硬件设计 - 单片机典型案例开发（四）

　　2　硬件设计

　　2.1　电压输出电路

　　在单片机（89C52）、D/A转换器、分压、运放组成的微电压输出电路中，设计的要点是如何用单片机控制D/A转换器的输出。本设计采用美国BB公司生产的16位高精度数/模转换器DAC714（单通道、串行通讯方式，工作电压±12V或±15V，能实现±10V、±5V和0～10V的模拟电压输出）。图 2是D/A转换器与单片机的连接电路。DAC714采用 ±15V工作电压，通过外部连接的增益（OFFS）和双极性偏移（GADJ）电位计调整，实现对输出电压的精度要求。在调节这两个参数时，为了避免零点对比例调节的影响，应注意先调整比例系数，后调零点。其中，A0为输入寄存器控制信号，A1为D/A锁存控制信号，SDI为串行数据输入。数据控制均为低电平有效，当A0=0时，当前数据进入移位寄存器;当A1=0时，数据进入D/A锁存。

　　

　　5V满刻度的16位DAC714转换器，1LSB对应76μV。如果输出端的负载电流为5mA，则60mΩ的线路和接触电阻，就会产生300μV的压降;此外，还有印刷电路板产生的压降。因此，将模拟地和数字地分开，采用单点连接，尽量减小接地回路。模拟插钉互相靠近，有利于模拟与数字信号的隔离，而模拟信号应该尽量远离数字信号。为了将D/A转换器与开关电流隔离，模拟地设在D/A周围或者在其下方的模拟信号和电源的附近，最好在DAC714转换器的下面将DCOM与ACOM直接接地。

　　2.2　电压反馈电路

　　DAC714转换器的输出电压经精密分压电路和OPA111BM运放组成的缓冲电路输出后，理论上完全可达22位分辨率。但是由于温漂和其他误差影响，实际输出时为19位分辨率，精度不能满足要求，为此，设计了反馈补偿电路。用22位A/D转换器测量实际输出电压，在单片机中将实际输出电压与理论输出值比较，其差值信号作为DAC714的补偿电压输出，确保了电压输出精度。

　　图3是由ADS1212组成的电压反馈电路。 ADS1212是美国BB公司生产的高精度、宽动态特性的22位单通道Δ-Σ模拟/数字转换器。其差动输入端直接与微小的电压信号相连。由于采用了低噪声的输入放大器，在转换速度为10Hz时仍可获得20位的有效分辨率。它有一个灵活的同步串行接口，单一+5V供电，有内/外参考电压和内部自校准系统。与外部器件接口的形式有双线制、三线制、四线制和多线制，此处采用三线制来实现与单片机的接口，接口信号是数据准备就绪线（DRDY）、数据输入输出线 （SDIO）、时钟信号线（SCLK）。

　　

　　2.3　温控电路

　　为了进一步降低温漂的影响，必须保证系统工作温度变化在一个较小的范围内，为此，设计了自动恒温控制电路。该电路由TMP01温度控制芯片（AD公司）和加温、降温电路等组成。

　　TMP01通过外接电阻值来设定高、低温度控制点。当系统温度高于或低于设定值时，输出电压控制信号，启动加温或降温电路的工作。TMP01温度控制精度达±1℃，负载能力达20mA，可直接驱动继电器。

　　3　软件流程

　　本电压信号源采用液晶显示屏显示汉字和数字，可通过按键直接控制输出电压的大小。用汇编语言编程，实现电压的自动输出。软件流程如图4所示。

　　

　　4　结束语

　　本文介绍的数字式微电压信号源，利用精密分压和反馈补偿原理，实现了用16位D/A数模转换器输出19位分辨率的直流电压的目标。部队实际使用表明，采用单片机控制的数字式微电压信号源不仅电压精度稳定，而且成本低，体积小，提高了测试自动化的程度。

　　四、一款自制简易示波器设计

　　这款简易示波器的性能如下：

　　1.电压挡位：200mV、500mV、1V、2V、5V、12.5V、25V、50V。

　　2.频率挡位：12MHz、6MHz、4MHz、3MHz、2MHz、1MHz、500kHz、250kHz、100 kHz、50kHz、25kHz、10kHz。

　　3.能较好地测量300 kHz的波形。

　　这次DIY的示波器性能虽然较弱，仅仅能用来测试音频等300kHz以下频率的周期波形。不过它还有一个实用的功能，可以用来测试+/-50V的电压（量程是自动切换的）。

　　

　　主要零件

　　编号 零件名称 数量

　　1    ATMEGA8单片机 1

　　9   24MHz有源晶振 1

　　8   128x64液晶屏

　　［ST7565控制器］ 1

　　2    5532运放 2

　　3   AD603压控放大器 1

　　4    TLV5618［DA］ 1

　　5    ADS830E［AD］ 1

　　6    IDT7205 1

　　7    ILC7660 2

　　10    1117-5.0 2

　　11    1117-3.3 1

　　12    79L05 1

　　13       继电器 2

　　14 电容、电阻、二极管 若干

　　15    三极管 2

　　16    洞洞板 1

　　17    按钮 2

　　电路分析

　　这个版本示波器的电路原理如图1所示。电路制作时，我用了1块16cm×10cm的万用板，电路中仅仅使用2个按钮来操作示波器，因为我只使用了一片M8单片机作为控制器，1个按钮用于循环改变采样频率，另一个按钮用来选择信号的耦合方式，直流或者交流耦合。

　　大家要问了，如何用一片 M8 单片机产生12MHz的采样时钟呢？呵呵，其实我对M8单片机进行了超频，使用24MHz的有源晶振作为它的时钟频率。然后，通过定时器2的比较匹配翻转电平，以产生不同的时钟。当OCR2=0时，单片机的OC2引脚就能产生12MHz的方波了。当然，如果大家不想超频，那么最高的采样频率就是16MHz的一半，8MHz了。因为，M8的技术手册上建议最高为16MHz的时钟，而比较匹配的最高频率为系统时钟的2分频，即8MHz。本次制作的源代码使用WinAVR编译。如果使用16MHz的晶振，请自行修改源代码。

　　电路中，被测量的信号，经过500kΩ、480 kΩ、20 kΩ电阻串联回路，通过继电器进入第1个运放，运放起到阻抗匹配的作用，因为AD603的输入电阻仅为100Ω。单片机通过继电器选择合适的衰减倍数，在默认情况下，为1/2倍的衰减。在测量较大的电压时，单片机会选择1/50 的衰减。选择衰减的目的是为了方便后期的2次放大。后期放大使用了一片AD603，它是压控放大器。通过改变GPOS（第1脚）与GNEG（第2脚）之间的电压差，即可控制它的放大倍数。AD603的GPOS（第1脚）的电压通过一片DA5618控制，它是12位串口DA，它的参考电压为1.25V，由2个电阻分压而得。整个电路的运放可以使用NE5532、AD8066、LM6172等，它们的引脚都是兼容的。由于采样的速度比较快，远大于M8单片机的读取及处理速度，所以通过IDT7205来缓冲高速采样的电平数据。最后，单片机读取采样的数据，并在128×64的液晶上显示。