高分辨率AD转换电路的设计

黄鹤松教授点评：系统采用高精度、低温漂的电压基准AD586分压作为信号源，采用压频转换的原理，利用先进的CPLD电路EPM7128和凌阳单片机SPEC061A共同实现了高精度的18位A/D转换。系统并具有语音报音、SPI数字信号输出接口等功能。稍不足的是制作工艺一般。高分辨率A/D转换电路的设计山东大学苏瑞东高摇吴昊摘要:本系统由高精度、低温漂的模拟器件和CPLD构建，实现高精度的18位A/D转换。模拟输入电压为0-100mV，通过精准的放大和偏置后送给AD650进行V/F变换，转换出来的频率信号由CPLD进行测量，结果送交控制器，产生18位A/D转换结果。同时系统可提供0-100mV连续可调的高精度测试用基准源。为了进一步降低干扰，A/D转换和控制电路采用了光速光电耦合器进行了电气隔离。关键词：V/FCPLD频率计斩波放大器Abstract：Thissystem,whichisbuiltinthebaseofanalogdevicesandcomplicatedprogrammablelogicdevice(CPLD),candeliver18bitA/Dresultwithhighprecision.Toachievehighprecision,Thedevicesthatareusedinthissystemshouldhavethecharacteristicofverylovetemperaturedrift.Theinputting0-100mVvoltageisfirstamplifiedanddeflected,andthendeliveredtoAD650toperformV/F.TheoutputtingfrequencyismeasuredwithhighprecisionbyCPLD,andtheMicro-controllercalculatetheresult.TotesttheperformanceoftheA/Dcharacteristic,ahighprecise0-100mVvoltagesouseisalsoavailable2inthissystem.Toreducethedisturbance,ahighspeedphotoelectricity-couplerisusedtoinsulatetheA/Dpartandthecontrolcircuit.Keyword:V/FCPLDcymometerChopper-stabilizedamplifier目录1.系统方案选择与论证……………………………………………………………41.1设计要求……………………………………………………………………41.1.1基本要求………………………………………………………………41.1.2发挥部分………………………………………………………………41.2系统方案……………………………………………………………………41.2.1系统总体方案的论证…………………………………………………41.2.1系统基本方案…………………………………………………………51.2.3各模块方案选择和论证………………………………………………61.2.4系统各模块的最终方案………………………………………………92.系统的硬件设计与实现………………………………………………………102.1系统硬件的基本组成部分…………………………………………………102.2主要单元电路的设计………………………………………………………102.2.1精密测试基准源………………………………………………………102.2.2电压的放大及偏置……………………………………………………112.2.3V/F转换电路的设计…………………………………………………122.2.4等精度频率计的设计…………………………………………………162.2.5光耦合隔离电路的设计………………………………………………173.系统的软件设计………………………………………………………………183.1程序流程图…………………………………………………………………183.2等精度频率计的VHDL子程序……………………………………………194.系统测试………………………………………………………………………204.1测试仪器……………………………………………………………………204.2指标测试……………………………………………………………………2134.2.1A/D转换线性度测试…………………………………………………214.2.2转换结束信号测试……………………………………………………214.3系统实现的功能……………………………………………………………225.总结……………………………………………………………………………22参考书目…………………………………………………………………………231.系统方案选择和论证1.1设计要求设计一个具有高分辨率A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。系统组成图1如下。图11.1.1基本要求：（1）采用普通元器件（不允许使用任何专用A/D芯片）设计一个具有15位分辨率的A/D转换电路，转换速度不低于10次/S，线性误差小于1%。（2）设计并制作一个具有测量和显示功能的仪器或装置，将该A/D转换电路的结果显示出来，有转换结束信号，显示器可采用LED或LCD。（3）要求有一个A/D转换结束后的输出信号。（4）自行设计一个可以从0—100mV连续调节的模拟电压信号作为该系统的被测信号源，以便对A/D转换电路的分辨率进行测试。例如输入100mV电压时显示器显示值不低于32767。1.1.2发挥部分：（1）分辨率为16位，线性误差小于0.5%。（2）转换速度不低于20次/S。4（3）将A/D转换电路与测量显示部分实现电气隔离。（4）其他。1.2系统方案1.2.1系统总体方案的论证根据题目要求，设计并制作一个高精度的16位A/D转换器，常用的A／D转换器可分为3大类：方案一：逐次比较式其速度快，二进制输出，与CPU之间的连线多、转换位数越多、连线越多、成本也相应增加。但由于要求位数太多，连线太多影响系统的稳定性，且成本较高。方案二：双积分式以二进制或BCD码的形式输出，精度高，抗干扰能力强，价格便宜，但转换速度较低，但电路设计与连接比较复杂，且速度太慢。方案三：VFC式利用积分原理，将输入电压(或电流)转换成频率输出，脉冲频率与输入电压(或电流)成比例，其精度高、线性度好、转换速度居中、转换位数与速度可调、与CPU的连线最少，且增加转换位数时不会增加与CPU的连线，因此，VFC为A／D转换技术提供了一种廉价而有效的解决办法。考虑题目要求做一个至少16位、20Hz的A/D转换器，实现对模拟电压的测量和显示。综上所述我们选择方案三。1.2.2系统基本方案：系统可以划分为电压发生部分、模拟-数字转化部分和控制部分。其中电压发生部分包括：精密测试电压源。模拟-数字转化部分包括：电压放大和偏置，V/F转换模块，频率测量模块。控制部分包括：控制器模块，显示模块，语音模块。模块框图如图2所示。5图2为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证，我们选取了较好的方案实现。1.2.3各模块方案选择和论证（1）精密测试电压源方案一：直接由D/A输出。优点是可以程控，可由键盘设定输出。但是一般的D/A位数较低，且其精度和温漂都难以达到理想。方案二：普通基准源直接分压输出。这种基准源有很多，市场上容易买到，如TL431,LM336，MC1403等。但是这种方式的输出阻抗较高，分压不准。方案三：精密低温漂高档基准源，分压后通过精密运放进行输出缓冲。这种方案可以提供较大的输出电流，高档的基准源和运放可以保证输出的精度和低的温漂特性。考虑到系统对温漂的要求非常严格，对精度的要求虽不像温漂要求那么严格，但也必须所以我们选择方案三。（2）V/F转换方案一：采用集成型555定时器，可以很方便的与单片机实现接口通信，价格比较便宜且容易购买，但其响应速度较慢，外围电路比较复杂，只适合用于一些要求不太高的场合。方案二：采用V/F转换专用集成芯片LM331作为核心部件，辅以的外围电路实现。LM331是美国NS公司生产的性能价格比较高的集成芯片，可用作精密频电压搬移V/F转换单片机控制器频率测量显示模块语音模块基准源被测量键盘6率电压转换器、A/D转换器、长时间积分器及其他相关器件。LM331采用了新的温度补偿能隙基准电路，在整个工作温度范围内和低到4.0V电源电压下都有极高的精度。LM331的动态范围宽，可达100dB；线性度好，最大非线性失真小于0.01％，工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性；变换精度高，数字分辨率可达12位；外接电路简单，只需接入几个外部元件就可方便构成V/F变换电路，并且容易保证转换精度。最佳温度稳定性为±50ppm/℃，满刻度量程为1Hz～100kHz。方案三：采用V/F转换专用集成芯片AD650，辅以的外围电路即可实现。AD650是美国ANALOGDEVICES公司推出的高精度电压频率(V/F)转换器，它由积分器、比较器、精密电流源、单稳多谐振荡器和输出晶体管组成。该电路在±15V电源电压下，功耗电流小于15mA，满刻度为1MHz时其非线性度小于0.07％。AD650既能用作电压频率转换器，又可用作频率电压转换器。AD650的满刻度频率高,可达1MHz；具有很低的非线性度：在10kHz满刻度时非线性度小于0.002％，在l0kHz满刻度时非线性度小于0.005％,在1MHz满刻度时非线性度小于0．07％。完全达到题目对精度和线性度的要求；最佳温度稳定性为±150ppm/℃。V/F转换作为此次设计的核心模块，必须要有较高的满刻度频率响应和较低的最佳温度稳定性。LM331具有较低的最佳温度稳定性，但其满刻度频率只有100kHz，数字分辨率只能达到12位；而尽管AD650的最佳温度稳定性不如LM331，但其满刻度频率高，非线性度也完全符合要求。综上所述，我们选择AD650作为V/F转换的核心器件。（3）频率测量对V/F变换后的频率进行测量，由于频率较高，一般在几十k甚至上百k，要实现快速准确的测量频率，必须要有良好的硬件响应速度和良好的测量策略。方案一：用单片机的计数器对基准时钟源进行计数。然后通过计数的比值计算出被测信号的频率。这种方案节省硬件，用一片单片机实现计数，运算等工作。但是，由于单片机内部的计数器所能计数的频率有限，且通用单片机内部时钟精度较低，更重要的是开始计数和停止计数难以做到同步。所以，此种方法测得的频率精度比较低，频率带宽也较窄。方案二：用8253等专用硬件计数器配合逻辑电路设计一套硬件测量电路。7此种电路如果能合理设计，能做到实时性好，测量准确。但是设计起来较为麻烦，需要的硬件多，电路制作复杂，由于引脚太多搭焊和线路连接都比较繁琐，调试起来很难发现问题所在。方案三：采用CPLD（复杂可编程逻辑器件）编写代码实现频率计数功能。CPLD响应速度快可以达到十几纳秒甚至几纳秒，响应频率可以达到几十兆甚至上百兆，可以实现高速计数。可编程逻辑器件可以用代码实现硬件的功能，不必大规模的搭焊、跳线，而且易于修改，一块片子可以实现一大块板子的功能且性能优于传统的电路连接方式。可以运用EDA软件仿真、在线调试，易于进行功能扩展，电路一次成型，不必对实际焊接的电路再进行繁琐的调试、修改。对于一定规模的数字电路尤其显示了其优越性。综上所述，考虑到时间的紧迫性和本题目要求达到16位的高分辨率，计数器必须达到很高的响应速度而且易于实现，所以我们选用方案三。（4）控制器本设计对运算控制器的响应速度要求不是非常高，只是在与CPLD通讯的时候要求有较高的响应速度，且可进行大量的数据运算。我们有两种方案可供选择：方案一：采用FGPA（现场可编程门阵列）作为系统的控制器。FGPA可实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有的器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用