1、题目：高分辨率 A/D 转换电路的设计（C 题）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
2、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： 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
3、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 日目 录高分辨率 A/D转换电路的设计 .3Design of the High-resolution A/D Convertor Circuit.31 系统设计 .41.1 设计要求 .41.2 方案比较与论证 .41.2.1 总体方案论证 .41.2.2 系统电源模块方案论证 .71.2.3
4、模拟信号采集与处理模块方案论证 .91.2.4 AD转换模块方案论证 .101.2.5 数字信号处理与输出模块方案论证 .131.2.6 单片机控制接口部分设计方案论证 .131.3 系统方案设计 .151.3.1 总体设计思路 .151.3.2 设计方案选择 .162 硬件电路设计 .172.1 系统电路供电稳压源 .172.2 精密基准电压源 .172.3 模拟可调电压源 .182.4 信号调理与采样保持电路 .202.5 积分与比较电路 .212.6 时钟信号产生电路 .222.7 计数器与输出接口电路 .222.8 定时器模块 .232.9 单片机最小系统及应用电路 .252.10 键
5、盘模块 .262.11 显示模块 .273 软件设计 .273.1软件总体设计思路 .273.2 中断服务程序 .283.3 动态显示子程序 .293.4 连续转换 1s子程序 .303.5 连续显示子程序 .313.6 频率显示子程序 .324 系统分析与理论计算 .334.1 系统工作原理 .334.1.1 系统初始化 .334.1.2 AD转换过程 .334.1.3 测量数据的显示与控制 .344.2 系统误差分析 .354.2.1 系统误差产生的原因 .354.2.2 系统误差的计算 .365 系统测试 .375.1测设环境与条件 .375.2 测试内容 .385.3 测试结果 .39
6、6 总结 .39高分辨率 A/D转换电路的设计摘要：该高分辨率 A/D 转换电路采用双积分型转换技术，经采样保持，积分与比较电路完成电压- 时间转换，使用计数器，定时器控制转换过程，最终由计数器输出转换结果。凌阳 16 位单片机对输出信号进行处理，存储与显示。模拟电压输入信号由自制 0100mv连续可调电压源产生。通过光电耦合器实现了测量显示部分与 AD 转换电路的电气隔离。语音。该 A/D 转换电路具有转换精度高，控制简单等特点。关键词：A/D 转换，双积分，电气隔离， LCD 显示Design of the High-resolution A/D Convertor CircuitAbst
7、ract：The high-resolution A/D convertor circuit applies the double integral transformation technology, maintaining the converting results after the sampling and holding, voltage integral and comparatoring process, from the voltage - time reversal results; and then outputs the transformation result by
8、 the counter. The single-chip microcomputer controller SPCE061A can carry on processing to the output signal, the memory and the display. The analog input signal will be produced by the self-made 0100mv continual variable voltage source. The survey demonstration part and the AD converting circuit el
9、ectrical is isolated through the photoelectricity coupler. This A/D converting circuit has the characteristics of high transformation precision, simple control propertis and so on.Key words：A/D convert, double integral, electic isolation, LCD display 1 系统设计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
10、框图如图1所示。输入电压信号A D 转换电路（ 自行设计 ）单片机显示器键盘电源图 1 高分辨率 A/D 转换电路功能框图基本要求如下：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0100mV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
11、值不低于32767。发挥部分要求如下：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 实现其他功能。1.2 方案比较与论证1.2.1 总体方案论证方案一：采用逐次渐进型模数转换方案。该方案属于反馈比较型的模数转换，通过DA转换器输出值与输入模拟信号有次序地进行比较，从而确定输出数字信号的各个位的值。其原理框图如2所示。启动转换后，控制逻辑电路首先把逐次比较寄存器（SAR）的最高位置1，其它位置0，SAR中的内容经DA转换器转换后得到的电压值送入比较器中与输入模拟信号Ui进行比较。比较的结果输出到SAR，并在下一次比较前
12、对最高位进行修正。接着，在时钟信号驱动下，SAR中次高位置1，SAR 中的内容经DA转换器转换后的电压值再次送入比较器中与Ui进行比较，并在下一次比较前对次高位进行修正。这样SAR中的各位从高到低不断置1，不断的送入DA转换器进行转换，并把转换后值不断送入比较器中与 Ui进行比较，通过比较器的输出实现对该位的修正。当完成SAR中最低位的修正后，AD 转换完成，这时SAR 中的值即为转换后的数字量。信号调理采样保持比较器 D A 转换基准电压源控制逻辑逐次比较寄存器模拟信号数字信号时钟信号图 2 逐次渐进型模数转换原理逐次渐进型模数转换的精度取决于D/A 转换器和SAR 的位数，位数越高，精度越
13、好，但转换所需的时间也相应递增，N 位转换需要N 个时钟周期。该方案转换速度较高，转换时间约为几十微秒，最大转换位数可达18位；同时，其功耗相当低并且功耗可随采样速率而改变。但逐次渐进型的模数转换对比较器的要求非常高，该题目要求AD 转换器达到16位的精度，从而比较器精度需达到0.01mV；考虑到高精度比较器芯片在短时间内难以购买，并且市场有限，该方案的实现有一定难度。方案二：采用并行比较型模数转换方案。该方案属于非反馈比较型的模数转换，即为一种直接的转换方式。其将处理后的模拟电压信号予以量化，并将所得到的所有量化电平与各基准电压分量（由一个总的基准电压源经过电阻串的分压得到）进行并行比较，将
14、比较结果再进行编码，从而给出了相应的数字信号输出。其原理框图如3所示。精密分压网络通过2 N只精密电阻将基准电压源按等差递增的方式分压，然后使分压信号同时通过2 N个比较器与输入模拟电压信号进行比较，输出比较结果再按一定的逻辑进行编码，生成N位的数字转换信号。该方案的主要优点在于转换速度快，它大大减少了转换过程的中间步骤，每一位数字代码几乎在同一时刻得到，因此，在所有的模数转换中，它的转换速度最快。其缺点是分辨率不高，一般都在10位以下；同时精度较高时，功耗较大。这主要是受到了电路实现的影响，因为一个N位的并行转换器，需要 2N个比较器和分压电阻，当N=10时，比较器的数目就会超过1000个，
15、转换的精度越高，其电路的复杂程度便成倍增加。模拟信号信号调理采样保持精密分压及比较网络寄存器组编码器基准电压源时钟信号数字信号图 3 并行比较型模数转换原理方案三：采用双积分型模数转换方案。这种方法属于积分型模数转换，是一种经过中间变量间接转换的转换器，通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔，与此同时，在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数，从而实现模数转换。其原理框图如4所示。开始时，计数器与定时器清零，控制逻辑控制模拟开关，将处理后的模拟信号送入积分电路进行积分，同时计数器开始计数。当计数器计满归零时，定时器置1，控制逻辑使模拟开关合向基准电压源，使积分电路进行反
16、向积分，同时计数器重新计数；随着反向积分过程的进行，其输出值归零时，比较器输出一逻辑电平停止计数器计数，这时计数器的计数值便是所转换成的数字信号，可以送入寄存器或输出。本方案性能比较稳定，精度较高，可以达到22位，同时转换电路输入端使用了积分器，由于积分电容的作用，所以能够大幅度抑止高频噪声，故抗干扰能力强，并且电路较为简单，易于实现。但是，该方案转换速度较慢，转换精度随转换速率的增加而降低。根据题目要求，AD转换的速度需达到20次/ 秒，考虑该方案，适当提高时钟信号的频率以及各级电路的响应速率便能达到要求。模拟信号信号调理采样保持模拟开关基准电压源比较器积分电路二进制计数器时钟信号定时器逻辑
17、控制数字信号图 4 双积分型模数转换原理基于以上论证，选择方案三，既能保证题目要求的精度，又能保证转换的速度，同时电路设计简单，抗干扰能力强。1.2.2 系统电源模块方案论证系统电源模块主要分为三部分，第一部分是系统电路供电稳压源，用于电路中芯片等的供电；第二部分是精密基准电压源，用于提供AD转换中的参考电压；第三部分是模拟可调电压源，完成题目中的系统测试功能。1.2.2.1 系统电路供电稳压源该系统既包括数字电路部分，也包括模拟电路部分，因而在供电系统设计上须充分考虑两部分的供电要求。方案一：采用串联反馈式稳压电路，利用输出电压的变化量由反馈网络取样经放大电路放大后去控制调整三极管的集电发射极间的电压降，从而达到稳定输出电压的目的。其电路原理图如图 5。此方案能达到一定的稳压精度，同时输出电流较高，但该稳压电路由纯模拟电路搭建而成，对单个器件的要求较为严格，而且在搭建中容易造成电路不稳定。
