高分辨率AD转换电路的设计毕业设计.docx

高分辨率a/d转换电路的设计 院 、 部： 电气与信息工程学院 专 业： 电子信息工程 48毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说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： 学位论文原创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 日学位论文版权使用授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 日摘 要当今社会是一个信息社会，随着通信技术、计算机技术和微电子技术的高速发展，信息技术已渗透到全社会（例如军事、民用）各个角落，特别是在现代控制、通信及检测等领域，而a/d转换技术在信息处理技术中占有重要地位,特别是高速、高分辨率a/d转换器已经成为现代先进的电子设备或电子系统中不可或缺的重要组成部分。它广泛应用于雷达、声纳、高分辨率视频和图像显示、军事和医疗成像、高性能的控制器与传感器、数字化仪表、各种检测控制系统以及包括无线电话和基站接收机在内的数字通讯系统等领域。本次设计的a/d转换电路由高精度、低温漂的基准源和cpld构建，实现高精度、高分辨率的16位a/d转换。由系统提供0100mv连续可调的高精度测试用基准源，其中模拟输入电压为0100mv，电压通过精准的放大和偏置后送给集成芯片ad650进行v/f变换，转换出来的频率信号由cpld电路进行测量，结果送交控制器，产生16位a/d转换结果，最后通过led显示器来对转换结果进行显示。为了进一步降低干扰，a/d转换和控制电路还采用了光速光电耦合器进行了电气隔离。关键词：v/f；cpld；频率计；a/d转换abstractin todays society is a information society, with the communication technology, computer technology and the rapid development of modern microelectronics technology, information technology has penetrated into the whole society (such as military and civilian), especially in the field of modern control, communication and detection, and a/d conversion technology in information processing technology plays an important role, especially in high speed and high resolution a/d converter has become a modern advanced electronic devices or electronic systems in the indispensable important component. it is widely used in radar, sonar, high-resolution video and image display, military and medical imaging, high performance controller and sensors, digital meters, all kinds of detection control system and digital communications, including wireless phone and the base station receiver system, etc. it is widely used in radar, sonar, high-resolution video and image display, military and medical imaging, high performance controller and sensors, digital meters, all kinds of detection control system and digital communications, including wireless phone and the base station receiver system, etc.this circuit, which is built in the base of analog devices and complicated programmable logic device (cpld), can deliver 18bit a/d result with high precision. to achieve high precision, the devices that are used in this system should have the characteristic of very love temperature drift .the inputting 0-100mv voltage is first amplified and deflected ,and then delivered to ad650 to perform v/f . the outputting frequency is measured with high precision by cpld, and the micro-controller calculate the result .to test the performance of the a/d characteristic, a high precise 0-100mv voltage souse is also available in this system. to reduce the disturbance ,a high speed photoelectricity-coupler is used to insulate the a/d part and the control circuit.key word: v/f；cpld；cymometer；a/d conversion目 录1绪论i1.1研究背景及意义21.2国内外研究现状21.3研究内容及章节安排22.系统方案22.1系统设计要求22.2系统组成框图和方案论证22.2.1系统组成框图22.2.2系统总体方案的论证22.3系统基本方案22.4各模块方案选择和论证22.5系统各模块的最终方案23.系统的硬件设计与实现23.1系统硬件的基本组成部分23.2主要单元电路的设计23.2.1 精密测试基准源23.2.2 电压的放大及偏置23.2.3 v/f转换电路的设计23.2.4 等精度频率计的设计23.2.5语音显示部分的设计23.2.6语音电路的设计23.2.7光耦合隔离电路的设计23.2.8基于cpld的频率计电路23.2.9 led显示器的设计24. 系统的软件设计24.1程序流程图和主程序介绍24.2等精度频率计vhdl子程序25.系统测试25.1测试仪器25.2 电压信号源的输出测试25.3 a/d转换线性度测量25.4 测试结果误差分析2参考文献2致 谢30附录a2附录b2附录c401绪论1.1研究背景及意义当今社会是一个信息社会，随着计算机技术、通信技术和微电子技术的高速发展，信息技术已渗透到军事、民用领域的各个角落，特别是在现代控制和通信及检测等领域，为了能够提高系统的性能指标，广泛采用了数字计算机技术对信号的处理。因为系统的实际对象往往都是一些模拟量(如压力、温度、图像、位移等),要使数字仪表和计算机能识别、处理这些信号，首先必须将这些模拟信号转换成数字信号；然后经计算机分析。并且处理后输出的数字量也常常需要将其转换为相应的模拟信号才能够为执行机构所接受。因此，就需要一种能够在模拟信号与数字信号之间起到桥梁作用的电路-模数和数模转换器。将模拟信号转换成数字信号的电路，称为模数转换器(简称为a/d转换器或adc,analog to digital converter)， a/d转换器已成为信息系统中不可或缺的组成部分。而高速、高分辨率a/d转换器已经成为现代先进的电子设备或电子系统中不可或缺的重要组成部分。它广泛应用于声纳、雷达、高分辨率图像视频显示、医疗和军事成像、数字化仪表、高性能的控制器与传感器、各种检测控制系统以及包括基站接收和无线电话和在内的数字通讯系统等领域。a/d转换器将现实世界的模拟信号变换成数字信号以便进行处理、传输及其他操作。a/d转换器，按照转换原理不同，主要有以下几种类型的a/d转换器：型a/d转换器，又称为过采样a/d转换器。虽然出现得较晚，但却具有分辨率高，价格便宜以及抗干扰能力强等优点，所以其应用已日渐增多。积分型a/d转换器。也称双斜率或多斜率a/d转换器。应用最为广泛， 具有精度高、抗干扰能力强等优点。比较适合于对转换速度要求不高，环境恶劣的应用场合。逐次逼近型a/d转换器。原理简单，便于实现，不存在时间延迟问题， 适用于中等速率且分辨率要求较高的应用场合。闪烁型a/d转换器。最大特点是速度快，但功耗大且电路复杂，所以芯片尺寸也比较大1。1.2国内外研究现状以计算机、数字通讯为主的数字系统是处理数字信号的电路系统。但是，在日常的实际应用中，所遇到的主要是连续变化的模拟量，因此，需要一种接口电路将模拟信号转换为数字信号,a/d转换器正是为了满足这种需要而应运而生的。近十年来，模数转换技术发展更为迅速，最高精度达到24位(如ti公司的ads1255、凌力尔特公司的ltc2400、adi公司的ad7714)，最快的转换速度达到40ghz。此外，由于工艺水平的不断提高，而国际上已经出现了65m的工艺，而这也使得a/d转换器向着更高速度、更低电压方向发展。目前国内的研究水平较之国际整体水平有一定差距，对高端模数转换器的研究不多见，当然这与我国是从上世纪七十年代才起步研究a/d转换器有很大的关系。随着近年来投入的增加，国内一些单位也取得了一定的成果，如2001年复旦大学专用集成电路与系统国家重点实验室己研究成功低功耗的10位、33msps流水线a/d转换器;2003年清华大学微电子设计中心也成功设计并研制出了高分辨率的13位、5msps的流水线a/d转换器;2006年，上海交通大学研制出tsmc 0.25m工艺的10位、80msps的流水线a/d转换器。国内外的研究和生产动态表明，我国在模拟数转换器的研究上起步较晚，技术力量比较薄弱。因此，设计生产出自己的高速高性能a/d转换器已成为当务之急。同时还可以得出这样的结论：今后高性能a/d转换器的发展方向主要包括:更快的速度、更高的精度、更低的功耗，更简单的电路结构、更小的电路面积、更加广泛的应用范围以及以上几方面的协调发展。1.3研究内容及章节安排 本论文主要研究高分辨率a/d转换电路的工作和设计原理，重点对基准电压源、v/f转换以及cpld频率测试计进行了研究。本文研究重点和难点如下: (1) 基准电压源。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。（2）v/f转换。v/f转换作为本次设计的核心模块，必须要有较低的最佳温度稳定性和较高的满刻度频率响应，才能满足设计要求。在经过综合考虑后，决定采用v/f转换专用集成芯ad650，再辅以的外围电路实现v/f转换电路的设计。（3）cpld频率测试计。cpld频率测试计既是本文的重点也是难点，对v/f变换后的频率进行测量时，由于频率较高，一般在几十khz甚至上百khz，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。在经过多次考虑后，决定选择自行设计一个cpld频率测试计来进行频率测试。本论文章节安排如下： 第一章主要叙述了本次课题的研究背景和意义，国内外研究现状和全文章节体系。第二章主要叙述了本文设计的系统方案。其中包括毕业设计的设计要求，简单介绍了一下a/d转换器的原理、类型以及工作方式。初步描绘了系统组成框图，并将系统划分为电压发生部分、模拟-数字转化部分和控制部分三大模块，然后分别对这三大模块进行分析论证，选择设计方案，从而决定系统各模块的最终方案。第三章首先简单的介绍了系统基本组成部分，接着开始介绍具体的单元电路设计过程，包括： v/f转换电路，电压的放大和偏置、频率计、数码管显示、语音播报、电源，光耦合隔离。最终将各部分紧密连接形成了一套完善的a/d转换系统。 第四章先简要介绍了一下选择的编程软件keil c51,然后画出控制程序流 程图，使程序流程清晰明了，最后介绍等精度频率计的实现方法。 第五章是关于本次设计的系统测试。首先交代自己使用的测试仪器，然后介绍本次测试电压的方法，最后列出本次设计测试结果的理论值和实际测试值，进行对比，找到成功和失败的地方原因。 最后是本文的一些总结，对导师和帮助我的同学的感谢，并列出本文选用的一些参考文献，所编写的程序和本次设计的实物图。2.系统方案2.1系统设计要求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。采用普通元器件设计一个具有16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。2.2系统组成框图和方案论证2.2.1系统组成框图 本论文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。系统组成框图1如下2。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2.2.2系统总体方案的论证根据题目要求，需要设计并制作一个高精度高分辨率的16位a/d转换器， 从而对常用的ad转换器进行分类并进行选择论证： 方案一：双积分式 以bcd码或二进制的形式输出，精度高，抗干扰能力强，价格便宜，但是转换速度比较低，而且电路设计与连接比较复杂，速度比较慢。方案二：逐次比较式其速度快，以二进制的形式输出，其与cpu之间的连线较多，连线增多、转换位数增多、导致成本也相应增加。并且由于要求位数太多，连线太多进而使系统的稳定性受到影响，成本较高。方案三：vfc式利用积分原理，将输入电流或电压转换成频率进行输出，脉冲频率与输入电流或电压成比例，其线性度好、精度高、转换速度居中、与cpu的连线最少、转换位数与速度可调，而且转换位数增加时不会增加和cpu 的连线，因此，vfc式为ad转换技术提供了一种有效且廉价的解决办法。方案四：并行比较式。它由电压比较器，寄存器和代码转换器三部分组成。因为转换是并行的，转换速度最快，但随着分辨率的提高组建数目要按级数增加，在16位转换应用中电路已经过于复杂，极难实现。考虑题目要求做一个16位、10hz的a/d转换器，实现对模拟电压的测量和显示。综上所述选择方案三。2.3系统基本方案系统可以划分为电压发生部分、模拟-数字转化部分和控制部分。其中电压发生部分包括：精密测试电压源。模拟-数字转化部分包括：电压放大和偏置，v/f转换模块，频率测量模块。控制部分包括：控制器模块，语音模块，显示模块。模块框图如图 2所示。icl7650ad650spce061acpld显示模块语音模块基准源被测量键盘 图 2系统模块框图为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证，我们选取了较好的方案实现。2.4各模块方案选择和论证（1）精密测试电压源方案一：普通基准源直接分压输出。这种基准源有很多，市场上容易买到，如mc1403，tl431,lm336等。可是这种方式的输出阻抗较高，分压不是十分准确。方案二：直接由d/a输出。优点是可以程控，可以由键盘来设定输出。但是一般的d/a位数比较低，并且其精度和温漂都难以达到理想。方案三：精密低温漂高档基准源，元件分压后借助精密运放进行输出缓冲。本方案能够提供比较大的输出电流，高档的基准源和运放可以保证低的温漂特性和输出的精度。考虑到系统对温漂的要求非常严格，虽然对精度的要求不像温漂要求那么严格，但是必须选择方案三。 （2）v/f转换方案一：采用集成型555定时器，可以很方便的与单片机实现接口通信，价格比较便宜且容易购买，但其响应速度较慢，外围电路比较复杂，只适合用于一些要求不太高的场合。方案二：采用v/f转换专用集成芯片lm331作为核心部件，辅以的外围电路实现。lm331是美国ns公司出产的性能价格较高的集成芯片，可以用作精密频率电压转换器、长时间积分器、a/d转换器及其他相关器件。lm331采用了新的温度补偿能隙基准电路，并且在整个工作温度范围内和低到4.0v电源电压下都能够有极高的精度。集成芯片lm331的动态范围宽，可达到100db；线性度好，最大非线性失真小于0.01，工作频率低到0.1hz时仍然有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可以达到12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成v/f变换电路，并且容易保证转换精度。最佳温度稳定性为50ppm/，满刻度量程为1hz100khz3。方案三：采用v/f转换专用集成芯片 ad650 ，再辅以的外围电路就可实现。ad650集成芯片是美国的analog devices公司近年推出的高精度电压频率(v/f)转换器，它由积分器、精密电流源、比较器、输出晶体管和单稳多谐振荡器组成。其电路在 15v的电源电压下，功耗电流将小于15ma，满刻度为1mhz时，其非线性度将小于0.07。ad650既能够用于频率电压转换器，又可用于电压频率转换器。ad650的满刻度频率很高,可以达到1mhz；具有非常低的非线性度：在10khz满刻度时非线性度将小于0.002，在l0khz满刻度时非线性度将小于0.005,在1mhz满刻度时非线性度将小于007；并且最佳温度稳定性为150ppm/。完全可以达到题目对精度以及线性度的要求【4】。v/f转换作为本次设计的核心模块，必须要有较低的最佳温度稳定性和较高的满刻度频率响应。lm331具有较低的最佳温度稳定性，但其满刻度频率只有100khz，数字分辨率只能达到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。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。2.5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。icl7650ad650spec061acpld显示模块语音模块基准源被测量键盘 图 3 系统框图3.系统的硬件设计与实现3.1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。3.2主要单元电路的设计3.2.1 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0-100mv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0.05uv/。为了降低电源波动造成的影响，我们使用了两个2.5v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：图 5基准源电路原理图3.2.2 电压的放大及偏置0100mv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0100mv电压经40倍的放大后，产生04v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04v的输入向上搬移了1v，从而产生15v的输入信号送给ad650。如图，u2构成了反相加法器，-uo=40v-ad v-offset，u3构成了单位增益的反相器，从而产生15v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。图 6电压放大偏置原理图3.2.3 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3.1来描述。 fout=vin7.5c1(r1r3) （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。 r1r3=vinmax0.25ma （2） r2min()=vp(8mail) （3） c2=(104sec)fmax (1000pf min) （4）其外部引脚如图 7所示。 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， vf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vf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： （5）若想要求dvs=25%，iimax必须为0.25ma，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0100mv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。图 4 满刻度量程与cos线性关系在实际应用中，该电容的温度系数是一个重要参数，它将对 ad650芯片的转换精度有着直接影响。因此，一定要仔细选择温度系数比较小的电容，在设计电路和进行实际安装时，也要最大程度的减小寄生电容产生的影响，需要保证cos与电路引脚尽量靠近，如果可以还应对cos 进行屏蔽，避免电容的容量受到外界环境中活动物体产生的影响，特别是在精度要求较高(005 )的情况下更要注意。因此我们选择具有校正功能的evox-pfr系列电容。最后的实际电路原理如图 12所示：图 12 v/f变换原理图3.2.4 等精度频率计的设计 （1）cpld的总体结构近年来迅速发展起来的复杂的可编程逻辑器件cpld，可以认为是从epld演变的。为了提高集成度，同时又保持epld传输时间可预测的优点，将若干个类似于gal的功能模块和实现互连的开关矩阵集成于同一芯片上，就形成了所谓的cpld。cpld多采用cmos工艺制作。同时，为了使用方便，越来越多的cpld都做成了在系统可编程器件isppld。在isppld电路中除了原有的可编程逻辑电路以外，还集成了编程所需的高压脉冲产生电路以及编程控制电路。因此，编程时不需要使用另外的编程器，也无需将isppld从系统中拔出，在正常的工作电压下即可完成对器件的编程（写入编程数据或擦除。）cpld产品的种类和型号繁多，目前各大半导体器件生产厂商仍在不断推出cpld新产品。虽然它们的具体结构形式各不相同，但基本上都由若干个可编程的逻辑模块、输入输出模块和一些可编程的内部连线阵列组成。在isppld中都包含有编程电路部分，不过通常在为用户提供的结构框图中都没有画出。isppld的电路结构由32个通用逻辑模块（glb）、64个输入输出单元（i/o cell,简称ioc）、可编程的内部连线区和编程控制电路组成。（2）cpld的通用逻辑模块（glb）通用逻辑模块glb的电路结构由可编程的与逻辑阵列、乘积项共享的或逻辑阵列和输出逻辑宏单元（olmc）三部分构成。这种结构形式和gal十分类似，但是它又在gal的基础上进行了若干改进，可以更灵活地进行组态。或逻辑阵列选择了乘积项共享的结构形式。可以对它的输入和输出关系进行编程，4个输入f0f3，任何一个都可以送到4个d触发器当中任何一个的输入端，每个输入又可以同时送给几个触发器，4个输入还可以再组合成更大规模的与或逻辑函数送到任何一个触发器的输入端。(3)cpld频率计的设计由于输入的信号是交流信号而cpld（现场可编程逻辑器件）和施密特触发器是数字芯片，不识别负信号，要把输入交流信号变为直流信号。使用两个电阻来实现电压钳位功能，钳位后的信号经7414（施密特触发器）整形为方波后直接输入cpld对其计数。因为cpld能够实现高速响应和准确计数。其原理图如图 13所示。 图 13频率计原理图频率计测得的数据为此系统的a/d转换结果，由于cpld的基准晶振选用的是20.000000m的高精度晶振。由于转换精度由基准晶振和ad650的v/f满刻度时的量程。由于我们设计的a/d转换频率为50hz，所以在计数周期内基准晶振脉冲个数为400000，cpld因为随机时间出现的误差仅为一个脉冲，而ad650的满刻度量程为400000，所以精度可达到几百千分之一7。3.2.5语音显示部分的设计图14为凌阳spce061a单片机管脚分布图，在实际连接中，a0a15口为与a/d转换电路的接口，b0b10与显示模块相连接；其中b0b7为数据口，b8b10为控制口（包含片选，复位等）。b11b14为4位键盘口，负责键盘按键的去抖动和扫描。b15口为备用端口。图14凌阳spce061a单片机管脚分布图语音电路的设计3.2.6语音电路的设计我们采用的语音电路为凌阳spce061a开发板上集成有的语音模块，它与单片机接口电路如图1。该电路非常简单，是凌阳公司的标准放音电路。图15 放音电路3.2.7光耦合隔离电路的设计 ad650的输出频率不是方波信号，而是很窄的斜坡脉冲，很难测量其频率，因此先用d触发器7474对其进行二分频，可以同时实现边沿整定和占空比调整，并输出占空比50的方波信号。由于设计要求ad转换与控制器电气隔离，以求减小干扰，所以我们使用了光电耦合进行隔离。光耦合器以光作为媒介传输电信号。光耦合器对输入、输出电信号有良好的隔离作用。ad650输出经分频后最高可达到500khz，必需使用高速光电耦合器才能响应，在这里我们选用的是东芝的6n137，6n137光耦合器是一款用于单通道的高速光耦合器，其内部有一个850 nm波长algaas led和一个集成检测器组成，其检测器由一个光敏二极管、高增益线性运放及一个肖特基钳位的集电极开路的三极管组成。具有温度、电流和电压补偿功能，高的输入输出隔离，lsttl/ttl兼容，高速(典型为10mbd)，5ma的极小输入电流。其最高响应频率是10mhz，隔离电压为2500v，满足要求。其外部引脚如图 16所示。 图 16 6n137外部引脚图内部原理图如图 17图 17内部原理图耦合电路原理图如图 18所示图18耦合电路原理图3.2.8基于cpld的频率计电路在该系统中，cpld选用 xc95l08cpld (复杂可编程逻辑器件)，芯片拥有108个宏和2 400个门，频率可以达到125 mhz，引脚间延时时间为715 ns，芯片是供电电压为5 v或313 v的在系统可编程器件，其可供用户使用的io口数在64个以上。xc95108采用flash编程工艺，可反复进行擦写。因为cpld(可编程逻辑器件)和施密特触发器是数字芯片，不能够识别负信号，所以不能够识别输入的交流信号，因此需要将输人交流信号转变为直流信号，即需要使用两个电阻来形成电压钳位功能，信号在钳位后经7414(施密特触发器)整形为方波，然后直接输入cpld，由cpld对其计数。因为 cpld 完全可以实现高速响应和实现准确计数，所以频率计测得的数据即为系统的ad转换后得出的结果，转换精度同时受基准晶振和ad650的vf满刻度时的量程的影响，因为 cpld 的基准晶振选择了 20mhz 的高精度晶振，而本次设计的ad 转换频率为50khz，所以在计数周期内基准晶振脉冲个数为400，cpld由于只有一个脉冲随机时间出现的误差，而且 ad650 的满刻度频率很高，可达1 mhz，因此精度可以达到几千分之一8。下图为基于 cpld 的频率计电路原理图： 图19基于cpld的频率计电路原理图3.2.9 led显示器的设计 led显示器集计算机技术、微电子技术、信息处理于一体，以动态范围广、色彩鲜艳、亮度高、清晰度高、工作电压低、功耗小、寿命长、耐冲击、色彩艳丽和工作稳定可靠等优点，成为最具优势的新一代显示媒体，led显示器已广泛应用于大型广场、商业广告、体育广场、信息传播、新闻发布、证券交易等，可以满足不同环境的需要。 led是light emiting diode(发光二极管)的缩写，发光二极管是能够将电信号转换为光信号的电致发光器件。由条形发光二极管组成“8”字形的led显示器，也称数码管。通过数码管中发光二极管的亮暗组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。数码管有7段数码管和8段数码管之分。7段数码管由7个发光二极管组成，而8段数码管则是在7段发光二极管的基础上再加一个圆点型发光二级管，用于显示小数点。在使用中，为了给发光二极管加驱动电压，它们应有一个公共引脚，公共引脚共有如下两种连接方法：共阴极接法。把发光二极管的阴极连在一起构成阴极公共引脚，使用时阴极公共引脚接地，这样阳极引脚上加高电平的发光二极管就导通点亮，而加低电平的则不点亮。共阳极接法。把发光二极管的阳极连在一起作为阳极公共引脚，使用时阳极公共引脚接+5v。这样阴极引脚上加低电平的发光二极管即可导通点亮，而加高电平的则不点亮。4. 系统的软件设计由于本文设计需要用到程序编写，于是要选择一款编程软件来进行操作，经过综合考虑，选择了keil c51软件。keil c51是美国keil software公司出品的51系列兼容单片机c语言软件开发系统。运行keil软件需要win98、nt、win2000、winxp等操作系统。如果你使用c语言编程，那么keil几乎就是你的不二之选，即使不使用c语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。本系统对软件的要求不高，用前后台式的程序即可能轻松完成系统的基本任务。4.1程序流程图和主程序介绍系统初始化启动cpld频率测量lianmg 读取结果计算频率cpld并行测量频率主循环刷新显示前台程序：后台程序：进入键盘中断判断任务语音播报数据显示设置返回主程序看门狗程序复位转换结束信号