電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例2011

第九章電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)舉例9.1水溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原始任務(wù)書(shū)1）任務(wù)設(shè)計(jì)制作一個(gè)水溫自動(dòng)控制系統(tǒng)，控制對(duì)象為1L凈水，容器為搪瓷器皿。水溫可以在一定范圍內(nèi)由人工設(shè)定，并能在環(huán)境溫度降低時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整，以保持設(shè)定的溫度基本不變。

(1)加熱器用1kw電爐.(2)如果采用單片機(jī)控制,允許使用已有的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路板.(3)數(shù)碼顯示部分可以使用數(shù)碼顯示模塊.(4)測(cè)量水溫時(shí)只要求在容器內(nèi)任意設(shè)置1個(gè)測(cè)量點(diǎn).不同方案的設(shè)計(jì)一、采用一種硬件的閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)速度較快，但可靠性差、控制精度低、靈活性小、線(xiàn)路復(fù)雜、調(diào)試安裝不方便。且實(shí)現(xiàn)打印、擴(kuò)展等功能困難。二、采用以8031單片機(jī)為核心，數(shù)據(jù)采集部分采用A/D轉(zhuǎn)換器。以Cu100銅熱電阻作為溫度傳感器，用固態(tài)繼電器控制電爐加熱，控制系統(tǒng)可以與PC機(jī)聯(lián)機(jī)運(yùn)行，實(shí)時(shí)顯示打印溫度曲線(xiàn)。1、測(cè)溫部分用于采集被控對(duì)象的溫度參數(shù)。測(cè)溫部分由溫度電壓轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大及A/D轉(zhuǎn)換三部分組成。傳感器的選擇：

因?yàn)闇囟瓤刂频撵o態(tài)誤差≤0.2℃，一般IC傳感器精度為0.7~1℃，電阻傳感器的精度可達(dá)到0.1℃，所以選擇Cu100銅熱電阻作為溫度傳感器，這種傳感器的熱阻探頭在系統(tǒng)測(cè)量的溫度范圍內(nèi)線(xiàn)性特性良好，適用于溫度采樣。信號(hào)處理：

傳感器為電阻型傳感器，可由電橋?qū)崿F(xiàn)溫度到電壓轉(zhuǎn)換，采用超低溫漂精度高的OP07作為運(yùn)算放大器，將小信號(hào)放大。A/D轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

因?yàn)闇y(cè)試范圍在40~90°C，溫度最小分辨率為0.2°C，所以整個(gè)系統(tǒng)的溫度采集電數(shù)50X5=250，采用一般的8位A/D，分辨率為1/256，可滿(mǎn)足要求，但考慮到邊界溫度測(cè)定、系統(tǒng)分布參數(shù)影響、溫度擴(kuò)張等因素，8位A/D為臨界應(yīng)用，系統(tǒng)的線(xiàn)性度和準(zhǔn)確度都難以保證。所以選取12位A/D——ICL7109.

典型情況下，溫度采樣中，采樣周期一般為10S~20S，ICL7109的最大轉(zhuǎn)換次數(shù)為30次/秒，在穩(wěn)定條件下，采樣頻率?s應(yīng)為系統(tǒng)最高頻率的兩倍，按采樣定理，2?max≤?s。所以，

ICL7109的采樣速率可以完全勝任。2、控制部分

用于在閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)被控制對(duì)象實(shí)施控制，被控制對(duì)象為電爐絲，采用對(duì)加在電爐絲兩端的電壓進(jìn)行通斷的方法進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水加熱功率的調(diào)整，達(dá)到對(duì)水溫的控制。對(duì)電爐絲的通斷采用固態(tài)繼電器。在控制端加一個(gè)TTL電平，用74LS06驅(qū)動(dòng)。3、人機(jī)交互系統(tǒng)和8031最小系統(tǒng)

8031和RAM62256構(gòu)成最小系統(tǒng)，RAM62256作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用。人機(jī)交互系統(tǒng)用按鍵和數(shù)碼管構(gòu)成。利用8031的I/O采集按鍵開(kāi)關(guān)量，采用動(dòng)態(tài)量顯式方式顯示實(shí)測(cè)溫度和預(yù)測(cè)溫度。4、通信接口

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求控制系統(tǒng)能同PC聯(lián)機(jī)通信。8031串行口為T(mén)TL電平，PC串行口為RS232電平，使用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)。本方案的優(yōu)點(diǎn)：比第一種方案設(shè)計(jì)靈活、精度高。缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)線(xiàn)較多，不易實(shí)現(xiàn)數(shù)模隔離。三、以8031為核心，采用V/F轉(zhuǎn)換器作為A/D轉(zhuǎn)換器。1、單片機(jī)基本系統(tǒng)

8031的基本系統(tǒng)主要由8031、EEPROM2864、地址鎖存器74LS373、接口芯片8155、LED顯示器、鍵盤(pán)、語(yǔ)音接口（ISD1420）和打印接口等組成。2、傳感器的選擇與測(cè)溫電路設(shè)計(jì)①傳感器選擇

常見(jiàn)的感溫元件有熱電偶、熱電阻和半導(dǎo)體溫度傳感器。半導(dǎo)體溫度傳感器線(xiàn)路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,精度較高,線(xiàn)性度好,價(jià)格適中,非常適合0～150℃之間的測(cè)量.可采用半導(dǎo)體傳感器AD590。②測(cè)溫電路設(shè)計(jì)用AD590測(cè)溫電路如圖9.2所示3、強(qiáng)電控制與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

對(duì)該部分電路的設(shè)計(jì),主要應(yīng)解決兩個(gè)問(wèn)題:①弱電(8031系統(tǒng))和強(qiáng)電(AC220v)的隔離;②對(duì)強(qiáng)電的控制.為此,采用了圖9.3所示電路,其中MOC3041是具有雙向晶閘管輸出的光電隔離器,T1是功率雙向可控硅，RL是負(fù)載。軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在于選擇合適的控制理論，對(duì)于所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是個(gè)典型的單片機(jī)模糊控制系統(tǒng)，所以采用模糊控制原理。方案四

測(cè)溫部分A/D轉(zhuǎn)換器件選型指南

A/D轉(zhuǎn)換器的品種繁多，性能各異，A/D轉(zhuǎn)換器的選擇直接影響系統(tǒng)的性能。在確定設(shè)計(jì)方案后，首先需要明確A/D轉(zhuǎn)換的需要的指標(biāo)要求，包括數(shù)據(jù)精度、采樣速率、信號(hào)范圍等等。

1．確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)在選擇A/D器件之前，需要明確設(shè)計(jì)所要達(dá)到的精度。精度是反映轉(zhuǎn)換器的實(shí)際輸出接近理想輸出的精確程度的物理量。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，由于存在量化誤差和系統(tǒng)誤差，精度會(huì)有所損失。其中量化誤差對(duì)于精度的影響是可計(jì)算的，它主要決定于A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)。A/D轉(zhuǎn)換器件的位數(shù)可以用分辨率來(lái)表示。一般把8位以下的A/D轉(zhuǎn)換器稱(chēng)為低分辨率ADC，9~12位稱(chēng)為中分辨率ADC，13位以上為高分辨率。A/D器件的位數(shù)越高，分辨率越高，量化誤差越小，能達(dá)到的精度越高。理論上可以通過(guò)增加A/D器件的位數(shù)，無(wú)止境提高系統(tǒng)的精度。但事實(shí)并非如此，由于A/D前端的電路也會(huì)有誤差，它也同樣制約著系統(tǒng)的精度。比如，用A/D采集傳感器提供的信號(hào)，傳感器的精度會(huì)制約A/D采樣的精度，經(jīng)A/D采集后信號(hào)的精度不可能超過(guò)傳感器輸出信號(hào)的精度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)需要的精度以及前端信號(hào)的精度。2．選擇A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率在不同的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)轉(zhuǎn)換速率的要求是不同的，在相同的場(chǎng)合，精度要求不同，采樣速率也會(huì)不同。采樣速率主要由采樣定理決定。確定了應(yīng)用場(chǎng)合，就可以根據(jù)采集信號(hào)對(duì)象的特性，利用采樣定理計(jì)算采樣速率。如果采用數(shù)字濾波技術(shù)，還必須進(jìn)行過(guò)采樣，提高采樣速率。3．判斷是否需要采樣/保持器采樣/保持器主要用于穩(wěn)定信號(hào)量，實(shí)現(xiàn)平頂抽樣。對(duì)于高頻信號(hào)的采集，采樣/保持器是非常必要的。如果采集直流或者低頻信號(hào)，可以不需要采樣保持器。

4．選擇合適的量程模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大，有時(shí)還有可能出現(xiàn)負(fù)電壓。在選擇時(shí)，待測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍最好在A/D器件的量程范圍內(nèi)。以減少額外的硬件付出。5．選擇合適的線(xiàn)形度在A/D采集過(guò)程中，線(xiàn)性度越高越好。但是線(xiàn)性度越高，器件的價(jià)格也越高。當(dāng)然，也可以通過(guò)軟件補(bǔ)償來(lái)減少非線(xiàn)性的影響。所以在設(shè)計(jì)時(shí)要綜合考慮精度、價(jià)格、軟件實(shí)現(xiàn)難度等因素。6．選擇A/D器件的輸出接口

A/D器件接口的種類(lèi)很多，有并行總線(xiàn)接口的，有SPI、I2C、1-Wire等串行總線(xiàn)接口的。它們?cè)谠砗途壬舷嗤?，但是控制方法和接口電路?huì)有很大差異。在接口上的選擇，主要決定于系統(tǒng)要求、已經(jīng)開(kāi)發(fā)者對(duì)于各種接口的熟練程度。7.模擬信號(hào)類(lèi)型：通常AD器件的模擬輸入信號(hào)都是電壓信號(hào)，而D/A器件輸出的模擬信號(hào)有電壓和電流兩種。

根據(jù)信號(hào)是否過(guò)零，還分成單極性（Unipolar）和雙極性（Bipolar）。8.電源電壓：有單電源，雙電源和不同電壓范圍之分，早期的A/D、D/A器件要有+15V/-15V，如果選用單+5V電源的芯片則可以使用單片機(jī)系統(tǒng)電源。基準(zhǔn)電壓：有內(nèi)、外基準(zhǔn)和單、雙基準(zhǔn)之分。功耗：一般CMOS工藝的芯片功耗較低，對(duì)于電池供電的手持系統(tǒng)對(duì)功耗要求比較高的場(chǎng)合一定要注意功耗指標(biāo)。

封裝：常見(jiàn)的封裝是DIP，現(xiàn)在表面安裝工藝的發(fā)展使得表貼型封裝的應(yīng)用越來(lái)越多。

滿(mǎn)幅度輸出(Rail-toRail)新近業(yè)界出現(xiàn)的新概念，最先應(yīng)用于運(yùn)算放大器領(lǐng)域，指輸出電壓的幅度可達(dá)輸入電壓范圍。在D/A中一般是指輸出信號(hào)范圍可達(dá)到電源電壓范圍。（國(guó)內(nèi)的翻譯并不統(tǒng)一，如“軌-軌”、“滿(mǎn)擺幅”）高精度測(cè)量類(lèi)的A/D設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：1:參考電壓需要足夠精確,推薦使用外部高精準(zhǔn)參考電壓。2:如果PGA可調(diào),增益系數(shù)一般是越小噪聲越低。3:一般最好用到滿(mǎn)量程,此時(shí)AD精度不浪費(fèi)。4:如果有偏置,需要進(jìn)行自校。5:請(qǐng)注意在使用DEMO板調(diào)試時(shí),會(huì)由調(diào)試口導(dǎo)入PC噪聲,由信號(hào)連接線(xiàn)導(dǎo)入外部噪聲,因此建議使用屏蔽電纜傳輸信號(hào)。6:板上注意模擬電源和數(shù)字電源,以及模擬地和數(shù)字地要分開(kāi),減少耦合噪聲路徑。

7:使用差分輸入可以減少共模噪聲,但是差模噪聲會(huì)增大。8:如果是片內(nèi)集成AD的MCU,支持高速時(shí)鐘,如果不影響性能,內(nèi)部工作時(shí)鐘越低,對(duì)您的AD采樣引起的干擾越小,如果是板上就需要注意走線(xiàn)和分區(qū)。9:信號(hào)輸入前級(jí)接濾波電路,一般一階RC電路較多,注意Fc=1/1000~1/100采樣頻率,電阻和電容的參數(shù)注意選取.信號(hào)接入后級(jí)接濾波電路最好采用sinc濾波方式.注意輸入偏置電流會(huì)限制外部的濾波電阻阻值的大小。

RxIb<1LSB。

有的片內(nèi)AD還有集成輸入Buffer,有助與抑制您的噪聲,一般是分兩當(dāng),看輸入信號(hào)范圍和滿(mǎn)量程之間的關(guān)系。

AD分為很多種,SAR,FLASH,并行比較型,逐次逼近型,Deltasigma型,一般是速度越高,精度越高越貴。針對(duì)不同場(chǎng)合不同成本不同要求分別選用，還得注意是您的Layout。9.2數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)一、原始設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)二、方案設(shè)計(jì)與任務(wù)1、語(yǔ)音編碼方案方案一：PCM線(xiàn)性編碼方式，語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)A/D變換即可轉(zhuǎn)換為線(xiàn)性編碼，直接存入RAM，再由D/A轉(zhuǎn)換回音頻信號(hào)回放。

PCM:Pulse-CodeModulation脈沖編碼調(diào)制。它是標(biāo)準(zhǔn)未壓縮格式的WAV文件所使用的編碼方式。對(duì)一般MP3播放器來(lái)說(shuō)，就是播放WAV文件，它是無(wú)損的，未壓縮的。標(biāo)準(zhǔn)碼率是1411kpbs。方案二：DPCM編碼方式。不是直接對(duì)原始語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行編碼，而是對(duì)兩個(gè)連續(xù)采樣值進(jìn)行差分轉(zhuǎn)換，對(duì)兩個(gè)采樣值之間的差分值進(jìn)行量化、編碼，可以提高壓縮數(shù)碼率，提高存儲(chǔ)空間利用率。DPCM編碼,簡(jiǎn)稱(chēng)差值編碼，是對(duì)模擬信號(hào)幅度抽樣的差值進(jìn)行量化編碼的調(diào)制方式。這種方式是用已經(jīng)過(guò)去的抽樣值來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前的抽樣值，對(duì)它們的差值進(jìn)行編碼。差值編碼可以提高編碼頻率，這種技術(shù)已應(yīng)用于模擬信號(hào)的數(shù)字通信之中。2、控制方式：控制器可采用單片機(jī)或可編程邏輯器件。3、語(yǔ)音輸入：駐極體話(huà)筒的靈敏度較高，噪聲低，價(jià)格低?？梢赃M(jìn)行單端放大輸入，若避免背景噪聲的輸入，可以采用兩只（配對(duì)）話(huà)筒分別接入差分放大器的正、負(fù)端，較好地抑制背景噪音。4、放大器一：為實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)，可以用低噪音寬頻帶的運(yùn)放（如NE5532）放大。放大增益由兩個(gè)50千歐精密電位器調(diào)節(jié)，也可以設(shè)置自動(dòng)增益控制電路，自動(dòng)調(diào)節(jié)增益。5、放大器二：可采用TDA2030A作功率放大，直接驅(qū)動(dòng)喇叭。也可以應(yīng)用LM386作為功率放大器。6、帶通濾波器：無(wú)源帶通濾波器要有電感元件，體積龐大。采用阻容元件的有源濾波器，體積小，但阻容元件的查表計(jì)算值一般都不是標(biāo)稱(chēng)值，所以元件選用和調(diào)試較困難。可采用開(kāi)并電容濾波器，用時(shí)鐘頻率控制通阻帶。另外，300～3400Hz屬于寬帶濾波器，可用一個(gè)低通濾波器與一高通濾波器級(jí)聯(lián)組成。低通濾波器主要濾除大于3.4KHz的信號(hào)。高通濾波器濾除低于300Hz的信號(hào)。7、ADC器件：因?yàn)檎Z(yǔ)音信號(hào)的最高頻率為4KHz，根據(jù)采樣定理，采樣頻率選取fs=8KHz.即可無(wú)失真的恢復(fù)語(yǔ)音。無(wú)特殊要求，可選用8位ADC，但為了擴(kuò)展需要可采用12位ADC.8、DAC器件：

D/A轉(zhuǎn)換器的作用將存儲(chǔ)的數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)換位模擬語(yǔ)音信號(hào)。由于一般的D/A都能達(dá)到1us的轉(zhuǎn)換速率，滿(mǎn)足題目要求，所以可選用D/ADAC0832。9、存儲(chǔ)器的選擇：若采樣頻率fs=8KHz.，字長(zhǎng)為8位時(shí)，按1：1的存儲(chǔ)率，一秒鐘能采樣8000個(gè)點(diǎn)，為了能夠存儲(chǔ)多于10s的語(yǔ)音，則存儲(chǔ)器至少需要80K*8的容量，可采用兩片IS611024將存儲(chǔ)容量擴(kuò)展為256K*8，這樣能以1：1的存儲(chǔ)率存儲(chǔ)32.768s語(yǔ)音信號(hào)。

不采用壓縮技術(shù)，256K可實(shí)現(xiàn)32s的語(yǔ)音錄制，若壓縮2倍，錄音時(shí)可增至64s。8031只有16根地址線(xiàn)，即64K的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)尋地空間，因此采用分頁(yè)存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)擴(kuò)展空間。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

首先通過(guò)MIC錄入一段語(yǔ)音信號(hào)，信號(hào)通過(guò)放大電路后使信號(hào)的幅度達(dá)到A/D采樣的要求，放大電路中要可以實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。放大后的模擬語(yǔ)音信號(hào)送入ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)，然后在程序的控制下以文件的方式存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中。回放時(shí)，由程序控制從文件中提取出數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)，然后送入DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，最后送入揚(yáng)聲器回放出來(lái)。其中ADC0809以及DAC0832的采樣頻率由8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器產(chǎn)生，由程序控制其運(yùn)行。

方案*硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的組成大致有以下幾部分：模擬信號(hào)放大電路，電平提升電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，D/A轉(zhuǎn)換電路以及8253定時(shí)/計(jì)數(shù)電路。系統(tǒng)硬件電路框圖如圖1所示。1．語(yǔ)音信號(hào)源和語(yǔ)音濾波器 語(yǔ)音信號(hào)源用MIC接收語(yǔ)音輸入。語(yǔ)音濾波器是一個(gè)300Hz－3400Hz的帶通濾波器，語(yǔ)音濾波器采用集成的語(yǔ)音濾波器模塊。2．模擬信號(hào)放大電路此電路是實(shí)現(xiàn)模擬語(yǔ)音信號(hào)的放大，要實(shí)現(xiàn)放大倍數(shù)增益可調(diào)。采用以下放大電路來(lái)實(shí)現(xiàn)：兩個(gè)反向比例放大器級(jí)聯(lián)，增益可調(diào)通過(guò)可變電位器來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體電路如圖2所示：

整個(gè)放大電路放大倍數(shù)為：Au=Au1*Au2=（R2/R1）*（R3/Rf），增益通過(guò)可變電位器Rf實(shí)現(xiàn)增益可調(diào)。模擬輸入信號(hào)大致為20mv，通過(guò)放大電路以后信號(hào)可在0.5V-3V之間變動(dòng)。3．電平提升電路若把參考電壓REF（—）設(shè)置好接到GND端，當(dāng)信號(hào)輸入時(shí)，ADC0809會(huì)把信號(hào)的負(fù)電平值看做零電平，使轉(zhuǎn)換發(fā)生很大的誤差。為了解決這個(gè)問(wèn)題，只能從輸入信號(hào)上找解決的方法?？梢圆捎迷谛盘?hào)中加入一直流電平，使整個(gè)信號(hào)都提升到零電平以上。電平提升電路如圖3所示：圖3電平提升電路

A/D轉(zhuǎn)換電路此電路是實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中采用ADC0809。電路如圖4所示。圖4

A/D轉(zhuǎn)換電路5．D/A轉(zhuǎn)換電路此電路是實(shí)現(xiàn)數(shù)字語(yǔ)音數(shù)據(jù)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)中采用DAC083。電路如圖5所示。圖5D/A轉(zhuǎn)換電路

6.8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器電路用計(jì)數(shù)器的0和1的兩個(gè)通道級(jí)聯(lián)來(lái)產(chǎn)生10s的定時(shí)信號(hào)，通道1的OUT端接8253可編程中斷控制器的IRQ2口，用于申請(qǐng)中斷，結(jié)束錄音并存儲(chǔ)文件或放音。其中通道0采用方式2，重復(fù)產(chǎn)生1s的定時(shí)信號(hào)并作為通道1的CLK脈沖。通道1采用方式0，計(jì)數(shù)結(jié)束申請(qǐng)中斷。計(jì)數(shù)器通道2采用方式1，用于重復(fù)產(chǎn)生8KHz的定時(shí)信號(hào)，其OUT端接8253可編程中斷控制器的IRQ5口，申請(qǐng)中斷，定時(shí)選通ADC0809或DAC0832進(jìn)行模/數(shù)或數(shù)/模轉(zhuǎn)換。8253定時(shí)/計(jì)數(shù)器電路如圖6所示。六、軟件設(shè)計(jì)1．程序主要的功能分為以下幾部分：(1)啟動(dòng)ADC0809進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，采樣得到數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并存儲(chǔ)到文件中。(2)把數(shù)據(jù)從文件中提取出來(lái)，啟動(dòng)DAC0832進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換。(3)控制8253定時(shí)產(chǎn)生5s以及8KHz的中斷信號(hào)。(4)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行控制。2．主要的程序說(shuō)明(1)錄音子程序通過(guò)麥克風(fēng)接收模擬信號(hào)，通過(guò)ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，存儲(chǔ)在內(nèi)存單元中，再通過(guò)開(kāi)關(guān)選通存儲(chǔ)通道，把數(shù)據(jù)存到存儲(chǔ)器中去。(2)放音子程序讀取存儲(chǔ)文件上的相應(yīng)數(shù)據(jù)，通過(guò)DAC0832轉(zhuǎn)換，再用揚(yáng)聲器進(jìn)行輸出。(3)文件的存放和讀取完成將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和取出的操作。

圖68253定時(shí)/計(jì)數(shù)器電路方案3書(shū)中方案采用MCS-51系列單片機(jī)，擴(kuò)展256K外部RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)（采用分頁(yè)存儲(chǔ)技術(shù)），使錄放音時(shí)間達(dá)到32.5s，采用DPCM方式壓縮數(shù)據(jù)后，錄放音時(shí)間達(dá)到65s。采用2只配對(duì)的駐極體話(huà)筒，按差動(dòng)方式連接做語(yǔ)音輸入，對(duì)抑制背景噪聲有很好的效果。此為，性能良好的帶通濾波器以及校正電路的使用，提高了錄放音的質(zhì)量。壓縮與擴(kuò)張:實(shí)現(xiàn)非均勻量化的方法之一

特點(diǎn):對(duì)輸入模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮處理后再均勻量化。方案4基于FPGA控制的數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)

1、數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)硬件電路

放大器1即音頻信號(hào)放大電路

音頻信號(hào)放大電路如圖2所示。第一級(jí)放大(-4．7)倍。IRD120實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)打到1的位置是增益自動(dòng)控制，當(dāng)開(kāi)關(guān)打到2的位置是手動(dòng)控制。增益自動(dòng)、手動(dòng)控制是利用場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，漏源電阻受柵源電壓控制的特性。第二級(jí)放大(+101)倍。第三級(jí)放大倍數(shù)可調(diào)，最大(-20)倍，保證ADC0809滿(mǎn)量程轉(zhuǎn)換。帶通濾波器

帶通濾波器如圖3所示。實(shí)測(cè)帶通300～3300Hz。保證語(yǔ)音信號(hào)不失真地通過(guò)濾波器，濾除帶外的低頻信號(hào)和高次諧波。模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)電路

ADC電路如圖4所示。題目要求采樣頻率fs=8kHz，字長(zhǎng)=8位，可選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)125μs的8位A／D轉(zhuǎn)換芯片，ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs，可選用ADC0809。音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波送給ADC0809ADC電路，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，再經(jīng)可編程器件送給存儲(chǔ)芯片。cp、oe、eoc、start、ale、din[7．．0]接圖9。語(yǔ)音存儲(chǔ)電路

存儲(chǔ)芯片HM628128D管腳如圖5所示。HM628128D可存儲(chǔ)8位131072字，5V供電，靜態(tài)RAM。語(yǔ)音存儲(chǔ)時(shí)間≥10s。HM628128D在數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)硬件電路中的接線(xiàn)如表1所示。HM628128D讀寫(xiě)功能如表2所示。數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)電路

DAC如圖6所示。題目要求變換頻率fc=8kHz，字長(zhǎng)=8位，可選擇轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)125μs的8位D／A轉(zhuǎn)換芯片，DAC0800的轉(zhuǎn)換時(shí)間為100ns，可選用DAC0800。存儲(chǔ)芯片輸出的數(shù)字量經(jīng)可編程器件圖9送給DAC0800DAC電路，將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。帶通濾波器和功率放大器

帶通濾波器2如圖7所示。放大器2和功率放大器如圖8所示。圖6、圖7、圖8連接起來(lái)就可以獲得音頻信號(hào)。數(shù)字化語(yǔ)音存儲(chǔ)與回放系統(tǒng)軟件FPGA外部接線(xiàn)

FPGA外部接線(xiàn)如圖9所示。clk24m接24MHz晶振，cp接圖4ADC0809ADC電路，yy[7．．0]接圖1．5HM628128D，res接按鍵開(kāi)關(guān)res為0時(shí)地址復(fù)位為0，wo接高低電平開(kāi)關(guān)wo為0錄音wo為1放音，stat接高低電平開(kāi)關(guān)，開(kāi)始錄音或放音。dout[7..O]接圖6，wr、read、adr[16..O]接圖5HM628128D，bz接發(fā)光指示燈顯示錄音或放音工作狀態(tài)，其余端接圖4ADC0809ADC電路。數(shù)字存儲(chǔ)示波器-DSO顯示器鍵盤(pán)ABRESETYX通用示波器有關(guān)現(xiàn)代顯示技術(shù)掃描顯示光柵顯示點(diǎn)陣顯示顯示方式用途顯示器件掃描顯示示波器、掃頻儀、頻譜分析儀CRT光柵顯示掃頻儀CRT點(diǎn)陣顯示示波器、掃頻儀、頻譜分析儀LCD本賽題是:CRT掃描顯示電子測(cè)量的一種典型技術(shù)

一任務(wù):設(shè)計(jì)一簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器

二要求

(1)信號(hào)頻率：

DC~50kHz，Ri>100kΩ

；

(2)垂直：

32級(jí)/div，水平20點(diǎn)/div，屏幕面積8×10div2；

(3)垂直靈敏度：0.1V/div，1V/div，誤差≤5%

；

(4)水平掃速：0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div，誤差≤5%；

(5)單次觸發(fā)、擴(kuò)展、內(nèi)觸發(fā)、上升沿、電平可調(diào)；

(6)顯示波形無(wú)明顯失真。1.基本要求賽題任務(wù)書(shū)2.發(fā)揮部分（1）連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)方式，并有“鎖存功能”；（2）雙蹤顯示；（3）水平移動(dòng)擴(kuò)展一倍；（4）垂直靈敏度0.01V/div，低輸入噪聲電壓。賽題任務(wù)書(shū)主要內(nèi)容:*對(duì)賽題要求的分析*方案討論*部分電路設(shè)計(jì)及模擬*安裝調(diào)試*測(cè)試結(jié)果*小結(jié)*展望簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器設(shè)計(jì)（解析）(1)工作流程：采集、存儲(chǔ)、顯示。

具有：A/D、RAM、D/A等主要器件；(2)內(nèi)觸發(fā)上升沿、觸發(fā)電平可調(diào)；

掃描速度0.2s/div，0.2ms/div，20μs/div；

垂直靈敏度0.1V/div，1V/div，0.01V/div，

連續(xù)、移動(dòng)擴(kuò)展、雙蹤。

要具有控制功能

1.控制器2.人機(jī)接口1.對(duì)賽題要求的分析（3）簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成框圖1.對(duì)賽題要求的分析Y通道包括前向通道和后向通道2.方案討論2.1采樣方式的選擇

實(shí)時(shí)采樣和等效時(shí)間采樣題中要求信號(hào)DC~50kHz，樣點(diǎn)直接恢復(fù)方式為20點(diǎn)/周期，采速高達(dá)1000kHz(1μs)，A/D轉(zhuǎn)換速率1Ms/s采用實(shí)時(shí)采樣方式

*對(duì)控制器的要求

采集速率：高達(dá)1000kHz(1μs)，低至20ms；（決定于掃描速度）

樣點(diǎn)恢復(fù)速率：10kHz；

程控增益：1V/div，0.1V/div，0.01V/div

雙蹤、擴(kuò)展…*三種方案(1)VLSI例如CPLD(2)MUC(3)MUC+CPLD 2.方案討論2.2控制器的選擇

選擇方案（3）MUC和CPLD控制器框圖：方案特點(diǎn)

(1)速度快，煩瑣，難度大（2）速度不能達(dá)到采樣速率的要求（3）MUC和CPLD可以適當(dāng)分工，實(shí)現(xiàn)控制功能2.方案討論2.3技術(shù)指標(biāo)初步分配（誤差是定量指標(biāo)）（1）信號(hào)通道 前向通道（采集、存儲(chǔ)）≤2.5%

后向通道（恢復(fù)）≤2% 2.5%+2%=4.5%≤5%（2）時(shí)基（時(shí)間基線(xiàn)、掃描速度） 控制信號(hào)（采樣時(shí)鐘）誤差忽略不計(jì) 掃描電壓及輸出電路≤2%2.方案討論簡(jiǎn)易DSO劃分為3個(gè)部分:

Y通道（前、后向通道）、X通道和控制器

3.1前向通道

*

作用（初步構(gòu)思）3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬

S1校零，S2校滿(mǎn)度*內(nèi)容信號(hào)調(diào)理電路；低通濾波器；電平移位；前向通道通道性能分析；雙蹤顯示；觸發(fā)電路。3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬1）輸入電路

*要求:Ri’≥100kΩ，輸入噪聲電壓影響；*輸入電阻（阻抗）對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的影響

Z越高，影響越小。

*輸入電路

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬*取R≥100kΩ*

運(yùn)算放大器LF353

初步核算：

輸入電阻Ri’=R//Ri

≈R≈100kΩ；

輸入端噪聲電壓3.6nV，

而最高靈敏度時(shí)的測(cè)量分辨力為

312μV，3.6nV《312μV2）信號(hào)調(diào)理電路

*作用使信號(hào)符合A/D輸入的要求（預(yù)計(jì)A/D輸入≤2V）

*增益計(jì)算輸入幅度靈敏度×8div8V，0.8V，0.08

增益0.25，2.5，25

（由程控實(shí)現(xiàn)）*電路圖3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬*有關(guān)解釋程控開(kāi)關(guān)Sn

必須是模擬開(kāi)關(guān)，選擇集成開(kāi)關(guān)MAX4501；

增益調(diào)節(jié)電阻Rnn

，模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)阻計(jì)人其中；補(bǔ)償電容改善通道頻響特性3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬3）低通濾波器

*作用：抗混迭

采樣信號(hào)的頻譜混迭現(xiàn)象及改善方法3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬

*抗混迭濾波器電路

*有關(guān)解釋運(yùn)算放大器構(gòu)成有源低通濾波器；二階Butterworth低通濾波器.

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬4）電平移位電路假設(shè)A/D要求+極性輸入電壓，而此前電路輸出±極性電壓。5）前向通道性能分析*目的：階段性小結(jié)*內(nèi)容：頻率特性的模擬；元器件參數(shù)的影響；

環(huán)境溫度的影響。

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬前向通道頻率特性的模擬

（用EWB對(duì)程控增益放大器和低通濾波器模擬分析）3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬

結(jié)果-3dB帶寬80kHz〉50kHz滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求6）雙蹤示波器的實(shí)現(xiàn)*樣點(diǎn)采集次序交替、斷續(xù)考慮最慢采樣速率20ms/點(diǎn)，選擇斷續(xù)方式*樣點(diǎn)數(shù)/頁(yè)20點(diǎn)/div×10div=200點(diǎn)（256）擴(kuò)展方式200×2=400點(diǎn)（512）*電路方案

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬選擇方法二7）觸發(fā)電路*要求：內(nèi)觸發(fā)、正沿、觸發(fā)電平可以調(diào)節(jié)；*電路3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬說(shuō)明：

觸發(fā)信號(hào)來(lái)自A通道；

采用比較器，比較電平的極性為+、可以調(diào)節(jié)；輸出為下降沿，向單片機(jī)申請(qǐng)中斷（）。3.2信號(hào)的采樣、量化、存儲(chǔ)(DSO的基本技術(shù)）1）采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）

A/D的技術(shù)要求（1）轉(zhuǎn)換速率20μs/div1

μs/點(diǎn)1Ms/s

（2）量化位數(shù)

32級(jí)/div×8=256級(jí)/8div 256=28

8bit

量化誤差1LSB=1/28

0.4%

（3）輸入幅度+（0---2）V

選擇：TLC55103.部分電路設(shè)計(jì)及模擬關(guān)于TLC5510①內(nèi)含S/H；②為半閃爍結(jié)構(gòu)（flash)，兩個(gè)4bit并行A/D組合為8bit

轉(zhuǎn)換速率20Ms/s；③輸入信號(hào)+（0–2）V；④基準(zhǔn)電壓+2V等等

TLC5510內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器要求：存儲(chǔ)容量單蹤512byte，雙蹤1024byte；寫(xiě)速率1μs/點(diǎn)；

RAM或FIFO或雙口RAM。

3）電路方案

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬雙A/D，RAM實(shí)現(xiàn)雙蹤要求3.3后向通道

1)設(shè)計(jì)要求將數(shù)字信號(hào)(RAM中的數(shù)據(jù))恢復(fù)為模擬信號(hào)并作為通用示波器的Y輸入信號(hào)(8V)，A、B信號(hào)從同一個(gè)Y端輸入。要考慮的問(wèn)題：信號(hào)恢復(fù)電路及器件選擇，同步掃描電壓，雙蹤顯示。

2）信號(hào)恢復(fù)采用器件D/A

恢復(fù)速率選擇宜人的觀察速率10kHz100μs/點(diǎn)

256點(diǎn)×100μs/點(diǎn)=25.6ms(40次/秒）這樣可以免除的高速D/A的要求（是DSO的優(yōu)點(diǎn)）；

D/A選擇DAC0832。3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬3）同步掃描電壓設(shè)計(jì)*同步作用顯示穩(wěn)定的信號(hào)波形3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬*同步掃描電壓設(shè)計(jì)兩種產(chǎn)生掃描電壓的方法：通用示波器掃描電壓(要同步信號(hào))

簡(jiǎn)易DSO產(chǎn)生 選擇由簡(jiǎn)易DSO產(chǎn)生*掃描電壓的產(chǎn)生用D/A產(chǎn)生

D/A選擇

DAC0832（與信號(hào)恢復(fù)器件一致）

D/A輸入數(shù)據(jù)為8bit

（00—FF）H遞增，（實(shí)際為階梯波而不是斜波）關(guān)于擴(kuò)展顯示的信號(hào)恢復(fù)

①基本思想3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬恢復(fù)的數(shù)據(jù)在兩個(gè)頁(yè)面中取連續(xù)的256點(diǎn)掃描電壓與前相同

因此，擴(kuò)展顯示是移動(dòng)地在兩個(gè)頁(yè)面中顯示一個(gè)頁(yè)面，關(guān)鍵是控制電路和軟件。4）雙蹤顯示要求：…

問(wèn)題：A、B兩個(gè)信號(hào)恢復(fù)后的顯示如圖（a)所示，不便于觀察。實(shí)際要求將A、B兩個(gè)信號(hào)分別顯示在通用示波器屏幕的上下方，如圖（b)所示，要求進(jìn)行光跡分離。3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬光跡分離兩種方法：電平位移；數(shù)據(jù)處理。5）數(shù)據(jù)恢復(fù)電路3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬有關(guān)解釋?zhuān)?/p>

①D/AYA、D/AYA和D/AX分別用于恢復(fù)A、B信號(hào)和產(chǎn)生掃描電壓②AY和AX為Y和X的輸出電路.

③在同一地址的A、B數(shù)據(jù)分時(shí)地進(jìn)行恢復(fù)，否則兩信號(hào)的光跡要重疊。3.4控制器的設(shè)計(jì)控制器的作用控制、數(shù)據(jù)處理；控制器的組成控制器自身、人機(jī)接口。

1）鍵盤(pán)性質(zhì)矩陣掃描非編碼鍵盤(pán)組成（8個(gè)鍵）3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬對(duì)鍵盤(pán)的解釋?zhuān)?/p>

（1）按下的鍵狀態(tài)為“0”；（2）s/div和V/div為+1鍵編碼關(guān)系見(jiàn)表6.1；（3）默認(rèn)的儀器工作狀態(tài)：0.2ms/div、0.1V/div；（4）擴(kuò)展移動(dòng)鍵每按一次+5；（5）底層控制器（CPLD）掃描鍵盤(pán)，有鍵按下時(shí)向頂?shù)讓涌刂破鳎▎纹瑱C(jī)）申請(qǐng)中斷（）；

（6）儀器的復(fù)位鍵（RESET）不屬于鍵盤(pán)管理。

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬3）控制器的硬件設(shè)計(jì)

（1）DSO的操作時(shí)序

鍵盤(pán)輸入(相關(guān)設(shè)置)啟動(dòng)等待觸發(fā)儀器操作（采集、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)恢復(fù)、顯示）見(jiàn)圖6.20，例如

3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬（2）控制信號(hào)3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬種類(lèi)用途來(lái)源靜態(tài)信號(hào)校零輸入短路CPLD校滿(mǎn)度輸入端接0.8VCPLD程控增益和掃描速度分別接通增益和選擇時(shí)鐘CPLD

動(dòng)

態(tài)

信

號(hào)開(kāi)始寫(xiě)數(shù)據(jù)RAMa和RAMb地址為00HCPLD停止寫(xiě)數(shù)據(jù)RAMa和RAMb地址為FFH或1FFHCPLD數(shù)據(jù)處理將零點(diǎn)偏移、滿(mǎn)度校準(zhǔn)以及光跡分離量計(jì)入采集數(shù)據(jù)單片機(jī)和CPLD啟動(dòng)顯示從RAM讀數(shù)據(jù)至D/A單片機(jī)和CPLD

擴(kuò)展顯示選擇數(shù)據(jù)的起點(diǎn)地址X單片機(jī)和CPLD鎖存顯示不再采集數(shù)據(jù)，繼續(xù)顯示單片機(jī)和CPLD雙蹤顯示A、B信號(hào)同時(shí)顯示單片機(jī)和CPLD單次觸發(fā)只產(chǎn)生一次觸發(fā)掃描單片機(jī)和CPLD（3）控制器件的選擇

MUCAT89C52CPLDACEX1K10

AT89C528bit12MHz、8kbyteEEPROM、256byteRAMACEX1K103.5ns時(shí)鐘I/OEBA(512byte)(可以在線(xiàn)編程）

從存儲(chǔ)器的配置來(lái)說(shuō)，如此選擇是極其有利的

（4）控制器電路圖3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬*底層控制器電路3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬*頂層控制器電路①兩層控制器總線(xiàn)連接（PartA）

鎖存器連接直接連接3.部分電路設(shè)計(jì)及模擬*對(duì)控制電路的說(shuō)明

CPLD部分

②時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生電路（PartB）

時(shí)鐘信號(hào)種類(lèi)：輸入10MHz；

3種采樣時(shí)鐘（由掃選擇）和100Hz；選擇時(shí)鐘的編碼自PartD

信號(hào)采集時(shí)：數(shù)據(jù)來(lái)自A/D；

Reset

開(kāi)始存儲(chǔ)（00H）；