14-15电子设计综合实验-要求及交流信号测量.ppt
电子设计综合实验,课程整体安排,30学时：设计制作基础训练、输入通道设计训练、输出通道设计训练、控制单元及接口电路设计训练、系统设计训练,要求,良好的自学精神，当堂实验完成不了的，自行找时间在下次实验开始前完成。 个别元器件自行解决，留好发票和元器件清单。 提交： 设计报告（后附：实物清晰的照片，设计成员和实物的合影） 设计项目的ppt报告 视频文件 考核方法：设计实物及设计报告成绩（60分） 实验过程及作业（40分）,电子设计竞赛的要求及知识需求,基本知识 涵盖电路分析、模拟与数字电路、高频/非线性电子电路主要知识点； 单元电路分析、验证、设计方法； 电路主要性能指标测量方法； 重要基本概念： 时域与频域、 频率与相位、功率与效率，瞬态与稳态，有源与无源，调制与解调、 传输与接收、同步与异步、集中与分布， 线性与非线性， 捕捉与跟踪，反馈、动态范围、精度、分辨力、阻抗、匹配、稳定度、调整能力等等。,基本技能 元器件识别、寻找、运用 常用仪器工作原理、使用方法； 资料查阅：书、刊、网； 电路设计与仿真； 印刷电路板设计； 工装：焊接、装配 电子测量方法：参数测量，准确度与误差分析 调试方法：故障分析和排除 文档整理：章节、文字、图表的规范化。,基本设计能力 掌握先进仪器使用方法（如数字存储示波器、逻辑分析 仪等 ）； 掌握单片机/嵌入式、CPLD/FPGA、*DSP基本知识； 掌握更先进的工具软件、开发系统，结合硬件实现较小电子系统的能力； 掌握一些系统分析软件，能完成单元、系统设计；,综合设计能力 实现小系统的设计实现能力； 掌握常用传感器、执行机构的基本知识，和用简单的或与本专业有关的光、机、电一体化组成系统的能力； 能在网上查阅相关元器件资料，具有一定的选择能力，并能根据要求正确使用； 具有绘制印刷板能力，并有初步的电磁兼容知识； 具有接受和掌握“嵌入式系统”的开发能力； 具有接受和掌握“SOC”的开发能力；,电子系统设计过程 确定设计目标 需求分析：从非技术和技术两方面分析； 性能设计：功能，技术性能与指标； 支撑技术：关键技术，相关技术； 实现方法：技术方法，技术路线； 完成形式：原理/性能样机，实用样机。 系统分析：系统可以按功能分解成若干个功能相对独立、单一的单元模块; 设计过程 模块设计与实现 系统调试 系统测试 文档整理,系统分析,电子系统设计过程 确定设计目标 系统分析：系统可以按功能分解成若干个功能相对独立、单一的单元模块; 设计过程 模块设计与实现 系统调试 系统测试 文档整理,软件调试，硬件调试，系统联调 功能调试与指标调试 调试内容、方法与手段 调试步骤,测试内容与测试方案 测试仪器与测试工具 功能测试与指标测试 测试数据记录与结果分析,确定电路形式 /确定软件框图与基本算法； 理论分析与计算 元、器件选择 电路设计与仿真 电路装配 电路调试 电路测试,方案论证与方案比较 理论分析与参数计算 单元电路设计与实现 软件设计 系统测试与数据处理 结果分析/结论,课程讲解安排 设计安排,基本要求： 1.用给定运放制作一个放大器（20分） 增益：20dB；带宽：100KHz 2.用MCU或FPGA作为主控单元，和已设计的放大器制作一个频率计（30分） 测量范围：10Hz100KHz，显示：3位 发挥部分： 1.提高放大器性能（20分）：增益：60dB；带宽：500KHz 2.增加测量参数（20分）：电压幅度，测量范围：输入信号越小越好 3.显示以下幅值（10分）：Asin20° Asin40° Asin60° Asin80°,项目一：交流电压参数的测量,LED或液晶均可,元件清单,运放：TLV2464 、LM324 比较器：TLC372 AD变换器：ADC0820（或MCU内部自带的ADC）,设计框图,思考 对于只知频率范围的周期信号，如何实现幅度的测量。 如何实现周期信号频率的测量。,设计电路分解： 1.基本放大器设计：增益20dB；带宽100KHz 2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz 3.比较电路设计：输出TTL电平 4.测量频率：测量范围10Hz100KHz，显示3位 5.测量幅值：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度 6.幅值显示：实现存储并显示Asin20° Asin40° Asin60° Asin80°,红色部分功能必须完成,运放：TLV2464,单位增益带宽：6.4MHz 单电源供电：2.76V 双电源供电：±1.35 ±3V,1.放大器设计：增益20dB；带宽100KHz,运放OP07,运放的单位增益带宽积（GBP：Gain Bandwidth Product ）=增益×（-3dB带宽） 一级放大倍数=10，带宽=6.4MHz/10=640KHz 一级运放达到基本要求：增益20dB；带宽100KHz 运算电路：反相比例运算或同相比例运算,反相比例运算电路,电路结构：引入电压并联负反馈； 输出电阻小； 输入电阻小； 补偿电阻R = R / Rf,运算关系：,同相比例运算电路,电路结构：引入电压串联负反馈； 输入电阻大； 输出电阻小； 补偿电阻R = R / Rf,运算关系：,2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz,两个同频率的放大器fH=0.64×fH1 三个同频率的放大器fH=0.52×fH1 四个同频率的放大器fH=0.45×fH1 （1）第一级放大倍数=10，带宽=6.4MHz/10=640KHz （2）第二、三级放大倍数=10（总增益 = 1000），带宽=0.52*640KHz=300KHz 一级放大达到基本要求：增益20dB；带宽100KHz 三级放大达到发挥要求1：增益60dB（带宽500KHz） 方案：四级放大，每级5.7倍，5.74=1055 一级带宽=6.4M/5.7=1.12M，四级带宽1.12MHz×0.45=0.504MHz,2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz,运放的单位增益带宽积=增益×（-3dB带宽）,过零比较器,3.比较电路设计：输出TTL电平,比较器：TLC372,供电电压：218V,设计框图,放大器,AD变换,比较器,MCU/FPGA,3位显示,被测信号,10.01，实现幅度测量,实现频率测量,基准信号,思考 对于只知频率范围的周期信号，如何实现幅度的测量。 如何实现周期信号频率的测量。,放大器,AD变换,比较器,MCU/FPGA,3位显示,被测信号,10.01，实现幅度测量,实现频率测量,基准信号,4.FPGA扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度,模数转换电路 种类：816位的A/D转换器芯片 ADC08098位MOS型A/D转换器 AD574快速12位A/D转换器。 接口主要考虑： 数字量输出线的连接：内部是否带有三态锁存数据输出缓冲器、数据线的位数 读取控制逻辑 ADC启动方式、转换结束信号处理方法：由单片机提供。 脉冲启动：如ADC0809、ADC574等。 电平启动：AD570、AD571 转换结束标志信号：判断有中断和查询两种。 时钟的连接：决定芯片转换速度的基准。 由芯片内部提供(如AD574) 由外部提供 主要技术指标：量化间隔、量化误差、转换速率、量程,A/D转换器ADC0809,ADC0809转换工作时序,ADC0832：体积小，兼容性强，性价比高, 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装； 商用级芯片温宽为0°C to +70°C，工业级芯片温宽为40 to +85,应用：电压测试仪,ADC0832与单片机的接口： 4条数据线：CS、CLK、DO、DI。由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。,CS作为选通信号，在时序图中可以看到，以CS置为低电平开始，一直到置为高电平结束。CLK提供时钟信号，我们要注意看CLK的信号的箭头指向，向上为上升沿有效，向下为下降沿有效。DI、DO作为数据端口。 当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据（SGL、Odd）用于选择通道功能： 在完成输入启动位、通道选择之后，就可以开始读出数据，转换得到的数据会被送出二次，一次高位在前传送，一次低位在前传送，连续送出。在程序读取二个数据后，我们可以加上检验来看看数据是否被正确读取。,调用：变量名=GetValue0832(通道值); ADC0832是8位分辨率，返回的数值在0255之间，对应模拟数值为05V，因此每一档对应的电压值约为0.0196V。,读取数值的子函数GetValue0832 ，二通道独立读取，入口参数是通道值（0或1），出口参数则是读取的结果。,FPGA实现数字电压测量的工作过程：首先由模数转换器对模拟电压进行模数转换，接着FPGA对转换后的数字信号进行处理，再将结果用数字信号直接显示出来。 系统结构框图：系统由三部分组成， ADC数模转换、 FPGA信号处理和控制、显示电路。 ADC数模转换：实现模拟量向数字量的转换。 FPGA信号处理和控制：FPGA与ADC控制信号进行连接，控制ADC的模数转换过程，转换结束后，由FPGA对其进行数据处理并控制显示单元工作。 显示电路：LED数码管接收FPGA信号，实现电压值的显示。,4.FPGA扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度,ADC0809，8位分辨率，输出逻辑电平与TTL、CMOS电路兼容。 IN7IN0：8路模拟输入量，模拟电压的输入范围05V。 ADDCADDA：地址输入信号，译码后选择模拟量中的一路进行AD转换。 ALE：地址锁存允许输入信号，上升沿锁存地址，启动译码选中一路模拟量输入。 START：启动转换输入信号，正脉冲有效。上升沿复位内部寄存器，下降沿启动控制逻辑，开始AD转换。 EOC：转换结束输出信号。下降沿表示转换正在进行，高电平表示转换结束。 OE：输出允许信号，高电平有效，转换结果送到数据输出线。 D7D0：8位数字信号输出。 CP：外部时钟输入，时钟最高频率640KHz，转换时间约100s。 VR(+)、VR(-)：基准电压。单极性输入时，VR(+)接+5V，VR(-)接地。 VCC：电源电压，接+5V。 GND：信号接地端。,4.FPGA扩展：实现AD转换控制电路设计，测量电压幅度,ADC0809工作过程：输入地址信号ADDCADDA；在地址锁存允许输入信号ALE的作用下，地址信号被锁存，产生译码信号，选中一路模拟量输入；输入启动转换信号START启动转换；输出转换结束信号EOC；在输出允许信号OE的控制下，将转换结果输出到数字信号输出端D7D0。,根据ADC0809的工作时序，可以采用查询信号EOC方式，通过FPGA实现对ADC0809的采样控制。采样控制电路的流程:,根据流程图编写的采样控制电路VHDL程序如下，这里采用状态机的描述方式。为了配合电路的调试，这里指定地址信号，ADDA=1。,LIBRARY IEEE; USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; ENTITY ADC0809 IS PORT ( D: IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); -0809的8位数据 CLK ,EOC : IN STD_LOGIC; -CLK转换时钟 ALE, START, OE, ADDA: OUT STD_LOGIC; -0809的控制信号 Q: OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); END ADC0809;,ARCHITECTURE behav OF ADC0809 IS TYPE states IS (st0, st1, st2, st3,st4,st5,st6,st7) ; -定义状态类型 SIGNAL current_state, next_state: states :=st0 ; SIGNAL REG: STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0); SIGNAL LOCK: STD_LOGIC; - 转换结束后的数据锁存信号 BEGIN ADDA ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE ALE='0'START='0'OE='0'LOCK='0'next_state = st0; END CASE ; END PROCESS;,PROCESS (CLK) BEGIN IF ( CLK'EVENT AND CLK='1') THEN - -时钟CLK上升沿，状态转换 current_state = next_state; END IF; END PROCESS; PROCESS (CLK) - -锁存转换好的数据 BEGIN IF (CLK'EVENT AND CLK='1') THEN IF LOCK=1 THEN REG=D; END IF; END IF; END PROCESS ; Q = REG; END behav;,5.FPGA实现频率计：测量范围10Hz100KHz，显示3位,系统基准时钟：选用高精度时钟源，频率计精度的主要决定因素。 脉冲整形：将被测信号整形为数字信号，且符合幅度要求。 闸门时间的选择：对于低频信号的测量应采用较长的闸门时间，对于高频信号的测量则相反。,脉冲整形子系统,存储 清零 使能,系统基准 时钟,数字脉冲,待测信号,闸门控制子系统,计数器子系统,译码显示子系统,
