1、 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 12006 年山东省大学生电子设计竞赛2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 2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
2、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： 2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 3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
3、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2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 4摘
4、要: 本系统是以凌阳 16 位单片机 SPCE061A 为控制核心而设计的具有高分辨率高速A/D 转换器，实现了对模拟电压的实时测量和显示，并具有键盘设定、步进、液晶显示设定值和测量值、语音提示等功能。初始待测模拟电压信号由频压转换输出，并通过光电耦合实现了 A/D 转换电路与测量显示部分的电气隔离。不仅完全实现了题目中的基本要求和发挥部分，并在此基础上有所创新。AD 转换高速实现、美观友好的操作界面以及语音播报都是我们作品的亮点。关键词：SPCE061A，模拟电压信号，数模转换, 模数转换，光耦隔离Abstract: With sunplus 16 bits single chipSPCE0
5、61A as its control core, the system we designed is an Analog to Digital Converter of high resolving power and high speed. It can measure and display the analog voltage in real-time. Whats more, the keyboard presetting, displaying the given value with LED and actual measuring value with LCD, step and
6、 voice reminding make our system functions. Initial voltage is given by the frequency to voltage circuit, and the optical coupling isolator is added to realize the isolation of A/D conversion circuit and measure-display circuit. It has completely realized both the basic requests and the extended par
7、t, furthermore, it has the innovation in this foundation. The high speed of AD conversion, the friendly operating menu and voice playing are the shining points of our design.Key Words: SPCE061A ，Simulated Voltage Signal ，Analog to Digital Converter, Digital to Analog Converter, the Optical Coupling
8、Isolator2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 5目 录 1 设计任务与要求 .51.1 设计任务 .51.2 设计要求 .51. 2. 1 基本要求 .51. 2. 2 发挥部分 .51. 2. 3 创新部分 .62 设计原理及方案选择 .62.1 总体设计思想 .62.2 模块设计原理与选择 .62 .2. 1 AD 转换原理 .72.2.2 AD 转换方案 .82.2.3 D/A 模块 .102.2.4 控制模块 .142.2.5 信号源模块 .152.2.6 电气隔离方案 .162.2.7 键盘显示模块 .162.2.8 语音模块 .182.2
9、.9 时钟模块方案 .182.2.10 最终方案： .193 单元电路计算与实现 .193.1 直流电源电路 .193.2 控制器模块电路 .213.2.1 最小系统 .213.2.2 I/O 口分配如下： .223.3 信号源模块电路 .233.4 键盘 LED 显示电路 .243.4.1 键盘显示芯片 .243.4.2 键盘设置 .253.5 时钟电路 .253.5.1 时钟引脚 .253.5.2 外围电路 .263.6 语音电路 .263.7 A/D 转换部分 .273.7.1 采样保持电路 .272006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 63.7.2 A
10、/D 转换 .283.7.3 D/A 模块 .304 软件设计 .334.1 设计特点 .334.2 软件功能实现 .334.3 软件系统架构 .334.4 部分程序代码 .354.5 软件特点 .375 系统测试与误差分析 .375.1 A/D 转换器的主要技术指标 .375.1.1. 转换精度 .375.1.2 转换时间 .375.2 测试仪器与方法 .385.3 测试结果与误差分析 .385.3.1 测试结果 .385.3.2 误差分析 .386 总结与体会 .39参考文献： .392006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 71 设计任务与要求1.1 设计
11、任务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。系统组成框如图所示：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1.2 设计要求1. 2. 1 基本要求 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%。 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
12、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. 2. 2 发挥部分 分辨率为 16 位，线性误差小于 0.5%。 转换速度不低于 20 次/S。 将 A/D 转换电路与测量显示部分实现电气隔离。2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 81. 2. 3 创新部分 仿照 WINDOWS 菜单，操作方法一目了然，界面友好美观 考虑到控制系统的智能化和完整性，又增加了播放语音功能 选择 AD 不工作时，LED 实时显示当前时间 自制电源2 设计原理及方案选择2.1 总体
13、设计思想根据题目的要求，系统可划分为控制模块、AD 转换模块、电源模块、显示模块、键盘模块、信号源模块，另外增加了语音模块、时钟模块。系统框图如图 2：控制器模块信号源模块语音模块AD 转换模块时钟模块键盘模块显示模块直流电源模块图系统总体框图2.2 模块设计原理与选择其中 AD 转换为设计的核心部分，因此分 AD 转换模块和其他模块两部分进行讨论。2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 92 .2. 1 AD 转换原理模数转换器（简称 A/D 转换器或 ADC, Analog to Digital Converter）的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字
14、信号，为此模块的设计是整个作品的核心部分，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。一个完整的 AD 转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分电路。在具体实施时，常把这四个步骤合并进行。例如，采样和保持是利用同一电路连续完成的。量化和编码是在转换过程中同步实现的，而且所用的时间又是保持的一部分。具体过程如图 3 所示CPSSADC取 样 保 持 电 路ADC的量 化 编 码 电 路. DDDn-110vItvIt输 入 模 拟 电 压取 样 展 宽 信 号数 字 量 输 出 （ n位 ）图 3 AD 转换过程采样过程如图 4 所示是某一输入模拟信号经采样后得出的波形。为了保证能从采样信号中将原
15、信号恢复，必须满足条件fs2 f i(max) （1）其中 fs 为采样频率，f i(max)为信号 ui 中最高次谐波分量的频率。这一关系称为采样定理。AD 转换器工作时的采样频率必须大于等于式（1）所规定的频率。采样频率越高，留给每次进行转换的时间就越短，这就要求 AD 转换电路必须具有更高的工作速度。因此，采样频率通常取 fs =(35) fi(max) 已能满足要求。2006 年 山 东 省 凌 阳 杯 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛 10tusOui采 样 点 保 持图 4 模拟信号采样采样过程即通过采样保持电路完成。量化与编码过程 为了使采样得到的离散的模拟量与 n 位二进制码
16、的 2n 个数字量一一对应，还必须将采样后离散的模拟量归并到 2n 个离散电平中的某一个电平上，这样的一个过程称之为量化。量化后的值再按数制要求进行编码，以作为转换完成后输出的数字代码。量化和编码是所有 AD 转换器不可缺少的核心部分之一。数字信号具有在时间上离散和幅度上断续变化的特点。这就是说，在进行 AD 转换时，任何一个被采样的模拟量只能表示成某个规定最小数量单位的整数倍，所取的最小数量单位叫做量化单位，用表示。若数字信号最低有效位用 LSB 表示，1LSB 所代表的数量大小就等于，即模拟量量化后的一个最小分度值。把量化的结果用二进制码，或是其他数制的代码表示出来，称为编码。这些代码就是 AD 转换的结果。2.2.2 AD 转换方案 方案一：计数器式 A/D 转换。其工作原理为 D/A 转换后的电压依次与计数器中的计数数值所对用的电压进行比较，并随之调节计数器中数值。计数器式 AD 转换线路比较简单，但转换速度比较慢，所以很少使用。 方案二：双积分式 A/D 转换。它由积分器、过零比较器（C） 、时钟脉冲控制门（G）和定时器、计数器（FF0FFn）等几部分组成。其转换原理如图 5 所示：
