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1、电子设计综合实验,第二讲输入通道设计训练,微控制系统输入通道的工作原理及其组成结构模数转换电路 信号处理电路传感器,微控制系统输入通道的工作原理及其组成结构,单片机对被控对象进行数据采集的通道,典型单片机应用系统的结构框图,模数转换电路种类：816位的A/D转换器芯片ADC08098位MOS型A/D转换器AD574快速12位A/D转换器。接口主要考虑：数字量输出线的连接：内部是否带有三态锁存数据输出缓冲器、数据线的位数读取控制逻辑ADC启动方式、转换结束信号处理方法：由单片机提供。脉冲启动：如ADC0809、ADC574等。电平启动：AD570、AD571转换结束标志信号：判断有中断和查询两种
2、。时钟的连接：决定芯片转换速度的基准。由芯片内部提供(如AD574)由外部提供主要技术指标：量化间隔、量化误差、转换速率、量程,A/D转换器ADC0809,ADC0809转换工作时序,ADC0832：体积小，兼容性强，性价比高,8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0C to+70C，工业级芯片温宽为40 to+85,应用：电压测试仪,ADC0832与单片机的接口应为4条数据线：CS、CLK、DO、D
3、I。由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。,CS作为选通信号，在时序图中可以看到，以CS置为低电平开始，一直到置为高电平结束。CLK提供时钟信号，我们要注意看CLK的信号的箭头指向，向上为上升沿有效，向下为下降沿有效。DI、DO作为数据端口。当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功
4、能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据（SGL、Odd）用于选择通道功能，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。在完成输入启动位、通道选择之后，就可以开始读出数据，转换得到的数据会被送出二次，一次高位在前传送，一次低位在前传送，连续送出。在程序读取二个数据
5、后，我们可以加上检验来看看数据是否被正确读取。,这个是读取数值的子函数，二通道独立读取，入口参数是通道值（0或1），出口参数则是读取的结果，里面对两次读取的值进行判断，实际应用中，可以灵活处理，要不要判断、如果数值不一致要不要返回标志，这些留给大家思考。应用时，只要写成变量名=GetValue0832(通道值);即可返回转换值。由于ADC0832是8位分辨率，返回的数值在0255之间，对应模拟数值为05V，因此每一档对应的电压值约为0.0196V。大家可以在通道输入端引入模拟信号（05V）进行测试，比如可以在通道脚和地之间接入电池来测试电池电压值。,信号处理电路,利用集成运算放大器或专用模拟集
6、成电路，配以少量的外接元件可以构成各种功能的处理电路。主要功能：信号放大、信号滤波、阻抗匹配、电平变换、非线性补偿、电流/电压转换（IVC）、电压/频率转换（VFC、压控振荡器（VCO）等。,信号处理电路运算放大器电路,常用运算放大器基本类型（以美国TI的产品为例）通用型运算放大器：性能中等，价格低廉，典型代表是工业标准产品A741、LM358、OP07、LM324、LF412等。精密型运算放大器：有很好的精密度，特别是对输入失调电压UIO、输入偏置电流IIB、温度漂移系数、共模抑制比KCMR等参数有严格要求。低噪声型运算放大器：属于精密型运算放大器，要求器件产生的噪声低。双极型运算放大器电压
7、噪声低，电流噪声大，CMOS运算放大器电压噪声大，电流噪声小。高速型运算放大器：运行速度快，即增益带宽乘积大、转换速率快，通常用于处理频带宽、变化速度快的信号。低电压、低功率型运算放大器单电源型运算放大器不同的运算放大器参数差别很大，使用运算放大器前需要对参数进行仔细的分析。,集成运算放大器的重要参数增益带宽乘积GBW,中频开环差模增益,上限截止频率(-3dB带宽),理想运算放大器在线性应用时的两个重要特征差模输入电压等于零，即U+=U-,虚短两输入端电流等于零，即i+=i-=0，虚断比例运算电路的三种输入方式反相输入比例运算电路同相输入比例运算电路差分输入比例运算电路,积分运算电路运算放大器
8、选用时注意事项尽量选用通用型运算放大器。集成度高，双运放（如LM358）、四运放（如LM324等）。不要片面追求指标的先进性，例如场效应管输入级的运放，其输入阻抗虽高，但失调电压也较大，低功耗运放的转换速率必然也较低。弱信号放大时，应选用失调及噪声系数小的运放。在高输入阻抗及低失调、低漂移的高精度运放的印刷板布线方案中，输入端应加保护环。用于直流放大时，必须妥善进行调零。（推荐的调零电路）避免多级放大器级连，运放电源端对地就近接去耦电解电容和0.010.1F的瓷介电容。,测量放大电路：又称数据放大器、仪表放大器。主要特征：输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零漂很小，放大倍数精度可调，具有差动输入、
9、单端输出，共模抑制比很高。适用于大的共模电压背景下对缓变微弱的差值信号进行放大，常用于热电偶、应变电桥、生物信号等的放大。单片集成测量放大器,AD522,Auf=1+2*100/RG,信号处理电路有源滤波电路,滤波电路的作用实质上是选频，即允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分的频率的信号被急剧衰减。按工作的频率范围分类：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）。,由运算放大器组成的有源低通滤波器,截止频率,信号产生电路,波形：矩形波，正弦波，三角波，单脉冲波等。产生方法：555定时器、与非门运放的自激振荡集成电路函数发生器单片机FPGA,改
10、善正弦波负向失真,改善正弦波正向失真,RP1调节频率范围，其范围值为20Hz20kHz,传感器及其应用电路,传感器分类按测量对象参数分类：光传感器、湿度传感器、磁传感器、压力（压强传感器、振动传感器、超声波传感器）等。按应用领域分类：机器人传感器、医用（生物）传感器、环保传感器、各种过程和检测传感器等。传感器的特性静态特性：基本要求当输入信号为零时，输出也要求为零，并且输出量应该和输入量保持一定的对应关系。灵敏度线性性时滞性稳定性精度动态特性,传感器接口电路的设计传感器的输出与计算机的输入匹配的问题一般传感器的输出信号有三种形式：开关量、数字量和模拟信号（电流放大、电压放大、差动放大）减小噪声
11、的方法：传感器与预处理放大电路的接线要尽量短，传感器信号线采用屏蔽线，外皮接地，放大电路的输入和输出之间尽量远，增益不要太高，以免产生振荡，放大电路要远离传感器，以免产生电场和磁场的干扰等。,传感器放大电路的设计电压放大器（电压放大器和差动放大器）电流放大器,电压放大器基本电路,差动放大器基本电路形式,电流放大电路,霍尔传感器与应用电路霍尔传感器是利用半导体的磁电效应中的霍尔效应，将被测量物理量转换成霍尔电势。霍尔效应：将一载流体置于磁场中静止不动，若此载流体中的电流方向与磁场方向不相同时，则在此载流体中平行于由电流方向和磁场方向所组成的平面上将产生电势，此电势称为霍尔电势，此现象称为霍尔效应
12、。集成霍尔传感器：利用硅集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起，实现了材料、元件、电路三位一体，有线性型霍尔传感器和开关型霍尔传感器。基本应用电路,典型应用转速测量,UGN3040 是集电极开路元件，外接上拉电阻,温度传感器与应用电路将温度转换为电阻变化的称为热电阻和热敏电阻传感器；利用热电效应，将温度转换成电势变化的称热电偶传感器。,热电阻温度传感器金属热电阻工作原理：Rt=Ro1+(t-to)为热电阻的温度系数（1/）。在一定温度范围内，可近似视为一个常数，不同的金属导体，保持常数所对应的温度范围不同。常用金属热电阻铂热电阻：广泛应用于作温度范围的基准，标准的传递。铜电阻：灵敏度高，但
13、易于氧化，一般只用于150以下的低温度测量和没有水及无浸蚀性的介质中的温度测量。热电阻传感器的测量电路：最常用的是电桥电路。半导体热敏温度传感器（PN结温度传感器）：结电压随温度变化而变化。比金属具有更大的电阻温度系数。正温度系数PTC、临界温度系数CTR、负温度系数NTR,集成模拟温度传感器AD590：电流型温度传感器,具有较强的抗干扰能力,不需要精密电源为其供电,长导线的电压降不会影响其测量精度，并且如果电路经过校正，小范围的测量精度可高达+-0.1摄氏度。LM35：电压型温度传感器，-20+100测温电路，灵敏度为10mV/，即温度为10时，输出电压为100mV。集成数字温度传感器其他温
14、度传感器热辐射温度传感器、光纤温度传感器,温度/频率变化电路 利用V/F变换器LM131、集成温度传感器LM25或LM45及光电耦合器4N128组成输入输出隔离的温度/频率变换电路。,光电耦合器为输入输出隔离，进行电平转换,光电传感器（光电开关）根据检测模式的不同可分为如下几种：反射式光电传感器：发光器与光敏器件 置于一体。透射式光电传感器聚焦式光电传感器将发光器与光敏器件聚焦于特定距离，只有当被检测物体出现在聚焦点时，光敏器件才会接受到发光器发出的光束。根据工作光源的不同：可见红光(650nm)、可见绿光（510nm）和红外光（800940nm）。例如：在不考虑被测物体颜色的情况下，红外光有
15、较宽的的敏感范围，而可见红光或绿光特别适合于反差检测，光源的颜色必须根据被测物体的颜色来选择，红色物体与红色标记宜用绿光（互补色）进行检测。,应用举例利用反射式光电传感器检测黑白物体由于黑色物体和白色物体的反射系数不同，调节反射式光电传感器与检测对象之间的距离，使光敏三极管只能接到白色物体反射回来的光束。利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。被测物体是黑色物体反射弱，光敏三极管无法导通A点为高电平FPGA或者微控制器按受到的信号是低电平。反之为高电平。,（2）光源检测电路由光敏二极管VD2对光源进行检测，接收到光源发出的光时，VT1和VT2导通，A点为低电平，VT
16、3不能导通，B点为高电平；未接收到光源时，B点输出低电平。FPGA或者微控制制器检测输入端电平即可以判断此时光敏二极管是否检测光源。,弱光强信号检测系统前级放大电路全息防伪产品检测过程中光电探测器2CR41型硅光电池生成的微弱缓变光电流(微安级,变化频率小于100Hz),超声波传感器与应用电路测量距离，探测障碍物，区分被测物体的大小。基本原理：超声波检测装置包含一个发射器和一个接收器。发射器向外发射一个固定频率的声波信号，当遇到障碍物时，声波返回被接收器接收。超声波探头由压电晶片制成，可以发射、接收超声波。,主要性能工作频率：就是压电晶片的共振频率。当加到晶片两端的交流电压的频率和晶片的共振频
17、率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。,集成的超声波传感器：LM1812,长方六面体的塑料外壳,螺纹管M30类型,1.翻译TLC372芯片的数据手册。2.查找一款能够输出一定周期信号的芯片，并给出其应用电路，以及输出信号的周期、电压或电流幅值。3.查找一款能将TTL电平转换为CMOS电平的电路，说明其应用。4.查找一款能将CMOS电平转换为TTL电平的电路，说明其应用。5.试给出霍尔传感器的一个应用实例，要求描述完整、简洁。6.试给出金属传感器的一个应用实例，要求描述完整、简洁。说明：1.3题单学号学生做，2.4题双学号学生做。,基本要求：1.用给定运放制作一个放大器（20分）增益：20dB
18、；带宽：100KHz2.用CPLD实验箱和已设计的放大器制作一个频率计（30分）测量范围：10Hz100KHz，显示：3位发挥部分：1.提高放大器性能（20分）增益：60dB；带宽：500KHz2.增加测量参数（20分）电压幅度，测量范围：输入信号越小越好3.用CPLD存储并显示以下值（10分）Asin20 Asin40 Asin60 Asin80,交流电压参数的测量电路设计,元件清单,运放：TLV2464 比较器：TLC372AD变换器：ADC0820 二极管：IN4148,设计框图,放大器,AD变换,比较器,实验箱,3位显示,被测信号,10.01，实现幅度测量,实现频率测量,基准信号,设计
19、电路分解：1.基本放大器设计：增益20dB；带宽100KHz2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz3.比较电路设计：输出TTL电平4.CPLD实现频率计：测量范围10Hz100KHz，显示3位5.CPLD扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度6.CPLD扩展：实现存储并显示Asin20 Asin40 Asin60 Asin80,运放：TLV2464,单位增益带宽：6.4MHz单电源供电：2.76V双电源供电：1.35 3V,1.放大器设计：增益20dB；带宽100KHz,运放的单位增益带宽积=增益（-3dB带宽）一级放大倍数=10，带宽=6.4MHz/10=640KHz一级运
20、放达到基本要求：增益20dB；带宽100KHz运算电路：反相比例运算或同相比例运算,反相比例运算电路,电路结构：引入电压并联负反馈；输出电阻小；输入电阻小；补偿电阻R=R/Rf,运算关系：,同相比例运算电路,电路结构：引入电压串联负反馈；输入电阻大；输出电阻小；补偿电阻R=R/Rf,运算关系：,2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz,两个同频率的放大器fH=0.64fH1三个同频率的放大器fH=0.52fH1四个同频率的放大器fH=0.45fH1（1）第一级放大倍数=10，带宽=6.4MHz/10=640KHz（2）第二、三级放大倍数=10，带宽=0.52*640KHz=300KH
21、z（3）总增益=1000，带宽300KHz一级放大达到基本要求：增益20dB；带宽100KHz三级放大达到发挥要求1：增益60dB（带宽500KHz）方案：四级放大，每级5.7倍，5.74=1055一级带宽=6.4M/5.7=1.12M，四级带宽1.12MHz0.45=0.504MHz,2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz,运放的单位增益带宽积=增益（-3dB带宽）,过零比较器,含输出限幅电路的电压比较器,3.比较电路设计：输出TTL电平,比较器：TLC372,供电电压：218V,设计框图,放大器,AD变换,比较器,实验箱,3位显示,被测信号,10.01，实现幅度测量,实现频率测
22、量,基准信号,4.CPLD实现频率计：测量范围10Hz100KHz，显示3位,系统基准时钟：选用高精度时钟源，频率计精度的主要决定因素。脉冲整形：将被测信号整形为数字信号，且符合幅度要求。闸门时间的选择：对于低频信号的测量应采用较长的闸门时间，对于高频信号的测量则相反。,脉冲整形子系统,存储清零使能,系统基准时钟,数字脉冲,待测信号,闸门控制子系统,计数器子系统,译码显示子系统,放大器,AD变换,比较器,实验箱,3位显示,被测信号,10.01，实现幅度测量,实现频率测量,基准信号,5.CPLD扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度,CPLD实现数字电压测量的工作过程：首先由模数转换器对模
23、拟电压进行模数转换，接着CPLD对转换后的数字信号进行处理，再将结果用数字信号直接显示出来。系统结构框图：系统由三部分组成，ADC数模转换、FPGA信号处理和控制、显示电路。ADC数模转换：实现模拟量向数字量的转换。CPLD信号处理和控制：CPLD与ADC控制信号进行连接，控制ADC的模数转换过程，转换结束后，由CPLD对其进行数据处理并控制显示单元工作。显示电路：LED数码管接收CPLD信号，实现电压值的显示。,5.CPLD扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度,ADC0809，8位分辨率，输出逻辑电平与TTL、CMOS电路兼容。IN7IN0：8路模拟输入量，模拟电压的输入范围05V。
24、ADDCADDA：地址输入信号，译码后选择模拟量中的一路进行AD转换。ALE：地址锁存允许输入信号，上升沿锁存地址，启动译码选中一路模拟量输入。START：启动转换输入信号，正脉冲有效。上升沿复位内部寄存器，下降沿启动控制逻辑，开始AD转换。EOC：转换结束输出信号。下降沿表示转换正在进行，高电平表示转换结束。OE：输出允许信号，高电平有效，转换结果送到数据输出线。D7D0：8位数字信号输出。CP：外部时钟输入，时钟最高频率640KHz，转换时间约100s。VR(+)、VR(-)：基准电压。单极性输入时，VR(+)接+5V，VR(-)接地。VCC：电源电压，接+5V。GND：信号接地端。,5.
25、CPLD扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度,ADC0809工作过程：输入地址信号ADDCADDA；在地址锁存允许输入信号ALE的作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入；输入启动转换信号START启动转换；输出转换结束信号EOC；在输出允许信号OE的控制下，将转换结果输出到数字信号输出端D7D0。,根据ADC0809的工作时序，可以采用查询信号EOC方式，通过FPGA实现对ADC0809的采样控制。采样控制电路的流程:,根据流程图编写的采样控制电路VHDL程序如下，这里采用状态机的描述方式。为了配合电路的调试，这里指定地址信号，ADDA=1。,LIBRARY IEEE
26、;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;ENTITY ADC0809 IS PORT(D:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);-0809的8位数据 CLK,EOC:IN STD_LOGIC;-CLK转换时钟 ALE,START,OE,ADDA:OUT STD_LOGIC;-0809的控制信号 Q:OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END ADC0809;,ARCHITECTURE behav OF ADC0809 ISTYPE states IS(st0,st1,st2,st3,st4,st5,st6,st7);-定
27、义状态类型SIGNAL current_state,next_state:states:=st0;SIGNAL REG:STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);SIGNAL LOCK:STD_LOGIC;-转换结束后的数据锁存信号BEGINADDA ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE=0;START=0;OE=0;LOCK=0;next_state=st0;END CASE;END PROCESS;,PROCESS(CLK)BEGINIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN-时钟CLK上升沿，状态转换 current_state=next_state;END IF;END PROCESS;PROCESS(CLK)-锁存转换好的数据BEGINIF(CLKEVENT AND CLK=1)THEN IF LOCK=1 THENREG=D;END IF;END IF;END PROCESS;Q=REG;END behav;,
