1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)主要目的是設(shè)計(jì)一個(gè)16位的VFC式AD轉(zhuǎn)換器，利用積分原理,，將輸入電壓(或電流)轉(zhuǎn)換成頻率輸出,。采用計(jì)數(shù)頻率高的CPLD器件實(shí)現(xiàn)測(cè)頻，單片機(jī)控制CPLD的測(cè)頻操作和頻率的計(jì)算,。
用V /F轉(zhuǎn)換器完成AD轉(zhuǎn)換,，需要1個(gè)定時(shí)器和2路計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率限制了V /F器件輸出頻率的提高,。本設(shè)計(jì)采用計(jì)數(shù)頻率更高的CPLD器件和單片機(jī)共同組成測(cè)速模塊,， CPLD通用性好，避免了對(duì)于專用器件的依賴,，降低了因?qū)Ｓ闷骷．a(chǎn)或出現(xiàn)供貸問題所帶來的風(fēng)險(xiǎn),，同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需的控制。
VFC式AD 轉(zhuǎn)換器脈沖頻率與輸入電壓成比例,，其精度高,、線性度好、轉(zhuǎn)換速度居中,、轉(zhuǎn)換位數(shù)與速度可調(diào),、與CPU的連線最少，且增加轉(zhuǎn)換位數(shù)時(shí)不會(huì)增加與CPU的連線,，因此,， VFC為AD 轉(zhuǎn)換技術(shù)提供了一種廉價(jià)而有效的解決辦法。
系統(tǒng)總體可以劃分為電壓采樣部分,、模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)化部分,，控制部分。其中電壓采樣部分包括:精密測(cè)試電壓源,。模擬- 數(shù)字轉(zhuǎn)化部分包括:電壓放大和偏置,，V /F轉(zhuǎn)換模塊，計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)化模塊,?？刂撇糠职?控制器模塊，鍵盤,，顯示模塊,，系統(tǒng)原理框如圖1所示,。
為實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，分別選取了較好的方案實(shí)現(xiàn): ①精密基準(zhǔn)源,，精密低溫漂高檔基準(zhǔn)源,，分壓;②電壓放大及偏置，運(yùn)算放大器ICL7650; ③V /F轉(zhuǎn)換,，采用AD652芯片; ④頻率測(cè)試,，采用CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件) ; ⑤控制器，采用凌陽的SPEC061A單片機(jī); ⑥顯示,，采用液晶屏; ⑦電氣隔離,，采用光電耦合，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖2所示,。
圖1 系統(tǒng)原理框圖
圖2 所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 精密測(cè)試基準(zhǔn)源
對(duì)于16位的AD轉(zhuǎn)換器,，滿幅度輸入電壓僅為100 mV，如果要測(cè)試它的性能,，則需要極高精度和非常低溫漂的基準(zhǔn)源,， 電路原理如圖3 所示。
AD586是AD公司高精度5 V的基準(zhǔn)電壓源,，溫漂低至2 10 - 6 /℃,，噪聲為100 nV /Hz，通過固定電阻和可調(diào)電阻進(jìn)行分壓產(chǎn)生0 ～100 mV 的電壓,。為了增加電壓的負(fù)載能力,，須進(jìn)行電壓跟隨。OPA333是零漂移精密運(yùn)放,，漂移最大為0. 05μV /℃,。同時(shí)采用兩個(gè)2. 5 V的基準(zhǔn)源LM336以降低電源波動(dòng)的影響,。LM336 的輸出電流為10 mA,， 可滿足OPA33的需要。分壓用的電阻為指針式10 圈可調(diào),，可以達(dá)到理想的精度,。
圖3 基準(zhǔn)源電路原理圖
2. 2 電壓的放大及偏置
0～100 mV 的電壓不能直接送給V /F 變換AD652，而必須經(jīng)過精密放大和進(jìn)行電位的偏置,，這樣才能達(dá)到設(shè)計(jì)的精度,。選擇具有斬波穩(wěn)定功能的ICL7650運(yùn)算放大器，它可以提供低的偏置電 流(10pA) ,、偏置電壓和相對(duì)時(shí)間,、溫度的穩(wěn)定性。輸入的0～100 mV電壓經(jīng)過40倍的放大后,，產(chǎn)生0～4 V的輸出,，因?yàn)锳D652在0 V輸入的情況下,，輸出頻率也是0，這樣計(jì)數(shù)得到頻率難以達(dá)到16 位的精度,，所以將輸入(0～4 V)的直流偏置設(shè)置為1 V,，從而產(chǎn)生1～5 V的輸入信號(hào)送給AD652;運(yùn)放的電阻須選用1 /1 000 精度的，保證了V /F變換的精度,。
其原理圖如圖4所示,。
2. 3 V /F轉(zhuǎn)換電路
電壓/頻率轉(zhuǎn)換即V /F轉(zhuǎn)換，是將一定的輸入電壓信號(hào)按線性的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào),，當(dāng)輸入電壓變化時(shí),，輸出頻率也響應(yīng)變化。
本設(shè)計(jì)采用專用集成芯片AD652,，輔以的外圍電路即可實(shí)現(xiàn)V /F轉(zhuǎn)換,，如圖5所示。AD652是美國ANALOG DEV ICES公司推出的高精度電壓頻率(V /F)轉(zhuǎn)換器,，它由積分器,、比較器、精密電流源,、單穩(wěn)多諧振蕩器和輸出晶體管組成,。該電路在±15 V電源電壓下，功耗電流小于15 mA,，滿刻度為1 MHz時(shí)其非線性度小于0. 07 % ,， 最佳溫度穩(wěn)定性為±150 ppm /℃。用AD652實(shí)現(xiàn)V /F轉(zhuǎn)換,，可以滿足較高的滿刻度頻率響應(yīng)和較低的最佳溫度穩(wěn)定性,。
圖5 V /F轉(zhuǎn)換電路
由于使用外部時(shí)鐘設(shè)置滿量程輸出頻率，AD652可以獲得更高的線性度和穩(wěn)定性,。通過使用同一時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)AD652和設(shè)置計(jì)數(shù)時(shí)間閘門,，轉(zhuǎn)換精度與時(shí)鐘頻率無關(guān)，不因時(shí)鐘頻率的改變而改變,。
2. 4 基于CPLD的頻率計(jì)電路
在本系統(tǒng)中,， CPLD采用美國XIL INX公司生產(chǎn)的XC95108CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件) ，其片內(nèi)有108個(gè)宏,， 2 400個(gè)門,，頻率可以達(dá)125 MHz，引腳間延時(shí)715 ns,，供電電壓5 V或313 V的在系統(tǒng)可編程器件,，其可供用戶使用的I/O口數(shù)在64個(gè)以上。
XC95108采用FLASH編程工藝,，可反復(fù)擦寫,，所設(shè)計(jì)的電路如圖6所示,。
由于輸入的信號(hào)是交流信號(hào)而CPLD (可編程邏輯器件)和施密特觸發(fā)器是數(shù)字芯片，不識(shí)別負(fù)信號(hào),，需將輸入交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào),，用兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)電壓鉗位功能，鉗位后的信號(hào)經(jīng)7414 (施密特觸發(fā)器)整形為方波后直接輸入CPLD 對(duì)其計(jì)數(shù),。
由于CPLD可以實(shí)現(xiàn)高速響應(yīng),，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。
頻率計(jì)測(cè)得的數(shù)據(jù)為此系統(tǒng)的AD轉(zhuǎn)換結(jié)果,，轉(zhuǎn)換精度受基準(zhǔn)晶振和AD652的V /F滿刻度時(shí)的量程的影響,，由于CPLD 的基準(zhǔn)晶振選用的是20MHz的高精度晶振。設(shè)計(jì)的AD 轉(zhuǎn)換頻率為50kHz,，所以在計(jì)數(shù)周期內(nèi)基準(zhǔn)晶振脈沖個(gè)數(shù)為400,，CPLD因?yàn)殡S機(jī)時(shí)間出現(xiàn)的誤差僅為一個(gè)脈沖，而AD652的滿刻度頻率高,，可達(dá) 1MHz,，所以精度可達(dá)到幾千分之一。
圖6 基于CPLD的頻率計(jì)電路原理圖
2. 5 單片機(jī)控制電路
控制部分采用凌陽SPEC061A 單片機(jī),。
SPCE061A是凌陽科技新推出的一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器,，它在2. 6～3. 6 V工作電壓范圍內(nèi)的工作速度范圍為0. 32～49. 152MHz，較高的工作速度使其應(yīng)用領(lǐng)域更加拓寬,。2 K字節(jié)SRAM和32 K字閃存ROM僅占一頁存儲(chǔ)空間,， 32位可編程的多功能I/O端口;兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器; 32 768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘;低電壓復(fù)位/監(jiān)測(cè)功能; 8通道10位模- 數(shù)轉(zhuǎn)化輸入并具有自動(dòng)增益控制功能的麥克風(fēng)輸入方式:雙通道10位DAC方式的音頻輸出功能等。SPCE061A是數(shù)字聲音和語音識(shí)別產(chǎn)品的一種最經(jīng)濟(jì)的 應(yīng)用,。
在本系統(tǒng)中,， SPCE061A主要實(shí)現(xiàn)CPLD信息讀取，鍵盤接口和顯示模塊控制等功能,。
圖7 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖
2. 6 顯示接口設(shè)計(jì)
在顯示方面,，由于LCD (L iquidCrystalD ISp lay)具有以下特點(diǎn):
(1)低工作電壓，低功耗,。
(2)顯示柔和,，字跡清晰,。
(3)不怕強(qiáng)光照射,，光照越強(qiáng)，對(duì)比度越大,，顯示效果越好,。
(4)體積小，重量輕,，平板型,。
(5)可靠性高,，壽命長(zhǎng)。
因此本設(shè)計(jì)采用128 ×64的圖形點(diǎn)陣液晶顯示器來顯示頻率流量信息,，液晶采用4行顯示,，顯示信息豐富，可以滿足不同用戶的需求,。同時(shí),，該液晶采用串口傳輸數(shù)據(jù)，每秒刷屏一次,，節(jié)約了單片機(jī)的資源,，為今后的繼續(xù)開發(fā)和升級(jí)打下基礎(chǔ)。
2. 7 其它輔助抗干擾措施
一般來說,，測(cè)控系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與制作并不復(fù)雜,，功能設(shè)計(jì)不過的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的起點(diǎn)，系統(tǒng)能否在運(yùn)行過程中準(zhǔn)確無誤地實(shí)現(xiàn)這些功能才是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān) 鍵,。由于實(shí)際工作環(huán)境中存在各種各樣的干擾源,，這些干擾源對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行往往會(huì)產(chǎn)生不利，甚至?xí)a(chǎn)生意想不到事,，更有甚者的是造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓和無法 工作運(yùn)行,，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)設(shè)備的損壞和事故的發(fā)生，因此,，測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾防范措施在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中占有舉足輕重的位置,。本設(shè)計(jì)增加了如耦合電路、后備電 源監(jiān)測(cè)系統(tǒng),、印刷電路板等硬件抗干擾設(shè)計(jì),，減少干擾源對(duì)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行所帶來的不利影響。
3 系統(tǒng)通信流程及軟件的實(shí)現(xiàn)
系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的,，總的原則主要從以下幾方面考慮:
(1)根據(jù)軟件功能要求,，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。根據(jù)它們之間的聯(lián)系和時(shí)間上的關(guān)系,，設(shè)計(jì)出合理的軟件總體結(jié)構(gòu),，使其清晰、簡(jiǎn) 潔,、流程合理;(2)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì),，各功能程序?qū)嵭心K化、子程序化,。既便于調(diào)試,、鏈接，又便于移植、修改;(3)建立正確的數(shù)學(xué)模型,。根據(jù)功能要 求,，描述出各個(gè)輸入和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是關(guān)系到系統(tǒng)性能好壞的重要因素;(4)為提高軟件設(shè)計(jì)的總體效率,，以簡(jiǎn)明,、直觀的方法對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述， 在編寫應(yīng)用軟件之前,，繪制出程序流程圖,。這不僅是程序設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，而且是決定成敗的關(guān)鍵部分;(5)合理分配系統(tǒng)資源,，其中最關(guān)鍵的是片內(nèi)內(nèi) 存分配,。分配時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮其特一長(zhǎng)，做到物盡其用;(6)加強(qiáng)軟件的抗干擾設(shè)計(jì),，提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性,。根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則，軟件設(shè)計(jì)采用模塊結(jié)構(gòu),， 整個(gè)軟件包括主程序,、采樣子程序數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序等模塊,。
根據(jù)以上原則要求設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖8所示:
圖8 控制程序流程圖,。
4 測(cè)試結(jié)果及分析
對(duì)所設(shè)計(jì)的電路的V /F轉(zhuǎn)換的性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖9所示,。
圖9 V /F轉(zhuǎn)換測(cè)量對(duì)比值
通過示波器觀察,，每秒鐘50 000個(gè)脈沖，即轉(zhuǎn)換頻率為50 kHz,。由測(cè)試結(jié)果圖可知此次VF轉(zhuǎn)換滿足了高分辨率和較低的非線性度的要求,，分辨率可達(dá)16位，線性誤差<0. 2 %,，轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)50 kHz,。
5 結(jié)論
本次設(shè)計(jì)應(yīng)用V /F轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)高分辨率AD轉(zhuǎn)換，具有較高的滿刻度頻率響應(yīng),、低功耗和較低的非線性度等特點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于儀器儀表對(duì)溫度的控制中，滿足對(duì)設(shè)定溫度控制穩(wěn)定 性的要求,。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用CPLD實(shí)現(xiàn)頻率計(jì)數(shù)功能,，是數(shù)字系統(tǒng)精確測(cè)量頻率一種方法:在采樣時(shí)間內(nèi)同時(shí)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)和被測(cè)頻率信號(hào)計(jì)數(shù)。采樣完成 后,，把二者的計(jì)數(shù)值相比,，再乘以標(biāo)準(zhǔn)頻率就可以得到被測(cè)頻率的精確值,。