高分辨率AD转换电路的设计大学生电子设计竞赛 推荐.docx
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高分辨率AD转换电路的设计大学生电子设计竞赛推荐
2006年山东省大学生电子设计竞赛
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摘要:
本系统是以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心而设计的具有高分辨率高速A/D转换器，实现了对模拟电压的实时测量和显示，并具有键盘设定、步进、液晶显示设定值和测量值、语音提示等功能。
初始待测模拟电压信号由频压转换输出，并通过光电耦合实现了A/D转换电路与测量显示部分的电气隔离。
不仅完全实现了题目中的基本要求和发挥部分，并在此基础上有所创新。
AD转换高速实现、美观友好的操作界面以及语音播报都是我们作品的亮点。
关键词：
SPCE061A，模拟电压信号，数模转换,模数转换，光耦隔离
Abstract:
Withsunplus’16bitssinglechip——SPCE061Aasitscontrolcore,thesystemwedesignedisanAnalogtoDigitalConverterofhighresolvingpowerandhighspeed.Itcanmeasureanddisplaytheanalogvoltageinreal-time.What’smore,thekeyboardpresetting,displayingthegivenvaluewithLEDandactualmeasuringvaluewithLCD,stepandvoiceremindingmakeoursystem’functions.
Initialvoltageisgivenbythefrequencytovoltagecircuit,andtheopticalcouplingisolatorisaddedtorealizetheisolationofA/Dconversioncircuitandmeasure-displaycircuit.Ithascompletelyrealizedboththebasicrequestsandtheextendedpart, furthermore,ithastheinnovationinthisfoundation.ThehighspeedofADconversion,thefriendlyoperatingmenuandvoiceplayingaretheshiningpointsofourdesign.
KeyWords:
SPCE061A，SimulatedVoltageSignal，AnalogtoDigitalConverter,DigitaltoAnalogConverter,theOpticalCouplingIsolator
1 设计任务与要求
1.1设计任务
设计一个具有高分辨率A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。
系统组成框如图１所示：
输入电压A/D转化电路单片机显示器
信号（自行设计）
键盘
电源
图1系统组成框图
1.2设计要求
1.2.1 基本要求
Ø采用普通元器件（不允许使用任何专用A/D芯片）设计一个具有15位分辨率的A/D转换电路，转换速度不低于10次/S，线性误差小于1%。
Ø设计并制作一个具有测量和显示功能的仪器或装置，将该A/D转换电路 的结果显示出 来，有转换结束信号，显示器可采用LED或LCD。
Ø要求有一个A/D转换结束后的输出信号。
Ø自行设计一个可以从0—100mV连续调节的模拟电压信号作为该系统的被 测信号源，以便对A/D转换电路的分辨率进行测试。
例如输入100mV电压时显示器显示值不低于32767。
1.2.2 发挥部分
Ø分辨率为16位，线性误差小于0.5%。
Ø转换速度不低于20次/S。
Ø将A/D转换电路与测量显示部分实现电气隔离。
1.2.3 创新部分
Ø仿照WINDOWS菜单，操作方法一目了然，界面友好美观
Ø考虑到控制系统的智能化和完整性，又增加了播放语音功能
Ø选择AD不工作时，LED实时显示当前时间
Ø自制电源
2 设计原理及方案选择
2.1 总体设计思想
根据题目的要求，系统可划分为控制模块、AD转换模块、电源模块、显示模块、键盘模块、信号源模块，另外增加了语音模块、时钟模块。
系统框图如图2：
图２系统总体框图
2.2模块设计原理与选择
其中AD转换为设计的核心部分，因此分AD转换模块和其他模块两部分进行讨论。
2.2.1AD转换原理
模数转换器（简称A/D转换器或ADC,AnalogtoDigital Converter）的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，为此模块的设计是整个作品的核心部分，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。
一个完整的AD转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。
在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。
例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的。
量化和编码是在转换过程中同步实现的，而且所用的时间又是保持的一部分。
具体过程如图3所示
图3AD转换过程
采样过程
如图4所示是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。
为了保证能从采样信号中将原信号恢复，必须满足条件
fs≥2fi（max）
（1）
其中fs为采样频率，fi（max）为信号ui中最高次谐波分量的频率。
这一关系称为采样定理。
AD转换器工作时的采样频率必须大于等于式
（1）所规定的频率。
采样频率越高，留给每次进行转换的时间就越短，这就要求AD转换电路必须具有更高的工作速度。
因此，采样频率通常取fs=（3~5）fi（max）已能满足要求。
图4模拟信号采样
采样过程即通过采样保持电路完成。
量化与编码过程
为了使采样得到的离散的模拟量与n位二进制码的2n个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到2n个离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为量化。
量化后的值再按数制要求进行编码，以作为转换完成后输出的数字代码。
量化和编码是所有AD转换器不可缺少的核心部分之一。
数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。
这就是说，在进行AD转换时，任何一个被采样的模拟量只能表示成某个规定最小数量单位的整数倍，所取的最小数量单位叫做量化单位，用△表示。
若数字信号最低有效位用LSB表示，1LSB所代表的数量大小就等于△，即模拟量量化后的一个最小分度值。
把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。
这些代码就是AD转换的结果。
2.2.2AD转换方案
v方案一：
计数器式A/D转换。
其工作原理为D/A转换后的电压依次与计数器中的计数数值所对用的电压进行比较，并随之调节计数器中数值。
计数器式AD转换线路比较简单，但转换速度比较慢，所以很少使用。
v方案二：
双积分式A/D转换。
它由积分器、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0～FFn）等几部分组成。
其转换原理如图5所示：
图5双积分A/D转换原理
双积分转换器把待转换的输入模拟电压先转换为中间变量时间T，然后再对中间变量量化编码，得出转换结果
（2）
其中N1、VREF均为常量，故计数结果与模拟电压有较好的线性度。
因有积分器的存在，积分器的输出只对输入信号的平均值有所响应，所以，它突出优点是工作性能比较稳定且抗干扰能力强；计数器的计数结果与RC无关，所以，该电路对RC精度的要求不高，而且电路的结构也比较简单。
只要两次积分过程中积分器的时间常数相等，所用于数据采集及精度要求比较高的场合。
在本题目中，我们考虑作为发挥部分，采用了速度较快的转换模式，作为双积分式转换其转换精度依赖于积分时间，因此转换速率极低，再三考虑后，我们放弃了此方案。
v方案三：
采用V/F转换方案。
压频变换型（Voltage-FrequencyConverter）是通过间接转换方式实现模数转换的。
其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。
从理论上讲这种AD的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。
其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD转换，而且其转换速度较低。
v方案四：
逐次逼近型A/D转换。
逐次逼近型AD转换器属于直接型AD转换器，它能把输入的模拟电压直接转换为输出的数字代码，而不需要经过中间变量。
转换过程相当于一架天平秤量物体的过程，不过这里不是加减砝码，而是通过DA转换器及寄存器加减标准电压，使标准电压值与被转换电压平衡。
逐次逼近型AD转换既能照顾了转换速度，又具有一定的精度。
故而我们选择逐次逼近式A/D转换方案。
AD转换器由以DA转换器为主，故我们要新增DA转换模块的讨论选择。
2.2.3D/A模块
DA转换器是利用电阻网络和模拟开关，将多位二进制数D转换为与之成比例的模拟量的一种转换电路。
因此，输入应是一个n位的二进制数，它可以按二进制数转换为十进制数的通式展开为
（3）
而输出应当是与输入的数字量成比例的模拟量A
A=KDn=K（
）（4）
式中的K为转换系数。
其转换过程是把输入的二进制数中为1的每一位代码，按每位权的大小，转换成相应的模拟量，然后将各位转换以后的模拟量，经求和运算放大器相加，其和便是与被转换数字量成正比的模拟量，从而实现了数模转换。
一般的D/A转换器输出A是正比于输入数字量D的模拟电压量。
比例系数K为一个常数，单位为伏特。
这就是组成D/A转换器的基本指导思想。
图6D/A转换器原理图
如图6所示， DA转换器由参考电源、数字开关控制、模拟转换、数字接口及放大器组成。
其中数字开关与模拟转换部分的电阻解码网络是D/A转换器的核心。
◆多路开关：
多路开关可以分时的选通某个来自多个输入通道的信号。
在该系统中待转换的数字量经数字接口控制各位相应的开关，以接通或断开各自的解码电阻，从而改变标准参考电源经电阻解码网络所产生的总电流，该电流经放大器放大后，输出与数字量相对应的模拟电压。
v方案一：
采用机电开关，如干簧继电器，湿式水银继电器等。
机电开关结构简单，在通断指标方面具有近似理想的电气特性，闭合时接触电阻小，而断开接点时阻抗高，工作寿命长，且不受外界环境温度的影响，但是速度、体积方面则不够理想。
此外，在簧片和连线间还存在着热电势。
v方案二：
采用集成电路芯片。
模拟开关是通过数字量来控制传输门（TG）的接通和断开以传输数字信号或模拟信号的开关。
半导体多路开关的特点是：
Ø采用标准的双列直插式结构，尺寸小，便于安排，
Ø直接与TTL（或CMOS）电平相兼容
Ø内部带有通道选择译码器
Ø可采用正或负双极性输入
Ø转换速度快，通常其道统或关断时间在1μs左右，有些产品已达到几十到几百纳秒
Ø寿命长，无机械磨损
Ø接通电阻低，一般小于几百欧，有的可达几欧
Ø短开电阻高，通常达109欧以上
因为半导体集成电路多路开关具有明显的优点，所以，我们采用集成芯片CD4053三重二通道多路开关。
◆电阻解码网络
v方案一：
权电阻解码网络。
权电阻解码网络原理电路见图7所示，这是将n位二进制码转换为电压的网络。
它是由权电阻网络、n个模拟开关和1个求和放大器组成。
图7权电阻网络DA转换器
其输出电压为
（5）
由于权电阻解码网络各位的权电阻阻值不同，因而要求电阻的种类较多，制作工艺比较复杂，特别是在集成电路芯片中受到电阻间阻值差异的现实（两个电阻阻值比率超过20：
1时，即不能良好的匹配），从而制约了D/A转换器位数的增加（上限为5位）。
故我们不采用此种方案。
v方案二：
开关树型解码网络。
开关树型D/A转换器电路由电阻分压器和接成树状的开关网络组成。
图8是输入为3位二进制数码的开关树型D/A转换器电路结构图。
图中这些开关的状态分别受3位输入代码状态的控制。
图8开关树型D/A转换器
当d2=1时S21接通而S20断开；当d2=0时S20接通而S21断开。
同理，S11和S10两组开关的状态由d1的状态控制，S01和S00两组开关由d0的状态控制。
由图可知
对于输入为n位二进制数的D/A转换器有
（6）
开关树解码网络中电阻种类单一，有利于提高转换速度，.输出端不取电流，对开关的导通内阻要求不高，转换.速度快。
但是转换位数增加时，电阻开关器件的数量呈2n增加，不利于实现16位转换。
v方案三：
R-2RT型解码网络
倒T型电阻网络D/A转换器中电阻网络阻值仅有R和2R两种，各2R支路电流Ii与Di数码状态无关，是一定值。
由于支路电流流向运放反相端时不存在传输时间，因而具有较高的转换速度。
在权电流型D/A转换器中，由于恒流源电路和高速模拟开关的运用使其具有精度高、转换快的优点，双极型单片集成D/A转换器多采用此种类型电路。
经过比较，考虑到转换精度及可实现型，我们最终选择方案三，采用R-2RT型解码网络。
综合选择AD转换部分如图9所示，其中下划线部分为选择方案。
双积分式
计数器式
逐次逼近寄存器
AD转换
压频转换式
·
比较器
数字开关控制
时钟
逐次逼近式
控制逻辑
集成芯片4053
机电开关
参考电源
DA转换器
数字接口
权电阻解码网络
放大器
模拟转换部分
开关树解码网络
R-2RT型解码网络
图9AD转换方案
2.2.4控制模块
v方案1：
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，体积小，稳定性高，IO资源丰富，易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
但本系统不需复杂的逻辑功能，对数据处理的速度要求也不高。
因此我们放弃了这个方案。
v方案2：
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。
但是51系列单片机RAM,ROM等资源少，外围模块少，指令周期长，运算速度较其他RISC指令系统单片机慢。
经实践证明，不能达到系统的设计要求。
v方案3：
采用凌阳公司的SPCE061A单片机作为控制器。
它是16位微处理器，具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点，内嵌32k字闪存FLASH，处理速度高，尤其适用于数字语音播报和识别等应用领域。
综合考虑后我们选择凌阳SPCE061A作为我们的主控制器。
2.2.5信号源模块
产生一个0-100mv连续可调的模拟电压信号作为该系统得被测信号源。
v方案一：
利用一稳压电源以及电位器组成简易可调电源。
这种方案电路简单易于实现，但用其产生一个峰值100mv的电压时精度偏低，且所测电压不易实时检测，故不采用此种方案。
v方案二：
利用凌阳D/A转换模块，实现电压数控输出。
当在D/A转换器的数字输入偏置端确定某一数字后，D/A转换器能把这一组数字量转换成与此相当的某一恒定电压值输出，若输入得数字值改变，则输出的电压值也做相应的变化。
若输入得数字值不变，则输出就为一恒定的电压值。
由于我们采用凌阳单片机，其内置的10位D/A转换芯片精度高，转换速度快，但是它不能实现连续调节，另外我们做的AD为16位，故而不能A/D转换电路的分辨率进行精准测试。
v方案三：
。
采用频压转换，利用F/V电路，通过调节频率达到对电压的调节。
其积分输入特性十分适合用于噪声工作环境，精度高，线性度高，温漂低，可以实现连续调节，良好的稳定性为我们实现对16位AD转换器的分辨率测试提供了可能。
经过比较，方案三精度高、成本低且易于实现，故我们采用专用的压频频压转换芯片AD650作为我们的信号源，频压转换的输入由凌阳AD转换读出并实时显示出来。
2.2.6电气隔离方案
v方案一：
采用继电器实现电气隔离。
继电器的线圈和触点之间没有电气上的联系。
因此，可以利用继电器的线圈接受电气信号，而用触点发送和输出信号，从而避免强电和弱电信号之间的直接联系，实现了抗干扰隔离。
继电器隔离一般用于一个系统的两个单元的相互隔离。
v方案二：
采用光耦隔离的方案。
光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离,光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏（三极）管封装在一起。
发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。
只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般故障少见。
如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压，就会使之被击穿损坏。
光电耦合适合一些电子控制器件和强电的隔离体积小，比如plc的i/o都是光电隔离的。
比较以上两种方案，光电耦合抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高，实现比较容易，故我们采用第二种方案，即采用光电耦合实现电气隔离。
2.2.7键盘显示模块
◆键盘显示接口电路芯片
v方案一：
键盘显示电路可采用INTEL公司生产的通用可编程键盘和显示器的接口电路芯片8279。
8279可实现对键盘和显示器的自动扫描，识别闭合键的键号，完成显示器动态显示，可以节省CPU处理键盘和显示器的时间提高CPU的工作效率。
另外8279与单片机的接口简单，现实稳定，工作可靠。
但8279所需外围元件多（显示驱动、译码等）、占用电路板面积大、综合成本高，在中小系统中常常小材大用。
v方案二：
采用通用并行I/O芯片扩展（如用8155等），但此方案同样需要驱动显示，同时键盘显示扫描还需占用CPU大量时间
v方案三：
采用串行接口的键盘显示专用芯片，如BC7280/81、HD7279、CH451等。
这类芯片占用CPU的资源少，传输速度较快，外围器件要求也较少，在中小系统中都可得到广泛的应用。
人机界面中若键盘显示占用了系统太多资源，会因为资源不足而不得不大量扩展接口芯片以满足应用系统的需要从而造成系统庞大，同时降低了系统的可靠性。
故比较后我们采用方案三，采用CH451作为键盘芯片
◆显示部分
v方案一：
使用液晶显示屏OCMJ122324*8显示。
液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积及显示信息量大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点，调用方便简单，而且可以节省了软件中断资源，其功能是强大的，可以保证良好的用户模式。
但LCD采用并行，占用的I/O口资源较多，控制也较复杂。
v方案二：
使用传统的数码管显示。
数码管低能耗、寿命长、耐老化，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高操作简单。
LED数码管亮度高，醒目，价格低廉，可以用静态显示或动态显示，在该系统中通过CH451节省了LED对IO口的占用。
采用BCD编码显示数字，但LED显示单一，不能实现大信息量的显示。
LED、LCD都有其优缺点，通过比较，在信号源输入端只要显示电压数值就可以，而且为了节省宝贵的IO口，我们采用传统的LED显示。
用户操作界面及A/D转换输出结果要求显示的信息量大，而且为了实现用户操作界面友好，我们采用LCD显示。
◆键盘部分
v方案一：
采用7289芯片与键盘相结合，键盘的整个控制只需4条控制线。
程序的编写也比较简单且容易同LED显示接口。
但外围电路的设计较复杂。
v方案二：
不使用任何芯片，用一快74LS138对8路输出扫描信号。
这种设计方案电路设计非常的简单，但是软件的编写比较庞大。
v方案三：
配合以选用的CH451芯片，其内置64键键盘控制器，有去抖动电路，并提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放，编程简单，且不需要外围电路。
人机界面中若键盘显示占用了系统太多资源，会因为资源不足而不得不大量扩展接口芯片以满足应用系统的需要从而造成系统庞大，同时降低了系统的可靠性。
故比较后我们采用方案三，采用CH451作为键盘芯片。
这样硬件与软件都比较简单。
2.2.8语音模块
v方案1：
选择专门的语音存储芯片，通过单片机控制放音现在语音处理技术非常的方便，在市场上随处都可以买到所需的芯片。
这个方案可以很好的实现语音播报的功能。
v方案2：
利用61单片机进行存储和放音。
凌阳61单片机是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达49MHz，具备运算速度高的优势等，这些都为语音的播放、录放、合成和辨识提供了条件。
利用凌阳SPCE061位单片机的语音处理功能。
只须调用库函数即可以实现音频编程或自己录制语音资源就可以实现语音播放以及语音报警功能。
比较二个方案，方案一要接一个语音芯片，并加一个驱动，需要占用硬件资源。
方案二不需要外接任何电路，只须将语音资源录制、压缩存储就可以了，不用任何的I/O资源。
我们在这里考虑电路的简单性，采用了方案二
2.2.9时钟模块方案
v方案一基本门电路搭建用基本门电路来实现数字钟，电路结构复杂，故障系数大，不易调试。
v方案二：
完全用软件实现数字时钟。
原理为：
在单片机内部存储器设三个字节分别存放时钟的时、分、秒信息。
利用定时器与软件结合实现1秒定时中断，每产生一次中断，存储器内相应的秒值加1；若秒值达到60，则将其清零，并将相应的分字节值加1
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