高分辨率AD转换电路的设计_大学生电子设计竞赛.doc

2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 1 20062006 年山东省大学生电子设计竞赛年山东省大学生电子设计竞赛 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 2 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导 下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢 的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含 我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本 研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明 并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权 保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校 可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的 前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 3 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被 查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 4 摘要摘要: : 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：关键词：spce061a，模拟电压信号，数模转换, 模数转换，光耦隔离 abstract: with sunplus 16 bits single chipspce061a as its control core, the system we designed is an analog to digital converter of high resolving power and high speed. it can measure and display the analog voltage in real-time. whats more, the keyboard presetting, displaying the given value with led and actual measuring value with lcd, step and voice reminding make our system functions. initial voltage is given by the frequency to voltage circuit, and the optical coupling isolator is added to realize the isolation of a/d conversion circuit and measure- display circuit. it has completely realized both the basic requests and the extended part, furthermore, it has the innovation in this foundation. the high speed of ad conversion, the friendly operating menu and voice playing are the shining points of our design. key words: spce061a ，simulated voltage signal ，analog to digital converter, digital to analog converter, the optical coupling isolator 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 5 目目 录录 1 设计任务与要求设计任务与要求 5 1.1 设计任务5 1.2 设计要求5 1. 2. 1 基本要求.5 1. 2. 2 发挥部分.5 1. 2. 3 创新部分.6 2 设计原理及方案选择设计原理及方案选择 .6 2.1 总体设计思想.6 2.2 模块设计原理与选择6 2 .2. 1 ad 转换原理7 2.2.2 ad 转换方案8 2.2.3 d/a 模块.10 2.2.4 控制模块.14 2.2.5 信号源模块.15 2.2.6 电气隔离方案.16 2.2.7 键盘显示模块.16 2.2.8 语音模块.18 2.2.9 时钟模块方案.18 2.2.10 最终方案：.19 3 单元电路计算与实现单元电路计算与实现 19 3.1 直流电源电路19 3.2 控制器模块电路21 3.2.1 最小系统.21 3.2.2 i/o 口分配如下： 22 3.3 信号源模块电路23 3.4 键盘 led 显示电路 24 3.4.1 键盘显示芯片.24 3.4.2 键盘设置.25 3.5 时钟电路25 3.5.1 时钟引脚.25 3.5.2 外围电路.26 3.6 语音电路26 3.7 a/d 转换部分27 3.7.1 采样保持电路.27 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 6 3.7.2 a/d 转换.28 3.7.3 d/a 模块.30 4 软件设计软件设计 33 4.1 设计特点33 4.2 软件功能实现33 4.3 软件系统架构33 4.4 部分程序代码35 4.5 软件特点37 5 系统测试与误差分析系统测试与误差分析 37 5.1 a/d 转换器的主要技术指标37 5.1.1. 转换精度37 5.1.2 转换时间.37 5.2 测试仪器与方法.38 5.3 测试结果与误差分析.38 5.3.1 测试结果.38 5.3.2 误差分析38 6 总结与体会总结与体会 39 参考文献：参考文献： 39 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 7 1 设计任务与要求设计任务与要求 1.1 设计任务设计任务 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 设计要求设计要求 1. 2. 1 基本要求基本要求 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%。 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。 要求有一个 a/d 转换结束后的输出信号。 自行设计一个可以从 0100mv 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 发挥部分发挥部分 分辨率为 16 位，线性误差小于 0.5%。 转换速度不低于 20 次/s。 将 a/d 转换电路与测量显示部分实现电气隔离。 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 8 1. 2. 3 创新部分创新部分 仿照 windows 菜单，操作方法一目了然，界面友好美观 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 选择 ad 不工作时，led 实时显示当前时间 自制电源 2 设计原理及方案选择设计原理及方案选择 2.1 总体设计思想总体设计思想 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： 控 制 器 模 块 信号源模块 语音模块 ad 转换模块 时钟模块 键盘模块 显示模块 直流电源模块 图系统总体框图 2.2 模块设计原理与选择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。 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 9 2 .2. 1 adad 转换原理转换原理 模数转换器（简称 a/d 转换器或 adc, analog to digital 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 cps s adc 取样保持电路 adc的 量化编码电路 . . . d d d n-1 1 0 vit vit 输入模拟电压 取样展宽信号 数字量输出（n位） 图 3 ad 转换过程 采样过程采样过程 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 fs2 fi(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 =(35) fi(max) 已能满足要求。 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 10 t us o ui 采样点 保持 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。 2.2.2 ad 转换方案转换方案 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。 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（ff0ffn）等几部分组成。其转换原理如图 5 所示： 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 11 c1 nff r 1j 1k c1 n-1 ff r 1j 1k c1 1 ff r 1j 1k c1 0 ff r 1j 1k 111 1 a c rc vo vc tc s2 n级计数器 d dd n-1 1 0. msblsb 数字量输出 qn-1q1q0 qn cr + a 1 i s v v ref s v b 1 cp /信号线初始化 *p_ioa_attrib|=backlightbit; backlightoff; *p_iob_dir|=speechbit; *p_iob_attrib|=speechbit; speechon; lcd_init(); lcd_cleargraphic(); ch451l_init(0x1+0x2);/键盘 led 功能初始化 /disp_poweron(5); lcd_showmenu_confirm(c_menu); lcd_showline(); void menu_onclick(unsigned int ibutton) if(ibutton=1) switch(currentmenu) case -1: case 0: switch(selectedindex)/主菜单 break; case 1:/工作模式 switch(selectedindex) break; case 7:/语音播报 switch(selectedindex) 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 37 currentmenu=2; break; else if(ibutton=0) switch(currentmenu) scroll=0;selectedindex=0; menu_display(); if(currentmenu!=-1) menu_cursorinit(); 4.5 软件特点软件特点 在汇编语言和c语言之间我们选择使用有丰富函数库的c语言进行编程，大大 缩短了开发时间，程序的可读性也较好 菜单操作界面配合屏幕键简化了操作难度，提供了更加人性化的用户操作体 验 程序的每个功能模块都是独立的项目文件，可以单独进行调试，为程序整体 测试和bug修复提供了方便 5 系统测试与误差分析系统测试与误差分析 5.1 a/d 转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 5.1.1. 转换精度转换精度 a/d 转换器采用分辨率和转换误差来描述转换精度。 分辨率是指引起输出数字量变动一个二进制码最低有效位（lsb）时，输入模 拟量的最小变化量。他反映了 a/d 转换器对输入模拟量微小变化的分辨能力。 在最大输入电压一定时，位数越多，量化单位越小，分辨率越高。 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 38 转换误差通常用输出误差的最大值形式给出，常用最低有效位的倍数表示， 反映 a/d 转换器实际输出数字量和理论输出数字量之间的差异。 5.1.2 转换时间转换时间 转换时间是指转换控制信号（vl）到来，到 a/d 转换器输出端得到稳定的数字量 所需要的时间。转换时间与 a/d 转换器类型有关，並行比较型一般在几十个纳秒，逐 次比较型在几十个微秒，双积分型在几十个毫秒数量级。 实际应用中，应根据数据位数、输入信号极性与范围、精度要求和采样频率等几 个方面综合考虑 a/d 转换器的选用。 5.2 测试仪器与方法测试仪器与方法 由于本系统带有显示初始值和转换值的模块，测试方法简单，即对 led 显示初 始值和 lcd 显示数据转换后电压值进行比较即可。测试仪器即凌阳单片机与系统 本身自带显示模块。 5.3 测试结果与误差分析测试结果与误差分析 5.3.1 测试结果测试结果 表三：测试结果 结果 次数 理想值测量值 电压值（mv） 转换 值 电压值（mv） 转换 值 误差 15.0 2185 5.01 2189 0.20% 210.84719 10.80 4719 0.00% 323.410224 23.4110228 0.04% 432.814331 32.8214339 0.06% 549.821758 49.8321771 0.06% 654.623855 54.6123859 0.02% 768.930103 68.8830094 0.03% 895.641768 95.6241777 0.02% 9125.654875 125.5554854 0.04% 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 39 10149.565318 149.60 65361 0.07% 说明：lcd 现实结果后的数据为 ad 转换后数据，根据 ad 中 da 部分的参考电压为 5v，我们可以计算出其转换数据代表的数值 。 5.3.2 误差分析误差分析 由表三系统误差在规定范围内，我们分析误差产生如下：ad 转换分为采样保持及 量化编码两步进行。在量化编码时，模拟电压是连续的，那么它就不一定是的整数 倍，在数值上只能取接近的整数倍，因而量化过程不可避免地会引入误差。另外由于 基准电源 vref的不稳定，运放的零点漂移，模拟开关导通时的内阻和压降以及电阻网 络中阻值的偏差等导致产生静态误差。动态误差则在转换的动态过程中产生，它是由 于电路中的分布参数的影响，使各位的电压信号到达解码网络输出端的时间不同所致。 6 总结与体会总结与体会 ad 转换为我们设计的核心，我们采用了逐次逼近的方案，为实现电压的连续可调， 我们选择了频压转换的方案。在完成基础功能和发挥部分的基础上，我们又新增了许 多功能，使我们的转换器更加完善。 在整个电子设计大赛准备及四天正式比赛过程中我们真正成为了学习的主人，第 一次长时间地自己主动学习实践，成功的喜悦与失败的沮丧带给我们的感受，亲身体 验了“有所收获就要有所付出”的人生哲理，这一切或许将成为我们终身受益的财富。 它带给我们的人生体验、知识学习、技能锻炼是其他各种形式的教学环节所无法达到 的。在整个培训和比赛期间，我们受到了老师们无尽的关怀，同时，我们也总能够很 积极、很愉快地去吸收各位老师的思想以及与此带来的自信。能够与其他院校的同学 在同一片蓝天下搏击，衷心的感谢我们的学校、学院领导给予我们的支持与鼓励。 参考文献参考文献： 1潘新民 王燕芳编著。微型计算机控制技术。北京：电子工业出版社，2005 2赵保经等编著。a/d 和 d/a 转换器应用手册。上海：上海科学普及出版社，1995 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 40 3黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京:电子工业出版社，2005 4童诗白，华成英.模拟电子技术基础(第三版).北京:高等教育出版社,2003 5余孟尝 主编。数字电子技术简明教程（第二版）。北京：高等教育出版社， 1999 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 41 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者（本人签名）： 年 月 日 学位论文出版授权书 本人及导师完全同意 中国博士学位论文全文数据库出版章程 、 中国优秀硕士学位 论文全文数据库出版章程(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊 （光盘版）电子杂志社”在中国博士学位论文全文数据库、 中国优秀硕士学位论文全文数据 库中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入cnki中国知识资源总库，在 中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关 权益。 论文密级：论文密级： 公开 保密（_年_月至_年_月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 作者签名：_ 导师签名：_ _年_月_日 _年_月_日 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 42 独 创 声 明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导 下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 二一年九月二十日 毕业设计（论文）使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规 定。 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保 存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存 设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅 览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使 用。 （保密论文在解密后遵守此规定） 作者签名: 二一年九月二十日 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 43 致 谢 时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多， 而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。 首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验， 奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结