根据给定元件设计一放大及A/D转换电路输入信号范围:-0.1V~+0.1V，最高频率5Hz。 要求:对输入信号放大25倍后进行A/D转换。A/D转换分辨率12bit,采用积分方式。 给定元器件:放大器2只，模拟开关(双4选一)2只，电阻电容任选(个数及阻容值)，基准电压源1只(2.500V)，89S51一只(其正常工作需要元件可任选)，正负电源一只(+/-5V)，比较器2只。以上所有元件均可认为是理想元件(无误差) 设计:画出电路图，分析选用元件参数，单片机定时器设定参数及工作方式。

<think>嗯，用户想设计一个放大及A/D转换电路，需要将-0.1V到+0.1V的信号放大25倍，然后进行12位的积分型A/D转换。首先，我得理清整个系统的流程。信号输入范围是±0.1V，放大25倍后变成±2.5V，这样可能超过了大多数ADC的输入范围，所以可能需要调整放大倍数或者使用双电源供电的运放？ 然后积分型ADC的设计，积分型通常使用双斜率或单斜率转换，需要用到积分器、比较器、模拟开关，还有单片机的定时器来控制积分和放电时间。用户提到了使用89S51单片机，所以得考虑它的资源，比如定时器的精度和配置方式。 元件参数选择方面，运放的选择很重要，需要低失调、低噪声的型号，比如OP07。放大电路部分，可能需要差分放大结构，因为输入是双极性的，或者使用单电源运放加偏置，但这样会增加复杂度。或许直接用双电源运放更简单，比如±5V供电，这样放大后的±2.5V在供电范围内。 积分型ADC的参数，比如积分电阻和电容的值，需要根据转换时间和时钟频率来计算。12位分辨率的话，积分时间需要足够长，以确保计数值能达到所需的精度。例如，假设时钟频率是1MHz，积分时间可能需要4096个时钟周期，即4.096ms。但积分型ADC的转换时间通常是两倍积分时间，所以总时间可能更长，需要考虑单片机的定时器能否支持。 模拟开关的选择，比如CD4051或CD4066，导通电阻和漏电流要小，避免影响积分器的线性度。积分电容的容值要足够大，以减少漏电的影响，但也不能太大导致响应过慢。可能需要计算合适的RC时间常数，比如选择1MΩ电阻和0.1μF电容，时间常数是0.1秒，但这样积分时间可能太长。或者调整电阻和电容的值，比如100kΩ和0.01μF，时间常数1ms，这样在12位分辨率下，积分时间可能足够。 单片机的定时器设置，89S51的定时器是16位的，最大计数65536。假设使用12MHz晶振，定时器每个机器周期是1μs（12时钟周期）。如果定时器工作在模式1，16位自动重装，可以设置定时中断来检测积分时间。例如，定时器每1μs触发一次，积分时间需要4096μs，那么定时器需要计数到4096，但可能需要多次中断来累计计数。 另外，积分型ADC需要两个阶段：积分阶段和反积分阶段。积分阶段对输入电压积分，时间固定，然后切换到参考电压进行反积分，直到比较器翻转。单片机需要测量反积分的时间，这个时间与输入电压成正比。因此，定时器需要能够精确测量这段时间，可能需要输入捕获功能或者外部中断来检测比较器的翻转。 可能还需要考虑积分器的稳定性，避免饱和。比如，在积分阶段，如果输入电压过大，积分器输出可能超出运放的供电电压，导致饱和。所以需要确保放大后的信号在积分阶段不会让积分器输出超过运放的电源范围。 最后，整个电路的校准和误差来源，比如运放的失调电压、电容的漏电、模拟开关的导通电阻等，可能需要软件校准或者硬件调整。比如，在软件中记录零点偏移，或者在电路中加入调零电路。 用户可能还需要了解如何选择具体的元件参数，比如放大电路的电阻值、积分器的RC值，以及如何配置89S51的定时器和中断来处理ADC转换过程。此外，代码结构也需要考虑，比如如何启动转换、处理中断、计算转换结果等。</think>### 设计步骤及分析 #### 1. 信号放大电路设计 **输入信号范围**：$-0.1\ \mathrm{V}$到$+0.1\ \mathrm{V}$，需放大25倍至$±2.5\ \mathrm{V}$。 **放大器选择**： - 采用差分放大电路，选择低失调电压运放（如OP07）[^1]，输入阻抗需大于$10\ \mathrm{kΩ}$。 - 放大电路参数： $$R_1 = R_3 = 1\ \mathrm{kΩ},\ R_2 = R_4 = 25\ \mathrm{kΩ}$$ 增益公式： $$A_v = \frac{R_2}{R_1} = 25$$ **电源要求**： - 运放需双电源供电（$±5\ \mathrm{V}$），确保输出范围覆盖$±2.5\ \mathrm{V}$[^2]。 #### 2. 积分型A/D转换电路设计 **积分型ADC原理**： - 通过积分器对输入电压$V_{in}$积分固定时间$T_{int}$，再对参考电压$V_{ref}$反向积分至零，测量反向积分时间$T_{de}$，输出数字量与$V_{in}$成正比[^1]。 **电路组成**： - **积分器**：运放、积分电容$C_{int}$、电阻$R_{int}$ - **模拟开关**：CD4051（控制积分方向） - **比较器**：LM311（检测积分器输出过零） **参数计算**： - **积分时间常数**： 选择$R_{int} = 100\ \mathrm{kΩ}$，$C_{int} = 0.1\ \mathrm{μF}$，时间常数： $$\tau = R_{int}C_{int} = 10\ \mathrm{ms}$$ - **积分时间$T_{int}$**： 需满足12位分辨率，时钟频率$f_{clk}=1\ \mathrm{MHz}$，积分周期为$2^{12}=4096$个时钟周期： $$T_{int} = \frac{4096}{f_{clk}} = 4.096\ \mathrm{ms}$$ #### 3. 单片机定时器配置 **89S51设置**： - **时钟源**：12MHz晶振，机器周期$1\ \mathrm{μs}$[^3]。 - **定时器模式**： - 定时器0工作于模式1（16位定时器），用于控制积分时间$T_{int}$。 - 定时器初值计算： $$T_{int} = 4096\ \mathrm{μs} \Rightarrow \text{初值} = 65536 - 4096 = 61440\ (\text{0xF000})$$ - 中断服务程序：触发模拟开关切换积分方向。 - **计数器模式**： - 定时器1工作于计数模式，测量反向积分时间$T_{de}$，通过外部中断检测比较器翻转[^5]。 #### 4. 工作流程 1. **初始化**：配置定时器、中断、I/O端口。 2. **积分阶段**：闭合$S_1$（输入信号通路），启动定时器0，积分$4.096\ \mathrm{ms}$。 3. **反积分阶段**：断开$S_1$，闭合$S_2$（参考电压$-V_{ref}$通路），启动定时器1计数直至比较器翻转。 4. **结果计算**：数字量$D = \frac{T_{de}}{T_{int}} \cdot 2^{12}$。 #### 5. 误差分析及优化 - **积分电容选择**：聚丙烯电容（低漏电流）。 - **软件校准**：通过零点校准消除运放失调电压影响[^4]。 ### 电路示意图 ``` 信号输入 → 差分放大 → 积分器 → 比较器 ↑ ↑ 模拟开关 参考电压 ↓ 89S51控制定时器 ``` ###