（电力电子与电力传动专业论文）汽车图形万用表研究与设计.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ea u t o m o b i l es k e t c hm u l t i m e t e ri sa i m e da tc h a r a c t e r i s t i cw h i c hi n c l u d et h es m a l l e rs c a l e o fa u t o m o b i l em a i n t a i n a b i l i t ya n dr e p a i r a b i l i t ye n t e r p r i s e ，i no u rc o u n t r y ，a n dn o tq u i t ew e l l a b i l i t yo fp r o f e s s i o n a lt e c h n i q u el e v e l b u tt h ei n t e l l i g e n c ee x a m i n a t i o ni n s t r u m e n tt h a tw e d e v e l o p ei na d d i t i o nt oh a v ef u n c t i o no fc o m m o nm u l t i m e t e r ，a l s oc a nm e a s u r et h ef i r et e s t f u n c t i o no fa u t o m a b i l ee n g i n e ( a m p l i t u d eo ff i r e ，r o t a t es p e e da n dr a t i oo fs p a c e o c c u p y i n g ) t h i sd e s i g nw i t hs i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rf o rc o r e ，m a k eu s eo f t h em o d e r n c a l c u l a t o rt e c h n i q u ea n dt e s tt e c h n i q u e a d o p tt h em o d u l a r i z a t i o na n ds t r u c t u r i z et od e s i g n m e t h o d t h i st e x tt h o r o u g h l ya r g u et h ea c t i o na n dt e c h n i q u es c h e m ao fe a c hf u n c t i o nm o d u l eo f s k e t c hm u l t i m e t e r ，a n dc a r r yo u tt h em e t h o di nas p e c i f i cw a y t h es o f t w a r ed e s i g na 1 1a d o p t s cl a n g u a g e s t h ed e s i g no ft h i ss y s t e mp r o v i d e dt h ec o m p r e h e n s i v ee x a m i n a t i o np l a t f o r mt h a t t e c h n i q u ef o rt h ec a rm a i n t e n a n c er e a l mi sa d v a n c e d ，t h ec r e d i b i l i t yi sh i g h ，o p e r a t i o ni s s i m p l e ，t h ep h y s i c a lv o l u m ei ss m a l la n d t h ec o s ti sl o w i tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e t e s t i n ga n dr e p a i r i n go fa u t o m o b i l e a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fc a l c u l a t o rt e c h n i q u ea n dl a r g es c a l ei n t e g r a t i o no i r c u i t s i n g l ec h i pm i c r o c o m d u t e rt e e h n i q u ea n dt h et e s tt e c h n i q u ea r em o r em a t u r ea n dw e r ea p p ll e d i n t om o r er e a l m s t h ea a t o m o b i l es k e t c hm u l t i m e t e ri so n eo ft h ea p p l i c a t i o n so ft h es i n g l e c h i pm i c r a c o m p u t e rt e c h n i q u ea n dt h et e s tt e c h n i q u e s ，t h et e s tt e c h n i q u ei st h eo u t c o m ew h i c h i st h es e n s o rt e c h n i q u ea n dt h ef a s td e v e l o p e dc a l c u l a t o rt e c h n i q u ec o m b i n e dt o ，i tr e p r e s e n t s t h el a t e s td i r e c t i o no ft h ei n s t r u m e n td e v e l o p m e n t ，h a v i n gt h eg o o da p p l i c a t i o na n dd e v e l o p i n g f o r e g r o u n d t h em a i n w o r ko f t h i st h e s i si st or e s e a r c ha n dd e s i g nt h ea u t o m o b i l es k e t c h m u l t i m e t e ra c c o r d i n gt ot e c h n i c a lo f t h ei n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n t t h et h e s i sf i r s t l yi n t r o d u c e st h ec o n s t i t u t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l i i g e n c e i n s t r u m e n t ，a n dt h ei n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，t h r o u g ht h es y s t e ma n a l y s i sp r o j e c t a n da r g u m e n t s ，p u tf o r w a r dt h es y s t e md e s i g np r o j e c to f “h i g 卜s p e e dm c 叶t h ea p p r o p r i a t i o n a 叶p a r a l l e lp o r tc a m m u m i c a t i o n ”t h e n ，a r o u n d w h o l es y s t e mp r o j e c t ，t h er e s ta n de a c hc h a p t e r c a r r yo nd e s c r i b ei nas p e c i f i cw a yw i t ht h ed e s i g no ft h ea u t a m o b i l es k e t c hm u l t i m e t e r k e y w o r d s 】s i n g l ec h i pm i c y o c o ，a d ，t h ei n t e l l i g e n c ei n s t r u m e n t ，i s p ，m a x l 3 4 h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：彬日期：! ! ! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名： 滚之 尸。一? 37 第一章绪论 第一章绪论 随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成度越来越高，已经可以在一块芯片上同时集成 c p u 、存贮器、定时器计数器、并行和串行接口以及a d 转换器等。人们把这种超大规模集成电路芯片 称作“单片微控制器”，简称为单片机。单片机的出现，引起了仪器仪表结构的根本性变革。以单片机 为主体取代传统仪器仪表的常规电子线路，可以容易地将计算机技术与测量控制技术结合在一起，组成 新一代的“智能仪器”。这种新型的智能仪器在测量过程自动化，测量结果的数字处理以及功能的多样 化方面，都取得了巨大的发展。目前，在研制高精度、高性能、多功能的测试仪表时，几乎没有不考虑 采用微处理器使之成为智能仪器的。而在仪器仪表中使用得最多的微处理器是单片机。在测量控制仪表 中，采用单片机技术使之成为智能仪器后，能解决很多传统仪器仪表不能或不易解决的难题，同时还能 简化仪表电路，提高仪表可靠性，降低仪表成本和加快新产品开发速度。这类仪器的设计重点己经从模 拟和逻辑电路的设计转向专用的单片机模板或功能部件、接口电路以及输入输出通道的设计和通用或专 用软件程序的开发。目前，这类智能化测量控制仪表已经能够实现四则运算、逻辑判断、命令识别、自 诊断自校正甚至自适应和自学习的功能。随着科学技术的进一步发展，这类仪器的智能化程度必将会越 来越高。 1 1 智能仪器的构成与特点 智能仪器的核心是微处理器。图1 1 是智能仪器的基本组成。 被澳w 青号 图1 1 智能仪器的基本组成 从图1 1 可以看出，智能仪器的结构除了包含微处理器以外，还有存贮器r a m ，r o m 和键盘、显示 器及其它接1 3 装置。与一般计算机的差别在于它多了一个“专用的外围设备”测试电路和一个与外界通 讯的g p i b 接口。因此可以认为：从仪器的观点看，微处理器及其支持部件是整个测试仪器的组成部分。 从计算机的观点看，测试部分是计算机的一个专用外围设备。这种关系可以归纳如下： 东南大学硕士学位论文 智能仪器 测试部分 g p i b 接口 传感器 测量电路 数据采集电路( 放大、采集、保持) a d 转换 专用外崮设备 智能仪器的特点有下列几点： ( i ) 微处理器的引入使智能仪器的功能较传统仪器有了极大的提高。许多原来用硬件电路难以解决 或根本无法解决的问题，由于利用软件而获得较好的解决。例如，传统的数字多用表( d 毗) 只能测量 交直流电流、电压以及电阻等，但采用微处理器的智能数字多用表还能测量百分率偏移、比例、极值、 平均值、方差、均方差、均方根值等，甚至在外加传感器后，还能测量温度、压力等非电量。 ( 2 ) 智能仪器可以通过数据处理进行自动校正、非线性补偿、数字滤波等修正和克服由各种传感器、 变换器、放大器等引进的误差和干扰，从而提高仪器的精度和其他性能指标。 ( 3 ) 智能仪器一般都具有很高的自动化水平。微处理器能控制仪器的整个测景过程。如键盘扫描， 量程选择，数据采集、传输、处理及显示记录输出等，实现了测量过程的自动化。 ( 4 ) 智能仅器具有对外接口能力，通常都具备g p - i b 接口，能很方便地通过接口组成多功能自动铡 试系统。 ( 5 ) 智能仪器由于采用了微处理器，从而可以用软件代替许多硬件电路的工作，这样，仪器可以简 化结构、减少面积、降低成本和提高可靠性。 ( 6 ) 智能仪器通常都具有自测试和自诊断功能。它能自行测试是否正常，自行诊断是否存在故障及 故障的部位，提高了仪器的可靠性，简化和加快了仪器的维修工作。 l t2 智能仪器与传统仪表的比较 传统仪表对于输入信号的攒i 量准确性完全取决于仪表内部各功能部件的精密性和稳定性水平。 图1 2 所示是一台普通数字万用表的原理框图，滤波器、衰减器、放大器、a d 转换器以及参考电 压源的温度漂移电压和时间漂移电压都将反映到测量结果中去。如果仪表所采用的器佳精密性高些，则 这些漂移电压会少些，但从客观上来说，这些漂移电压总是存在酶一 被 另外，传统仪表对于测量结果的正确性也不能完全保证。所谓正确性是指仪表应在其各个部什完全 无故障的条件下进行测量，而传统仪表在其内部某些部件发生故障时仍然继续进行测量，并继续给出测 量结果，显而易见这时的测量结果将是不正确的。智能仪器的出现使上述两个问题的解决有了突破性的 进展。智能仪器可以采用自动校准技术来消除仪器内部器件所产生的漂移电压。如图1 3 所示，在每次 进行实际测量之前，单片机发出指令，开关s 接地，此时仪器的输入为零，仪器的测量值即是仪表内部 器件( 滤波器、衰减器、放大器和a d 转换器等) 所产生的零点漂移值，将此值存入计算机的内部数据 存贮器r a m 中，然后单片机发出指令使开关s 接入被测电压进行实际测量，由于漂移的存在，实际测量 值中不包含有零点漂移值，因此，只要将测量值与零漂移值相减，即可获得准确的被测电压值。 2 =蚤 第一章绪论 图1 ，3 智能化数字电压表的原理框图 众所周知，任何仪表都必须进行周期性校准，以保证其额定莅度数合法惶传统仪表的校准通常是 采用与更高级的同类仪表进行对比测量来实现的。这种校正方法费时费力，而且校准后，在使用时还要 反复查对检定部门给出的误差修正值表，给用户造成很大的不便。智能仪器给用户提供了一种先进而方 便的自动校准方法。如图1 。3 所示，校准时，单片机发出指令使开关s 接到基准源上，此时仪器的输入 为标准电压，仪器将对这一标准电压的测量值存入表内的非易失性r a m 中作为表内标准，从而可以在以 后的各次测量中，用这一标准值对测量值进行修正。这种校准方法完全基于单片机的计算与存储功能， 校准时问短，操作方便，不用打开机盖，不需要调整任伺元件，非专业人员也可以操作，因此深受仪器 使用者的欢迎。自动校准是智能仪器的一大功能特点，它可降低仪器对于内部器件稳定的要求，这点对 于仪器的设计和制造都具有重要意义。 在提高仪器的可靠性，保证测量结果的正确性方面，智能仪器也明显优于传统仪表。通常智能仪器 都设置有自检功能。所谓自检，就是仪器对其自身各主要部件进行的一种自我检测过程，目的是检查各 部件的状态是否正常，以保证测量结 果的正确性。自检一般可分为开机自 检、周期性自检、和键控自检三类。 开机自检是每当接通电源或复位 时，仪器即进行一次自检过程。周期 性自检是在仪器的工作过程中，周期 性地插入自检操作，它是完全自动的， 通常在仪器工作的间歇期间插入，不 干扰正常测量过程( 除非是检查到故 障) ，它是不为仪器操作者所察觉的。 键控自检是在仪器的面板上设置一个 专门的自检按键，需要时或由操作人 员启动自检。仪器自检的内容比较多， 自检项目与仪器的功能和特性密切相 关，通常自检的对象包括r a h f 、r o m 、 a d 转换器、显示器以及一些特殊功 能部件等。对于不同的自检对象和目 的，检查的方法也不同。对于r m 的 自检可采用写入数据和读出数据是否 一致的方法进行，如果写入的数据与 读出的数据不一致，则说明该r a m 器 件存在故障。对于显示器自检可让其 全部发光，如果某一显示器不发光， _ ； i i _ ；| ： ? 二r o m 地址i = = r o m 内容 ；：蠢l ? “。一。j i 参j 0 l o l l 0 1 0 参j j j j2 。j 誓_ ” l o l 0 0 11 0 j 童_ i _ 。| j | | 3 j 。一j j | l1 0 0 0 1 0 l 一 蠢警oi ；。| 。0 0 1 1 1 1 1 0 譬寨 | _ ij 鼍，蒸j i i 0 0 0 0 0 0 1 0 誊挲：- 。j6 + ： ，- 誉j 1 1 1 1 0 0 0 0 0 。 。 薹誊i ；| i 蠢? l ： 1 1 1 0 1 1 0 t 爹ii j ；8 。oj - 1 1 1 0 0 1 1 1 校验字 1 1 1 1 1 1 i 1 校验和 图1 4r o m 程序代码和校验字 程 序 代 码 则说明它存在故障。对于a d 转换器的自检可给其施加个标准电压，如果此时的a d 转换结果数据 在预期的范围内，则说明a d 转换器工作正常。对于r o m 的自检可采用校验的方法进行，如图1 4 所示， 3 东南大学硕士学位论文 在将程序代码写入r o m 时，保留一个单元( 一般为最后一个单元) 不写程序代码，而是写入“校验字”， 利用这个校验字使r o m 的每一竖列都具有奇数个“1 ”，这样就使r o m 的每竖列的校验和全为“1 ”。当进 行r o m 自检时，如果程序的出口参数( 即校验和) 为“1 1 1 1 1 1 1 1 ”，则说明该程序代码没有丢失。 在进行自检的过程中，如果检测到仪器的某一部分存在故障，仪器将以某种特殊的显示方式提醒操 作人员注意，并显示当前的故障状态或故障代码，从而使仪器的故障定位更加方便。一般来说，仪器的 自检项目越多，则使用和维修也就越方便，但是相应的白检硬件和软件也就越复杂。智能仪器内含单片 机，可以充分利用单片机对于数据的处理能力，最大限度地消除仪器的随机误差和系统误差。随机误差 存在于每一次测量过程中，而且其大小、符号都是不确定和不可预知的，但是n 个测量数据中所包含的 随机误差具有统计规律。概率统计理论证明，随机误差服从正态分布。n 个测量值中包含的随机误差具 有对称性或相消性，因此，可以用统计平均的方法来消除随机误差。概率统计还证明，对于n 个带有随 机误差的测量数据，当n 逐步增大时，其平均值是真值的无偏估计值。因此，在智能仪器完成一次测量， 实际上是对被测量进行了n 次采样之后，取这n 次采样值的平均值，对于仪器系统误差的消除可以采 用前面介绍的自动校准方法。运用单片机的数据计算处理能力，是智能仪器提高测量和控制准确度的一 个重要方法。此外还可以用这种方法来进行仪器的非线性特性校正。根据仪器功能的不同，数据处理方 法也多种多样。、 智能仪器是科学技术发展到今天的最新产物，尽管目前这类仪器的智能化程度还不是很高，但是可 以预计随着微电子技术、信息技术、计算机技术以及人工智能技术的不断发展和完善，这种新一代的智 能仪器的智能程度必将越来越高。 1 3 论文研究背景 近年来，我国汽车业得到 了飞速发展，针对我国汽保、 汽修企业大多数规模较小，专 业技术水平欠佳的特点，开发 研制具有技术先进、智能化、 傻瓜佬的检测仪器大有市场， 汽车图形万用表就是在智能 仪器技术飞速发展的前提下， 为广大中小汽修企业提供的 先进智能检测仪器，操作简 单、功能齐全、携带方便。以 满足企业“投资小、见效快” 的要求，将为打破传统的拆卸 修理模式，建立新的智能诊断 修理模式提供坚实的物质基 础，为汽车维修行业的发展贡 献力量。汽车图形万用表如图 1 5 所示。 1 4 论文研究内容 汽车图形万用表除具有 普通万用表功能( 电流、电压、 电阻、二极管) 外，还具有汽车发动机点火测试功能( 点火波形、转速和占空比) 。该设计以智能仪器 技术为基础，以单片机( m c u ) 为核心，运用现代计算机技术和测试技术，采用模块化、结构化设计方 法。本文深入论证了汽车图形万用表各功能模块的作用、技术方案及具体实现方法。软件设计全部采用 c 语言。 论文本着先理论研究后实践设计的思想谋篇布局，首先论述了智能仪器的构成和特点，以及智能仪 器与传统仪器的比较；其次，从技术角度重点研究智能仪器运用的数据采集通道和接口技术，以及数据 处理技术；再次，是从设计角度阐明汽车图形万用表设计的背景、方案选择，接着是系统硬件和软件设 4 5 东南大学硕上学位论文 第二章智能仪器的数据采集通道及接口技术 在智能仪器中，把被检测对象的信号送入微处理器中进行处理，或者将微处理器中的控制信号输出， 对受控对象进行控制，被测量的信号要经过多次的变换或反变换，每次变换都具有一定的目的。传感器 是被测信号的第一次变换，它是将非电量信号变换成电信号。为了将它输入到微机中进行实时处理，需 要再进行滤波、放大，变换成标准的电信号送给a d 转换器进行第二次变换，模拟的电信号被转换成数 字量送入微型机中，以便对其作迸一步的处理。 在所采集的电信号中有连续的电流或电压信号，也有离散的电信号。对于这几类信号，需要采取不 同的方式进行转换处理。对模拟量需要进行滤波、放大、模数转换等。对于离散信号，需采用频压变换， 也可以直接送入微机。从微机中输出的信号，如模拟信号、开关量信号及脉冲序列( 一定频率) 信号等 也需采用一定的转换电路或驱动电路控制受控对象。 总之，在将传感器信号输入微处理器的过程中，或从微处理输出控制信号时，必须对信号的特征量 及其大小、系统的关键性指标、成本允许范围等作出全面的综合考虑，方能合理地设计出信号传输通道。 对于高精度、多功能、快速数据采集系统，更要深入研究系统的各个环节，在理论与实践上作出分析、 判断，方能获得可靠的遥道品质指标。 2 1 模拟信号的输入及a d 转换器 模拟信号输入通道的作用是将由传感器送来的模拟量进行电平转换、滤波、放大、采样保持、模数 转换后，输入微处理器中，完箍的模拟信号输入通道由滤波器、放大器、采样保持器、模数转换器等组 成，当然也有只需要其中部分器件的模拟信号输入通道。在每个系统中需要采样的点数及要求的转换精 度和速度不同，所以在一个数据采集系统中，可能会有多种转换方式。 2 1 1 模拟信号的输入通道的工作方式 模拟信号输入通道的工作方式有以下5 种，实际应用中选用哪种输入方式，应根据系统的要求决定。 i 单遥道不带采样保持器的a d 转换 这种电路适合于输入信号变化缓慢的场合，其转换速度一般，精度较高，方框图如图2 i 所示。 | l 稽感器卜 一置滤波j j 卜一i i 放大i1 一誊a 沁。 一i c p u l二二二ji _ - - - _ 二蔓 _ _ 1 1 二_ ：。i 【_ _ _ _ 量_ - - 三_ - - _ _ _ 二jl u 二o j 图2 1 单通道不带采样保持器的a d 转换电路 2 单通道带采样保持器的a d 转换 这种转换电路的转换精度很高，速度快，适合于高精度的数字转换电路，其方框图如图2 2 所示。 厂_ _ _ r _ _ _ 曩_ _ - _ r 习r _ _ _ _ _ _ _ 广 | 传感器h 鼻$ 暾。h 誊放走。； 叫i 采榉保持 ； 叫加 叫 c p u 图2 2 单通道带采样保持器的a d 转换电路 3 多通道a d 转换 每个通道都带有自己的采样保持器以及放大器、滤波器、a d 转换电路，其方框如图2 3 所示。 c p u 图2 3 多通道a d 转换器 4 多通道共享a d 转换 这种采样输入方式，适合于多种信号的转换精度、转换速度要求基本一致的场合，它占用c p u 的输 入口较小，c p u 对每个通道的访问，可以由软件决定，也可以由硬件决定，是一种比较经济的工作方式。 其转换框图如图2 4 所示。 6 第二章智能仪器的数据采集通道及接口技术 _ 爹i 品 i 转 换 开 羔 m q x ； 图2 4 多通道共享a d 转换电路 5 多通道共享采样保持器与a d 转换器 这种a d 转换输入方式适合于对同一信号不同量程的a 9 转换，它也比较经济，占用c p u 输入口少， 因而可以更有效地利用c p u 的输入口。尤其对丁- 那些接口有限的微型机，这种方式更有效。c p u 对各路 通道的访问采用软件控制，由多路转换开关进行切换。其框图如图2 5 所示。 _ 多i 路： 曩转 誊撰誊 开j 关| ；c m u x o 图2 5 多通道共享采样保持器的a d 转换电路 2 1 2 模拟数字转换器( a d ) 模数转换过程中，每隔时间t 对输入的连续信号进行采样，采样后的数据在时间上是离散的，然后 经过量化( 即编码) 将模拟信号转换成数字信号。在a d 转换器中，采用四舍五入的取整量化方式( 即 把小于q 2 的值舍去) 。毫无疑问，量化会使信号失真，给系统带来量化误差，影响系统的精度和过程 平滑。为了减少量化误差对系统精度和平滑性的不利影响，应该正确选用a d 转换器。 1 a d 转换器的主要性能指标 有以下主要性能指标： 分辩率：指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化时。分辩率又称为精度，通常以数字信 号的位数来表示。 转换速率：是指完成一次从模拟转换到数字的a d 转换所需的时间的倒数。积分型a d 的转换 时间是毫秒级属低速a d ，逐次比较型a d 是微秒级属于中速a d ，全并行串并行型a d 可达 到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成， 采样速率( s a m p l er a t e ) 必须小于或等于转换速率。 量化误差：由于a d 有限分辩率而引起的误差，1 即有限分辩率a d 的阶梯状转移特性曲线与无 限分辩率a d ( 理想a d ) 的转移特性曲线( 直线) 之间的最大偏差。通常是一个或半个最小 数字量的模拟变化量，表示为1 l s b 、1 2 l s b 。 偏移误差：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。 满刻度误差：满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。 线性度：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。 精度：与系统中所测量控制的信号范围有关，但估算时要考虑其他因素，转换器位数应比总 精度要求的最低分辩率商一位。常见的a d 器件有8 位、1 0 位、1 2 位、1 4 位和1 6 位等。 速度：根据输入信号的最高频率确定，保证转换器的转换速率要高于系统的采样频率。 通道：有的芯片内部含有多个a d 模块，可同时实现多路信号的转换；常见的多路a d 器件只 有一个公共的a d 模块，由一个多路转换开关实现分时转换。 数字接口方式：接口有串行和并行之分，串行又有s p i 、i2 c 、s m 等多种不同标准。数值编码 通常是二进制，也有b c d 码、双极性的补码、偏移码等。 极性：根据信号是否过零，还分成单极性( u n i o l a r ) 和双极性( b i p o l a r ) 。 电源电压：有单电源，双电源和不同电压范围之分。早期的a d d a 器件有+ 1 5 v 一1 5 v ，如果选 用+ 5 v 电源的芯片则可以使用单片机系统电源。 基准电压；有内、外基准和单、双基准之分。 功耗：一般c m o s 工艺的芯片功耗较低，对于电池供电的手持系统对功耗要求比较高的场合一 7 东南大学硕士学位论文 定要注意功耗指标。 2 a d 芯片的主要品种及性能 a d c 芯片r 类型很多，性能指标相差很大，且各具特点。根据转换原理来分，常用的a d c 有： 双积分方式a d c ； 逐次逼近式a d c ； 快速a d c 数据输出 图2 6 双积分方式a d c 原理图 下面简要叙述其工作原理： ( 1 ) 双积分方式a d c 。双积分方式a d c ，以高精度。高分辨率和低转换速度为其特点。在一些有强电 干扰，而信号变化极其缓慢的工业应用场合，有较 大的应用价值。 双积分方式a d c 的工作原理( 如图2 6 ) 是将输 入电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，然后 计数器据此进行计算。双积分方式a 0 c 的工作过程分 为采样和测量两个阶段工作原理如图2 7 所示。 双积分方式a i ) c 按一定的时序工作，从电路发出 启动脉冲s t a r t = i 时亥1 t l 开始，k l 接通，计数器复位， 模拟电压u x 接到积分器输入端。积分器从零开始积 分，同时，计数器开始计数。假设计数器的容量为 n m a x ，时钟周期为t c p ，从计数时刻t l 开始到计数 器计满，发出溢出脉冲的时刻t 2 为止，这段时间t 1 称为采样阶段。t 1 等于t c p n m a x 是定值。这时积分 运算放大器的输出电压u o 为： u o = 一去r 1 孤出= 一罢c 孤= 沈一q 一，曩c 如曰 u o 与输入电压u x 在t 1 内的积分值成正比。 在t 2 时刻，转换器进入比较阶段。此时计数器 已计满又复位为零，控制逻辑电路使模拟开关k l 断 开，k 2 合上，将与u x 极性相反的标准电压, u r e f 输入 积分器积分器开始反向积分，计数器重新开始计 8 u a 对u x 积分 珂u r e t l ： 爱 | j 。i i t t t 1 t 2 t x u a ， 彩 j l j e 帑 i t 1 。 t x l 1 固定积分时间 一一 - - t x ： 入电压 圈2 7 双积分方式a d c 的工作原理图 第二章智能仪器的数据采集通道及接口技术 数。当积分器的输出电路u 0 降到等于零的时刻t 3 ， 这一段时间为t 3 一t 2 = t x ，此时计数器计数值为n x 。 因此 检零比较器动作，通过控制逻辑电路将计数器关闭。 由于此时积分器输出电压为零，即 u o ( t 3 ) = + 面i f 昕矿出= 。 沈：一旦厂 r c 。 t x = n x t c p 由( 2 - 3 ) 可知，被测电压u x 转换数字量n x 与u x 成正比，与二二二= = = 比例因子成正比，而与积分器 u r e j 中的r c 常数及计数器的频率t c p 无关。故此在双积分型a d c 中需要一个高品质的正负电源，一个高品质的 积分电容及一个高灵敏度的电压比较器以保证检测精度。 双积分a d c 的缺点是：转换频率较低，略低于i 2t 1 。由于采样时间t l 又和分辨率( 计数量的最大 值) 有关，分辨率愈高，在使用的时钟频率高限被限定时，) j t i 就较大，故转换速度受一次积分时间所 限，此外，采样时间t 1 的选择还和干扰噪声抑制频率有关。如要求能抑制低频干扰，相对于快速采集系 统则太慢，但是双斜率转换器对于温度的检测及气相色谱这些反应较慢的传感器来说，其速度是足够的。 由于它工作速度慢，信号频率低，采样值是在t 1 时间内输入信号的平均值，故采集通道中不必再设置采 样保持电路。 ( 2 ) 逐次比较式a d c 。这类芯片目前应用极为广泛。它易于获得较高的转换速度、高分辨率及较高 的精度，也易于和微机接口。 它的工作过程是用一系列的基准电压与被 转换电压u x 相比较，其原理如图2 8 所示。 当未知电压u x 接入后，由c p u 给出的s t a r t = i 信号启动a d 转换，随即芯片输出b u s y 状态，信 号为0 表示a d c 正在转换。a d c 转换时先使高位数 字d n - 1 = l ，经片内的数模转换环节( a d c ) 转换成 对应一个整量程一半的权值基准电压u c ，与输入 电压u x 相比较，若u x y o c ，则保留此位，若u x u c ， 则此位清零。然后令下一位数字为1 。f i p d n 一2 = 1 ， 与上一次结果一起经d a c 后转换成u c ，与u x 相比 较，重复进行二进制各位的搜索比较，直到最后 确定最低位d 0 后，给出状态b u s y = i ，并允许转换 的信号数字输出。逐次比较式a d c 经过移位寄存 器后容易获得串行数字输出。 假定逐次比较式a d c 的分辨率为n ，n 也就代 表了被比较的次数，故逐次比g e a d c 的转换时间 为： t c h = t o + n t c p 式中，t o 为转换前后所需要的控制及动作时 间；t c p 为时钟周期：n t c p 为n 位转换所需要的时 间。 a d c 的转换速度取决于可选择的最高时钟频 率，而时钟频率的高限，则受片内d a c 输出达到 稳定所需时间、电压比较d a c 响应时间以及逐次 图2 - 8 逐次比较式a d c i 作原理圈 b u s y 串行输出 逼近寄存器的动作时间等的限制。逐次逼近d a c 的精度则主要由片内d a c 、电压比较器及参考电源精度决 9 争等 r 服 东南大学硕士学位论文 定。 逐次逼近式a d c 芯片使用时，常需配置相应的采样保持电路，同时要求在所选采样保持电路的孔径 时间内模拟电压变化值小于该a d c 芯片的1 2 l s b 误差值，以保证a d c 转换质量。而慢速的直流信号，若能 保证在t 。内变化甚微，则也可省去采样保持电路。但一般为了可靠，在逐次比较式a d c 芯片前应设置采 样保持电路。 ( 3 ) 快速a d c 。快速a d c 转换器分为两种，一种是并行比较型a d c ，另一种是串一并行比较型a d c ，它 们的转换速度在几纳秒到几百纳秒之间，但要实现高分辨率比较困难。图2 9 表示一个n = 3 的并行转换型 a g c 的原理电路。被测电压u x 接在7 个比较器的“+ ”端，而参考电压按二进制比例分出了7 级，用分压 器分别接入7 个比较器的“”端。若u x 大于被比较的参考电压，比较器输出为“l ”电平；若u x 低于被 比较的参考电压，则输出0 电平。7 路信号输出经寄存器送到二进制译码电路的输出端形成与u x 对应 的三位二进制代码。 d o d id 2 图2 9 三位并行转换a d c 原理图 3 智能仪器a d 转换器的选取 在设计智能仪器时，正确选用a d 转换器的关键，在于合理选择其字长、变换速度及确定采样保 持器是否必要。 因为a d 转换器的字长直接影响量化精度，所以它的选择主要考虑如何使量化误差不致成为影响系 统精度的主要园素。 首先，在信号的变化范围内，不能因a d 转换器分辨率过低造成测量“死区”。如信号i x ( t ) l 的最 大值为。最小值为x 。，对舍入量化粜说， 必须得到满足。 若使x 。- - u 。，于是从上式可以得到： 土 o 时数值不变，n o 时以9 取补码。例如 第五章系统硬件设计 当测量值为一o o i o o 时，b c d 码数据即为9 9 9 0 0 。芯片内部有6 个寄存器， 二二互= = 蟹暖匦= = ( =- - ，、。= ：= 二= ，、 8 0 _ 薯| _ _ 、厂 粼挲豢攀遗垂鸯毒输出_ _ o 彀粥谢彀一 n ) 罐列惜 | ，、；泔撑 l 瓢夸、圆嘧圳 灶x l ：辩的谴筠l i 誊搿 其中o 一4 号寄存器用来存放转换结果的b c d 数据( 4 号寄存器存放最高位，依此类推) 。5 号为状态寄 存器，它的4 个位d 3 一d o 分别代表常态位、锁存短路位( 用来锁存检查被测线路接通时的状态位) 、保持 位( h d l d ) 、l o b a t 位。u p 向m a ( 1 3 4 输入的数据以及要实现的2 0 种控制功能见表5 1 。表中的d 3 一d o 为相应结果寄存器的位设定信号，所有控制功能均由模拟开关进行切换。利用x2 模式可使输出数据等 于被测电压的2 倍，即量程降至原来的1 2 。选择5 模式能将量程扩大到原来的5 倍。利用零读数转换模 式能进行自动校零。1 0 0 1 0 。4 用以控制分压比，实现自动量程，见表5 2 。 兼5 11 誊她瓒嚣趣默瓢3 4 辘 擞蒸鳓砷攘l 目聃德 绱鬻眷群嚣稿髓进麓臻峙 盹坻罐帮静器球警 l 艚 u 2# i 体峨蠓。t 遵数德持蝌捣镶髓糍糍辨 摊 赫嗥槲霸鞲 釉裁翮1 i 戴 i 科 建渣 舔踌 十5i o 2 i 0 日 m 1 0 ： 群j 黼电e l 3 鞴照由蠹 糍攫 颦靠舒撂嚣删群 接琏囊涟嚣 4 铡鞋虐沲 螺 述行举臻墩抟毓 毒5 2 分瓞比与咎 | ! 曼躺蓝蒜 锤避： ：s q 静艇托 氇峨辩利瞧嘲嚣秘 1 搿 j4 j # 暖j 坤+i ，啡 vt 1 6 n k 1 0ot i 4 耐 1 0 $h 1 0 1 f 4 k i o “l ，l 端肿蜘口州d o o 3 由m a x l 3 4 构成的汽车图形万用表的基本电路 m a ) 【1 3 4 和c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机协调完成图形万用表所需的功能如表5 3 所示。 东南大学硕士学位论文 电路如图5 1 2 所示( 不包括u p ) 。r 7 一r i o 是分压电阻。测d c v 时，4 0 0 m v 以f 的输入电压经r 5 接到3 0 脚，4 v 4 0 0 0 v 电压经r i l 接第1 8 脚。测a c v 时可外接a c d c 转换器。c 4 一c 7 分别与r 7 r 1 0 匹配，构成r c 型宽 频带不失真衰减器，减少测交流电压的误差。r 5 是4 0 0 m a 档分流电阻。q 1 和t l 是双向限幅三极管。积分 电阻r 6 。c 2 为积分电容。y i i c i o 是时钟振荡器的外围元件。由l m 3 8 5 提供1 2 v 基准电压源，经多圈电位 器r v l 获得6 5 5 v 的基准电压，兼作4 k n 一4 0 妪2 电阻档的欧姆源。4 0 0 f 1 档的欧姆源取白芯片内部。设计电 阻档时可参照图5 9 所示电路。 图5 i i 撇州3 4 1 j e 章螨l f 攒瓣避摇 m a x l 3 4 与c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机的连接方式如图5 1 l 所示，p 6 o p 6 2 端分别接 旺a x l 3 4 的地址线a o n a 2 ， 以选择相应地址的寄存器。当r d = o 时，p 0 o n p 0 3 的输出送至m a ) ( 1 3 4 的相应寄存器中。当i 压= o 时， 把m a ) ( 1 3 4 寄存器中的数据通过数据总线p o o p o 3 写入c 8 0 5 1 f 0 2 0 。a d 转换结束，结束信号e o c 送至p o 4 端，可使微处理器产生中断。 m a x l 3 4 与单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 的接口电路如图5 1 1 所示。t 删1 3 4 模块电路原理图如图5 1 2 所示( 不包 括u p ) 。 图5 1 2m a x l 3 4 模块电路原理图 5 2 点火波形模块 5 2 1 功能描述 波形模块是把汽车发动机的点火高压信号转化成低压信号( 5 v 以下) ，送入单片机内部的a d c 转换 处理后，在液晶显示屏上显示发动机点火波形示意图。其功能框图如图5 1 3 。 r _ 8 嘴l ；0 a n cl5 划1 5 2 2 具体实现 1 8 位模数转换器 圉5 1 3 波形橇块功能框围 东南大学硕上学位论文 c 8 0 5 1 f 0 2 0 有一个片内8 位s a ra d c ( a d c i ) ，带有一个8 通道输入多路选择器和可编程增益放大器。 该a d c 工作在5 0 0 k s p s 的最大采样速率时，可提供真正的8 位精度，i n l 为土i l s b 。有8 个用于测量的输入 端。a d c i 完全e h c t p 一5 1 通过特殊功能寄存器控制，a b c 0 的电压基准可以在模拟电源电压( a v + ) 和外部 v r e f g 脚之间选择。对于c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件a d c i 有其专用的v r e f i 输入引脚。用户软件可以将a d c i 置于关断 状态以节省功耗。 可编程增益放大器接在模拟多路选择器之后，当不同a d c 输入通道之间输入的电压信号范围差距较 大或需要局部放大一个具有较大直流偏移的信号时( 在差分方式，d a c 可用于提供直流偏移) 。这个放 大环节是非常有用的，p g a 增益可以用软件设置为0 5 、1 、2 或4 。 灵活的转换控制系统允许用软件命令、定时器溢出或外部信号启动a d c i 转换。用软件命令可以使 a d c i 与a d c 0 同步转换，一次转换完成可以产生中断，如果被允许或者用软件查询一个状态位来判断转换 结束，在转换完成后，8 位数据字被锁存到一个特殊功能寄存器中。 图5 1 48 位a d c 原理框图 c 8 0 5 1 f 0 2 0 的a d c i 子系统包括一个8 通道