指導老師：李秀豔
作者：祝小龍
電子課程設計報告
一、設計內容
訊號源：利用電路產生乙個頻率為10khz，幅值為±5v的模擬正弦訊號；
ad採集電路：對該訊號進行a/d取樣，轉換成數碼訊號,要求分辨力不低於0.2mv，請選擇合適的ad器件並完成電路設計。
微控制器電路：選用合理的微控制器，設計微控制器最小系統的電路，包含有鍵盤電路、led數碼管顯示電路、復位電路、時鐘晶振電路；
da輸出電路：假設將輸入的訊號同時輸出，請選擇合適的da器件並完成電路設計。
二、設計分析
根據對設計內容及要求進行分析，得出該系統首先需要利用模擬電路知識設計出乙個訊號發生電路，利用該電路產生乙個頻率為10khz的模擬正弦訊號，然後設計乙個增強訊號的電路以便ad取樣分析，再設計乙個16位ad轉換電路，利用該電路對模擬訊號進行16位的取樣，轉換成數碼訊號，然後將該數碼訊號送入微控制器，微控制器電路包括鍵盤電路、led數碼管顯示電路、復位電路、時鐘晶振電路；最後設計乙個da轉換電路，通過微控制器將數碼訊號送入da轉換電路，輸出模擬訊號。
系統框圖如下：
1、模組分析
訊號產生模組：根據設計要求，需要考慮輸出訊號的頻率為10k、幅值為±5v；同時要保證輸出波形不失真，有一定的帶載能力。
訊號增強模組: 將訊號產生模組產生的±5v的正弦訊號增強5v，使輸出正弦訊號0-10v.這樣做的目的是便於後面的16位ad晶元用於轉換。
ad轉換模組：設計要求分辨力不低於0.2mv，由公式，可以算出n應該等於16才滿足本題條件，故本題需要16位的ad轉換電路。
由於其精度比較高，所以需要的ad晶元的轉換速率也比較快。
微控制器控制系統：該設計中ad採集電路的精度要求比較高，要求ad轉換速率要大，本題選用的是普通的51微控制器。
da轉換模組：da轉換模組同ad轉換模組相同。由於本題da輸出沒有解析度的要求，故選用的是8位的da晶元。
2、系統方案選擇
根據上面的分析，首先需要設計乙個模擬訊號產生電路。
方案一：採用**管搭建lc正弦波振盪電路，此方案雖然電路簡單，但除錯比較麻煩，如果是採用電感反饋式，諧波成分比較多。
方案二：直接採用用整合運放構建rc振盪電路，此方案實現簡潔，除錯方便，但是此電路靜態功耗較大。
綜合考慮設計要求，選擇方案二實現訊號產生電路。
三、選用的器件
由以上的分析，查閱資料，經過比較研究，綜合考慮得出：
訊號產生模組可以選擇ti公司的晶元ua741，該晶元溫漂電壓的溫度係數為15uv/℃，輸入失調電壓為30uv。
訊號增強模組可以選擇ti公司的晶元op27。該晶元大量運用於商業及工業控制中，而且其執行非常穩定。
ad轉換模組可以選擇ad公司的ad976晶元，ad976是乙個+5v單電源供電的高速、低功耗16位逐次逼近式ad轉換器,轉換速度為2000ksps.功耗為100mw,ad976的整合性好,內部包含2.5v參考電壓源、高速並行介面和時鐘,由於其內部有2.
5v的基準電壓，故不需要外接基準電壓。而且其轉換速率高達200 k以上，解析度為1.53×10-5，誤差最大為±2lsb，所以可以滿足16位採集精度要求。
微控制器可以選擇stc89c52微控制器，stc89c52系列是一種工業運用相當普遍的微控制器。對於本題中的16位ad晶元，其轉換速率高達200 k以上，而訊號電路的產生頻率為10k，stc89c52已經可以滿足要求，所以我們選取stc89c52單片，該單片式一種高速微控制器，具有40個引腳，其中32個i/o口。
da轉換模組選擇ti公司的dac0832晶元，dac0832是使用非常普遍8位d/a轉換器，其轉換時間為1us，工作電壓為+5v~+15v，其基準電壓為±10v。它主要由兩個8位暫存器和乙個8位d/a轉換器組成。使用兩個暫存器的好處是可以進行兩件緩衝操作，使該操作有更大的靈活性，其轉換原理與t型解碼網路一樣，由於其片內有輸入資料暫存器，故可以直接與微控制器介面。
dac0832以電流形式輸出，當輸出需要轉換我電壓時，可以外接運算放大器。
四、電路設計圖
訊號產生電路:
訊號產生電路採用ua741運算放大器，利用rc橋式振盪電路產生頻率為10khz的正弦波，其中r6、c1和r15、c3為串並聯選頻網路，接於運算放大器的輸出與同向輸入端之間，構成正反饋，以產生自己振盪。r16、r9及r10組成負反饋網路，調節r9可改變負反饋的反饋係數，從而調節放大電路的電壓增益，使電壓增益滿足振盪的幅度條件。為了使振盪幅度穩定，還可以在負反饋迴路併聯兩個二極體來自動調整負反饋放大電路的增益。
利用電流增大時二極體動態電阻減小、電流減小時二極體動態電阻增大的特點，加入非線性環節，從而使輸出電壓穩定。
為了維持振盪輸出，必須讓.為了保證電路起振，必須讓電壓放大倍數，其中rf=r9+(r10//)。當r6=r15=r、c1=c3=c時，電路的振盪頻率為。
起振的幅值條件為。調整電阻r9使電路起振，且波形失真最小。如不能起振，則說明負反饋太強，應適當增大rf，如波形失真嚴重，應適當減小rf。
調節選頻網路的r或c，即可調節振盪頻率。一般採用改變電容c作頻率量程切換（粗調），而調節r做量程內的頻率細調。
其電路圖如下：
圖1. 訊號產生電路
訊號增強電路:
訊號增強電路採用op27運算放大器，將訊號產生電路產生的±5v的正弦訊號增強5v，使輸出的正弦訊號為0-10v.這樣做的目的是便於後面的16位ad晶元用於轉換。
圖2.訊號增強電路
ad轉換電路：
ad轉換電路採用16位的ad976，解析度=，ad976內部包含2.5v參考電壓源、高速並行介面和時鐘,由於其內部有2.5v的基準電壓，故不需要外接基準電壓。
模擬訊號通過輸入端輸入晶元，轉換成數碼訊號，通過byte引腳的控制分別將高八位與低八位的資料輸出，然後只要乙個鎖存器74hc574就可以將ad的16位資料鎖存起來，最後通過p2埠輸入到微控制器進行處理。
其電路圖如下：
圖3. ad轉換電路
其ad晶元轉換圖：
圖4 轉換控制和讀轉換結果時序
圖5 用byte控制讀轉換結果時序
微控制器最小系統：
微控制器最小系統是基於微控制器stc89c51組成，該最小系統包括了時鐘晶振電路、復位電路、4×4的矩陣鍵盤以及四個七段的led數碼管的顯示模組，晶振選為24mhz。該最小系統能實現微控制器控制的輸入（鍵盤）及微控制器的顯示輸出（數碼管）功能。
電路圖如下：
圖6. 微控制器、復位電路及晶振電路
圖7. 4×4的矩陣鍵盤電路
圖8. led數碼管顯示電路
da轉換電路：
da轉換電路採用8位dac0832晶元，其轉換時間為1us，工作電壓為+5v~+15v，其基準電壓為±10v。由於其片內有輸入資料暫存器，故可以直接與微控制器介面，而不再需要鎖存器。微控制器輸出的數碼訊號送入該電路，經過da轉換後輸出模擬訊號，由於其dac0832輸出的是電流，所以需要乙個電流--電壓轉換電路，這裡採用ua741構成，使其將dac0832輸出的0~330ua的電流訊號轉換為0~5v的電壓訊號。
其電路如下圖：
圖9. da轉換電路
五、設計結果達到的技術指標
5.1 正弦波輸出模擬結果，正弦波輸出波形模擬結果如下圖。由圖可以看出，正弦波的週期為107.062us，頻率位10khz, 幅值為±5.1v。
其波形圖如下：
圖10. 訊號產生波形圖
5.2 .訊號增強電路模擬結果，正弦波輸出波形模擬結果如下圖。由圖可以看出，正弦波的週期為101.695us，頻率位10khz,幅值為±5.1v。
其波形圖如下：
圖11. 訊號增強電路圖
5.3 ad轉換的轉換速率及解析度：
ad976的轉換速率為2000ksps，解析度=1/216-1
5.4 da轉換的轉換速率及解析度：
dac0832的轉換時間為1us，解析度=1/28-1，最大誤差為4slb。
5.5 微控制器的工作頻率：
微控制器的晶振電路選擇的是24mhz的晶振，所以工作頻率為24mhz。
附：整體電路圖
電子設計報告
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