高玉凱，肖 瑋，李榮海

(大慶師范學(xué)院 物理與電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163712)

0 引言

隨著數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的飛速發(fā)展和電子產(chǎn)業(yè)數(shù)字化程度的不斷提高，逐漸形成了以數(shù)字系統(tǒng)為主體的格局[1-2]。但隨著A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷成熟，全國(guó)各大A/D轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)廠家在急于追逐其轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換精度的提高，卻忽略了A/D轉(zhuǎn)換器外圍電路的設(shè)計(jì)與制作，使A/D轉(zhuǎn)換器的功能不盡齊全，其中就包括信號(hào)的存儲(chǔ)功能[3-6]。本課題就是基于數(shù)字電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了A/D轉(zhuǎn)換的外部顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)字顯示，更實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)測(cè)試后的回放功能，為試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和處理提供了方便。

1 電路設(shè)計(jì)思想及測(cè)試方法

1.1 電路設(shè)計(jì)思想

圖1 A/D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)與顯示原理框圖

電路由圖1所示的五個(gè)部分組成：轉(zhuǎn)換電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、地址存儲(chǔ)單元、顯示電路和脈沖發(fā)生電路。總體思想是把A/D轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，作為地址碼存儲(chǔ)在靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，同時(shí)訪問(wèn)電信號(hào)擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器，輸出與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果相對(duì)應(yīng)的8421BCD碼，供動(dòng)態(tài)掃描顯示數(shù)據(jù)結(jié)果使用。脈沖發(fā)生電路是給每個(gè)部分提供芯片所需的時(shí)鐘信號(hào)。

1.2 測(cè)試方法

1)A/D轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)和顯示實(shí)驗(yàn)在數(shù)字試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。所有數(shù)字芯片供電電源均為直流電5V，時(shí)鐘脈沖取自試驗(yàn)臺(tái)脈沖發(fā)生器，ADC0809工作頻率為26214Hz；轉(zhuǎn)換及存儲(chǔ)頻率為13Hz。分時(shí)選通頻率為406Hz。在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上按照?qǐng)D1連接各芯片。

2)儀器設(shè)備：ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片一片，電信號(hào)擦除的可編程只讀存儲(chǔ)芯片2816一片，靜態(tài)存儲(chǔ)芯片6116一片，十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS163三片，74LS373鎖存器兩片，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)七段譯碼器CD4511三片，共陰數(shù)碼管三個(gè)。

首先使輸入的模擬量在0V～5V之間均勻變化，A/D轉(zhuǎn)換的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并將當(dāng)前的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的數(shù)字電壓表測(cè)量模擬輸入端輸入電壓值，并進(jìn)行記錄，將其與輸出顯示在數(shù)碼管上的數(shù)字量進(jìn)行對(duì)比。轉(zhuǎn)換全部完成后，在不掉電的情況下，通過(guò)控制計(jì)數(shù)器和存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行回放顯示，記錄顯示數(shù)據(jù)，并將其與實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的數(shù)字電壓表測(cè)量的輸入電壓值進(jìn)行比較，以便觀察測(cè)量結(jié)果。

2 硬件電路實(shí)現(xiàn)

2.1 轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)部分

轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)原理圖如圖2所示，由模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809，靜態(tài)存儲(chǔ)器6116，動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器2816和16進(jìn)制74LS163組成。

圖2 轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)原理圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809是將輸入的模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，輸出為八位二進(jìn)制數(shù)，分辨率S由公式(1)可得到：

S=UREF(+)/28

(1)

其中UREF(+)是ADC0809的對(duì)比電壓，這里我們輸入的是5V，經(jīng)計(jì)算得：

S≈0.01953

(2)

靜態(tài)存儲(chǔ)器6116用作地址存儲(chǔ)器，將讀寫(xiě)控制端WE置為低電位，使6116工作于寫(xiě)數(shù)據(jù)狀態(tài)，可以將ADC0809轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)作為地址存入到6116內(nèi)。兩片74LS163級(jí)聯(lián)組成一個(gè)256位的計(jì)數(shù)器，輸出分別接到存儲(chǔ)器6116的地址端的低四位和高四位，既可以對(duì)存儲(chǔ)器6116內(nèi)256個(gè)地址進(jìn)行選擇(如果用三片74LS163級(jí)聯(lián)可以擴(kuò)展地址存儲(chǔ)量)。計(jì)數(shù)器74LS163的CP1脈沖與ADC08009的轉(zhuǎn)換START的CP2脈沖是同步的，就是說(shuō)0809每轉(zhuǎn)換一次，74LS163計(jì)數(shù)器加一位，存儲(chǔ)器6116的地址就變化一次。存儲(chǔ)器2816的地址端與ADC0809的輸出相連，對(duì)應(yīng)0809轉(zhuǎn)換的二進(jìn)制數(shù)選擇地址，在對(duì)應(yīng)的地址里預(yù)存二進(jìn)制到8421BCD碼轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，預(yù)存數(shù)據(jù)就是事先把0V～5V之間的電壓轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的8421BCD碼，使數(shù)碼管顯示輸入電壓值的數(shù)據(jù)。電信號(hào)擦除的可編程只讀存儲(chǔ)器2816的A8地址端由CP3控制與鎖存器74LS373(U105)共用一個(gè)脈沖。CP3脈沖送入低電平時(shí)，即存儲(chǔ)器2816的A8腳為0時(shí)，假設(shè)打開(kāi)存儲(chǔ)器內(nèi)部的第一個(gè)256位存儲(chǔ)模塊，當(dāng)CP3為高電平時(shí)A8腳為1時(shí)，打開(kāi)存儲(chǔ)器內(nèi)部的第二個(gè)256位存儲(chǔ)模塊。例如：輸入的信號(hào)是3.75V，這時(shí)ADC0809的START由CP2來(lái)臨一個(gè)脈沖開(kāi)始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算是11000000，由于脈沖CP1與CP2同步，74LS163計(jì)數(shù)器加一，在轉(zhuǎn)換前先將計(jì)數(shù)器清零，所以將數(shù)據(jù)11000000存到6116內(nèi)的00000000地址內(nèi)，同時(shí)送到2816選擇第一個(gè)和第二個(gè)存儲(chǔ)模塊的11000000地址，之前我們必須先在此地址內(nèi)存入是數(shù)碼管顯示3.75V的8421BCD數(shù)據(jù)。

2.2 顯示部分

顯示部分原理圖如圖3所示，顯示電路由鎖存器74LS373、內(nèi)部自帶驅(qū)動(dòng)的七段譯碼器CD4511和七段數(shù)碼管組成。

從存儲(chǔ)器2816取出的數(shù)據(jù)，送到兩個(gè)鎖存器74LS373，兩片鎖存器的選通狀態(tài)和鎖存狀態(tài)是由同一個(gè)脈沖控制的，前面提到的存儲(chǔ)器2816的A8腳與鎖存器74LS373(U105)的LE端同用CP3，而另一個(gè)鎖存器74LS373(U104)的LE端是與CP3取反脈沖接到一起，使兩個(gè)鎖存器分時(shí)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)掃描。要保證控制分時(shí)顯示的脈沖CP3的頻率f1為控制ADC0809的START腳的轉(zhuǎn)換脈沖CP2頻率f2的2倍，即：

f1≥2f2

(3)

鎖存器的輸出接到了譯碼器CD4511上，CD4511將送來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，編譯為數(shù)碼可以顯示的數(shù)字。例如：從存儲(chǔ)器2816取出3.75V的數(shù)據(jù)，這時(shí)脈沖CP3的低電平使存儲(chǔ)器2816的A8腳接收為0，選通第一個(gè)存儲(chǔ)模塊從存儲(chǔ)器2816的高四位輸出3的8421BCD碼0011，從低四位輸出7的8421BCD碼0111，這時(shí)鎖存器U104是導(dǎo)通狀態(tài)，U105處于鎖存狀態(tài)，數(shù)據(jù)通過(guò)鎖存器U104送到4511(U106和U107)，在數(shù)碼管顯示3.7V，在脈沖CP3為高電平時(shí)2816的A8腳接收到高電平，打開(kāi)了第2個(gè)存儲(chǔ)模塊。從2816取出5V的8421BCD碼從低四位輸出，這時(shí)鎖存器U105處于導(dǎo)通狀態(tài)，U104將上前面的數(shù)據(jù)所存在輸出端，U105將數(shù)據(jù)送到第3個(gè)4511驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示5V，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

圖3 顯示電路原理圖

2.3 數(shù)據(jù)回放

當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后，如需重放轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，需要將ADC0809停止工作，將計(jì)數(shù)器74LS163清零，存儲(chǔ)器6116將讀寫(xiě)控制端WE置為高電平選到讀狀態(tài)，通過(guò)手動(dòng)或自動(dòng)控制產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖來(lái)再現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)進(jìn)行下次轉(zhuǎn)換時(shí)只要將存儲(chǔ)器6116讀寫(xiě)控制端選到寫(xiě)輸入狀態(tài)，計(jì)數(shù)器置零，即可重新存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)，使用起來(lái)很方便。整個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的原理如圖4所示：

圖4 A/D轉(zhuǎn)換的存儲(chǔ)與顯示總電路原理圖

3 計(jì)算結(jié)果與比較

在測(cè)量過(guò)程中，隨機(jī)改變輸入的模擬電壓值，其值如表1的實(shí)際輸入電壓；同時(shí)記錄顯示在數(shù)碼管上的電壓值，其值如表1的實(shí)際存儲(chǔ)電壓；將“實(shí)際輸入電壓”與“實(shí)際存儲(chǔ)電壓”進(jìn)行比較，結(jié)果最大誤差為0.02V，在允許誤差范圍內(nèi)。

表1 A/D轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)顯示結(jié)果與實(shí)際電壓值的比較

注：時(shí)鐘頻率26214HZ；選通頻率406HZ；轉(zhuǎn)換頻率13HZ

4 結(jié)論

本文介紹了在已有的A/D轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，借助于通用的數(shù)字芯片，通過(guò)構(gòu)建A/D轉(zhuǎn)換器外圍電路的方法，不僅實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過(guò)程中的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，而且由于這里所使用的存儲(chǔ)芯片是靜態(tài)存儲(chǔ)器6116，就是說(shuō)每次測(cè)量的數(shù)據(jù)在使用完之后，斷電會(huì)自動(dòng)消失，無(wú)需進(jìn)行下次存儲(chǔ)前的擦除工作，使用起來(lái)非常方便，為便攜式A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)處理分析設(shè)計(jì)增添了新內(nèi)容。

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