高分辨率ad转换电路的设计毕业设计(编辑修改稿)

高分辨率ad转换电路的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

能达到 12位；而尽管 AD650 的 最佳温度稳定性不如 LM331好，但其满刻度频率高， 线性度也 能够完全符合要求。 综上所述， 选择 了 AD650作为 V/F 转换的核心器件。 （ 3）频率测量 对 V/F 变换后的频率进行测量，由于频率较高，一般在几十 k甚至上百 k，要实现快速准确的测量频率，必须要有良好的硬件响应速度和良好的测量策略。 方案一：用单片机的计数器对基准时钟源进行计数。 然后通过计数的比值计算出被测信号的频率。 这种方案节省硬件，用一片单片机实现计数，运算等工作。 但是，由于单片机内部的计数器所能计数的频率有限，且通用单片机内部时钟精度较低，更重要的是开始计数和停止计数难以做到同步。 所以，此种方法测得的频率精度比较低，频率带宽也较窄。 方案二：用 8253 等专用硬件计数器配合逻辑电路设计一套硬件测量电路。 此种电路如果能合理设计，能做到实时性好，测量准确。 但是设计起来较为麻烦，需要的硬件多，电路制作复杂，由于引脚太多搭焊和线路连接都比较 繁琐，调试起来很难发现问题所在。 方案三：采用 CPLD（复杂可编程逻辑器件） 来 编写代码 以 实现频率计数功能。 CPLD 响应速度快可以达到十几纳秒甚至几纳秒， 且响应频率可以达到几十兆甚至上百兆，能够实现高速计数。 可编程逻辑器件能够用代码实现硬件的功能，不需要大规模的搭焊、跳线，并且容易 修改 ，一块芯片就能够 实现一大块板子的功能 而 且性能 比 传统的电路连接方式 更好。 我们 可以运用 EDA软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，电路一次 即可成型，不必对实际焊接的电路再进行繁琐的调试、修改，对于越大 规模的数字电路优越性 越强 [5]。 综上所述，考虑到时间的紧迫性和本题目要求达到 16 位的高分辨率，计数器必须达到很高的响应速度而且易于实现，所以 选用方案三。 （ 4）控制器 由于 本 此 设计对 与 运算控制器的响应速度要求 并不是很 高，只是在与 CPLD通讯的时候要求有较高的响应速度，且可进行大量的数据运算。 我们有两种方案可供选择： 方案一：采用 FGPA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。 FGPA 可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用 EDA 软件仿真、在线调试，易于进行功能 8 扩展，响应速度快。 但由于本设计对控制器的响应速度要求不高， FGPA 的高速处理优势得不到充分体现，并且由于芯片集成度很高，成本偏高，同时由于引脚较多，电路板的布线比较复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二：选择凌阳公司出 产的 SPCE061A 单片机。 该单片机算术运算能力比较强，其软件编程十分灵活，自由度大， 软件编程实现各 种算法和逻辑控制产生功耗小，技术相对 成熟，成本较低， I/O 口较多 ， 外扩 比较容易 ， 其响应速度能够 达到系统要求。 而且 SPEC061A 单片机自带语音模块，便于 实现语音的添加 [6]。 综上所述， 选择方案二。 （ 5）显示 在 A/D 转换完成后，由于系统 对 A/D 转换结果需要有一个比较清晰 的显示，因此 考虑了以下几种方案。 方案一：使用液晶显示屏 （ LCD）来 显示转换结果。 液晶显示屏 (LCD)具有轻薄短小，耗电量低，无辐射危险， 可以 平面直角显示以及影像 比较 稳定不 易闪烁等优势，显示 面积大，画面效果 比较 好，分辨率高，抗干扰能力 较 强和显示形式较灵活等优点，但是 编程工作量 比 较大，控制其 占用资源比较多。 方案二：使用传统的数码管 （ LED） 显示转换结果。 数码管（ LED）对环境因素要求较低，显示明亮，采用 BCD 编码显示数字，程序编译相对容易，资源占用少。 并且由于本人在学习单片机时主要学习的是 LED显示器方面的内容，对这方面也比较熟悉，在编写程序时也相对容易一些。 根据以上论述，采用方案二。 （ 6）语音 虽然设计要求中没要求必须设置语音报数，但是 由于凌阳公司的 SPCE061A单片机自带语音录入、播放模块，可实现简单的报数、说明功能。 可以省去自己制作外围电路、扩展 ROM 存储单元存储语音资源的繁琐。 尽管 SPCE061A 单片机内部 Flash 比较小，但因本系统对资源的要求较低，自带的语音模块完全够用。 因此尝试语音和数码管报数同时进行。 （ 7）电气隔离 由于 AD650 对外部电磁干扰反应非常敏感， V/F转换部分必须与测量显示部分实现电气隔离，我们考虑了以下两种方案。 9 方案一：采用霍尔元件进行磁隔离，霍尔元件比较便宜，容易加工制作，便于实现。 但是由于它是一种永磁元件，会对电路场产生额外的电磁影响，而且本系统要求的频率较高，磁隔离不适合本系统。 方案二：采用光耦合隔离。 光耦合可以实现高速响应，而且对外电路没有干扰，且电路连接比较方便，唯一的缺点就是成本 较高。 综上所述， 采用方案二。 系统各模块的最终方案 经过仔细分析和论证，最终 决定了系统各模块的最终方案如下： （ 1）精密基准源： 采用高精度、低温漂的电压基准 AD586 分压作为信号源 ； （ 2）电压放大及偏置：运算放大器 ICL7650； （ 3） V/F 转换：选 用 AD650 芯片； （ 4）频率测试：采用 CPLD（复杂可编程逻辑器件）； （ 5）控制器：采用凌阳 公司 的 SPCE061A 单片机； （ 6）显示： 采用 数码管（ LED）； （ 7）语音：采用凌阳 公司 SPCE061A 单片机 自带的语音系统 ； （ 8）电气隔离：采用光电耦合。 系统基本框图如图 3所示。 图 3 系统框图 ICL7650 AD650 SPEC061A CPLD 显示模块 语音模块 基准源 被测量 键盘 10 系统硬件的基本组成部分 本系统可分为电压信号产生部分、信号转换测量部分和控制部分。 具体的单元电路包括： V/F转换电路，信号调理电路、频率计 、键盘电路、数码管 显示、语音播报、电源，光耦合隔离。 各部分紧密连接形成了一套完善的 A/D 转换系统。 主要单元电路的设计 精密测试基准源 对于 16位的 AD 转换器，且满幅度输入电压仅为 100mV，如果要对 它的性能进行测试，则需要非常高精度以及非常低温漂的基准源，市场上很难找 到这样的基准源， 因此需要自已动手制造。 AD586 是 AD 公司 出产的 高精度 5V 的基准电压源 ,温漂低至 2ppm/℃，噪声为100nV/HZ,通过可调电阻 和 固定电阻进行分压 从而 产生 0100mV 的电压。 为了增加电压的负载能力，需要 进行电压跟随。 AD586 的管脚图 4如下： 图 4 AD586的管脚图 OPA333 是零漂移精密运放，漂移 值 最大为 ℃。 为了降低电源波动 造成 的影响，我们使用了两个 的基准源 LM336 对其供电。 LM336 的输出电流为 10mA，可满足 OPA33 的需要。 分压用的电阻为指针式10圈可调，可以达到理想的精度。 AD586 和 LM336 组成的基准源电路原理图如下所示： 11 IN2GND4TRIM5OUT6NR8TP7TP3TP1U4AD586JR321U732 1U5 +12104C20105C1991KR11312Res4104C2334521V+VU6OPA333650R10+55104C21104C22650R12Vref 5V100mV 图 5基准源电路原理图 电压的放大及偏置 0～ 100mV 的电压不能直接送给 V/F 变换 AD650， 必须经过精密放大和进行电位的偏置， 只有 这样才能达到设计的精度。 这里的运放我们选择的是具有斩波稳定功能的 ICL7650 运算放大器，它可以提供低的偏置电流（ 10pA）、温度的稳定性、偏置电压和相对时间。 输入的 0～ 100mV 电压经 40倍的放大后，产生 0～4V 的输出，因为 AD650 在 0V 输入的情况下，输出频率也是 0，这样计数得到频率很难 达到 16 的精度，因此 我们把 0～ 4V 的输入向上搬移了 1V，从而产生 1～5V的输入信号送给 AD650。 如图， U2构成了反相加法器， Uo=40VAD ＋ Voffset，U3构成了单位增益的反相器，从而产生 1～ 5V 的电压。 运放的电阻须选用 1/1000精度的，方可保证 V/F 变换的精度 [6]。 其原理图如图 6所示。 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 图 6电压放大偏置原理图 V/F 转换电路的设计 AD650是美国 ANALOG DEVICES公司推出的高精度电压频率 (V/F)转换器， 可构成廉价高分辨率低速 A/D转换器、远距离隔离信号传输电路、锁相环电路、调制解调电路、精密步进马达速度控制电路、窄带滤波电路。 AD650可用于高分辨率数模转换器、长期高精度积分器、双线高抗噪声数字传输和数字电压表，并可广泛用于航空、航天、雷达、通讯、导航、远距离字传输等领域。 AD650的输入电压可以是正电压 输入 、负电压输入或正负电压输入。 AD650的输出频率 fOUT与输入电压 VIN的关系可用公式。 fOUT=VIN／ (R1＋ R3) （ 1） 上式中 R1， R2， R3， C2的取值由式 (1)～（ 4） 决定，式中 VINmax为最大输入电压， fMAX为满刻度频率， VP为输出电路的电源电压，一般为 5V， IL为负载电流。 R1＋ R3=VINmax／ （ 2） R2min(Ω )=VP／ (8mA－ IL) （ 3） C2=(10－ 4／ SEC)／ fMAX (1000pF min) （ 4） 其外部引脚如图 7所示。 13 图 7 AD650外部引脚图 AD650 内部结构 原理图 如图 8 图 8AD650内部原理图 14 暂稳输入及输出波形为 图 9输入和输出波形图 为了 能够让 AD650集成 芯片的性能 完全 发挥 ，必须正确地选择该芯片的外围元件。 而在选择元件时， V／ F输出信号 (频率 )的占空比 是最 先要考虑 的要素，其值 t1/(t1+t2)，能够 从图中的波形图看 出。 在 定时电容 Cos 进定后， t1 是 一个定值， （ t1 + t2） 则 需要 根据输入电压的大小变 化，所以 输入电压 Vi的函数是 占空 D。 其中 当 输入满度电压时输出信号的占空比 Dvs这个参散对 V／ F的线性度的 影响 是最明显的 ， 如果 想 要达到最高 的线性度， 就一定要 选择 Dvs=25％。 根据 公式计算可知 Dvs 为： mAIIR VCRVICfttt tD v s isiosisosvs 1 m a xi n t m a xi n tm a x  （ 5） 15 若 想 要求 Dvs=25%， Iimax必须为 ， 虽然 外围仅需要几个元件但这几个元件决定 AD650的实际转换结果，所以外围元件的选择十分 重要。 因为 系统能够要求 0— 100mv对电压搬移后电压值仍为正值，所以我们选择正输入电路接线方式 ,如图 10所示： 图 10正输入接线图 积 分电容过大过小都不行，其满刻度量程与 Cos关系如图 11所示。