14-15(2)电子设计综合实验-要求及交流信号测量

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系统分析系统分析：单片机+FPGA小系统MCUFPGAKeyBoardRS232/CANLCD/LEDMemoryADCDACI/OInterfaceExtSTDInterface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5-9周3项目一：交流电压参数的测量。完成放大电路、比较器的设计。实现：用信号发生器产生弱信号，用示波器的两个通道分别观察输入和输出信号。4完成AD转换。实现：用MCU采集转换后的数字量。5完成幅度的测量。实现：对AD转换器输出的信号进行测量，并能显示3位测量值（幅度）。6完成频率的测量。实现：对比较器输出的信号频率进行测量，并能显示3位测量值（频率）。7项目验收：交流电压参数的测量8-11周项目二：2013年全国电子设计竞赛题（本科）12项目验收3课程安排、设计制作基础训练及项目讲解4传感器电路5单片机6嵌入式系统的软件设计及开发82013年全国电子设计竞赛项目讲解基本要求：1.用给定运放制作一个放大器（20分）增益：20dB；带宽：100KHz2.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：10Hz～100KHz，显示：3位发挥部分：1.提高放大器性能（20分）：增益：60dB；带宽：500KHz2.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：TLC372AD变换器：ADC0820（或MCU内部自带的ADC）设计框图放大器AD变换比较器MCU/FPGA3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。设计电路分解：1.基本放大器设计：增益20dB；带宽100KHz2.提高放大器性能：增益60dB；带宽500KHz3.比较电路设计：输出TTL电平4.测量频率：测量范围10Hz～100KHz，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：2.7～6V双电源供电：±1.35～±3V1.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：GainBandwidthProduct）=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IfOuRRuIOfuukRkR1010010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：IfOu)RR1(uIOfuukRkR1110010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=0.504MHz2.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：2～18V设计框图放大器AD变换比较器MCU/FPGA3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/FPGA3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：8~16位的A/D转换器芯片ADC0809——8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ADC0809ADC0809转换工作时序①②③④⑤ADC0832：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0~5V之间；●工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；●一般功耗仅为15mW；●8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装；●商用级芯片温宽为0°Cto+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0～255之间，对应模拟数值为0～5V，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。IN7～IN0：8路模拟输入量，模拟电压的输入范围0～5V。ADDC～ADDA：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。D7～D0：8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100μs。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：①输入地址信号ADDC～ADDA；②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；