高分辨率AD转换电路的设计毕业设计.docx
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高分辨率AD转换电路的设计毕业设计
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
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日期:
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日期:
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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0~100mV连续可调的高精度测试用基准源,其中模拟输入电压为0~100mV,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
Abstract
Intoday'ssocietyisAinformationsociety,withthecommunicationtechnology,computertechnologyandtherapiddevelopmentofmodernmicroelectronicstechnology,informationtechnologyhaspenetratedintothewholesociety(suchasmilitaryandcivilian),especiallyinthefieldofmoderncontrol,communicationanddetection,andA/Dconversiontechnologyininformationprocessingtechnologyplaysanimportantrole,especiallyinhighspeedandhighresolutionA/DconverterhasbecomeAmodernadvancedelectronicdevicesorelectronicsystemsintheindispensableimportantcomponent.Itiswidelyusedinradar,sonar,high-resolutionvideoandimagedisplay,militaryandmedicalimaging,highperformancecontrollerandsensors,digitalmeters,allkindsofdetectioncontrolsystemanddigitalcommunications,includingwirelessphoneandthebasestationreceiversystem,etc.
Itiswidelyusedinradar,sonar,high-resolutionvideoandimagedisplay,militaryandmedicalimaging,highperformancecontrollerandsensors,digitalmeters,allkindsofdetectioncontrolsystemanddigitalcommunications,includingwirelessphoneandthebasestationreceiversystem,etc.Thiscircuit,whichisbuiltinthebaseofanalogdevicesandcomplicatedprogrammablelogicdevice(CPLD),candeliver18bitA/Dresultwithhighprecision.Toachievehighprecision,Thedevicesthatareusedinthissystemshouldhavethecharacteristicofverylovetemperaturedrift.Theinputting0-100mVvoltageisfirstamplifiedanddeflected,andthendeliveredtoAD650toperformV/F.TheoutputtingfrequencyismeasuredwithhighprecisionbyCPLD,andtheMicro-controllercalculatetheresult.TotesttheperformanceoftheA/Dcharacteristic,ahighprecise0-100mVvoltagesouseisalsoavailableinthissystem.Toreducethedisturbance,ahighspeedphotoelectricity-couplerisusedtoinsulatetheA/Dpartandthecontrolcircuit.
Keyword:
V/F;CPLD;cymometer;A/Dconversion
1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,analogtodigitalconverter),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65μm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TSMC0.25μm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KeilC51,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。
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A/D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A/D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。
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1Hz~100kHz[3]。
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ANALOGDEVICES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0.07%;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。
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