【正文】 信息處理技術中占有重要地位 ,特別是 高速、高分辨率 A/D轉換器已經(jīng)成為現(xiàn)代先進的電子設備或電子系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。它廣泛應用于雷達、聲納、高分辨率視頻和圖像顯示、軍事和醫(yī)療成像、高性能的控制器與傳感器、數(shù)字化儀表、各種檢測控制系統(tǒng)以及包括無線電話和基站接收機在內(nèi)的數(shù)字通訊系統(tǒng)等領域。由系統(tǒng)提供 0～ 100mV 連續(xù)可調的高精度測試用基準源，其中模擬輸入電壓為 0～ 100mV，電壓通過精準的放大和偏置后送給集成芯片 AD650 進行 V/F 變換，轉換出來的頻率信號由 CPLD 電路進行測量，結果送交控制器，產(chǎn)生 16 位 A/D轉換結果，最后通過 LED 顯示器來對轉換結果進行顯示。 關鍵詞： V/F； CPLD；頻率計； A/D 轉換 II Abstract In today39。 因為 系統(tǒng)的實際對象往往都是一些模擬量 (如壓力 、 溫度 、 圖像 、 位移等 ),要使數(shù)字儀表 和 計算機能識別 、 處理這些 信號 ，首先必須 將這些 模擬信號 轉換成數(shù)字信號； 然后 經(jīng)計算機分析。 因此 ，就需要一種能 夠 在 模擬信號 與數(shù)字信號之間起 到 橋梁作用的電路 模數(shù)和 數(shù)模轉換器 。 而高速、高分辨率 A/D 轉換器已經(jīng)成為現(xiàn)代先進的電子設備或電子系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分。 A/D 轉換器將 現(xiàn)實世界的模擬信號變換成數(shù)字 信號 以 便 進行處理 、傳輸 及其他操作。雖然出現(xiàn)得較晚，但卻具有分辨率高，價格便宜以及抗干擾能力強等優(yōu)點，所以其應用已日漸增多。也稱雙斜率或多斜率 A/D 轉換器。比較適合于對轉換速度要求不高，環(huán)境惡劣的應用場合。原理簡單，便于實現(xiàn)，不存在時間延遲問題， 適用于中等速率且分辨率要求較高的應用場合。最大特點是速度快，但功耗大且電路復雜，所以芯片尺寸也比較大 [1]。 但是 ，在日常的 實際應用中， 所 遇到的 主要 是連續(xù)變化的模擬量，因此，需要一種接口電路將 模 擬信號轉換為數(shù)字信號 ,A/D 轉換 器正是 為了滿足 這種 需要而 應運而生的。此外，由于工藝水平的不斷提高，而國際上已經(jīng)出現(xiàn)了 65μ m 的工藝，而這也使得 A/D 轉換器向著更高速度、更低電壓方向發(fā)展。 隨著近年來投入的增加，國內(nèi)一些單位也取 得了一定的成果，如 2021 年復旦大學專用集成電路與系統(tǒng)國家重點實驗室己研究成功低功耗的 10 位、 33MSPS流水線 A/D轉換器 。2021 年，上海交通大學研制出 TSMC m 工藝的 10 位、 80MSPS 的流水線 A/D轉換器。因此，設計生產(chǎn)出自己的高速高性能 A/D轉換器已成為當務之急。 研究內(nèi)容及章節(jié)安排 本論文主要研究高分辨率 A/D 轉換電路的工作和設計原理，重點對基準電壓源、 V/F 轉換以及 CPLD 頻率測試計進行了研究。 對于 16 位的 AD轉換器，且滿幅度輸入電壓僅為 100mV，如果要對它的性能進行測試，則需要非常高精度以及非常低溫漂的基準源，市場上很難找到這樣的基準源，因此需要自已動 手制造。 V/F 轉換作為本次設計的核心模塊，必須要有較低的最佳溫度穩(wěn)定性和較高的滿刻度頻率響應，才能滿足設計要求。 3 （ 3） CPLD 頻率測試計。在經(jīng)過多次考慮后，決定選擇自行設計一個 CPLD 頻率測試計來進行 頻率測試。 第二章主要敘述了本文設計的系統(tǒng)方案。初步描繪了系統(tǒng)組成框圖，并將系統(tǒng)劃分為 電壓發(fā)生部分、模擬 數(shù)字轉化部分和控制部分三大模塊，然后分別對這三大模塊進行分析論證，選擇設計方案，從而決定系統(tǒng)各模塊的最終方案。最終將各部分緊密連接形成了一套完善的 A/D轉換系統(tǒng)。 第五章是關于本次設計的系統(tǒng)測試。 最后是本文的一些總結，對導師和幫助我的同學的感謝，并列出本文選用的一些參考文獻，所編寫的程序和本次設計的實物圖。 采用普通元器件設計一個具有 16 位分辨率的 A/D轉換電路，轉換速度不低于 10 次 /S，線性誤差小于 1%。要求有一個 A/D 轉換結束后的輸出信號。例如輸入 100mV 電壓時顯示器顯示值不低于 32767。系統(tǒng)組成框圖 1如下 [2]。 方案二：逐次比較式 5 其速度快，以二進制的形式輸出，其與 CPU之間的連線較多，連線增多、轉換位數(shù)增多、導致成本也相應增加。 方案三： VFC式 利用積分原理，將輸入電流或電壓轉換成頻率進行輸出，脈沖頻率與輸入電流或電壓成比例，其線性度好、精度高、轉換速度居中、與 CPU的連線最少、轉換位數(shù)與速度可調，而且轉換位數(shù)增加時不會增加和 CPU 的連線， 因此， VFC式為 A／ D轉換技術提供了一種有效且廉價的解決辦法。它由電壓比較器，寄存器和代碼轉換器三部分組成。 考慮題目要求做一個 16位、 10Hz的 A/D轉換器， 實現(xiàn)對模擬電壓的測量和顯示。 系統(tǒng)基本方案 系統(tǒng)可以劃分為電壓發(fā)生部分、模擬 數(shù)字轉化部分和控制部分。模擬 數(shù)字轉化部分包括：電壓放大和偏置，V/F 轉換模塊，頻率測量模塊。模塊框圖如圖 2所示。 ICL7650 AD650 SPCE061A CPLD 顯示模塊 語音模塊 基準源 被測量 鍵盤 6 各模塊方案選擇和論證 （ 1）精密測試電壓源 方案一：普通基準源直接分壓輸出?？墒沁@種方式的輸出阻抗較高，分壓不是十分準確。優(yōu)點是可以程控，可以由鍵盤來設定輸出。 方案三：精密低溫漂高檔基準源，元件分壓后借助精密運放進行輸出緩沖。 考慮到系統(tǒng)對溫漂的要求非常嚴格，雖然對精度的要求不像溫漂要求那么嚴格，但是必須選擇方案三。 方案二：采用 V/F 轉換專用集成芯片 LM331 作為核心部件，輔以的外圍電路實現(xiàn)。 LM331 采用了新的溫度補償能隙基準電路，并且在整個工作溫度范圍內(nèi)和低到 電源電壓下都能夠有極高的精度。最佳溫度穩(wěn)定性為177。 方案三：采用 V/F轉換專用集成芯片 AD650 ，再 輔以的外圍電路就可實現(xiàn)。其電路在177。 AD650既能夠用于頻率電壓轉換器，又可用于電壓頻率轉換器。 150ppm/℃ 。 7 V/F 轉換作為本次設計的核心模塊，必須要有較低的最佳溫度穩(wěn)定性和較高的滿刻度頻率響應。綜上所述，選擇了 AD650作為 V/F 轉換的核心器件。 方案一：用單片機的計數(shù)器對基準時鐘源進行計數(shù)。這種方案節(jié)省硬件，用一片單片機實現(xiàn)計數(shù)，運算等工作。所以，此種方法測得的頻率精度比較低，頻率帶寬也較窄。此種電路如果能合理設計，能做到實時性好，測量準確。 方案三：采用 CPLD（復雜可編程邏輯器件）來編寫代碼以實現(xiàn)頻率計數(shù)功能?？删幊踢壿嬈骷軌蛴么a實現(xiàn)硬件的功能，不需要大規(guī)模的搭焊、跳線，并且容易修改，一塊芯片就能夠實現(xiàn)一大塊板子的功能而且性能比傳統(tǒng)的電路連接方式更好。 綜上所述，考慮到時間的緊迫性和本題目要求達到 16 位的高分辨率，計數(shù)器必須達到很高的響應速度而且易于實現(xiàn)，所以選用方案三。我們有兩種方案可供選擇： 方案一：采用 FGPA（現(xiàn)場可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器。但由于本設計對控制器的響應速度要求不高， FGPA 的高速處理優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于芯片集成度很高，成本偏高，同時由于引腳較多，電路板的布線比較復雜，加重了電路設計和實 際焊接的工作。該單片機算術運算能力比較強，其軟件編程十分靈活，自由度大，軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制產(chǎn)生功耗小，技術相對成熟，成本較低， I/O 口較多，外擴比較容易，其響應速度能夠達到系統(tǒng)要求。 綜上所述，選擇方案二。 方案一：使用液晶顯示屏（ LCD）來顯示轉換結果。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管（ LED）顯示轉換結果。并且由于本人在學習單片機時主要學習的是 LED 顯示器方面的內(nèi)容，對這方面也比較熟悉，在編寫程序時也相對容易一些。 （ 6）語音 雖 然設計要求中沒要求必須設置語音報數(shù)，但是由于凌陽公司的 SPCE061A單片機自帶語音錄入、播放模塊，可實現(xiàn)簡單的報數(shù)、說明功能。盡管 SPCE061A 單片機內(nèi)部 Flash 比較小，但因本系統(tǒng)對資源的要求較低，自帶的語音模塊完全夠用。 （ 7）電氣隔離 由于 AD650 對外部電磁干擾反應非常敏感， V/F 轉換部分必須與測量顯示部分實現(xiàn)電氣隔離，我們考慮了以下兩種方案。但是由于它是一種永磁元件，會對電路場產(chǎn)生額外的電磁影響，而且本系統(tǒng)要求的頻率較高，磁隔離不適合本系統(tǒng)。光耦合可以實現(xiàn)高速響應，而且對外電路沒有干擾，且電路連接比較方便，唯一的缺點就是成本較高。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細分析和論證，最終決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （ 1）精密基準源：采用高精度、低溫漂的電壓基準 AD586 分壓作為信號源； （ 2）電壓放大及偏置：運算放大器 ICL7650； （ 3） V/F 轉換：選用 AD650 芯 片； （ 4）頻率測試：采用 CPLD（復雜可編程邏輯器件）； （ 5）控制器：采用凌陽公司的 SPCE061A 單片機； （ 6）顯示：采用數(shù)碼管（ LED）； （ 7）語音：采用凌陽公司 SPCE061A 單片機自帶的語音系統(tǒng)； （ 8）電氣隔離：采用光電耦合。 圖 3 系統(tǒng)框圖 ICL7650 AD650 SPEC061A CPLD 顯示模塊 語音模塊 基準源 被測量 鍵盤 10 系統(tǒng)硬件的基本組成部分 本系統(tǒng)可分為電壓信號產(chǎn)生部分、信號 轉換測量部分和控制部分。各部分緊密連接形成了一套完善的 A/D 轉換系統(tǒng)。 AD586 是 AD公司出產(chǎn)的高精度 5V 的基準電壓源 ,溫漂低至 2ppm/℃，噪聲為100nV/HZ,通過可 調電阻和固定電阻進行分壓從而產(chǎn)生 0100mV 的電壓。 AD586 的管腳圖 4如下： 圖 4 AD586的管腳圖 OPA333 是零漂移精密運放，漂移值最大為 ℃。 LM336 的輸出電流為 10mA，可滿足 OPA33 的需要。 AD586 和 LM336 組成的基準源電路原理圖如 下所示： 11 IN2GND4TRIM5OUT6NR8TP7TP3TP1U4AD586JR321U732 1U5 +12104C20105C1991KR11312Res4104C2334521V+VU6OPA333650R10+55104C21104C22650R12Vref 5V100mV 圖 5基準源電路原理圖 電壓的放大及偏置 0～ 100mV 的電壓不能直接送給 V/F 變換 AD650，必須經(jīng)過精密放大和進行電位的偏置，只有這樣才能達到設計的精度。輸入的 0～ 100mV 電壓經(jīng) 40 倍的放大后，產(chǎn)生 0～4V 的輸出，因為 AD650 在 0V 輸入的情況下，輸出頻率也是 0，這樣計數(shù)得到頻率很難達到 16 的精度，因此我們把 0～ 4V 的輸入向上搬移了 1V，從而產(chǎn)生 1～5V的輸入信號送給 AD650。運放的電阻須選用 1/1000精度的，方可保證 V/F 變換的精度 [6]。 12 4510V7+V11NC(GUARD)6NC(GUARD)3EXT CLKB1CLM9EXTCLK A2EXT/CLK IN13INT/CLK OUT12RTN CLK8IN/EXT14U2ICL7650BCPD104C13104C14+1212100pC12100pC174510V7+V11NC(GUARD)6NC(GUARD)3EXT CLKB1CLM9EXTCLK A2EXT/CLK IN13INT/CLK OUT12RTN CLK8IN/EXT14U3ICL7650BCPD104C15104C16+1212100pC11100pC18800KR920KR8800KR7VAD312Res3Vref 5200KR5200KR6VAD650Voffset 圖 6電壓放大偏置原理圖 V/F 轉換電路的設計 AD650是美國 ANALOG DEVICES公司推出的高精度電壓頻率 (V/F)轉換器， 可構成廉價高分辨率低速 A/D轉換器、遠距離隔離信號傳輸電路、鎖相環(huán)電路、調制解調電路、精密步進馬達速度 控制電路、窄帶濾波電路。 AD650的輸入電壓可以是正電壓 輸入 、負電壓輸入或正負電壓輸入。 fOUT=VIN／ (R1＋ R3) （ 1） 上式中 R1， R2， R3， C2的取值由式