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74hc00-74hc00引脚图及功能
数据,信号,示波器74hc00-74hc00引脚图及功能
发布时间:2019-02-08加入收藏来源:互联网点击:
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示波器是最常用的电子测量仪器之一,它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像。为了携带方便,我曾经做过一台简易数字示波器(见图22.2),材料成本只有150元左右,这台数字示波器的设计思想是:简单实用,价格低廉,容易制作。
主要能指标:
最高采样率:20MSa/s
模拟带宽:4MHz
输入阻抗:1MΩ
垂直灵敏度:0.01V/div~5V/div(按1-2-5方式递进,共9挡)
水平扫描速度:1.5µs/div~6ms/div(按1-2-5方式递进,共12挡)
垂直分辨率:8位
显示屏:2.4 英寸 TFT320×240(驱动控制芯片:ILI9325)
测量时能同时显示信号的频率、电压峰峰值,具有信号保持(HOLD)功能。
图22.2 自制的简易数字示波器
电路工作原理图22.3 数字示波器结构框图
我们知道,模拟示波器是用阴极射线示波管(CRT)显示被测信号波形的,而数字示波器是采用LCM(LCD显示模块,含LCD及显示驱动控制芯片)显示被测信号波形。因为LCM的每一个显示像素都对应一个地址,地址要用数据表示,每一个像素的颜色也是用数据表示的。因此电路向LCM发送的是数据编码信号,这就决定了它和模拟示波器的电路结构不一样。
本文介绍的数字示波器的结构框图如图22.3所示。它由垂直输入电路、A/D转换电路、数字信号处理与控制电路、液晶屏显示电路、电源电路等部分组成。
图22.4 数字示波器电路原理图
输入的电压信号经垂直输入电路放大,以提高示波器的灵敏度和动态范围。对输出的信号取样后由 A/D 转换器实现数字化,模拟信号变成了数字形式存入存储器,微处理器对存储器中的数据根据需要进行处理,最终在显示屏上显示测量波形和相关的参数,这就是数字存储示波器的工作过程。
数字示波器的电路原理图如图22.4所示,下面分别对各单元电路进行介绍。
表22.1 垂直灵敏度和K1~K5的对应关系
1. 垂直输入电路
垂直输入电路由双运算放大器LM6172和衰减电路等部分组成。对其有两个基本的要求:一是对放大倍数的控制,二是要有满足设计要求的足够的带宽。
示波器输入信号电压的动态范围很大,为了将输入信号电压调节到A/D转换电路的最佳采样范围,以便得到最合理的显示波形,在信号电压较小时要进行放大,在信号过大时要进行衰减。
示波器输入信号的频率范围也很宽,为了使垂直输入电路有较平坦的频率特曲线,即对不同频率的信号放大电路的增益基本保持一致。为此选用了高速双运放LM6172,其带宽为100MHz,并在衰减电路中加了频率补偿电容。
电阻R1、R2、R3和继电器K1、K2、K3等组成衰减电路,衰减系数分3挡:1:1、1:10、1:100,由K1、K2、K3控制。第一级运算放大器接成电压跟随器的模式,主要起到缓冲的作用,提高输入阻抗,降低输出阻抗。第二级运算放大器接成电压串联负反馈电路的模式,其中电阻R6、R7、R8和继电器K4、K5等组成3挡增益调节电路,放大器的增益由K4、K5控制。当触点K4闭合时增益为(R6+R9)/R6;当触点K4开启、K5闭合时增益为(R6+R7+R9)/(R6+R7);当触点K4、K5均开启时增益为(R6+R7+R8+R9)/(R6+R7+R8)。按电路图中各电阻的取值,对应本级3挡的增益分别为25、12.5、5。
继电器K1~K5工作状态受单片机控制,所以垂直输入电路是一个程控放大器。垂直灵敏度和K1~K5工作状态的对应关系见表22.1(1表示闭合,0表示断开)。
2. A/D 转换电路
我们知道,A/D转换电路的作用就是将模拟信号数字化。一般把实现连续信号到离散信号的过程叫采样。连续信号经过采样和量化后才能被单片机处理。通过测量等时间间隔波形的电压幅值,并把该电压值转化为用二进制代码表示的数字信息,这就是数字示波器的采样,采样的工作过程见图22.5。采样的时间间隔越小,重建出来的波形就越接近原始信号。采样率就是每秒采样的次数,例如,示波器的采样率是10MSa/s,即每秒采样10M次,则表示每 0.1μs进行一次采样。采样率是数字示波器最重要的一项指标。
根据Nyquist采样定理,当对一个最高频率为f的模拟信号进行采样时,采样率必须大于f的两倍以上才能确保从采样值完全重构原来的信号。对于正弦波,每个周期至少需要两次以上的采样才能保证根据采样数据恢复原始波形。在数字示波器中,为了减小显示波形的失真,采样率至少要取被测信号频率的5~8倍。本文介绍的数字示波器采样率取被测信号频率的5倍,因为最高采样率为20MSa/s,所以当被测信号的带宽在4MHz以内时有比较好的测量结果。
采样率的提高受制于A/D转换芯片的工作速度,本文电路中使用的单片机ATmega16内部虽然也有A/D转换器,但其工作频率太低,不能满足数字示波器的采样要求。因此我们用了一片高速A/D转换芯片ADS830E,其最高采样率可达60MSa/s。ADS830E的转换精度为8位二进制数,即垂直分辨率为256,因为选用的LCM的分辨率为320×240,对应垂直分辨率为240,所以ADS830E完全能满足分辨率的使用要求。
ADS830E的IN(17脚)是供采样的模拟信号的输入端,CLK(10脚)是采样时钟信号输入端。每输入一个时钟脉冲就进行一次A/D转换,转换后的8位二进制数据由D0~D7输出。ADS830E的输入电压幅度可以通过11脚进行控制,当11脚接高电平时,ADS830E的输入电压范围是1.5~3.5V;当11脚接低电平时,输入电压范围是2~3V。这里选用1.5~3.5V的输入电压范围,中点电压为2.5V,中点电压由电位器RP进行调节。当IN输入电压为1.5V时,D0~D7输出的转换数据是0x00,当IN输入电压为3.5V时,D0~D7输出的转换数据是0xff,即255。
图22.5 采样的工作过程
3. 数字信号处理与控制电路
数字信号处理与控制电路由单片机ATmega16、FIFO(先进先出)存储器IDT7205、4个2输入与非门74HC00等组成。
单片机ATmega16在电路中的主要作用是:(1)对A/D转换后的数字信号进行处理,转换成LCM能接受的数据格式,输出给它显示;(2)产生ADS830E、IDT7205工作所需要的时钟脉冲信号;(3)通过按键对示波器参数进行控制调节,输出继电器的控制信号。
图22.6 倍频电路及各点的脉冲
FIFO存储器IDT7205是一个双端口的存储缓冲芯片,具有控制端、标志端、扩展端和8192×9的内部RAM阵列,12ns的高速存取时间。内部读、写指针在先进先出的基础上可进行数据的自动写入和读出。当有数据输入到数据输入端口D0~D8时,可由控制端Wclk来控制数据的写入。为了防止数据的写溢出,可用标志端满FF、半满HF来标明数据的写入情况,写入时由内部写指针安排其写入的位置。由于内部RAM阵列的特殊设计,先存入的数据将被先读出。如果需要数据外读,则可由控制端Rclk来控制数据的读出。RST为复位端。Wclk、Rclk、RST均由单片机ATmega16提供控制脉冲。数据输出端口Q0~Q8是三态的,在无读信号时呈高阻态。输入数据位D0~D8和输出数据位Q0~Q8均为9位,这里输入和输出均只使用了8位,即只使用了D0~D7和Q0~Q7。
读到这里,有的读者可能会问:把ADS830E输出端口D0~D7输出的数据直接输入ATmega16的PA端口不就行了吗,为什么还要在中间加上一个IDT7205?这是因为ADS830E工作速度比ATmega16快得多,即ATmega16读取数据的速度比ADS830E输出数据的速度慢,如果直接相连ATmega16就拖了ADS830E的后腿。加上IDT7205后就起到了缓冲的作用,ADS830E转换的结果先存在IDT7205内,等到ATmega16需要时,再从IDT7205中读出来。
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