位的對數(shù)增益和電壓之間是線性的關(guān)系。[15] 低通濾波部分為了滿足題目帶寬要求，同時抑制高頻干擾。低通濾波器采用一個無源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。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。由于傳統(tǒng)的設(shè)計方法，實現(xiàn)繁瑣。本設(shè)計使用了專業(yè)濾波器設(shè)計軟件Filter Solutions進行濾波器設(shè)計。 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)計步驟：１、根據(jù)濾波器的設(shè)計要求，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)、時域響應(yīng)(Time Response)、零極點圖(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)和負載電阻(Load Res)。如圖313所示為濾波器的頻域響應(yīng)圖像。本設(shè)計采用高速單運放AD811完成放大。12V供電，增益為10 dB的情況下，3 dB帶寬達100MHz,遠遠滿足本系統(tǒng)的寬帶放大要求，有177。如圖314所示為功率放大級的電路連接原理圖。AD637可測量的信號有效值可高達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可以對輸出電平信號的以dB形式指示，可以測出任意波形交變信號的有效值。根據(jù)芯片手冊所給出的計算真有經(jīng)驗公式為： （3－3）其中，為輸入電壓，為輸出電壓有效值。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)壓電源模塊在整個系統(tǒng)中有非常重要的作用?？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)_。并聯(lián)型電路復(fù)雜，效率低，僅用于對調(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。[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。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）。整流電路：將交流電壓U2轉(zhuǎn)換為單相脈動直流電壓U3。輸出電壓的平均值可由公式3－4求得： （3－4）濾波電路：將脈動直流電壓濾除紋波，轉(zhuǎn)換成紋波小的直流電壓U4。電容濾波是最簡單的濾波方式，它是在整流電路的負載上并聯(lián)一個大電容C。輸出平均電壓可按公式3－5進行計算： （3－5）穩(wěn)壓電路：起作用是將當(dāng)交流電網(wǎng)電壓波動或者負載變化時，保證輸出直流電壓穩(wěn)定。其中正負12V，正負5V都可以使用相應(yīng)的固定輸出的三端穩(wěn)壓芯片，LM780LM790LM781LM7912。根據(jù)以上四個步驟進行直流穩(wěn)壓電源的設(shè)計，其電路圖如圖315所示。此環(huán)境支持眾多不同公司的MCS51 架構(gòu)的芯片，集編輯、編譯、仿真等于一體，同時還支持PLM、匯編和C 語言的程序設(shè)計，在調(diào)試程序、軟件仿真方面也有很強大的功能。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。 軟件設(shè)計流程由于本系統(tǒng)中單片機只進行增益控制和電壓有效值顯示工作，所以軟件設(shè)計比較簡單。[17]還可以通過液晶顯示當(dāng)前設(shè)定增益值和當(dāng)前輸出電壓有效值。圖41 系統(tǒng)軟件流程圖第五章 抗干擾措施 硬件抗干擾技術(shù) 通帶內(nèi)增益欺負控制本系統(tǒng)由多級放大單元構(gòu)成，為了滿足同頻帶內(nèi)增益起伏控制，設(shè)計中均選擇高速、寬帶運算放大器，使其1dB帶寬均滿足題目要求，經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，AD603隨著增益增大，帶寬略有下降，因此通過濾波級補償，使信號在通頻帶內(nèi)的增益更加平坦。在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍，可吸收高頻信號減少噪聲。 抑制零點漂移本系統(tǒng)主要由前置放大級、可控增益級和功率放大級這三部分組成，由于系統(tǒng)采用直接耦合，對于高增益電路，直接耦合時前級的微小變化對經(jīng)放大后在后級產(chǎn)生較大偏置。 系統(tǒng)的穩(wěn)定性系統(tǒng)的總增益為0～40dB，因此抗干擾措施必須要做得很好才能避免自激和減小噪聲。在輸入級，將整個運放用較粗的地線包圍，縮短地線回路，并可吸收高頻信號減少噪聲。盡力避免信號傳輸過程中的高頻干擾。各部分擺放位置按照信號走向放置，減少板與板之間的連線長度。為解決數(shù)字模塊和模擬模塊之間的共地問題，將數(shù)字部分和模擬部分分別共地，使用了0Ω電阻連接兩部分公共地。所以軟件抗干擾是被動措施，硬件抗干擾是主動措施。軟件抗干擾的內(nèi)容，其一是采取軟件的方法抑制疊加在模擬輸入信號上噪聲的影響，其二是由于干擾而使運行程序發(fā)生混亂，導(dǎo)致程序亂飛或者陷入死循環(huán)時，采取使程序納入正規(guī)軌道的措施和方法。采用中值濾波技術(shù)可以消除偶然因素造成的脈沖干擾。用C語言編寫的，利用“冒泡”程序設(shè)計算法實現(xiàn)的中值濾波程序如下：int p (int num){ unsigned int temp i,j。inum1。jnum1。 /*反