现代电子系统设计第六章

第6章电子系统综合设计举例适用信号源的设计；正弦信号发生器的设计；脉冲信号发生器的设计；数据采集系统的设计。适用电子系统设计的普通步骤：1.审题2.方案选择与可行性论证3.单元设计、计算和元件选择4.系统的组装实现及调试6.1适用信号源的设计信号源是电子系统设计、测试、维修所必需的仪器。它的性能、目的、运用方法对于宽广电子线路任务者的任务有着艰苦影响。因此，本节重点要求大家掌握信号源的组成并可以本人设计一个高目的的信号源。6.1.1审题分析该信号源的设计技术目的，根本上可以分解为以下5项： 1.振荡部分技术要求〔1〕输出信号的频率：20Hz~20kHz〔2〕频率的稳定度不劣于10-5 2.频率调理和指示部分技术要求〔1〕输出信号的频率单位为Hz〔2〕输出信号的频率可预置〔3〕频率调理的步距为1Hz〔4〕用5位十进制数显示输出信号的频率3.输出波形部分技术要求〔1〕输出正弦波，要求非线性失真系数≤3％〔2〕输出三角波，要求波形为等腰三角形，波形的非线性系数≤2％〔3〕输出方波，要求①输出信号的上升时间和下降时间小于1μs②输出信号的平顶降落小于5％③占空比调理步距为2％④占空比调理范围为2％～98％4.输出信号幅度调理与指示部分技术要求〔1〕输出信号幅度的调理步距为0.1V，步进调理范围0.1～3.0V〔2〕用2位十进制数显示输出信号的峰峰值。5.输出电路部分技术要求〔1〕放大器的输出阻抗等于75Ω〔2〕输出信号峰峰值的最大值不小于3V经过以上分析，整个系统的原理框图可以表示如下：6.1.2方案论证6.1.2.1信号源频率稳定度振荡电路：RC移相振荡器、文氏电桥振荡器、高精度的V/F变换器、利用运放产生三角波方波信号、利用ICL8038产生信号、用频率合成方法产生可变频信号、利用DDS方法产生信号、利用单片机产生信号波形、利用数字比例乘法器CD4527产生可变频率信号等。频率合成器是可以产生大量与基准参考源有同样精度和稳定度的离散频率信号的振荡源。频率合成技术利用了锁相环电路产生振荡。6.1.2.2输出波形部分 (1)运用集成函数发生器ICL8038产生方波、三角波、正弦波信号ICL8038有压控输入端，有外接振荡电容的引脚和可以调理方波占空比的输入端，可以输出方波、三角波和正弦波。ICL8038ICL8038振荡频率范

围：0～300kHz，正

弦波非线性失真系数

小于0.5%。频率取决于④脚和⑤脚的电流和⑩脚对地的定时电容。当流入④脚和⑤脚的电流相等时，输出信号分别是占空比为50%的方波、等腰三角波和正弦波；当流入④脚和⑤脚的电流不等时，输出的波构成为非对称的方波、三角波和失真的正弦波。ICL8038改动⑩脚对地的定时

电容可以实现振荡频

率的粗调；在④脚和

⑤脚接一个差分电路，改动差分电路的总电流可以实现振荡频率的细调，改动差分电路两个电流的比例可以改动方波的占空比。⑧脚压控输入端直接接⑦脚内部偏置输出端，使其不起作用。运用ICL8038输出波形方案运用ICL8038方案分析优点：波形由ICL8038产生，不用做其他的变换，外加的锁相环电路保证了信号的频率稳定度，一切的电路都在音频条件下任务，所以数字电路都可以用CMOS器件，可以大大降低电路的功耗。缺陷：产生信号波形电路的构造相对来说略为复杂，由于有较多的模拟电路，调试比较费事，任务量大。本方案的致病弱点是鉴相器的任务频率大太低〔1Hz〕，必然会大大添加频率变化时环路的锁定时间。因此本方案不是一个好的方案。〔2〕采用查表方法获得多种输出波形6.1.3方案细化6.1.3.1产生振荡信号的几种方案〔1〕以ICL8038集成函数发生器为中心产生振荡信号。〔2〕数字直接合成〔DDS〕方法产生振荡信号经过改动累加器的步进量实现频率的改动。〔2〕数字直接合成〔DDS〕方法产生振荡信号当输出信号的频率较高时，由于每周的节拍数减少，波形逐渐变得不精细。对于此题，系统时钟按200个采样点来算，信号周期，步进1Hz，,n=22。优点：保证输出信号的频率稳定性，可以方便地调理、预置频率，波形变换方便，频率和波形的切换呼应快，无过渡过程，电路构造简单，任务稳定可靠。缺陷：在输出信号频率较高时，方波信号的边沿会产生抖动。〔3〕锁相频率合成技术方案与DDS类似，采用查表方式，经过改动ROM地址产生器的时钟CP频率来改动输出信号的频率，而时钟信号来自锁相环路VCO的输出。鉴相器PD环路滤波器LFD/A压控振荡器VCO地址计数器〔模200〕分频器÷NROM〔/M〕AfVCO/NfVCOfO〔3〕锁相频率合成技术方案步进1Hz，fr=200Hz。fVCOmin=20×200=4kHz，fVCOmax=20k×200=4MHz，频率覆盖率为1000。假设采用单片集成锁相环74HC4046，其VCO最高任务频率为30MHz，频率覆盖率为10，因此需将系统分成三个波段。〔3〕锁相频率合成技术方案VCO一直任务在频率0.4~4MHz〔3〕锁相频率合成技术方案优点：有稳定的频率、稳定的边沿，具有易预置、易调理的优点，控制和调理电路都是数字电路，任务稳定可靠。缺陷：锁相环的锁相特性，环路滤波器既要保证有很好的滤波特性，又要求它可以使锁相环有很快的捕捉时间，电路的复杂程度中等。〔4〕用单片机产生信号波形用单片机产生信号波形的电路可以简化部分电路构造，但必需配有一定数量的辅助电路，频率的步进调理困难，难以实现本设计所提出的全部技术要求。〔5〕用数字比例乘法器CD4527产生振荡信号优点：产生信号波形电路构造简单，任务稳定可靠，很容易调试，本钱很低。缺陷：频率稳定度不满足要求，在任务频率与3、4、6、7、8、9有关时输出信号的相位会出现明显的跳动。6.1.3.2频率预置、步进调理与显示电路〔1〕频率预置与显示电路〔1〕频率预置与显示电路〔1〕频率预置与显示电路〔2〕频段选择电路〔2〕频段选择电路N2＝2000～20000N1＝200～2000N0＝20～200波段2产生频段选择控制信号10波段1产生频段选择控制信号01波段0产生频段选择控制信号00数字直接合成〔DDS〕方法频率预置、步进调理与显示电路方案讨论数码显示：5位频率、2位电压〔数值+小数点控制=5×7=35〕频率步进：215=32768>20000〔20~20kHz〕频率预置：12位角度地址+6位波形地址=18位加法器运算位数：8位角度地址+15位频率调理8带锁相环的集成函数发生器ICL8038振荡电路频率预置、步进调理与显示电路方案6.1.3.3输出波形调理电路〔1〕运用集成锁相环74HC4046方案信号周期等分200，需8位地址；波形除正弦波、等腰三角波外，还需以2%步进，范围2%～98%占空比可调共51种方波，因此需6位波形控制地址；共14位的EPROM——27128。〔2〕带锁相环的集成函数发生器ICL8038方案用模拟开关进展波形切换，方波占空比调理用可逆计数器和D/A变换器经过差分电路电流分配进展调理。〔3〕数字直接合成〔DDS〕方法信号周期等分最大212，需12位地址；同方案〔1〕分析需6位波形控制地址；共需18位的EPROM——27C240A。6.1.3.4输出电路方案一：用电阻网络以多极衰减器的方式控制输出幅度特点：在常规的信号发生器中经常用到，但由于电阻元件数量较多，输出幅度的步进调理比较难实现，输出幅度与负载电阻关系亲密，只需在阻抗完全匹配时输出信号与衰减量才有准确的比例关系。方案二：用调理输出放大器增益的方法调理输出幅度特点：比较容易实现数字方式的步进调理，输出信号的幅度与放大器的增益或与输入信号的幅度成正比，改动负载的大小，不会影响输出放大器的增益和输入信号的大小。方案三：用调理D/A变换器基准电压源或电流源的方式调理输出电压〔在运用角度/幅度变换电路中有D/A变换器的场所〕特点：同方案二类似，调理方便，电路简单。6.1.3.4输出电路方案四：在具有角度/幅度变换电路的方案中，用调理EPROM的输出数据的方法改动输出幅度特点：可以实现输出信号的幅度调理，但是为了保证输出信号在幅度较小时也能坚持足够的精度，必需添加输出数据的字长，而且为了保证在0.1～3.0V范围内以0.1V为步距调理输出幅度，EPROM要额外添加5位调理幅度的地址位，这显然是不现实的。方案五：调理放大器输入信号的幅度，采用类似方案二的方法综上所述，比较理想的详细幅度步进调理功能的电路为第二种、第三种和第五种方法。第二种和第五种方法的主要缺陷：模拟开关的导通电阻有温度系数，在不同的温度下，开关的导通电阻的变化会使放大器的增益发生变化。6.1.3.5输出幅度指示电路用取样坚持电路采样输出信号，经A/D变换显示。最终的三种比较理想的系统方案:〔1〕用锁相环74HC4046作主振电路，用角度/幅度的波形变换，改动D/A变换器基准电压的方法调理输出电压的幅度〔2〕用集成函数发生器ICL8038作主振电路，用模拟开关切换波形，用改动差分电流调理方波占空比，用步进控制增益的方法调理输出信号幅度〔3〕用数字直接合成〔DDS〕方法获得所需信号的相位数据，用角度/幅度的波形变换，改动D/A变换器基准电压的方法调理输出电压的幅度6.2正弦信号发生器的设计〔1〕正弦波输出频率范围1kHZ～10MHz〔2〕具有频率设置功能，频率步进，步距100Hz〔3〕输出信号频率稳定度优于10-4〔4〕用示波器察看时无明显失真〔5〕采用DDS器件AD9850和PLD器件ispLSI1032E芯片设计实现6.2.1分析设计要求首先分析AD9850的性能参数能否能满足本设计的技术目的频率控制字32位，最高时钟125MHz，最小频率0.0291Hz，输出正弦波以1/4采样率最大频率31.25MHz，满足设计要求。6.2.2确定系统方案1.构造方框图2.芯片AD9850的三要素〔1〕时钟选择100MHz〔2〕输入频率字频率字32，相位字5，输入方式控制位2，断电/任务位1〔3〕输出延续正弦波内部10位D/A变换器输出模拟正弦波3.控制器功能〔1〕接受键盘输入初始化〔复位〕，频率1kHz频率步进分增减100Hz、10kHz、1MHz共6档共需7个键盘按键〔2〕产生所需求的频率字40位的存放器〔3〕控制AD985040个控制字分5次完成，需产生频率字载入时钟信号W_CLK、频率更新时钟信号FQ_UD〔4〕控制频率值显示输出频率范围1kHZ～10MHz，频率显示精度为1Hz，需8位数码管显示。由控制器ispLSI1032E实现控制。〔5〕频率范围溢出目的当用户设置的输出频率小于1kHz或超越10MHz时出现报警提示〔红灯亮〕，正常绿灯亮。6.2.3方案流程图6.3脉冲信号发生器的设计脉冲反复周期T可用波段设置，为0.1μs，1μs，1ms三个波段，并有相应数字显示。第1波段：脉冲占空比在1/10～9/10之内，以10-1为步进单位可调。第2波段：脉冲占空比在1/100～99/100之内，以10-2为步进单位可调。第3波段：脉冲占空比在1/100000～99999/100000之内，以10-5为步进单位可调。假设设置的占空比大于1，显示错误。输出信号振幅为伏特级、边沿小于10ns。6.3.1方案论证6.3.1方案论证〔1〕模拟法原理比较简单，但控制精度要提高，实现比较困难。〔2〕查表法读写地址的产生要求较高，外围电路比较复杂。〔3〕脉冲计数法脉冲计数法控制精度较高。6.3.2脉冲信号发生器硬件设计6.3.2.1脉冲信号发生器的总体设计6.3.2.2脉冲信号发生器单元电路的设计6.4数据采集系统的设计数据采集系统将模拟量〔例如温度、压力、位移、语音、图像等〕变成数字量，然后经计算机进展适当的处置后，再配以显示、记录等功能。在实践运用中，数据采集经常和工业控制联络在一同，构成一套完好的数据采集监控系统。数据采集系统分为硬件和软件两个部分，软件经过硬件和现场设备交互信息。从硬件上来看主要是由各种型号的传感器、模/数转换器将现场数据经过信号处置衔接到计算机。然后再经过数据采集系统软件来实现数据存储、数据处置和图形显示等任务。普通的数据采集系统将整个系统分为前置处置子系统，后台处置子系统以及人机界面子系统等子系统。其中前置处置子系统主要担任原始数据采集和传输、而后台处置子系统那么担任数据的处置。而人机界面子系统那么实现数据与用户的交互。6.4.1设计义务与要求设计一个四路数据采集系统6.4.1.1根本要求〔1〕各路输入信号一路单次阻尼振荡波形，继续时间0.1～0.4色；频率500Hz，振幅峰峰值Vpp≤0.5V二路热电偶输出，温度0～400℃，输出数值0～25mV，温度最小区分度为0.2℃；任务环境下有0.2V共模噪声三四路两路0～5V可调的直流电源输出6.4.1.1根本要求〔2〕输出信号显示单次信号从示波器上显示出衰减的振荡波形，显示精度5％二路信号，用十进制数码管显示实测温度值三四路信号，用十进制数码管显示实践的输出电压值每个通道LED显示继续时间为1～10s〔3〕运转方式单次信号瞬时采集后送至示波器延续显示其他各路信号可以选择采集和显示或循环采集和显示6.2.1.2扩展要求采集通道数的扩展采集数据的速度和精度的提高单次信号采集功能的扩展6.4.2总体方案确实定6.4.2.1义务分析〔1〕控制方法从设计要求看，本系统功能较多，输入信号种类多，输出显示有数字、波形，以计算机为主控较为适宜，可选择计算机、嵌入式系统和单片机，由于采集信息的计算、处置等任务量不多，采用单片机较为合理。6.4.2.1义务分析〔2〕对单次信号采集和显示功能的分析属中速延续信号，≤0.5V，需放大、采样坚持经模拟多路开关传给ADC。为了显示单次信号，通常采用数字方法，即首先以适当的取样频率对模拟信号进展取样、量化并存在存储器中(例如RAM)，然后以一定的显示频率和顺序把存储器中的数字信号取出，经DAC复原成模拟信号。假设反复进展操作就可得到一个外形与原来单次信号一样的反复(周期)信号。〔3〕对第二路输入信号的分析属慢变化信号，0～25mV，需放大经模拟多路开关传给ADC温度区分度较高，为0.2℃/400℃=0.5/1000，因此至少要用12位以上的A/D转换器。而且，输入信号较小且任务环境有0.2V共模信号，所以从热电偶输出要配接数据放大器或隔离放大器。除了能放大信号外，还要求能抑制共模信号。〔4〕第三、四路输入信号为0～5V可变的直流电压，直接经模拟多路开关传给ADC。通常希望输入到A/D转换器的信号能接近A/D转换器的满量程以保证转换精度。因此在直流电源输出端与A/D转换器输入之间应接入程控放大器以满足要求。在本例中为简化设计，假定直流电源输出电压比较大(例如3V以上)，故可以省去程控放大器，而把电源输出直接衔接到A/D转换器的输入端。〔5〕其他一些功能分析对于慢变和直流信号，要求能用数码管实时地进展十进制显示，由于分辨率要到达0.5/1000，所以要用4只数码管表示4位十进制数，而用两只数码管表示通道数。为了能选择取样频率和显示频率以及采集方式(“选择〞采集和“循环〞采集)等功能，所以必需有键盘来实现人机对话操作，因此应配置键盘、显示器接口芯片(例如8279)。6.4.2.2系统组成图中8279是用于键盘、显示的公用控制芯片，能对显示器和键盘自动扫描，识别键盘按键的键号和自动消抖处置等功能，可以完成键盘输入和LED显示控制两种功能。6.4.3系统硬件设计数据采集系统的设计中要掌握：1.怎样判别能否需求接取样电路？假设系统没有规定取样频率，那么如何选取取样频率？取样坚持电路的功能是减少A/D转换器在转换中的孔径误差，提高输入信号的变化速率。对于第一路信号其振荡频率约500Hz，显示精度要求到达5%，假设分配给A/D转换器的精度为2%，那么应有6位以上的精度。看孔径时间能否满足AD574A：fmax小于200Hz，应接入取样坚持电路。取样频率：通常取fs=(7~10)fmax；fs=10×500=5kHzTs=200μs2.RAM容量确实定对于第二路信号，采样精度需2000个采样点，假设每点用8位，RAM容量至少应大于2K字节容量。3.前向通道包括哪些电路模块？前向通道是数据采集系统的一个重要组成部分，它的组成与被检测对象的特性和所处环境有亲密关系。通常要思索的有通道构造、传感器的选择、信号的模拟处置、A/D转换器的选用以及抗干扰等问题。•多路模拟开关•取样/坚持电路①A/D转换器的精度主要由哪路通道的目的决议的？位数、分辩率=？主要有第二路信号决议，需12位的A/D转换器1LSB=1/4096。②一个采集周期的时间大致是怎样分配的？确定A/D的转换时间。A/D转换器的转换时间应小于最小的采样周期，即前述的最大取样频率的倒数。A/D的转换时间小于100μs〔Ts=200μs〕③AD574的输入模拟信号量程范围有几档？他怎样来选择？0～+10V、0～+20V、-5～+5V、-10～+10V四档本系统第二通道是一个微弱信号，对分辨率和精度要求比较高；第一通道虽是双极性信号，但要求显示精度仅有5%，比较宽松。AD574接成0～10V的单级性输入。对于第一通道的信号，可用电平移位来处理。④如何来控制多路模拟开关，它有哪些目的？导通电阻Ron、开关接通电流Ic、漏电流Is、转换时间Topen、开关接通延迟Ton。⑤对于第一路输入信号，为保证精度N=？能否需求加取样坚持电路？N=6⑥对于第二路输入信号，如何来选择数据放大器：CMRR、Avf、带宽共模抑制比CMRR=20lg(Avd/Avc)(dB)最小信号25mV×0.2/400=12.5μV，共模干扰0.2V，为了保证大于干扰信号，计算