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1 逢甲大學 自動控制工程學系專題製作 專題論文 輕巧型類比數位轉換器之設計 The Design of A Miniature Analog to Digital Converter 指導教授 : 林育德 學 生 : 王嘉麒 中華民國九十三年十二月二十三

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3 感謝 承蒙吾師林育德副教授於一年的專題研究期間, 不辭勞苦, 對於知識的教導與論文寫作的原則, 均給予詳細的指導, 使得本文得以順利完成, 師恩浩蕩, 永銘於心 亦讓學生在專題研究之外, 在生活方面給予指導與啟蒙, 使學生得以將理論與實際應用互相結合, 進而更增加專業上的能力 更重要的是老師對於學生在做人處世上的教導, 使得學生除了在知識方面有所進步外, 更培養出健全的人格 除此之外, 感謝系上所有老師與助教於在學期間對學生在課業上的指導與幫助, 在此僅獻上個人最高的謝意 對於陪學生過大學四年的同學們, 宏昇 毓仁 愉帆 冠亨 清宏 計德以及實驗室的崑祥學長 富祺學長 政宏學長 進昇學長 永進學長 沒有你們的話, 大學四年會失去多采多姿的生活與歡笑, 感謝你們陪同去電子街買零件 去便當街吃飯 一起玩電動 一起討論程式 一起打牌, 讓學生體會到大學四年的點滴滋味 最後, 吾僅將這份榮譽與成就歸功於父母親 哥哥與妹妹, 感謝他們在學生就讀逢甲大學四年的期間給予支持與鼓勵, 使學生能專心致力於課業上 i

4 中文摘要 類比數位轉換卡之應用是很廣, 而轉換卡的種類也是非常多, 其效能也是有很大的落差 相對的, 轉換卡的價格也與其轉換性能成正比的關係存在 在生醫訊號處理的應用課程裡, 有使用到 National Instrument( 簡稱 :NI) 公司所製造的類比訊號擷取卡 (PCI-6024E), 而此張擷取卡的類比訊號轉換效能達 12bits 但是售價卻非常昂貴 所以此次專題研究利用 MicroChip 公司所出的單晶片 PIC16F877, 因為其內建 ADC 並且類比數位轉換解析度亦可以達到 10bits 雖然解析度略遜 NI 公司所製造的擷取卡 (PCI-6024E), 但是單晶片 PIC16F877 的價格低廉, 有極高的使用價值存在 ii

5 Abstract There are many kinds of analog to digital converter cards which have extensive application in modern today. But the price of the analog to digital converter card is also direct proportion to its convertibility. During the biomedical signal processing courses in college, we have ever used the data acquisition card PCI-6024E developed by National Instrument (NI.) company. The analog to digital convertibility of this card can achieve 12 bits while the price is also high. For the benefits of build-in analog to digital converter and the 10 bits resolution within the PIC16F877 chip developed by MicroChip company, we adopt it to develop an analog to digital converter in this study. Although the resolution of PIC16F877 is lower than PCI-6024E data acquisition card, it still has highly usage for its low cost. iii

6 目錄 感謝...i 中文摘要...ii Abstract... iii 目錄...iv 圖目錄...vi 表目錄... viii 第一章緒論 前言 研究動機 研究目的與重要性...2 第二章類比數位訊號轉換之介紹 訊號轉換之原理 訊號轉換之模式 訊號轉換傳送之方式...8 第三章類比數位訊號轉換器之設計 單晶片之設計 單晶片 PIC16F877 介紹 轉換介面設計 傳送介面設計 程式設計 接收介面之設計 接收程式前置面板 接收程式後置面板 類比數位轉換器預期目標...22 第四章類比數位訊號轉換器之測試 類比輸入訊號方波 輸入頻率 130Hz 輸入頻率 150Hz 輸入頻率 160Hz 輸入頻率 170Hz 輸入頻率 180Hz...24 iv

7 4.1.6 輸入頻率 185Hz 輸入頻率 190Hz 類比輸入訊號弦波 輸入頻率 50Hz 輸入頻率 60Hz 輸入頻率 70Hz 輸入頻率 80Hz 輸入頻率 90Hz 輸入頻率 105Hz 輸入頻率 110Hz 類比輸入訊號三角波 輸入頻率 75Hz 輸入頻率 85Hz 輸入頻率 95Hz 輸入頻率 105Hz 輸入頻率 115Hz 輸入頻率 120Hz 測試結果...31 第五章未來展望...32 參考文獻...33 附錄 A 類比數位轉換器電路圖...34 附錄 B PIC16F877 單晶片程式...35 v

8 圖目錄 圖 1.1 系統簡圖...2 圖 2.1 量子化 [1]...4 圖 2.2 量子化電位差 [1]...4 圖 2.3 取樣 [1]...6 圖 2.4 混疊雜訊 [1]...6 圖 2.5 二階類比數位轉換器 [1]...7 圖 2.6 中斷式類比數位轉換器 [1]...9 圖 3.1 PIC16F877 接腳圖 [8]...11 圖 3.2 振盪器內部設計圖 [2]...14 圖 3.3 振盪器接腳圖...15 圖 3.4 ADCON1 暫存器之 BIT3~BIT0[7]...16 圖 3.5 ADCON1 暫存器 [7]...16 圖 3.6 轉換最小單位時間 [7]...17 圖 3.7 ADCON0 暫存器 [7]...17 圖 3.8 TXSTA 暫存器 [7]...19 圗 3.9 程式流程圖...20 圗 3.10 前置面版圖...21 圗 3.11 後置面版圖...22 圗 4.1 方波 130HZ...23 圗 4.2 方波 150HZ...23 圗 4.3 方波 160HZ...24 圗 4.4 方波 170HZ...24 圗 4.5 方波 180HZ...24 圗 4.6 方波 185HZ...25 圖 4.7 方波 190HZ...25 圗 4.8 弦波 50HZ...26 圗 4.9 弦波 60HZ...26 圗 4.10 弦波 70HZ...26 圗 4.11 弦波 80HZ...27 圗 4.12 弦波 90HZ...27 圗 4.13 弦波 100HZ...27 圗 4.14 弦波 110HZ...28 圗 4.15 三角波 75HZ...29 圗 4.16 三角波 85HZ...29 圗 4.17 三角波 95HZ...29 圗 4.18 三角波 105HZ...30 vi

9 圗 4.19 三角波 115HZ...30 圗 4.20 三角波 120HZ...30 vii

10 表目錄 表 3.1 PIC 單晶片與 8051 單晶片...13 表 3.2 震盪模式與電容匹配表...14 表 3.3 震盪模式與電容匹配表...15 表 3.4 振盪器轉換時間表...18 表 3.5 BAUD RATE 公式表...19 表 3.6 MAX232 電壓轉換...20 表 3.7 預期目標...22 表 4.1 最大接受頻率...31 viii

11 第一章緒論 1.1 前言時代的巨輪不停的轉動, 所以科技也不停的進步中 慢慢的, 大家開始使用電腦, 利用電腦來協助我們在生活中的點點滴滴, 例如 : 數字計算 文章編輯 資料管理 等 而電腦的運算方式是採用數位訊號來執行的, 換言之, 數位訊號之應用是很重要的一部分, 也運用到日常生活中 因為數位化的結果可以帶來更多的方便性, 例如 : 溫度計 提款卡 數位相機 等 我們可以用數位化後的數據來判斷事務 而要讓電腦來做運算處理的話, 是有前提的! 就是要處理的資料必須是數位化後的資料 但是, 我們生活中大部分的訊號都是以類比形式存在, 例如 : 錄音帶 錄影帶 照片 等 必須將過轉換後才會變成數位化的訊號, 我們可以將錄音帶將過轉換器變成 CD, 錄影帶可以經過轉換器變成 VCD 或是 DVD, 照片可以經過轉換器 ( 掃描器 ) 變成數位照片 也因為數位這兩個字已經成為現代科技產品的最佳代言詞, 所以將類比訊號轉換成數位訊號之轉換器是最為重要的關鍵 而轉換後的數據是否有相當的解析程度亦是指轉換器的優劣程度 1.2 研究動機在市場上有著許許多多的數位產品, 而數位化的技術為其核心! 換言之, 數位轉換的技術也就最重要的部份, 但是轉換器的價格卻是有著很大的落差! 有些轉換器也有攜帶不方便的問題存在! 而且三年級的修課期間, 有一門課 生醫訊號處理 用到了一套應用軟體 Lab VIEW, 其中需要用到一張 PCI 介面卡, 而這一張介面卡是屬於高價位且必須猜開電腦機殼才能安裝的介面卡, 也因為要安裝再電腦的 PCI 插槽上, 所以會嚴重造成電腦系統在運算處理效能上負擔增 1

12 加 所以利用這一次的專題研究的機會, 利用電子電路的技術與電腦傳輸的技 術, 有效的降低了介面卡成本與電腦系統的負擔, 研製出一個低價位且亦為優質 的轉換介面, 並且設計成外接式的外型以便輕鬆攜帶 1.3 研究目的與重要性本論文之主要的目的是為了研製輕巧型類比數位訊號轉換器, 研究的方向乃是要如何利用電子電路的技術及電腦傳輸介面來取代 內建式 PCI 介面卡, 使得達到低成本 攜帶方便且降低電腦系統負擔 而研究內容可以分成硬體與軟體兩個部份 首先來說硬體部分, 藉由 PIC16F877 的單晶片內建的類比數位轉換功能來達到原本期望的轉換後的解析程度, 並且透過 RS232 作為傳輸介面 ; 接著軟體部分是因為 LabVIEW6.i 有內建接收 RS232 端子的傳輸功能, 所以採用 Lab VIEW6.i 的應用軟體來撰寫程式當接收端介面 而轉換器的架構如下圖 1.1 圖 1.1 系統簡圖 2

13 第二章類比數位訊號轉換之介紹 本章主要分成三個部份作為說明, 首先是先介紹類比訊號轉換成數位訊號的 原理, 接下來是說明類比數位訊號轉換的模式, 最後闡述訊號轉換後的傳送方 法, 透過這三個部份的了解與透析來設計出原先預期的類比數位轉換器 2.1 訊號轉換之原理 Ⅰ. 解析度與量子化 數問訊號的表示方法只有 0 或 1 的不連續信號, 而類比訊號是以連續信 號呈現, 所以簡單來說類比訊號轉換成數位訊號, 實際上是以一個不連續值作連 續值的轉換 ( 轉換曲線是階梯式 ) 例如,0 ~ 1 伏特的類比電壓, 若以 3 個 bit 作為 A/D 轉換場所 則 3 個 bit 的數位輸出為 , 八個位數來表示電位狀態 亦即將 0 ~ 1 伏特連續電壓分成 8 個數位 值來表示 其類比輸入電壓和數位輸出電壓的相對關係如下圖 2.1 所示 從圖中可以看 到, 假設數位輸出電壓是 011 則其相對類比輸入電壓是 ~ 伏特之 間, 其他數位輸出電位也是一樣, 每一個數位輸出所對應的類比電壓都涵蓋著 伏特( ± 伏特)的變化量, 以圖 2.2 所示 因此, 有兩個類比輸入 電壓 V 1 和 V 2 之電位差在 伏特以上, 則數位輸出就可以把 V 1 與 V 2 區分出來 了 其中能夠區分其電位差的最小類比輸入值稱為解析度, 通常以 LSB ( Least Significant Bit )表示 解析度除了以上所敘述的定義以外, 一般也以解析度 N 位 N 元稱之 在二進制 N 位元的轉換器中, 以 2 分割全刻度( full scale )所得的值 為解析度, 公式亦即如下 : FSB 1 LSB = N 2 3

14 圖 2.1 量子化 [1] 圖 2.2 量子化電位差 [1] 而類比數位轉換亦可以採用別的方法來表示, 類比輸入電壓可為每一個解析 單位( 1 LSB )的好幾倍 也就是類比數位轉換的數值, 為 1 LSB 的倍數值, 隔 三跳四, 以有限的位數表示連續信號的值, 則稱為量子化 Ⅱ. 取樣( sampling )定理當以聲頻訊號(交流訊號)為類比數位轉換器之類比輸入的場合時, 如果當類比數位轉換正在進行的的時候, 輸入端的類比訊號因為會不斷的變化, 如此想要有正確的轉換是不可能的 嚴格來說, 在類比數位轉換器之類比電路動作結束前, 輸入的類比訊號必須維持一個定值 而這段時間被稱為孔徑時間( aperture time ), 此時間是比轉換時間(數 ns 或 μs )還短的 [1] 4

15 亦即, 為了對交流信號進行類比數位轉換, 必須在每單位時間(週期時間) 抽出輸入的類比訊號, 並將其信號質保持一孔徑時間( aperture time ) 以上動作 分別稱為取樣( sampling ) 保持( hold ), 兩者合稱為取樣保持( sampling hold ) 其次, 交流訊號經過類比數位轉換後, 通常會再進行數位類比轉換, 假設要 將員先的類比輸入忠實的再生(還原), 所以取樣時間( sampling time )是必須 好好計算的 圖 2.3 ( a )所示為類比輸入訊號 f (t), 以圖 2.3 ( b )之取樣脈波 u (t) (間隔 為 T, 寬度為 τ )取樣之, 而所得到的訊號為 g (t) 關係式: g(t) = f (t) u(t) 而 將 u (t) 以級數展開方式來表示, 則 sin nkπ u (t) = k cos nωst, 在此 k = τ, ω = 2π 於 n= nkπ T s T sin nkπ 是 g (t) 經過簡化後成為 g(t) = f (t) k cos nωst, 當 τ 很小的時候, 則 n= nkπ τ lim(sin ) = 1, 所以 g (t) 可以進一步寫成新的關係式 : τ g(t) = f (t) k n= cos nω t = f (t)k + 2f (t) k s n= 1 cos nω t 從式子中我們發現 : 原始類比輸入訊號 f (t) 依然包含在 g (t) 內 另外, 1 sin α cos β = sin 2 [ sin( α + β )] ( α β ), 在右邊第二項則為原始類比輸入訊號和取 樣訊號(以及其高次諧波)頻率( f s )之和以及頻率成份差成分之合成訊號 亦 s 即, nf ± s f A( A f 是原始類比輸入訊號的頻率)之合成頻率成分有疊接雜訊( splice noise ), 也稱為混疊雜訊, 如圖 2.4 所示 這其中由於最低的頻率成分是 f f, s A 如圖 4 所示的是以原始類比輸入訊號之頻寬 f A 的兩倍為取樣頻率, 以 f s 為截止 2 頻率的低通濾波器( Lowpass filter )通過原始類比輸入訊號 f A 而濾除疊接雜訊 ( splice noise ), 而這就是所謂的取樣( sampling ) [1] 5

16 圖 2.3 取樣 [1] 圖 2.4 混疊雜訊 [1] 6

17 2.2 訊號轉換之模式類比數位的轉換模式大致上可以分成三種來說明, 有低速 中速與高速三種 其分類的分上使以類比數位化轉換運算的動作速度來區分, 分成三種轉換時間區隔 ;ms μs ns 當使用低速的類比數位轉換器的轉換時間約略是數個 ms 左右, 主要是用在直流電壓的測定, 由積分電路和計數器所組成的 其變換速度較慢, 為了維持高精密度, 所以零件要用的少, 價格因而也較低廉, 常常應用在數位電表或是電子秤上 若是使用中速的類比數位轉換器時, 一般是指轉換時間約略是數百個 μs 內的動作時間 其應用範圍原本是以計測 控制為主, 通常應用在 PCM 通信與數位音響上 在性能上及價位算是中庸的, 常常以取樣保持電路 多工器等內藏於類比數位轉換器內, 而轉換方式也具有取樣保持( sample hold )功能, 並且具備自我校正功能的製品為多, 也有設計成微電腦介面, 成為資料去得系統( data acquisition system )者 而高速型的類比數位轉換器是以並列比較方式為基礎, 來做各種實用化的轉換方式來開發 主要用途是 Video Hi-VISON 計測用 等 其轉換時間約略是數十個 ns 左右的使用範圍, 產品朝向以低電量與低價位的方向發展, 採用 COMS 為材料製造時, 以 2 階並列方式為主 如圖 2.5 所示 : 圖 2.5 二階類比數位轉換器 [1] 7

18 2.3 訊號轉換傳送之方式而類比數位轉換器通常被當成微電腦系統( micro computer system )的一部份, 當然也可以獨立使用, 維持其原本有的功能 或者是做為微電腦介面( micro computer interface )之電路使用, 或是相反的, 將類比數位轉換器內藏於微電腦內一起銷售 而類比數位轉換器與微電腦之間的資料傳送方式卻有很多種, 簡單來說有四種, 有 Busy 控制 查詢控制( polling ) 中斷控制( interrupt ) DMA 控制等 以下就分別敘述其轉換傳送方式的差別 Ⅰ. Busy 控制自類比數位轉換器收到轉換指令後進行數位化的轉換, 此時的中央處理器是處於等待的狀態 通常是用於中速型的類比數位轉換器, 當微電腦下達讀取( read )指令時轉換才開始, 在轉換訊號期間(類比數位轉換器會送出 Busy 信號)微電腦此時動作停止 當轉換結束時, 將資料輸入微電腦內 換言之, 此種轉換方式是在轉換期間, 微電腦是須等待類比數位轉換後的轉換結果 若採用積分方式之低速類比數位轉換器, 會因為轉換時間需要耗掉 0~ 數百個 ms, 使得轉換效率變得很差! 像這種情況最好是改用查詢控制( polling )方式, 則才可以得到較佳的效果 Ⅱ. 查詢控制( polling )此方式是給予類比數位轉換器一個開始轉換的指令後, 中央處理器則去執行別的程式, 至於想要知道類比數位轉換是否已經完成? 則是以隨時檢查(由 Busy 信號的有無來判斷之)的方式, 得以知道轉換是否終了, 在進行資料的讀取 如果轉換尚未終了則繼續執行轉換程式 在於低速型的類比數位轉換器, 是以電壓 - 頻率轉換的方式來作動, 換言之有其一定的轉換時間, 可以利用此項優點來估計出轉換時間, 使得程式設計者可以依需求來設計之 8

19 Ⅲ. 中斷控制( interrupt )是給予類比數位轉換器一個動作指令後, 微電腦繼續執行其程式, 若轉換器轉換終了後, 會將終了的信號傳至微電腦, 依據此信號使微電腦進行資料讀取 亦即當中斷信號輸入時, 微電腦暫時停止執行中的程式, 來讀取類比數位轉換器之轉換後的資料 而中斷動作之解除也需要有命令來控制, 中斷的原因是否消失也需要用程式來檢查 例如, 圖 2.6 是以中斷方式來進行類比訊號與數位訊號轉換, 其轉換之開始也是由 W 命令控制的(與 polling 方式一樣), 在轉換後終了時即使有 R 命令也不會有資料( data )的輸出 轉換開始後, 微電腦執行其他程式 當轉換終了時, 類比數位轉換器會對中央處理器發出中斷信號( IRPRQ ) 當中央處理器收到中斷信號時, 正在執行的程式會被中斷, 變成讀取轉換後的資料 圖 2.6 中斷式類比數位轉換器 [1] Ⅳ. DMA 控制所謂的 DMA 是指 Direct Memory Access, 此種傳送資料的方式是比數 μs 更快的速度來動作的 一般的資料傳送方式, 是根據中央處理器的命令(由軟體控制), 而由微電腦控制之軟體控制時, 每傳送一次需要數 μs 以上, 這種傳送方式是無法做到快速的資料傳送 因此中央處理器需以另一種方式來傳送 data, 而採 9

20 用的方式就是 DMA, 由 DMA 要求線之狀態(中央處理器每執行一個命令, 同時會檢查 DMA 要求的線之狀態)來判定中央處理器是否要分出一小段工作時間去執行 DMA 動作,DMA 動作之執行則是將資料由周邊裝置和記憶器( memory )直接傳送,Memory 內之 data 從某一個設定位址至另一個位址整批(幾個 word )傳送的 這種傳送方式不需要中央處理器處於等待的狀態下, 而是分出來工作時間一過之後, 又回到原來程式繼續執行 必要時 DMA 控制發生時, 要有位址信號( address signal )與控制信號( control signal )才能執行 一般而言, 波形記憶裝置在進行類比數位訊號轉換時, 幾乎都是採用 DMA 控制方法 [1] 10

21 第三章類比數位訊號轉換器之設計 本章主要是說明如何設計出一個類比數位轉換器, 乃是採用單晶片來設計之 而單晶片是包含了中央處理器( CPU ) 微控制器( Microcontroller ) 微處理器( Microprocessor ) 微電腦( Microcomputer ) 等 雖然單晶片體積小小的卻是功能完備啊! 本研究採用的單晶片是 Microchip 公司出產的單晶片 PIC16F877, 其型號有分成許多型態, 有 OTP(One Programmable) QTP(Quick-Turn Programmable) DIP(Dual In Line Package) PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier) QFP(Quad Flat Package) 等 其中 OTP 是只能燒入一次的晶片,QTP 是 MicroChip 公司為了方便工廠生產所提供的另一種晶片, 而此次的專題研究是採用 DIP 型態的單晶片, 這顆單晶片在一般學校裡最常看見的, 其包裝如下圖 3.1: 圖 3.1 PIC16F877 接腳圖 [8] 11

22 3.1 單晶片之設計單晶片設計的這個部份在本專題研究中是最重要的一部分, 將程式燒入單晶片中, 在與外部電路配合及 RS232 電腦傳輸介面來呈現 因此這個小節分成三個部份來說明單晶片與設計之過程, 有此次使用的 PIC16F877 單晶片的使用介紹 轉換介面設計 傳送介面設計 其說明如下 單晶片 PIC16F877 介紹此次採用低階組合語言來寫 PIC 程式並使用 MPASM 的組譯器 (MPASM Interpreter), 將寫好的程式轉碼成機器碼 (Machine Code 或稱指令碼 ), 才能讓中央處理器讀取機器碼並加以解碼執行之 而也可以使用 C 語言 ( 可以說是中階語言 ) 來寫 PIC 程式, 但是須要配合 C 語言編譯器 (C Compiler) 來使用, 就一般來說, 越是低階的語言越難寫! 但是, 執行效率是最高的 Ⅰ. PIC 指令架構 PIC 單晶片的指令集及其使用方式是具備了很多獨特的特色, 歸納來說, 有以下幾點 : PIC 共有四種指令格式 ( 有.c.h.inc.asm 等四種 ), 每ㄧ種格式的機器碼都是 14bit PIC 採用 RISC(Reduce Instruction Set Computing) 精簡指令集 PIC 的每ㄧ個指令都可以在一個指令周期完成, 只有少數指令 ( 例如,call 指令 ) 需要二個指令週期以上來完成 如上面所敘述,PIC 採用 RISC(Reduce Instruction Set Computing) 精簡指令集 的設計理念, 目的是為了使指令的執行效率提高 而以家用電腦而言, 早期 X86 的中央處裡器卻是用 CISC(Complex Instruction Set Computing), 執行效率較差 12

23 而 8051 採用的是 CISC 架構, 換言之,PIC 單晶片的運算執行速度較 8051 單晶 片快, 而且 RISC 的指令易於學習, 所以這就是 PIC 單晶片最大的優點 有關 RISC 與 CISC 的比較, 以下表 3.1 分成組譯和指令兩部份說明 : PIC 單晶片 (RISC) 表 3.1 PIC 單晶片與 8051 單晶片 8051 單晶片 (CISC) 指令 指令多 定址方式多 學習費時 指令少 學習容易 唯有有效的指令才會被保留 寫程式靈活 寫出的程式較短 組譯 組譯程式大且複雜 產生的執行檔較長 執行速度慢且效率差 組譯程式小且精簡 產生的執行檔較短 執行速度快且效率高 Ⅱ. PIC 振盪時脈電路振盪電路的設計是直接關係到整個系統的運算速度, 所以振盪頻率越快則程式執行速度越快 而 PIC16F877 振盪頻率最高可以到 20MHz 在 PIC16F877 的 40 之接腳中,OSC1/CLKIN 與 OSC2/CLKOUT 這兩支接腳就是接振盪源件的, 且 PIC16F877 振盪模式有四種 : LP: 使用外加低功率振盪晶體 (Low Power Crystal) 作為振盪源 XT: 使用外加振盪器 / 諧振器 (Crystal/Resonator) 作為振盪源 HS: 使用外加高速振盪器 (High Speed Crytal/Reasonator) 作為振盪源 RC: 使用外加電阻 / 電容器 (Resistor/Capactor) 作為振盪源 其中,Crystal 是指石英晶體振盪器 ;Reasonator 是指陶瓷諧振元件 以上四種模式裡可以發現以 Crystal 作為振盪源, 有 LP XT 及 HS 三種模式, 而採用 Reasonator 作為振盪源有 XT 及 HS 兩種模式 13

24 若是使用 Crystal 作為振盪源或是 Reasonator 作為振盪源其電路接圖如下圖 3.2 其中要注意電容值 C 1與 C 2 的設定,Crystal 作為振盪源之 C 1與 C 2 的參考值 依據表 3.2,Reasonator 作為振盪源之 C 1與 C 2 的參考值依據表 3.3 圖 3.2 振盪器內部設計圖 [2] 表 3.2 震盪模式與電容匹配表 振盪模式振盪頻率 C 1 C 2 LP XT HS 32K Hz 33 pf 33 pf 200K Hz 15 pf 15 pf 200K Hz pf pf 1M Hz 15 pf 15 pf 4M Hz 15 pf 15 pf 4M Hz 15 pf 15 pf 8M Hz pf pf 20M HZ pf pf 14

25 表 3.3 震盪模式與電容匹配表 振盪模式振盪頻率 C 1 C 2 XT HS 455K Hz 2.0M Hz 4.0M Hz 8.0M Hz 16.0M Hz pf pf Pf pf pf pf pf pf pf pf 本專題研究乃是採用使用 Crystal 石英晶體作為振盪源, 且振盪器的頻率是 20MHz 故 C 1與 C 2 都是設定為 15~33pF 電路接腳圖如下圖 3.3 所示 : 圖 3.3 振盪器接腳圖 可以算得指令運算週期為 200 ns ( 1 ) 20MHz 15

26 3.1.2 轉換介面設計 Ⅰ. 輸入通道設定由於單晶片 PIC16F877 的工作電壓是 5 伏特, 故輸入的類比訊號的振幅要小於 5 伏特 並且在 PIC16F877 單晶片中, 通常設定 PORTA 的接腳作為類比訊號輸入端, 用來輸入外界的類比訊號 而這些設定是利用 ADCON1 暫存器之中的 PCFG3:PCFG0 ( bit3~bit0 )來完成, 如下圖 3.4 所示, A 是指類比訊號輸入, D 是指一般的數位 I/O PORT 而圖 3.5 是 ADCON1 暫存器的說明 其中 ADFM 的指令是指決定量子化成 10bit 輸出的形式,0:Lgft Justified;1:Right Justified 圖 3.4 ADCON1 暫存器之 bit3~bit0[7] 圖 3.5 ADCON1 暫存器 [7] 16

27 Ⅱ. 轉換時間設定 因為 PIC16F877 有內建類比數位轉換器, 所以只需要去設定轉換器即可動 作 而轉換時間 (Conversion Time) 會影響到取樣頻率 (Sampling Frequency), 所以 在 PIC16F877 中要去定義 : 轉換時間 T AD = 1 個 bit 轉換所需的時間, 而轉換 10 個 bits 資料所需的時間 = 12T AD ( 因為包含了 1 個起始 bit 與 1 個結束 bit, 及 10 個 bits 資潦, 所以加起來就有 12 個 bits 需要轉換 ) 而 PIC16F877 中定義 TAD 最小值需要 1.6μs, 所以轉換 10 個 bits 就需要 1.6μ s 12 = 19.2μs 如下圖 3.6 所 示 而圖 3.7 是對於 ADCON0 說明 1.6μs 圖 3.6 轉換最小單位時間 [7] 圖 3.7 ADCON0 暫存器 [7] 17

28 在 PIC16F877 中, T AD 是由 ADCON0 暫存器的 ADCS1 (bit7) 和 ADCS0 (bit6) 來設定之, 當使用 20MHz 的振盪器則根據下表 3.4, 可以知道如何設定 T AD, 其 目的是為了 T AD = 1.6μs 所以 T 1 AD = 32TOSC = 32 = 1.6μs 20MHz 表 3.4 振盪器轉換時間表 AD Clock Source ( T AD ) Maximum Device Frequency Operation ADCS1:ADCS0 MAX 2T OSC MHz 8T OSC 0 1 5MHz 32T OSC MHz RC Mode 1 1 Note 1 (Note 1: 通常 T AD = 4 μs 或是介於 2 ~ 6μs ) 採用此模式 假設設定 T AD = 8T OSC 則會使 T AD 的值太小 ( 小於 1.6μs ), 所以轉換出來的結 果就不正確了 若是改成用 5MHz 的石英振盪晶體, 卻設定 T AD =32T OSC, 則可 以得到 T AD = 32T 1 OSC = 32 = 6.4μs > 1.6μs, 這樣就會讓費轉換時間 若是 5MHz 採用 RC Mode 通常 T AD 會介於 2 ~ 6μs, 最常設定為 4 μs 但是 RC 振盪頻率超過 1MHz 時, 此時轉換結果的精確度是不能保證很高 傳送介面設計 Ⅰ. TXSTA 暫存器設定在非同步傳輸或是串列傳輸介面中, 兩端的事先設定是很重要的, 就算是傳輸格式相同也是不夠的! 還必須設定好傳送位元的速度才行, 也就是說鮑率 (Baud Rate: 每秒傳送的位元數 ) 的設定也是很重要的 在 PIC16F877 單晶片中, 對於傳送資料的速度有分成高速與低速兩種 是由 TXSTA 暫存器之 BRGH 18

29 位元 (bit2) 決定之, 如圖 3.8 所示 而鮑率的計算公式如下表 3.5 圖 3.8 TXSTA 暫存器 [7] 表 3.5 Baud Rate 公式表 SYNC BRGH = 0 ( Low Speed ) BRGH = 1 ( High Speed ) 0 非同步 Baud Rate = Fosc ( 64( x + 1) ) 2 同步 Baud Rate = Fosc ( 4( x + 1) ) Baud Rate = Fosc ( 16( x + 1) ) 其中, x 是要計算的值, 必需介於 0 ~ 255 之間的整數 舉個例子來說, 想 以 5.625MHz 的振盪晶體且設定鮑率為 2400bps, 並規劃傳輸模式是低速 ( BRGH=0 )狀態, 則 Baud Rate = 2400bps = 5265KHz ( 64( x + 1) ) 算得 x =35.621, 四捨五入後取 x =36 就是要代入另一個暫存器 (SPRBG REGISTER) 中, 已完成預先的設定 Ⅱ. MAX232 與 RS232 設定利用 MAX232 的這一顆 IC 與 RS232 串列埠作為資料的傳送裝置 而 MAX232 最主要的作用是工作電壓的轉換, 因為 RS232 的電壓規劃與一般數位電壓規劃不同 一般通常會設定 High 狀態(邏輯規劃 =1 )工作電壓為 5V,Low 狀態(邏輯規劃 =0 ),RS232 工作電壓如下表 3.6 所示 19

30 邏輯 表 3.6 MAX232 電壓轉換 HIGH 狀態(邏輯規劃 =1 ) Low 狀態(邏輯規劃 =0 ) 電壓範圍 -3V 至 -15V +3V 至 +15V 名稱 Mark Space 常用電壓 -6V +6V RS232 的 Pin2 腳為 RXD 是負責接收資料的接腳, 而 Pin3 腳為 TXD 是負責傳送資料的接腳 一般來說每壹台電腦皆是如此, 所以兩端傳送資料時有 2 3 腳跳線的存在, 簡單來說就是甲端的 Pin2 腳必須接到乙端 Pin3 腳 ; 乙端的 Pin2 腳必須接到甲端 Pin3 腳, 總而言之, 就是某一端的 TXD 必須接到另一端的 RXD 就對了 程式設計 圗 3.9 程式流程圖 20

31 3.2 接收介面之設計接收介面是使用 Lab View6.i 程式來撰寫, 因為 Lab View6.i 的程式裡已經建立好了 RS232 接收單元 所以可以很方便的使用, 只需要把接線連上, 並且給予適當的參數 而 RS232 的接收端是一次收取 8 個 bits 在存進去電腦的緩衝區, 再由緩衝區讀取至程式做運算 其中, 要設定 Baud Rate 的速率 Data bits 的數量 RS232 輸入端的代號, 而這次的專題研究是設定 Baud Rate 的速率等於 57600bps,Data bits 的數量設定為 8 而是指電腦接收介面是每 8 個 bits 為一個段落做區隔, RS232 輸入端的代號則比較特別, 代號如果設為 0 是代表 COM1, 若是代號設為 1 是代表 COM 接收程式前置面板 圗 3.10 前置面版圖 21

32 3.2.2 接收程式後置面板 圗 3.11 後置面版圖 3.3 類比數位轉換器預期目標由於人體生理訊號的取樣速率 250Hz, 且類比轉數位的解析度最少要 10bits, 因此就以這兩點為此次專題研究為目標 並且輸入訊號受到單晶片的設計關係, 所以輸入的類比訊號之振幅需小於 5 伏特, 所以整理成下表 表 3.7 預期目標 選項目標 類比輸入訊號之頻率 250Hz 解析度 10bits 22

33 第四章類比數位訊號轉換器之測試 輸入之訊號以訊號產生器來提供, 分別以方波 弦波 三角波來測試 而輸入訊號的振幅皆預先設定為 4 伏特 由於受到 RS232 的頻寬限制, 所以 Baud Rate 設定為 bps, 因此只能設計類比數位轉換器的取樣頻率為 7.2KHz, 再加上 RS232 使每 8 個 bits 為一個段落作接收, 若是要處理 10bits 則需要分成兩次處理, 所以原先的取樣頻率會降至 3.6KHz 在這些限制之下, 轉換後的 10bits 只取其中的高位元來傳送, 以求較高的取樣頻率 4.1 類比輸入訊號方波 輸入頻率 130Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 130Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.1 所示 圗 4.1 方波 130Hz 輸入頻率 150Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 150Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.2 所示 圗 4.2 方波 150Hz 23

34 4.1.3 輸入頻率 160Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 160Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.3 所示 圗 4.3 方波 160Hz 輸入頻率 170Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 170Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.4 所示 圗 4.4 方波 170Hz 輸入頻率 180Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 180Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.5 所示 圗 4.5 方波 180Hz 24

35 4.1.6 輸入頻率 185Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 185Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.6 所示 圗 4.6 方波 185Hz 輸入頻率 190Hz 當輸入訊號為方波時, 並且設定頻率為 190Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.7 所示 圖 4.7 方波 190Hz 當輸入訊號的頻率為 190Hz 的時候, 可以發現有明顯的失真了, 所以方波 可以接受的最大輸入頻率為 185Hz 25

36 4.2 類比輸入訊號弦波 輸入頻率 50Hz 當輸入訊號為弦波時 並且設定頻率為 50Hz 經由類比數位轉換器之轉換 後 得到波形為圖 4.8 所示 圗 4.8 弦波 50Hz 輸入頻率 60Hz 當輸入訊號為弦波時 並且設定頻率為 60Hz 經由類比數位轉換器之轉換 後 得到波形為圖 4.9 所示 圗 4.9 弦波 60Hz 輸入頻率 70Hz 當輸入訊號為弦波時 並且設定頻率為 70Hz 經由類比數位轉換器之轉換 後 得到波形為圖 4.10 所示 圗 4.10 弦波 70Hz 26

37 4.2.4 輸入頻率 80Hz 當輸入訊號為弦波時 並且設定頻率為 80Hz 經由類比數位轉換器之轉換 後 得到波形為圖 4.11 所示 圗 4.11 弦波 80Hz 輸入頻率 90Hz 當輸入訊號為弦波時 並且設定頻率為 90Hz 經由類比數位轉換器之轉換 後 得到波形為圖 4.12 所示 圗 4.12 弦波 90Hz 輸入頻率 105Hz 當輸入訊號為弦波時 並且設定頻率為 105Hz 經由類比數位轉換器之轉換 後 得到波形為圖 4.13 所示 圗 4.13 弦波 100Hz 27

38 4.2.7 輸入頻率 110Hz 當輸入訊號為弦波時, 並且設定頻率為 110Hz, 經由類比數位轉換器之轉換後, 得到波形為圖 4.14 所示 圗 4.14 弦波 110Hz 當輸入訊號的頻率為 110Hz 的時候, 可以發現有明顯的失真了, 所以弦波 可以接受的最大輸入頻率為 105Hz 28

39 4.3 類比輸入訊號三角波 輸入頻率 75Hz 當輸入訊號為三角波時 並且設定頻率為 75Hz 經由類比數位轉換器之轉 換後 得到波形為圖 4.15 所示 圗 4.15 三角波 75Hz 輸入頻率 85Hz 當輸入訊號為三角波時 並且設定頻率為 75Hz 經由類比數位轉換器之轉 換後 得到波形為圖 4.16 所示 圗 4.16 三角波 85Hz 輸入頻率 95Hz 當輸入訊號為三角波時 並且設定頻率為 95Hz 經由類比數位轉換器之轉 換後 得到波形為圖 4.17 所示 圗 4.17 三角波 95Hz 29

40 4.3.4 輸入頻率 105Hz 當輸入訊號為三角波時 並且設定頻率為 105Hz 經由類比數位轉換器之轉 換後 得到波形為圖 4.18 所示 圗 4.18 三角波 105Hz 輸入頻率 115Hz 當輸入訊號為三角波時 並且設定頻率為 115Hz 經由類比數位轉換器之轉 換後 得到波形為圖 4.19 所示 圗 4.19 三角波 115Hz 輸入頻率 120Hz 當輸入訊號為三角波時 並且設定頻率為 120Hz 經由類比數位轉換器之轉 換後 得到波形為圖 4.20 所示 圗 4.20 三角波 120Hz 30

41 當輸入訊號的頻率為 120Hz 的時候, 可以發現有明顯的失真了, 所以三角 波可以接受的最大輸入頻率為 115Hz 4.4 測試結果當類比輸入訊號為方波時, 可以接受的最大頻率為 185Hz; 而輸入訊號為弦波時, 可以接受的最大頻率為 105Hz; 若是輸入訊號改為三角波的話, 可以接受的最大頻率為 115Hz, 故整理成下表 4.1 表 4.1 最大接受頻率 類比數入訊號 頻率 (Hz) 方波 185 弦波 105 三角波 115 從上表 4.1 得知, 與原本預期的 250Hz 有著很大的落差, 並且發現在各個圖 裡面的縱軸的刻度上並未達到 4 伏特的準位, 這是因為只取單晶片的轉換後的較 高的 8 個位元來使用, 因為省略了 2 個 bits 所導致的 31

42 第五章未來展望 單晶片 PIC16F877 內建的 ADC 之轉換一次的時間約是 42μ s, 而轉換一次後 需要延遲 100μ s 才可以合於 RS232 的頻寬限制 若是將傳輸介面改為限在較為流 行的 USB 介面的話, 則可以不用考慮頻寬的限制, 使得 ADC 的取樣頻率可以高 達 23.8KHz 並且使用 USB 介面也解決了 RS232 一次以 8 個 bits 為段落的問題, 因此 傳輸速率的問題就解決了, 相對的, 電壓準位也因為轉換後的高位元與低位元皆 會傳送的情況下, 可以恢復電壓準位了 假如輸入訊號之頻率不高的話, 可以降低 ADC 的取樣頻寬來換取多通道 類比訊號輸入, 換言之, 類比輸入雙通道的話則取樣頻率為 11.9KHz; 當然, 輸 入的通道數必須視輸入訊號的類別而決定之 32

43 參考文獻 [1] 陳丁再,A/D 轉換器入門, 全華科技圖書股份有限公司 2001 [2] 趙春棠,PIC 單晶片學習祕笈 / 以 PIC16F877 為例, 全威圖書有限公司 2002 [3] 何信龍, 李雪銀,PIC16F87X 快速上手, 全華科技圖書股份有限公司 2000 [4] 施慶隆,PIC16F87X 微控制器原理實習與專題應用, 全華科技圖書股份有限公司 2001 [5] 吳一農,PIC 單晶片微電腦入門實作, 松崗圖書有限公司 1998 [6] 劉建昇, 蕭子健,LabVIEW 單晶片篇, 高立圖書有限公司 2003 [7] Micro Chip PIC16F877 DataSheet [8] Texa Instruments MAX232 DataSheet 33

44 附錄 A 類比數位轉換器電路圖 34

45 附錄 B PIC16F877 單晶片程式 list p=16f877 #include<p16f877.inc> val_25 equ.30 val_75 equ.3 count_25 equ 0x20 count_75 equ 0x21 adc_data_msb equ 0X22 adc_data_lsb equ 0x23 org 0x00 nop goto Initial org 0x04 goto Rs_int Initial: banksel clrf banksel clrf banksel movlw movwf banksel TRISC TRISC PORTC PORTC TRISA B' ' TRISA ADCON1 35

46 movlw B' ' movwf ADCON1 ;V+=RA2,V-=RA3 banksel ADCON0 movlw B' ' ;32Tosc,channel 0, ADC on movwf banksel bsf bsf banksel clrf bsf banksel clrf banksel clrf call banksel bsf ADCON0 INTCON INTCON,GIE INTCON,PEIE PIE1 PIE1 PIE1,ADIE adc_data_msb adc_data_msb adc_data_lsb adc_data_lsb delay_25 ADCON0 ADCON0,GO Main: nop goto Main ;The start of interrupt Rs_int: movf ADRESH,W 36

47 banksel movwf adc_data_msb adc_data_msb clrw banksel movf banksel movwf ADRESL ADRESL,W adc_data_lsb adc_data_lsb Rs232_setup: banksel clrf bsf bsf bcf TXSTA TXSTA TXSTA,TXEN TXSTA,BRGH TXSTA,SYNC clrw banksel SPBRG movlw.20 ;baudrate=57600 movwf banksel bsf bcf SPBRG RCSTA RCSTA,SPEN RCSTA,CREN Trans_low: clrw 37

48 banksel movf banksel movwf adc_data_lsb adc_data_lsb,w TXREG TXREG Rs232_high: banksel btfss goto TXSTA TXSTA,TRMT Rs232_high clrw banksel movf banksel movwf adc_data_msb adc_data_msb,w TXREG TXREG Rs232_tx: banksel btfss goto call banksel bsf banksel bcf TXSTA TXSTA,TRMT Rs232_tx delay_75 ADCON0 ADCON0,GO PIR1 PIR1,ADIF retfie 38

49 ;delay time 50 delay_75: movlw movwf val_75 count_75 loop_75 call decfsz goto delay_25 count_75,f loop_75 return ;delay time 25 delay_25: movlw movwf val_25 count_25 loop_25 nop decfsz goto count_25,f loop_25 return end 39

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