高精度ad转换电路的设计(c题(编辑修改稿)

高精度ad转换电路的设计(c题(编辑修改稿)内容摘要：

（精密电阻，电位器， NPN晶体三极管）能方便购买到，也有挑选合适元器件的余地；规模小，易于调试。 但其使用时对各个器件精度要求很高，否则容易产生漂移， 造成输出不 稳定。 方案二：采用稳压器件对一小电压值稳压，再输入运算放大器 组成的比例运算电路 实现可调电压值衰减，实现低伏电压值连续可调。 比例运算电路采用串联反馈，其降低了输入电阻，经实验，其会使 运算放大器在 衰减增益较大时所输出的微小电压值不稳定，易受外界噪声影响。 并且该方案的实现成本较高。 基于以上讨论，采用方案一制作模拟可调电压源。 模拟信号采集与处理模块方案论证 该模块分为信号调理模块和采样保持模块。 经过处理后的模拟信号便可以送入 AD 转换模块进行转换。 信号调理模块 由于 AD 转换电路输入电压为 0~100mV，故需要对信号进行前级放大和滤波等处理。 方案一： 采用精密仪用放大 器 AD620 对毫伏级的电压信号进行精确放大。 该集成运放不仅放大倍数精确，而且放大电路的接法简便，仅使用一个精密可调电阻接入两个 RG端便可以实现 1~1000 倍的信号放大。 故该运放适合于为该转换器的输入信号进行放大 ，可以减小产生在信号放大及上的系统误差。 为防止上电噪声信号的干扰 和转换器工作时外界的强信号干扰 ，保护后级电路，在放大器前后均连入合适的旁路电容。 方案二：使用专用的信号调理电路或集成芯片。 考虑到该电路的输入为较小的直流信号，AD 转换器对信号也没有特殊的要求，使用集成运放和电容便足以达到题目要求；同时， 专用的信号调理电路成本较高。 基于以上讨论，采用方案一经济而且高效地完成该模块功能。 采样保持模块 方案一： 使用运算放大器和阻容元件搭建采样保持电路，电路原 理如图 8 所示。 该方案电路 易于实现，可以根据设计要求灵活地调节电路的参数，方便调试；但与此同时， 由于自行焊接阻容元件，其工作时容易对相关电路造成干扰，使系统电路工作不稳定，并且该电路本身的稳定性也难以保证。 A R 1A R 2C1S1Ui Uo 图 8 简易采样保持电路 方案二：采用专用的采样保持芯片，如 LF298 或 LF398。 该方案 由于使用集成芯片，一方面其自身的稳定性和采样精度可以保证，另一方面对其他电路及芯片的干扰也相对较低。 集成采样保持器 LF398，采用了双结型场效应管技术，具有许多优良的特性，如工作电源范围宽，可在供电电压 177。 5V~177。 18V 下工作 ； 电压跟随时间短 （ 10μ s） ，下降率低 ； 输出电压零点可调 ； 高精度的直流误差 ( %)； 低功耗等。 并且 其价格低廉，在国内应用非常广泛。 综上考虑，采用方案二， 以更好得对输入电压信号进行采样保持。 AD 转换模块方案论证 本模块是该电路系统的核心部分，其实现了系统设计的基 本要求，包括精密比较器模块，时钟信号模块，积分电路模块，计数器模块 和 定时器模块 等几个部分。 各部分的方案论证如下。 时钟信号模块 经估算，要达到题目要求的转换频率，大于 20次 /s，即每次转换时间不超过 50ms，根据 双积分型模数转换原理，所需的时钟频率应在 5MHz左右。 方案一：采用单稳态触发器 SN74121级联组成高频方波振荡器。 可由三级单稳电路级联组成 最高输出频率为 7MHz的方波振荡器。 该方案电路组成庞大且较为复杂，振荡电路对外界干扰信号敏感。 方案二：由 TTL非门组成简单振荡器。 可构成环形 振荡 器如图 9所示。 经过 RC值的调整，该振荡电路频率最高可达到 5MHz以上。 但由于阻容元件在长时间工作时会产生一定的误差，故输出频率稳定性不佳。 1 2U 1 A3 4U 1 B5 6U 1 CR1C1O u t p u t 图 9 TTL 非门构成环形振荡器 TTL门电路和阻容元件组成的多谐振荡器的优点是电路简单、易于调节。 但是，由于决定振荡频率的主要因素是电路达到转换电平的时间，所以振荡频率的精度和稳定度取决于门电路的阈值电压。 因为阈值电压的离散性，以及易受电源电压和环境温度变化的影响，使振荡频率稳定度通常只有 102数量级。 方案 三 ：采用 TTL门电路组成晶体振荡器。 在对频率精度和稳定度要求高的场合，通常采用晶体振荡器。 石英晶体不但有较高的频率稳定性，而且由于品质因数高，还有极好的选频特性，使频率精度也很高。 在振荡器中采用的石英晶体工作在串联谐振频率上，此时晶体阻抗最小，该频率的信号最容易通过；而对于其他频率的信号，晶体呈现高阻抗。 从而实现了选频振荡，振荡频率稳定。 其组成的 电路原 理图如图 10所示。 选择不同的石英晶体，可以获得 1MHz~10MHz的方波输出。 该电路即使不采用其他稳频措施，其稳频度也可达到数量级。 123U 1 A456U 1 B8910U 1 CY1 C2R1 R2C3G N DO u t p u tC1 图 10 TTL 门电路组成晶体振荡器 基于以上讨论，选择方案三产生精确稳定的时钟信号，供计数器进行精确计数。 计数器模块 方案一： 利用普通的门电路和触发器搭建一个 16位的加法计数器。 该电路控制方便，但 其电路庞大，不能实现系统的集约性，同时容易造成系统的不稳定，不利于调试。 方案二： 采用集成二进制同步加法计数器 74LS161级联成 16位计数器。 74LS161是 4位计数器，具有异步清零，同步置数和保持数据等功能。 可以通过进位信号输出端直接级联到下一个 4位计数器的计数脉冲输入端 ，再设置相应的控制端实现 16位加法计数功能。 74LS161的输入响应频率的典型值为 40MHz，完全可以满足本系统约 5MHz的时钟信号输入；同时该方案级联使用方便，电路参数适应范围广。 综上考虑，选择方案二。 积分电路模块 方案一：采用普通运算放大器 OP07 构成积分器。 OP07 是低输入失调电压的集成运放，具有低噪声，小温漂等特点。 它的主要技术指标如下：输入失调电压 为 10μ V， 输入失调电流 为 ，输入失调电压温度系数为 V/℃。 但经实验验证，该运放的调整比较繁琐，而且稳定程度不高。 方案二：采用精密运放 AD620 构成积分电路。 AD620 内部含三级运放，前两级作差动放大，后一级起隔离作用， 共模抑制比高 ,低频响应特性良好 ，性能稳定；并且可调整输入失调电压，使用方便。 用于积分电路中，可以大大提高积分过程的稳定性，提高 AD 转换的精度。 由于积分电路是双积分型模数转换电路的核心部分，需要很高的精度和稳定性，故选择方案二。 精密比较器模块 方案一：采用集成比较器直接完成电压比较功能，如 LM311及 LM11 LM21 LM319。 该 系列 比较器的电源电压是 2~36V或 177。 18V，输出 电流大，可直接驱动 TTL和 LED；同时，其速度较快，例如 高速双比较器 LM319的建立时间为 80ns。 但其最大输入失调电压可达到8mV， 最大输入偏置电流为 200nA。 LM311的建立时间为 200ns，输入失调电压典型值为 2 mV，最大输入偏置电流仅有 50nA。 方案二：使用精密运算放大器 AD620。 AD620是一种低功耗、高精度仪表放大器。 它体积小，为 8管脚的 SOIC或 DIP封装； 功耗低， 最大供电电流仅为。 AD620具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为 50μ V，最大输入失调电压漂移为 lμ V /℃ ，最大输人偏置电流为。 在 ～ 10Hz范围内输人电压噪声的峰一峰值为 V。 放大倍数为 1时其 增益带宽为 120kHz，建立时间为 15μ s。 总之， AD620能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性能指标。 综合 论证 方案一和方案二， 又考虑到比较器的建立时间对 AD转换精度的影响比较大，可以看出 采用专用电压比较器更能符合题目要求，以芯片购买的难易程度决定 选择 LM311比较器模块 ，采用方案一。 定时器模块 方案一：使用 555定时器 辅助控制。 555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。 该电路使用灵活、方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳、施密特触发器和多谐振荡器，因而广泛用于信号的产生、变换、控制与检测。 在该 AD转换电路中，可以 使用 555 定时器 的单稳态工作方式。 当计数器计满时，触发定时器输出一个延时一定的高电平脉冲，使其定时时间长于计数器从 0直至计满所需的时间；从而该信号便可作为 AD转换结束标志信号和转换初始化控制信号。 该方案辅助了单片机对 AD转换电路的控制，同时，由于该定时器应用技术较为成熟，其稳定性也有一定保证，广泛见于各电子市场上。 方案二：直接利用单片机 完成定时与控制功能。 将计数器的进位信号接入单片机的一个外部中断端口，当对输入模拟电压信号第一阶段积分完成后，计数器输出一高电平脉冲，由单片机中断查询的该信号，在执行相应的延时；延时结束后对 AD转换部分执行读取转换值和初始化控制功能。 该方案可以实现对 AD转换过程较为流畅的控制，简化了外围电路，可以达到题目要求；但其不足之处在于，首先，其不利于将来 AD转换器的封装使用，用户接口不友好 ，编程和控制不方便；其次，该方案需占用单片机的一个外部中断源，不利于单片机功能的扩展。 故选择方案一实现定时 功能。 数字信号处理与输出模块 方案论证 AD转换过程结束后，需要将转换后的结果输出到单片机中进行处理 ，需要保证数字信号处理与输出的准确性和稳定性 ； 又考虑到题目要求 将 AD转换电路与测量显示部分实现电气隔离 ， 从而 消除单片机 测量显示部分 与 AD转换电路 共地 而产生的相互 影响 ，数字信号的输出可以首先通过光电耦合器件再接到数字信号接口。 方案一：将计数器的计数并行输出端 通过 光电耦合器 直接同单片机相连。 74LS161具有数据保持功能， 计数结束后， 单片机接收到 AD转换结束的信号 ，便 直接从计数器端读取数据。 由于计数 器在其计数的同时并行输出端的值也在不断变化，如果其直接将输出信号经过光电耦合器 接入单片机的输入输出口，容易对单片机在不读入数据时的数据处理过程造成影响 ，也容易对 电气隔离元件 造成损坏。 方案二： 将计数器的计数并行输出端通过 光电耦合器 接入一个锁存器，其输出端接入单片机的输入输出口，锁存器可由单片机控制信号直接控制。 计数结束后，单片机发出一控制信号使能锁存器锁存信号 并由单片机读入进行显示等的处理。 基于以上论证，选择方案二。 单片机控制接口部分设计方案论证 该部分包括 AD转换控制接口，人机对话界面接 口两个部分。 其中 AD转换控制接口可以通过相应的程序代码实现 AD转换的连续进行和特殊功能选择；人机对话界面接口包括键盘，显示等部分，可以完成转换结果的显示， AD转换的功能设置等。 其方案论证如下。 单片机 选 型 方案 方案一：采用 MCS— 51系列单片机。 51系列单片机价格便宜，使用简单，开发软件以及硬件调试器型号众多，应用广泛而普遍。 但 51系列单片机 RAM， ROM等资源少， 中断系统功能不丰富，外围模块少；同时， 指令周期 也较 长，运算速度较其他 RISC指令系统单片机慢。 方案二：采用 PIC18F4620单片机。 PIC18F4620采用哈佛结构，以及 RISC指令系统，其具有丰富的 I/O口资源， 1K容量 RAM， 64K的 FLASH，内置 A/D和 EEPROM，看门狗电路， 倍频电路等丰富的外围模块 ； 其 一个指令周期是四个机器周期，运算速度快，完全能够满足系统要求。 但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不方便，使用 也 不广泛。 方案 三 ：采用 凌阳 16 位单片机 SPCE061A 作为控制与数据处理核心。 其 具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强 、开发灵活 等特点，内嵌 32k 字闪存 FLASH，处理速 度高，适用于 快速数据处理和数字语音 等应用领域 ；也可以方便得进行外围设备的扩展。 其内部结构 框图如图 11 所示。 由 于本系统需要较 一定 的数据运算与处理，可用 C 语言比较容易的进行编程以完成相应功能。 图 11 SPCE061A 内核结构框图 比较上述方案，选择方案三。 AD 转换控制接口 AD转换 电路 中， 需要单片机辅助控制来完成转换，控制内容主要有 555定时器的定时脉冲输出信号 ，作为 AD转换完成的标志 EOC； 积分与比较电路中失调电压的初始化调整 ，计数器初始化清零 （ 控制三个 光电耦合器 ， 具体方法见单元电路设计部分） ，作为 AD转换器的启动信号 START； 以及锁存器锁存控制信号 ，作为 AD转换器的输出使能信号 OE。 方案一：将控制线经过一定的逻辑，直接将单片机与 AD转换电路相连接。 该方案 电路连接简单，但鉴于题目要求 将 AD转换电路与测量显示部分实现电气隔离 ，因此该方案不能满足题目要求。 方案二： 控制线经过光电耦合器接入单片机，以实现 AD转换电路与测量显示部分 的 电气隔离 ，这样可以避免单片机测量显示部分与 AD转换电路共地的相互影响，能达到题目要求。 根据以上论证，选择方案二以达到 发挥部分的相应要求。 键盘模块 分析题目要求，选择。