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

摘要:

本系统由高精度、低温漂的模拟器件和CPLD构建，实现高精度的18位A/D转换。

模拟输入电压为0-100mV，通过精准的放大和偏置后送给AD650进行V/F变换，转换出来的频率信号由CPLD进行测量，结果送交控制器，产生18位A/D转换结果。

同时系统可提供0-100mV连续可调的高精度测试用基准源。

为了进一步降低干扰，A/D转换和控制电路采用了光速光电耦合器进行了电气隔离。

关键词：

V/FCPLD频率计斩波放大器

Abstract：

Thissystem,whichisbuiltinthebaseofanalogdevicesandcomplicatedprogrammablelogicdevice（CPLD）,candeliver18bitA/Dresultwithhighprecision.Toachievehighprecision,Thedevicesthatareusedinthissystemshouldhavethecharacteristicofverylovetemperaturedrift.Theinputting0-100mVvoltageisfirstamplifiedanddeflected,andthendeliveredtoAD650toperformV/F.TheoutputtingfrequencyismeasuredwithhighprecisionbyCPLD,andtheMicro-controllercalculatetheresult.TotesttheperformanceoftheA/Dcharacteristic,ahighprecise0-100mVvoltagesouseisalsoavailableinthissystem.Toreducethedisturbance,ahighspeedphotoelectricity-couplerisusedtoinsulatetheA/Dpartandthecontrolcircuit.

Keyword:

V/FCPLDcymometerChopper-stabilizedamplifier

目录

1.系统方案选择与论证………………………………………………4

1.1设计要求………………………………………………………4

1.1.1基本要求……………………………………………………4

1.1.2发挥部分……………………………………………………4

1.2系统方案…………………………………………………………4

1.2.1系统总体方案的论证………………………………………4

1.2.1系统基本方案………………………………………………5

1.2.3各模块方案选择和论证……………………………………6

1.2.4系统各模块的最终方案……………………………………9

2.系统的硬件设计与实现……………………………………………10

2.1系统硬件的基本组成部分………………………………………10

2.2主要单元电路的设计……………………………………………10

2.2.1精密测试基准源……………………………………………10

2.2.2电压的放大及偏置…………………………………………11

2.2.3V/F转换电路的设计………………………………………12

2.2.4等精度频率计的设计………………………………………16

2.2.5光耦合隔离电路的设计……………………………………17

3.系统的软件设计……………………………………………………18

3.1程序流程图……………………………………………………18

3.2等精度频率计的VHDL子程序…………………………………19

4.系统测试……………………………………………………………20

4.1测试仪器…………………………………………………………20

4.2指标测试………………………………………………………21

4.2.1A/D转换线性度测试………………………………………21

4.2.2转换结束信号测试…………………………………………21

4.3系统实现的功能…………………………………………………22

5.总结…………………………………………………………………22

参考书目…………………………………………………………………23

1.系统方案选择和论证

1.1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。

系统组成图1如下。

图1

1.1.1基本要求：

（1）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%。

（2）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。

（3）要求有一个A/D转换结束后的输出信号。

（4）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。

1.1.2发挥部分：

（1）分辨率为16位，线性误差小于0.5%。

（2）转换速度不低于20次/S。

（3）将A/D转换电路与测量显示部分实现电气隔离。

（4）其他。

1.2系统方案

1.2.1系统总体方案的论证

根据题目要求，设计并制作一个高精度的16位A/D转换器，常用的A／D转换器可分为3大类：

方案一：

逐次比较式

其速度快，二进制输出，与CPU之间的连线多、转换位数越多、连线越多、成本也相应增加。

但由于要求位数太多，连线太多影响系统的稳定性，且成本较高。

方案二：

双积分式

以二进制或BCD码的形式输出，精度高，抗干扰能力强，价格便宜，但转换速度较低，但电路设计与连接比较复杂，且速度太慢。

方案三：

VFC式

利用积分原理，将输入电压（或电流）转换成频率输出，脉冲频率与输入电压（或电流）成比例，其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU的连线最少，且增加转换位数时不会增加与CPU的连线，因此，VFC为A／D转换技术提供了一种廉价而有效的解决办法。

考虑题目要求做一个至少16位、20Hz的A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。

综上所述我们选择方案三。

1.2.2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，显示模块，语音模块。

模块框图如图2所示。

图2

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。

1.2.3各模块方案选择和论证

（1）精密测试电压源

方案一：

直接由D/A输出。

优点是可以程控，可由键盘设定输出。

但是一般的D/A位数较低，且其精度和温漂都难以达到理想。

方案二：

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TL431,LM336，MC1403等。

但是这种方式的输出阻抗较高，分压不准。

方案三：

精密低温漂高档基准源，分压后通过精密运放进行输出缓冲。

这种方案可以提供较大的输出电流，高档的基准源和运放可以保证输出的精度和低的温漂特性。

考虑到系统对温漂的要求非常严格，对精度的要求虽不像温漂要求那么严格，但也必须所以我们选择方案三。

（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公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频率电压转换器、A/D转换器、长时间积分器及其他相关器件。

LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。

LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达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。

方案三：

采用V/F转换专用集成芯片AD650，辅以的外围电路即可实现。

AD650是美国ANALOGDEVICES公司推出的高精度电压频率（V/F）转换器，它由积分器、比较器、精密电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管组成。

该电路在±15V电源电压下，功耗电流小于15mA，满刻度为1MHz时其非线性度小于0.07％。

AD650既能用作电压频率转换器，又可用作频率电压转换器。

AD650的满刻度频率高,可达1MHz；具有很低的非线性度：

在10kHz满刻度时非线性度小于0.002％，在l0kHz满刻度时非线性度小于0.005％,在1MHz满刻度时非线性度小于0．07％。

完全达到题目对精度和线性度的要求；最佳温度稳定性为±150ppm/℃。

V/F转换作为此次设计的核心模块，必须要有较高的满刻度频率响应和较低的最佳温度稳定性。

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，但其满刻度频率高，非线性度也完全符合要求。

综上所述，我们选择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）编写代码实现频率计数功能。

CPLD响应速度快可以达到十几纳秒甚至几纳秒，响应频率可以达到几十兆甚至上百兆，可以实现高速计数。

可编程逻辑器件可以用代码实现硬件的功能，不必大规模的搭焊、跳线，而且易于修改，一块片子可以实现一大块板子的功能且性能优于传统的电路连接方式。

可以运用EDA软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，电路一次成型，不必对实际焊接的电路再进行繁琐的调试、修改。

对于一定规模的数字电路尤其显示了其优越性。

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，所以我们选用方案三。

（4）控制器

本设计对运算控制器的响应速度要求不是非常高，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：

采用凌阳公司生产的SPEC061A单片机。

单片机算术运算能力强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制功耗小，技术比较成熟，成本较低，I/O口较多容易实现外扩，响应速度完全达到系统要求。

而且SPEC061A单片机自带语音模块，便于实现语音的添加。

综上所述，我们选择方案二。

（5）显示

在A/D转换完毕后，系统需要对转换结果有一个比较明了的显示，我们考虑了以下几种方案。

方案一：

使用液晶显示屏显示转换结果。

液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小，耗电量低，无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强和显示形式灵活等优点。

只是编程工作量较大，控制其占用资源较多，但在本系统中对控制器的资源使用不多，完全可以使用。

方案二：

使用传统的数码管显示转换结果。

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。

但耗能高，显示形式单一。

根据以上论述，我们采用方案一。

（6）语音

由于凌阳公司的SPEC061A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。

由于时间紧迫，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SPEC061A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。

（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，我们采用方案二。

1.2.4系统各模块的最终方案

经过团队的仔细分析和论证，我们决定了系统各模块的最终方案如下：

（1）精密基准源：

精密低温漂高档基准源，分压；

（2）电压放大及偏置：

运算放大器ICL7650；

（3）V/F转换：

采用AD650芯片；

（4）频率测试：

采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）；

（5）控制器：

采用凌阳的SPEC061A单片机；

（6）显示：

采用液晶屏；

（7）语音：

采用凌阳SPEC061A单片机自带；

（8）电气隔离：

采用光电耦合。

系统基本框图如图3所示。

图3系统框图

2.系统的硬件设计与实现

2.1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、液晶显示、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。

2.2主要单元电路的设计

2.2.1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，如果要测试它的性能，则需要极高精度和非常低温漂的基准源，市场上难以买到这样的基准源，需要自已动手搭建。

电路原理如图所示。

AD586是AD公司高精度5V的基准电压源,温漂低至2ppm/℃，噪声为100nV/HZ,通过固定电阻和可调电阻进行分压产生0-100mV的电压。

为了增加电压的负载能力，须进行电压跟随。

OPA333是零漂移精密运放，漂移最大为0.05uV/℃。

为了降低电源波动的影响，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。

图4基准源电路原理图

2.2.2电压的放大及偏置。

0-100mV的电压不能直接送给V/F变换AD650，而必须经过精密放大和进行电位的偏置，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）、偏置电压和相对时间、温度的稳定性。

输入的0-100mV电压经过40倍的放大后，产生0-4V的输出，因为AD650在0V输入的情况下，输出频率也是0，这样计数得到频率难以达到16的精度，所以我们把0-4V的输入向上搬移了1V，从而产生1-5V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1-5V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。

其原理图如图5所示。

图5电压放大偏置原理图

2.2.3V/F转换电路的设计

AD650是美国ANALOGDEVICES公司推出的高精度电压频率（V/F）转换器，其外部引脚如图6所示。

图6AD650外部引脚图

其内部结构如图7

图7AD650内部原理图

暂稳输入及输出波形为

图8波形

为了充分发挥AD650芯片的性能，必须很好地选择该芯片的外围元件。

而在元件选择时，首先要考虑V／F输出信号（频率）的占空比其值为t1/（t1+t2），可以从图中的波形图看出。

当定时电容Cos进定后，t1是个定值，t1+t2则根据输入电压的大小变化，因此占空D是输入电压Vi的函数。

其中最重要的是输入满度电压时输出信号的占空比Dvs这个参散对V／F的线性度有很大影响，要想达到最佳的线性度，必须选择Dvs=25％。

根据理论公式计算可知Dvs为：

若要求Dvs=25%，则Iimax必须为0.25mA，尽管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至关重要。

由于系统能够要求0—100mv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9所示：

图9正输入接线图

（1）积分电阻Rint的选择

积分电阻Rint的值是按照输入满度电压时所需要的输入电流来计算的。

为了保证满度对输出信号的占空比为25％，一般取满度时的输入电流为0．25mA，则积分电阻Rint为：

因为积分电阻将直接影响V/F转换的精度,所以在我们在选择电阻时选用了精度为万分之一的金属碳膜电阻。

（2）积分电容Cos的选择

因为在AD650芯片V/F变换电路中，其输出信号的频率可由下式确定：

从上式可以看出．其输出频率没有积分电容Cint这一项，也就是说Cint的容值误差及温度系数对转换精度没有直接影响但是Cint电容值的大小会影响积分器输出的幅度。

电容Cint值太大积分器输出幅度过小，至影响比较器翻转的精度；积分电容Cint过小，使运放过早进入饱和区。

因此积分电容过大过小都不行，其满刻度量程与Cos关系如图10所示。

图10满刻度量程与Cos线性关系

也可根据经验公式进行计算，其计算公式如下：

。

（3）单稳态定时电容Cos的选择

这个电容值的大小主要决定单稳态脉冲的宽度,其计算公式如下：

因为输出频率在满度时，要求占空比为25％，此时输入电流为0．25mA。

另外还要考虑到电路和印刷电路板之间大约有15pF寄生电容的影响，所以该电容的实际计算公式应为

图11V/F变换原理图

由于在实际应用中，该电容的温度系数是个重要参数，它将直接影响AD650芯片的转换精度。

为此，必须严格选择温度系数小的电容，另外在电路设计、实际安装时要尽量减小寄生电容的影响，应保证Cos与电路引脚尽量靠近，如有可能还应对Cos加以屏蔽，以免外界环境中活动物体影响电容的容量，特别是在精度要求较高（0．05％上）的情况下更要注意。

由此我们选用具有校正功能的EVOX-PFR系列电容。

最后的实际电路原理如图11所示.

2.2.4等精度频率计的设计

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。

用两个电阻实现电压钳位功能，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。

原理图如图12所示。

由于CPLD可以实现高速响应，可以实现准确计数。

图12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。

2.2.5光耦合隔离电路的设计

AD650的输出频率并不是方波信号，而是很窄的斜坡脉冲，难以测量其频率，所以先用D触发器7474其进行二分频，可同时实现边沿整定和占空比调整，输出占空比50％的方波信号。

设计要求AD转换与控制器电气隔离，以减小干扰，所以我们使用了光电耦合进行隔离。

AD650输出经分频后最高为500KHZ，需要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，其最高响应频率为10MHZ，隔离电压为2500V，满足要求。

其外部引脚如图13所示。

图136N137外部引脚图

内部原理图如图14

图14内部原理图

耦合电路原理图如图15所示

图15耦合电路原理图

3.系统的软件设计

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。

3.1程序流程图

图16控制程序流程图

3.2等精度频率计VHDL子程序

等精度频率计的实现方法可以简单的用图17表示。

图17中预置门控信号CL可由单片机发出，CL的时间宽度对测频精度影响较小，只是影响测频的最小值，所以可以在0.1秒至1秒间任意选取，令其为Tp。

B和T是两个可控的32位高速计数器,BEN和TEN分别是各自的计数使能信号，高电平有效。

20M标准信号源从B的时钟输入端BCLK输入，被测信号经整形后从与B相似的32位高速计数器T的时钟输入端TCLK输入。

测频开始前，首先发一个清0信号CL,高电平有效，是两个计数器、D触发器和4位选通信号均置0，然后由单片机发出测频允许命令，即令预置门控信号CL为高电平，这时D触发器要一直等到被测信号的上升沿到来之后Q端才被置1（即令START为高电平），与此同时，将同时启动两个计数器B和T，进入计数允许周期。

图17等精度频率计主控结构

在此期间，B和T两个计数器分别对被测信号和标准信号同时计数。

当Tp秒之后，预置门控信号被单片机置为低电平，但此时两个计数器并没有停止计数，一直等到随后而来的被测信号的上升沿到来时，才通过D触发器将这两个计数器同时关闭。

由图18所示，CL的宽度和发出时间都不会影响计数使能信号EN（START）的宽度，EN的允许计数周期在任何情况下都恰好等于待测信号TCLK的完整周期数，这正是确保TCLK在任何输入条件下都能保持恒定精度的关键所在。

CL宽度的改变以及随机出现的时间误差最多只有基准源信号BCLK的一个时钟周期，若BCLK由精确稳定的石英晶体振荡器（20MHz）发出，则在任何情况下测量误差只有两千万分之一秒。

图18频率计测控时序

设在一次预置门时间Tp中对被测信号（频率为Fx）计数为Nx,标准频率信号（频率为Fs）计数为Ns个，则有下式成立：

Fx/Nx=Fs/Ns

可得到测得的频率为：

Fx=（Nx/Ns）*Fs

最后当START由高