1、本科毕业设计说明书 第 1 页 共 33 页 1 草鱼 草鱼绪论 草鱼 1.1 草鱼 草鱼课题的研究背景及意义 草鱼 随着科学技术的迅猛发展 ， 鲤鱼 新技术革命将把人类由工业化社会推进到信息化社 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 储 为主要内容的 数据采集测试 技术 ， 鲤鱼 已形成了一门专门的技术科学 。 草鱼 草鱼 数据采集系统是计算机 、 pork智能仪器与外界物理世界联系的桥梁 ， 鲤鱼 是获取信息的重要途径 。 草鱼 数据采集技术是信息科学的重要分支 ， 鲤鱼 它不仅应用在
2、智能仪器中 ， 鲤鱼 而且在现代工业生产 、 pork国防军事及科学研究等方面都得到广泛应用 ， 鲤鱼 无论是过程控制 、 pork状态监测 ， 鲤鱼 还是故障诊断 、 pork质量检测 ， 鲤鱼 都离不开数据采集系统 1。 草鱼草鱼 数据采集的任务 ， 鲤鱼 具体地说 ， 鲤鱼 就是采集传感器输出的模拟信号并转换为计算机能识别的数字信号 ， 鲤鱼 然后送入计算机或相应的信号处理系统 ， 鲤鱼 根据不同需要进行相应的计算和处理 ， 鲤鱼 得出所需要的数据 。 草鱼 与此同时 ， 鲤鱼 将计算机得到的数据进行显示或打印 ，鲤鱼 以便实现对某些物理量的监视 ， 鲤鱼 其中的一部分数据还将被控制生产
3、过程中的计 算机控制系统用来控制某些物理量 。 草鱼 草鱼 存储测试系统是一种数据采集系统 (DAS)， 鲤鱼 包括数据采集记录硬件和计算机数据分析处理软件 ； pork一般情况下 ， 鲤鱼 将信息量化采集后先存入系统中的数据存储器 ， 鲤鱼 等任务执行完后再进行事后的数据读取和分析 ； pork数据采集记录硬件部分在工作完成后进行回收 ， 鲤鱼 以便进行数据回读 2。 草鱼 草鱼一个大型的数据采集系统由以下几个部分组成 ： pork数据采集 、 pork数据传输 、 pork数据存储 、pork数据处理 、 pork分析和显示等 。 草鱼 数据采集技术的发展离不开传感器和计算机 控制技术 。
4、草鱼 网络化测量 、 pork采集和控制是其发展的必然趋势 。 草鱼 数据采集几乎无孔不入 ， 鲤鱼 它已渗透到了地质 、 pork医药器械 、 pork雷达 、 pork通讯 、 pork遥感遥测等各个领域 ， 鲤鱼 为我们更好的获取信息提供了良好的基础 。 草鱼草鱼 目前 ， 鲤鱼 数据采集测试技术已经在许多重大武器型号的研究 、 pork研制 、 pork生产 、 pork验收和使用中得到成功应用 ， 鲤鱼 并取得了一系列重要科研成果 。 草鱼 在航空 、 pork航天 、 pork机械 、 pork电子等多个领域 ， 鲤鱼 解决了过去无法解决的重大测试难题 ， 鲤鱼 显示出了突出的优越
5、 性 。 草鱼草鱼 1.2 草鱼 草鱼课题的 研究现状及发展前景 草鱼 近几年 ， 鲤鱼 Internet 网络飞速发展 ， 鲤鱼 各式各样的网概念个技术不断涌现 ， 鲤鱼 如电子商务（ B2B、 porkB2C 等） 、 pork对等网络（ P2P） 、 porkNet、 pork移动电子商务 、 pork无所不在的电子计算等等 ， 鲤鱼 他们改变着人们的生活和工作 ， 鲤鱼 同时也深刻的影响着工业领域内的各种采集 、pork控制 、 pork监控系统的结构和功能 。 草鱼 数据采集系统（ Date 草鱼 草鱼 Acquisition 草鱼 System,简称 DAS）目前在工业领域应用 非
6、常广泛 ， 鲤鱼 在工业领域存在大量远程数据采集系统 ， 鲤鱼 这些系统支持着工业领域 ， 鲤鱼 如电力 、 pork军事 、 pork通信等各种生产的正常运行 。 草鱼 具体应用如水 、 pork电 、 pork煤气调度 SCADA 系统 ， 鲤鱼 电力变电站综合自动化系统等 。 草鱼 在这些数据采集系统中访问装置数据源是必须的功能 ， 鲤鱼 数据采集系统是工业控制和监控系统的核心和基础 。 草鱼草鱼 数据采集技术是存储测试技术的一个重要组成部分 ， 鲤鱼 是以传感器 、 pork信号测量与处理 、pork计算机等技术为基础而形成的一门综合应用技术 。 草鱼 它研究信息数据的采集 、 por
7、k存储 、pork处理及控制等作业 ， 鲤鱼 具有很强的使用性 。 草鱼 目前 ， 鲤鱼 数据采集技术已广泛应用于 工业控制系统 、 pork数据采集系统 、 pork测自动试系统 、 pork智能仪器仪表 、 pork遥感遥测 、 pork通讯设备 、 pork机器人 、 pork高档家电等方面 。 草鱼 可以预见 ， 鲤鱼 随着大规模集成电路技术与计算机技术的发展 ， 鲤鱼 数据采集技术将在雷达 、 pork通信 、 pork水声 、 pork遥感 、 pork地质勘探 、 pork无损监测 、 pork语音处理 、本科毕业设计说明书 第 2 页 共 33 页 pork智能仪器 、 por
8、k工业自动控制以及生物医学工程众多领域发挥更大的作用 。 草鱼 特别是计算机的发展 ， 鲤鱼 网络化可以更好地协调工作 ， 鲤鱼 增强系统的可靠性 ， 鲤鱼 势必推动数据采集在更加广阔的领域应用 3。 草鱼 草鱼 1.3 草鱼 草鱼课题的提出与要求 草鱼 草鱼 草鱼 草 鱼草鱼 现在 ， 鲤鱼 以 PC 作为平台发展的数据采集系统已成为当前数据采集技术的重要发展方向 。 草鱼 国外很多公司与厂商都投入巨资进行数据采集系统的研制开发与生产销售 ， 鲤鱼其中比较著名的有 NEFF、 porkIOTECH、 porkNI、 porkHP、 porkTEK、 porkZONIC 和 VMIC 等 。
9、草鱼 他们不断推出各种性能优异 、 por k种类齐全的产品 。 草鱼 现在应用比较广泛的有这么几类采集系统 ，鲤鱼 ISA 数据采集系统 、 porkPCI 数据采集系统 、 porkSCXI 数据采集系统 、 pork便携式数据采集系统以及 USB 数据采集系统 。 草鱼草鱼 目前 ， 鲤鱼 虽然市场上有很多不同类型的数据采集产品 ， 鲤鱼 但这类产品还存在诸如功能单一 、 pork通用性差 、 pork操作复杂 ， 鲤鱼 并且对测试环境要求较高等问题 ， 鲤鱼 这些都限制了其具体应用的范围 ， 鲤鱼 这也迫使我们必须从实际出发 ， 鲤鱼 设计一套高速的 、 pork较为通用的系统 ，鲤鱼
10、 本课题正是基于这一背景下提出来的 。 草鱼草鱼 本课题的主要目的就是 ， 鲤鱼 设计一个数据采集测试系统 ， 鲤鱼 对被测参数进行实时数据采集 、 por k存储 。 草鱼 该系统完成以下几种信号的采集 ： pork草鱼 1六十四路模拟信号 ， 鲤鱼 电压范围 0 5V草鱼 2八路无源开关量信号 。 草鱼 草鱼草鱼 3一路数字脉冲信号 ， 鲤鱼 信号形式为 TTL 电平信号或低电平 0V、 pork高电平 12V 的脉冲信号 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 1.4 草鱼 草鱼整体设计方案 草鱼 根据被测参数要求 ， 鲤鱼 提出系统整体设计方案 ， 鲤鱼 其系统框图如图 1. 草鱼 1所
11、示 。 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 图 草鱼 1.1 草鱼 草鱼 整体设计方案 草鱼 整个系统由信号采集模块 、 por k存储器模块 、 pork中心控制模块 、 pork接口电路以及其他 草鱼 的外围辅助电路组成 。 草鱼草鱼 信号采集模块是存储测试中的重要环节 ， 鲤鱼 关系着获取信息的质量和采集测试 草鱼 的精度 。 草鱼 模拟信号的采集电路通常由跟随器 、 pork模拟开关 、 porkA/D 转换 器 、 pork缓冲器等部分组成 。 草鱼 被采集的信
12、号经 A/D 转换成数字信号后存入存储器 。 草鱼 电路的整个时序由逻辑控制模块协调控制 。 草鱼 数字量和开关量的采集电路同样是在主控制模块的控制下进行的 。 草鱼草鱼 主控制模块由 FPGA 及其外围电路组成 。 草鱼 FPGA 是控制模块的核心部分 。 草鱼 主要完 草鱼 成 A/D 转换器的时钟选取 、 pork数据的存储计算以及相应的控制逻辑 、 pork实现与 PC 机的模拟量采集模块 数字量采集模块 开关量采集模块 中 心 控 制 模 块 存储器 接口电路 PC 机 本科毕业设计说明书 第 3 页 共 33 页 通信等控制任务 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草
13、鱼 草鱼 草鱼 微型计算机与 I/O 设备的接口按照传输数据方式的不同 ， 鲤鱼 可 分为并行接口和串行口两种 。 草鱼 前者使传输数据的各位同时在总线上传输 ， 鲤鱼 后者则使数据一位一位的传输 。 草鱼 并行传输又有字并行和字节并行之分 ， 鲤鱼 并行接口一般实现的是字节并行传输 。 草鱼 本课题采用并口传输方式 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 存储器模块在系统中主要完成数字信息的存储 。 草鱼草鱼 2 草鱼 草鱼系统硬件设计 草鱼 2.1 草鱼 草鱼系统的整体结构 草 鱼草鱼 系统的整体结构如图 2.1 所示 ： p ork草鱼 草鱼 图 草鱼 2.1 草鱼 草鱼 系统的整体结构
14、图 草鱼 2.2 草鱼 草鱼模拟信号采集通道的设计 草鱼 存储测试系统常常需要多通道同时采集 。 草鱼 在此情况下 ， 鲤鱼 若是在每个通道都设置一套模拟传输及量化器 ， 鲤鱼 是不经济的 ， 鲤鱼 有时也是不必要的 ， 鲤鱼 特别在有限的体积内有时甚至是不可能的 ， 鲤鱼 因此 ， 鲤鱼 本系统要根据被测信号的特点与测试要求 ， 鲤鱼 模拟信号采集通道采用多路转换器 ， 鲤鱼 用最简单的硬件电路完成多路信号的存储测试 。 草鱼 模拟信号采集通道的框图如图 2.2 所示 ： p ork草鱼 草鱼 模拟开关 A/D 转换器 存 储 器 接口电路 PC 机 电压跟随器 64路模拟信号 FPGA 中
15、 心 控 制 电 路 1 路 数字信号 电平转换 8 路开关信号 隔离电路 驱动电路 缓冲器 模拟 开关 A/D 转换器 64 路 模拟 信号 本科毕业设计说明书 第 4 页 共 33 页 图 草鱼 2.2 草鱼 草鱼 模 拟信号采集通道图 草鱼 在本系统中 ， 鲤鱼 模拟输入信号的电压范围是 0 5V。 草鱼 本课题采用 LM324 运算放大器作为电压跟随器 ， 鲤鱼 用来稳定输入信号 ， 鲤鱼增加 AD9221 的输入阻抗 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 LM324 是四运放集成电路 ， 鲤鱼 它采用14 脚双列直插塑料封装 。 草鱼 内部包含四组形式完全相同的运算放大器 ， 鲤鱼
16、除电源共用外 ， 鲤鱼 四组运放相互独立 。 草鱼 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽 ， 鲤鱼 静态功耗小 ， 鲤鱼 可单电源使用 ， 鲤鱼 价格低廉等优点 ， 鲤鱼 因此被广泛应用在各种电路中 。 草鱼草鱼 在本系统中 ， 鲤鱼 考 虑到模拟输入信号有 64 路 ， 鲤鱼 所以采用模拟开关来实现数据的传输是很有必要的 。 草鱼草鱼 2.3 草鱼 草鱼数字信号采集通道的设计 草鱼 1 路数字信号 ， 鲤鱼 由于输入是 TTL 电平信号或低电平 0V、 pork高电平 12V 的脉冲信号 。 草鱼所以数字信号必须经过电平调整处理 ， 鲤鱼 才能够存入存储器（存储器输入电压为 3.3V，鲤
17、鱼 后面会有介绍） 。 草鱼 下面是一个调压电路 :草鱼 D1是一个 3.3V 的稳压管 ， 鲤鱼 如果输入电压大于 3.3V， 鲤鱼 则将 AS1 输出电压钳制在 3.3V，鲤鱼 起到了调压的作用 。 草鱼 如果是低于 3.3V， 鲤鱼 那么电压 将不改变 。 草鱼草鱼 草鱼 图 2.3 草鱼 草鱼 调压电路 草鱼 2.4 草鱼 草鱼开关量采集通道的设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 开关信号分为有源和无源两种 ， 鲤鱼 开关信号需要经过隔离和驱动才能与执行机构草鱼 相连接 。 草鱼 造成执行机构的误动作 。 草鱼 开关量隔离的目的在于直接电气联系 ， 鲤鱼 以防地电位差 、 pork外界电
18、磁场等干扰因素 。 草鱼 在本设计中 ， 鲤鱼 采用光电耦合器件作为隔离器件 ， 鲤鱼74HC14 作为驱动器件 草鱼 2.4.1 草鱼 草鱼 开关量隔离电路的设计 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 光电耦合器件是以光为媒介传输信 号的电路 ， 鲤鱼 如图 2.4 所示 。 草鱼 发光二极管和光敏三极管封装在同一个管壳内 ， 鲤鱼 发光二极管的作用是将电信号转变为光信号 ， 鲤鱼 光敏三极管接受光信号再将它转变为电信号 。 草鱼草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 光电耦合器件的特点是 ： pork输出信号与输入信号在电气上完全隔离 ， 鲤鱼 抗干扰能力强 ， 鲤鱼 隔离电压可达千伏以上 。 草鱼
19、无触点 ， 鲤鱼 寿命长 ， 鲤鱼 可靠性高 。 草鱼 响应速度快 ， 鲤鱼 易于TTL 电路配合使用 。 草 鱼草鱼 草鱼 图 2.4 草鱼 草鱼 开关量隔离电路 草鱼 本科毕业设计说明书 第 5 页 共 33 页 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.4 电路的工作过程 如下 ： pork当输入为低电平时 ，鲤鱼 流过发光二极管的电流为零 ， 鲤鱼 光敏三极管截止 ， 鲤鱼 输出为高电平 。 草鱼 当输入为高电平时 ， 鲤鱼 电流经 R71 流经发光二极管使其发光 ， 鲤鱼 光信号的作用于光敏三极管 ， 鲤鱼 使其饱和导通 ， 鲤鱼 输出为低电平 。 草鱼 所以光电耦合器件兼有反相及
20、电平转换的作用 。 草鱼 R71 为限流电阻 ， 鲤鱼 其阻值决定了发光二极管的导通电流 ， 鲤鱼 此电流一般选为数毫安 。 草鱼 R72 的取值要保证输出的高 、 pork低电平要求 。 草鱼 光电耦合器件的一个重要参数是电流传输比 CTR， 鲤鱼 当输入为高电平时 ， 鲤鱼 须使 R72 +V/（ CTR*输入电流）才能保证输出为低电平 。 草鱼 如果R72 选的太大 ， 鲤鱼 则输出电压带动拉电流负载的能力减弱 ， 鲤鱼 光敏三极管的暗电流也会对输出高电平造成不利影响 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 需要综合各方面的因素来确定 R72 的阻值 。 草鱼草鱼 2.4.2 草鱼 草鱼 开关量驱动电
21、路的设计 草鱼 开关量驱动电路采用 TTL 三态门缓冲器 ， 鲤鱼 本设计采用 74HC14， 鲤鱼 它的驱动能力要高于一般的 TTL 电路 ， 鲤鱼 如图 2.5 所示 。 草鱼 74HC14 是六芯片集成电路 ， 鲤鱼 内部包含六组形式完全相同的反相器 ， 鲤鱼 除电源共用外 ， 鲤鱼 六组反相器相互独立 。 草鱼草鱼 74HC14 草鱼 是施密特输入反相器芯片 , 草鱼 输入电平从低到高的翻转电平高于从高到低的翻转电平 , 草鱼 使输入缓慢变化或不太规则变化的边沿整形成陡峭的边沿 . 草鱼 施密特输入只是使得上跳沿和下降沿变得比原始输入信号的上升和下降更加陡峭一些 ， 鲤鱼 也就是在数字
22、电路起整形作用 。 草鱼草鱼 图 2.5 草鱼 草鱼 开关量驱动电路 草鱼 2.5 草鱼 草鱼模拟开关的选择 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 模拟开关是数据采集系统中的主要器件之一 ， 鲤鱼 它的作用是切换各路输入信号 。草鱼 在测控系统中 ， 鲤鱼 被测物理量通常是几个或几十个 。 草 鱼 为了降低成本和减小体积 ， 鲤鱼 系统中通常使用公共的采样保持器 、 pork放大器及 A/D 转换等器件 ， 鲤鱼 因此需要使用多路开关轮流把各路被测信号分时地与这些公用器件接通 。 草鱼 草鱼 多路开关有机械触点式开关和半导体模拟开关 。 草鱼 机械触点式开关中最常用的是干簧继电器 ， 鲤鱼 它的导通电
23、阻小 ， 鲤鱼 但切换速度慢 。 草鱼 集成模拟电子开关的体积小 ， 鲤鱼 切换速率快 ， 鲤鱼 无抖动 ， 鲤鱼 耗电小 ， 鲤鱼 工作可靠 ， 鲤鱼 容易控制 。 草鱼 它的缺点是导通电阻较大 ， 鲤鱼 输入电压电流容量有限 ， 鲤鱼 动态范围小 。 草鱼 在较低频段上（ f10MHz）则采用双极型晶体管工艺技术 。 草鱼 集成模拟电子开关在测控技术中得到广泛应用 。 草鱼 草鱼 在设计中往往要用到模拟开关 ， 鲤鱼 对于不同的用途需要选择不同的模拟开关 。 草鱼 在选择时要考虑以下参数 :草鱼 1、 p ork通道数量 草鱼 通道数量对传输的被测信号的精度和切换速度有直接的影响 ， 鲤鱼
24、 因为通道数目越多 ，鲤鱼 寄生电容和泄露电流通常也越大 ， 鲤鱼 特别是在使用集成模拟开关时 ， 鲤鱼 虽然只有其中一路导通 ， 鲤鱼 但由于其他模拟开关断开时（此时处于高阻状态）仍存在 漏电流 ， 鲤鱼 从而也要对导通的那一路开关产生影响 ： pork通道越多 ， 鲤鱼 漏电流越大 ， 鲤鱼 通道间的干扰也越多 。草鱼草鱼 2、 p ork导通电阻 草鱼 理想的多路开关其导通电阻应为零 ， 鲤鱼 断开电阻应为无穷大 ， 鲤鱼 但是实际中的模拟开关无法达到这个要求 。 草鱼 模拟开关的导通电阻会使信号电压产生跌落 ， 鲤鱼 尤其是和低阻抗器件串联使用的时候 ， 鲤鱼 因此需要考虑开关电阻 。
25、 草鱼 希望导通电阻尽量小 。 草鱼 草鱼 本科毕业设计说明书 第 6 页 共 33 页 3、 p ork开关时间 草鱼 由于模拟开关器件中有导通电阻并有寄生电容 ， 鲤鱼 这样就会产生一定的导通和关断时间 ， 鲤鱼 通常希望器件具有短的 开关时间 。 草鱼 草鱼 4、 p ork泄漏电流 草鱼 指开关断开时的泄漏电流 。 草鱼 如果信号源内阻很大 ， 鲤鱼 传输的是电流量 ， 鲤鱼 此时就更需要考虑它的泄漏电流 ， 鲤鱼 一般希望泄漏电流越小越好 。 草鱼 另外根据系统实际需要 ， 鲤鱼 还要考虑开关的数量 、 p ork种类 (几选一 、 pork逻辑控制等 )。 草鱼 草鱼 5、 p o
26、rk切换速度 草鱼 对于传输快速变化的场合 ， 鲤鱼 就要求多路开关的切换速度高 ， 鲤鱼 当然也要考虑后一段的采样保持和 A/D 的速度 ， 鲤鱼 从而以最优的性价比来选取多路开关的切换速度 4。 草鱼草鱼 作为多路选择开关 ， 鲤鱼 需要多通道快速 循环采集 。 草鱼 本系统选择了开关速度比较快 、 pork泄漏比较小 、 pork16 选 1 的模拟选择开关 ADG506。 草鱼 草鱼 AD0506 电压范围宽 、 pork功耗低 、 pork泄漏小 。 草鱼 其主要的参数为 ： pork草鱼 低泄漏 ： p ork20pA(典型值 )草鱼 较低的导通电阻 草鱼 ： pork200 草鱼
27、 较高的开关速度 : 草鱼 导通 200ns、 pork 草鱼 关闭 200ns草鱼 图 2.6 为 ADG508 在系统中的应用 。 草鱼 当 A6=1 时 ， 鲤鱼 ADG506 开始工作 ， 鲤鱼 随着 A1、 porkA2、 porkA3和 A4 的变化 ， 鲤鱼 16 个通道轮流进行数据采集 。 草鱼 A1、 porkA2、 porkA3、 porkA4、 porkA6 由 FPGA 提供 。 草鱼当 A6=1 时 ， 鲤鱼 ADG506 停止工作 ， 鲤鱼 数据采集结束 。 草鱼草鱼 草鱼 图 草鱼 2.6 草鱼 草鱼 ADG506 在系统中的应用 草鱼 2.6 草鱼 草鱼A/D
28、转换器的选择 草鱼 随着超大规模集成电路技术的飞速发展和计算技术在工业领域的广泛用 ， 鲤鱼 A/D草鱼 转换器的新设计思想和制造技术层出不穷 。 草鱼 为满足各种不同的检测和控制任务的需要 ， 鲤鱼 大量结构不同 、 pork性能 各异的 A/D转换电路应运而生 。 草鱼 有传统的并行型 、 pork逐次逼草鱼 近型 、 pork积分型 ， 鲤鱼 也有近年来新发展起来的一型和流水线型等 ， 鲤鱼 各种类型的 ADC本科毕业设计说明书 第 7 页 共 33 页 各有其优缺点 ， 鲤鱼 可满足不同的要求 。 草鱼 草鱼 2.6.1 草鱼 草鱼 模数转换器的分类及其特点 草鱼 目前 ， 鲤鱼 模数
29、转换集成电路主要有以下几种类型 ： pork草鱼 1、 p ork并行比较 ADC草鱼 并行比较 ADC 是现今速度最快的模 /数转换器 ， 鲤鱼 通常称为“闪烁式 “ADC。 草鱼 它由电阻分压器 、 pork比较器 、 pork缓冲器及编码器四部分组成 。 草鱼 这种结构 ADC 的所有位同时转换 ，鲤鱼 其转换时间主要取决于比较器的开关逮度 、 pork编码器的传输时间延迟等 。 草鱼 增加输出位数对转换时间的影响较小 ， 鲤鱼 但随着分辨率的提高 ， 鲤鱼 需要高密度的模拟设计 ， 鲤鱼 以实现转换所需的大量精密分压电阻和比较器电路 。 草鱼 例如 ， 鲤鱼 N位 ADC 需要 2n个
30、精密电阻和2(n-1)个并联比较器 。 草鱼 这类 ADC 的优点是 :模数转换速度高 ； pork缺点是分辨率不高 ， 鲤鱼 功耗大 ， 鲤鱼 成本高 。 草鱼 草鱼 2、 p ork逐次逼近型 草鱼 逐次逼近型 ADC 是应用非常广泛的模 /数转换方法 ， 鲤鱼 它由比较器 、 porkDIA 转换器 、 pork比较寄存器 、 pork时钟发生器以及控制逻辑电路组成 。 草鱼 它将采样输入信号与已知电压不断进行比较 ， 鲤鱼 然后转换成二进制数 。 草鱼 主要通过二分探索法求得一数字码 ， 鲤鱼 使其对应的电压最接近于输入电压 。 草鱼 这一类型 ADC 的优点 :转换速率比较高 ， 鲤
31、鱼 采样速率可达 1 草鱼MSPS； pork与其它 ADC 相比 ， 鲤鱼 功耗相当低 ； pork转换精度也比较高 。 草鱼 在高精度 、 pork快速 A/D 变换中应用最为广泛 。 草鱼 草鱼 3、 p ork积分型 ADC草鱼 前面所讲到的并行比较 ADC 和逐次逼近型 ADC 均属于直接转换 ADC,而积分型 和后面所讲的压频变换型 ADC 则属于间接 ADC。 草鱼 积分型 ADC 又称为双斜式 ADC。 草鱼 它的基本原理是通过两次积分将输入的模拟电压转换成与其平均值成正比的时间间隔 。 草鱼与此同时 ， 鲤鱼 在此时间间隔内利用计数器对时钟脉冲进行计数 ， 鲤鱼 根据时间间隔
32、的值计算出模拟电压的值 ， 鲤鱼 从而实现 A/D 转换 。 草鱼 积分型 ADC 的转换精度只取决于参考电压 ，鲤鱼 因此容易提高它的精度 。 草鱼 这类 ADC 主要应用于低速 、 pork精密测量等领域 。 草鱼 其优点是 :分辨率高 、 pork功耗低 、 pork成本低 。 草鱼 缺点是 :转换速率低 ， 鲤鱼 转换速率在 12位 时为 100 300SPS.草鱼 4、 p ork压频变换型 ADC草鱼 压频变换型 ADC 是先将输入模拟信号的电压转换成频率与其成正比的脉冲信号 ， 鲤鱼然后在固定的时间间隔内对此脉冲信号进行计数 ， 鲤鱼 计数结果正比于输入模拟电压信号的数字量 。
33、草鱼 从理论上讲 ， 鲤鱼 这种 ADC 的分辨率可以无限增加 ， 鲤鱼 只要采样时间足够长 ，鲤鱼 即满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度 。 草鱼 其优点是 :精度高 、 pork价格低 、 pork功耗低 。 草鱼 缺点是 :类似于积分型 ADC,其转换速率受到限制 ， 鲤鱼 12 位时为 100 300SPS。草鱼草鱼 5、 p ork -型 ADC草鱼 与一般的 ADC 不同 ， 鲤鱼 -型 ADC 不是直接根据抽样数据的每一个样值的大小进行量化编码 ， 鲤鱼 而是根据前一量值与后一量值的差值即所谓的增量的大小来进行量化编码 。 草鱼 -型 ADC 由两部分组成 ， 鲤鱼 第一
34、部分为模拟 -调制器 ， 鲤鱼 第二部分为数字抽取滤波器 。 草鱼 由于 -具有极高的抽样速率 ， 鲤鱼 通常比奈奎斯特抽样频率高出许多倍 ， 鲤鱼 因此 -转换器又称为过抽样转换器 A/D。 草鱼 这一技术的优点 :分辨率可高达24 位 ， 鲤鱼 比积分型及压频变换型 ADC 的转换速率高 ， 鲤鱼 可实现低价格 、 pork高分辨率的数据采集 。 草鱼 缺点 :当高速转换时 ， 鲤鱼 需要高阶调制器 ， 鲤鱼 在转换速率相同的条件下 ， 鲤鱼 比积分型和逐次逼近型 ADC 的功耗高 。 草鱼 草鱼 本科毕业设计说明书 第 8 页 共 33 页 6、 p ork流水线型 ADC草鱼 流水线型
35、 ADC 草鱼 (pipeline)又称为子区式 ADC， 鲤鱼 它由若干级级联电路组成 ， 鲤鱼 每一级包括一个采样 /保持放大器 、 pork一个低分辨率的 ADC 和 DAC 以及一个求和电路 ， 鲤鱼 其中求和电路还包括可提供增益的级间放大器 。 草鱼 快速精确的 n位转换器分成两段以上的子区 (流水线 )来完成 。 草鱼 流水线 ADC 不但简化了电路设计 ， 鲤鱼 还具 有如下优点 :每一级的冗余位优化了重叠误差的纠正 ， 鲤鱼 具有良好的线性和低失调性 ； pork每一级具有独立的采样 /保持放大器 ， 鲤鱼 前一级电路的采样 /保持可以释放出来用于处理下一次采样 ， 鲤鱼 因此
36、允许流水线各级同时对多个采样进行处理 ， 鲤鱼 从而提高了信号的处理速度 ， 鲤鱼 多级转换提高了 ADC 的分辨率 。 草鱼 由此可见这种类型的 ADC 不仅转换速度较高 ， 鲤鱼 而且分辨率也比较高 5。 草鱼 草鱼 2.6.2 草鱼 草鱼 模数转换器的主要参数 草鱼 无论我们选择那种 A/D 转换器 ， 鲤鱼 都必须考虑以下几个主要性能指标 :草鱼 1、 p ork分辨率 (resolution):草鱼 分辨率表示 A/D 转换器输出数字量变化一个相邻数码 ， 鲤鱼 所需输入模拟电压的变化量 。 草鱼 其值定义为满刻度电压与 2N之比 ， 鲤鱼 其中 N 为 ADC 的位数 。 草鱼 例
37、如设 A/D 转换器的位数为 n， 鲤鱼 满量程电压为 FSR， 鲤鱼 则 A/D 转换器的分辨率定义为 :分辨率 =FSR/2N。 草鱼 另外可以用百分数来表示分辨率 ， 鲤鱼 此时的分辨率成为相对分辨率 。 草鱼 公式为 : 草鱼 相对分辨率 =分辨率 /FSR 100%。 草鱼 例如一个满量程电压为 10V 的 12 位 A/D 转换器 ， 鲤鱼 能够分辨模拟输入电压变化的最小值为 2.44mV， 鲤鱼 相对分辨率为 :0.0244%.草鱼 2、 p ork量程 :量程就是指转换器所能转换模拟信号的电压范围 。 草鱼 草鱼 3、 p ork绝对误差 ： pork草鱼 绝对误差定义为对应于
38、输出数码的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差 。 草鱼绝对误差一般在 1/2LSB 范围内 。 草鱼 绝对误差包括增益误差 、 pork偏移误差 、 pork非线性误差 ， 鲤鱼 也包括量化误差 。 草鱼 草鱼 4、 p ork量化误差 :草鱼 量化误差是由 ADC 的有限分辨率引起的误差 。 草鱼 在 ADC 的转移特性曲线中 ， 鲤鱼 不计其它误差的情况下 ， 鲤鱼 一个分辨率有限的 ADC 的阶梯 状转移特性曲线与具有无限分辨率的ADC 转移特性曲线最大偏差 ， 鲤鱼 称之为量化误差 。 草鱼 草鱼 5、 p ork偏移误差 :草鱼 偏移误差是指最低有效位为“ 1”状态时的实际输入电
39、压与理论输入电压之差 ， 鲤鱼 这一差值电压称作偏移电压 ， 鲤鱼 一般以满量程电压值的百分数表示 。 草鱼 草鱼 6、 p ork转换速率 :草鱼 转换速率是指能够重复进行数据转换的速度 ， 鲤鱼 即每秒钟转换的次数 。 草鱼11草鱼 本系统中 ， 鲤鱼 A/D 转换器选用了 AD9221。 草鱼 草鱼 AD9221 是一种低功耗 、 pork12位分辨率 、 pork1.5M最高转换速率的 A/D 转换器 。 草鱼 该转换器内部包含有 12 位的量化器 、 pork宽带采样保持电路 、 pork可编程电压基准源 ， 鲤鱼 采用单电源 +5V 供电 ， 鲤鱼 可以根据用户配置 ， 鲤鱼 信号
40、以单端方式输入或是以差分方式输入 。 草鱼 输出为并行接口 ， 鲤鱼 兼容 TTL 电平 。 草鱼 由图 2.5 可以看出 ， 鲤鱼 AD9220 属于子区式模 /数转换器结构 ， 鲤鱼 并且采用了数字校正技术 ， 鲤鱼 AD 公司称之为多级差分管线结构 (Multistage 草鱼 differential 草鱼 pipeline 草鱼 architecture)。 草鱼 由于采用了这样的结构 ， 鲤鱼 AD9220 可 以在 1.5Msps 时提供 11.3 为有效位数 (ENOBS)， 鲤鱼 信号 /(噪声 +失真 )比为 70dB6。 草鱼草鱼 本科毕业设计说明书 第 9 页 共 33
41、 页 草鱼 图 2.7 草鱼 草鱼 AD9221内部结构图 草鱼 2.6.3 草鱼 草鱼AD9221 在系统中的应用 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 模拟信号从数据输入端 VINA 输入 ， 鲤鱼 经过模数转换 ， 鲤鱼 输出 12位的数字信号 。草鱼草鱼 图 2.6 为 AD9221 的通用接法 。 草鱼 图中 AIN 是经调整过的模拟信号 ， 鲤鱼 AD9221 采用单通道输入 ， 鲤鱼 信号从 VINA 端输入 。 草鱼 AD9221 的时钟端 CLK 由 FPGA 控制提供 。 草鱼草鱼 草鱼 图 2.8 草鱼 草鱼 AD9221在系统中的应用 草鱼 2.7 草鱼 草鱼中心控
42、制模块的设计 草鱼 中心控制模块由 FPGA 及其外围电路组成 ， 鲤鱼 主要用来对整个电路的时钟信号进行控制 ， 鲤鱼 保证数据的正确存入与读出 。 草鱼 其结构框图如图 2.7 所示 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 草鱼 图 2.9 草鱼 草鱼 中心控制模块的结构框图 草鱼 现场可编程门阵列（ FPGA）是近十年加入到用户可编程技术行列中的器件 。 草鱼 它由逻辑功能块排列成阵列组成 ， 鲤鱼 并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块来实现不同的设计 ， 鲤鱼 可编程门阵列在器件的选择和内部的互连上提供了
43、更大的自由度 。 草鱼 FPGA 草鱼 可以达到比 PLD 草鱼 更高的集成度 ， 鲤鱼 但具有更复杂的布线结构和逻辑实现 。 草鱼 PLD 草鱼 与FPGA 草鱼 之间的主要差别是 PLD 草鱼 通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来进行编程 ， 鲤鱼 而 FPGA 草鱼 是通过修改一根或多根分隔宏单元的基本功能块的内连线的布线来晶 振 EPROM FPGA 供电 F P G A 本科毕业设计说明书 第 10 页 共 33 页 进行编程 。 草鱼 因此 ， 鲤鱼 FPGA 草鱼 既有门阵列的高逻辑密度和通用性 ， 鲤鱼 又有可编程逻辑器件的用户可编程特性 ， 鲤鱼 而且它更接近 PCB 草鱼
44、的设计模式 。 草鱼 采用 FPGA 草鱼 的优点是 ： pork在实现系统小型化 、 pork集成化和高可靠性的同时 ， 鲤鱼 减少了风险 ， 鲤鱼 降低了成本 ， 鲤鱼 缩短了周期7。草鱼 草鱼 FPGA 草鱼 的开发可以用硬件描述语言（ HDL）编程 ， 鲤鱼 然后在开发平台上进行验证 ， 鲤鱼最后由 EDA 草鱼 工具自动实现设计 ； pork也可以在开发平台中用原理图的设计方式 ， 鲤鱼 像PCB 草鱼 设计方式一样的设计 FPGA 草鱼 芯片中的硬件电路 。 草鱼 草鱼 本设计中 ， 鲤鱼 采用 Xilinx 草鱼 公司生产的 Spartan 草鱼 XCS05 系列的芯片 XC2S
45、50 作为 CPU，鲤鱼 XC18V01_PC20 草鱼 作为 EPROM， 鲤鱼 TPS70358 作为供电芯片 ， 鲤鱼 详细介绍见第三章 。 草鱼草鱼 2.8 草鱼 草鱼存储器模块的设计 草鱼 FLASH 草鱼 MEMORY（闪速存储器）是一类非易失性存储器 NVM（ Non 草鱼 Volatile 草鱼 Memory） 草鱼 即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息 ； pork而诸如 DRAM、 porkSRAM 草鱼 这类易失性存储器 ，鲤鱼 当供 电电源关闭时片内信息随即丢失 。 草鱼 FLASH 草鱼 MEMORY 集其它类非易失性存储器的特点 ： pork与 EPROM 相比较
46、， 鲤鱼 闪速存储器具有明显的优势 在系统电可擦除和可重复编程而不需要特殊的高电压（某些第一代闪速存储器也要求高电压来完成擦除或编程操作） ； pork与 EEPROM 相比较 ， 鲤鱼 闪速存储器具有成本低密度大的特点 。 草鱼 其独特的性能使其广泛的运用与各个领域 ， 鲤鱼 包括嵌入式系统 ， 鲤鱼 如 PC 及外设 、 pork电信交换机 、 pork蜂窝电话 、 pork网络互连设备 、 pork仪器仪表和汽车器件 ， 鲤鱼 同时还包括新兴的语 音 、 pork图像 、 pork数据存储类产品 ， 鲤鱼 如数字相机 、 pork数字录音机和个人数字助理（ PDA） 8。 草鱼 草鱼 本
47、系统采用存储芯片 K9F1G08 来进行数据的存储 。 草鱼 K9F1G08 是一种容量为 128M8Bit 的 FLASH 存储器 ， 鲤鱼 采用 NAND 闪存技术工艺完成 。 草鱼 具有不挥发 、 pork低功耗 、 pork擦写速度快等特点 ， 鲤鱼 并且在掉电后信息不丢失 ， 鲤鱼 采用单电源 3.3V 供电 。 草鱼草鱼 2.8.1 草鱼 FLASH 草鱼MEMORY 草鱼 的分类及比较 草鱼 在 1984 年 ， 鲤鱼 东芝公司的发明人 Fujio 草鱼 Masuoka 草鱼 首先提出了快速闪存存储器 (此处简称闪存 )的概念 。 草鱼 与传统电脑内存不同 ， 鲤鱼 闪存的特点是
48、非易失性 (也就是所存储的数据在主机掉电后不会丢失 )， 鲤鱼 其记录速度也非常快 。 草鱼 目前市场上的 flash 从结构上大体可以分为 AND、 p orkNAND、 porkNOR 等几种 。 草鱼 草鱼 Intel 是世界上第一个生产闪存并将其投放市场的公司 。 草鱼 1988 年 ， 鲤鱼 公司推出了一款256K 草鱼 bit 闪存芯片 。 草鱼 它如同鞋盒一样大小 ， 鲤鱼 并被内嵌于一个录音机里 。 草鱼 后来 ， 鲤鱼 Intel发明的这类闪存被统称为 NOR 闪 存 。 草鱼 它结合 EPROM(可擦除可编程只读存储器 )和EEPROM(电可擦除可编程只读存储器 )两项技术 ， 鲤鱼 并拥有一个 SRAM 接口 。 草鱼 草鱼 草鱼草鱼 第二种闪存称为 NAND 闪存 。 草鱼 它由日立公司于 1989 年研制 ， 鲤鱼 并被认为是 NOR 闪存的理想替代者 。 草鱼 NAND 闪存的写周期比 NOR 闪存短十倍 ， 鲤鱼 它的保存与删除处理的速度也相对较快 。 草鱼 NAND 的存储单元只有 NOR 的一半 ， 鲤鱼 在更小的存储空间中 NA
