@@@@@@@大学
微小电阻测量 课程设计报告
专业班级 自动化@@@ 学 号 @@@@@@ 姓 名 @@@@@@ 指导教师 @@@@@
第一章 .............................................................................................................................................. 3
1.1恒流源基础知识 ................................................................................................................. 3
1.1.1恒流源介绍 .............................................................................................................. 3 1.2恒流源的原理和特点 ......................................................................................................... 3 1.3恒流源的分类 ..................................................................................................................... 3
1.3.1 晶体管恒流源 ....................................................................................................... 4 1.3.2 场效应管恒流源 ................................................................................................... 5 1.3.3 集成运放恒流源 ................................................................................................... 6
第二章 .............................................................................................................................................. 7
2.1AD620简介 ......................................................................................................................... 7
2.1.1同相串联差动放大器 .............................................................................................. 7 2.2同相并联差动放大器 ......................................................................................................... 8 2.3增益线性可调差动放大器 ................................................................................................. 9 2.4高共模抑制比差动放大器 ............................................................................................... 10 2.5集成仪器放大器 ............................................................................................................... 11 第三章 ............................................................................................................................................ 14 第四章 ............................................................................................................................................ 15
4.1滤波器定义 ....................................................................................................................... 15 4.2滤波器的分类 ................................................................................................................... 15 4.3网络的频率响应 ............................................................................................................... 15
4.3.1低通滤波器的一些概念 ........................................................................................ 16
第五章 ............................................................................................................................................ 20
5.1MAX7219工作原理简介 ................................................................................................. 20 附录 ................................................................................................................................................ 22 参考文献......................................................................................................................................... 29
第一章
1.1恒流源基础知识
基本恒流源电路是恒流源电路的基本组成，是分析恒流源电路的基础。
1.1.1恒流源介绍
恒流源 ,是一种能向负载提供恒定电流之电路 .它既可以为各种放大电路提供偏流以稳定其静态工作点 ,又可以作
为其有源负载 ,以提高放大倍数 .并且在差动放大电路、脉冲产生电路中得到了广泛应用 . 过一定的论述 .然而 ,对各种恒流电路之对比分析 ,各自应用特点 ,以及需要改进的方面 ,还有待进一步研究 ,本文就来探 讨这些问题 .
1.2恒流源的原理和特点
1.3恒流源的分类
一般而言 ,按照恒流源电路主要组成器件的不同 ,可分为三类 :晶体管恒流源、场效应管恒
流源、集成运放恒流源 .下 面分别予以说明 .
1.3.1 晶体管恒流源
这类恒流源以晶体三极管为主要组成器件 ,利用晶体三极管集电极电压变化对电流影响小 ,并在电路中采用电流负
反馈来提高输出电流之恒定性 .通常 ,还采用一定的温度补偿和稳压措施 .其基本型电路如图2.1.3.1所示 .
图1.1.3.1基本型电路 图1.1.3.2改进型电路
Ｒ1、Ｒ2分压稳定Ｂ点电位 ,Ｒｅ形成电流负反馈 ,输出电流Ｉ0=（Ｖｂ-ＶＢＥ）/Ｒｅ ≈Ｖｂ/Ｒｅ(ＶＢ>>ＶＢＥ) .且其等效内阻[4]为 :
ｒｉｎｔ=ｒｃｅ[1+ βＲｅ（Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ）] （1） 式中ｒｃｅ为晶体管Ｔ集射极间电阻 ,一般为几十千欧以上 ;ｒｂｅ为晶体管Ｔ输入电阻 ,一般为几千欧左右 ;Ｒｂ=Ｒ1//Ｒ2.若设
Ｒｅ=5ｋΩ ,Ｒｂ=10ｋΩ ,晶体管参数ｒｃｅ=100ｋΩ , β =100,ｒｂｅ=2. 6ｋΩ .可得到ｒｉｎｔ=100× 1+ 100× 5/（10+ 2. 6+ 5） =3ＭΩ
可见 ,只需几伏的工作电压 ,采用一个晶体管 ,其等效内阻是非常巨大的 .
为了减小温度变化对晶体管参数的影响进而影响输出电流的恒定性 ,可采用图2.1.3.2所示改进型电路 .图1.1.3.2(ａ)中 ,二极
管Ｄ作温度补偿 ,抵销温度变化对晶体管Ｔ参数Ｖｂｅ的影响 .为了更好地解决管子温度特性一致的问题 ,图1.1.3.2(ｂ)中 ,三极
管Ｔ1接成二极管的形式 .有时 ,为了减小电源电压波动对输出电流之影响 ,图2.1.3.2(ｃ)中采用了稳压管Ｄｚ进行稳压 .图1.1.3.2(ｂ)
中 ,流过基准电阻Ｒ的电流ＩＲ 与输出电流Ｉ0的关系[1]为 :Ｉ0/ＩＲ =Ｒ2/Ｒ1,故又称为比例电流源 .若令Ｒ1=Ｒ2或都为零 ,则Ｉ0=ＩＲ,称为镜像电流源 .若令Ｒ1=0,则可得到微安量级的输出电流 ,称之为微电流源 ,主要应用于需要提供微小偏流的场合 .有时 ,要实现输出电流可控 ,且极性可正
可负的恒流源 ,可采用图2.1.3.3所示电路图 Ｖｉ为输入控制电压 ,三极管Ｔ1、Ｔ2参数一致 . 当Ｖｉ=0时 ,Ｉ1=Ｉ2,Ｉ0=0; Ｖｉ>0时 ,Ｉ1<Ｉ2,Ｉ0<0; Ｖｉ<0时 ,Ｉ1>Ｉ2,Ｉ0>0;
且由图2.1.3.3可得
V+Vi - VBE2 V-Vi -Vbe1 图1.1.3.3 双极性恒流源 I。= 4 I2 = 4 Re Re .
因而Ｉ0 =Ｉ1-Ｉ2= -Vi /2Rc.可见 ,输入控制电压Ｖｉ 实现了对输出电流Ｉ0极性与大小 的控制 .
1.3.2 场效应管恒流源
由场效应晶体管作为主要组成器件的恒流电路如图1.1.3.4所示 .
图1.3.2(ａ)中 ,Ｒ1、Ｒ2分压稳定Ｂ点电位 ,ＶＢ=Ｒ2·Ｖｃｃ\\(Ｒ1+Ｒ2) 而 ＶＧＳ=ＶＢ-ＩＤＲＳ 根据公式[5]:
ＩＤ=ＩＤＳＳ( 1- ＶＧＳＶｐ)*2 （2）
可解得
ＲＳ=[Ｖｂ+|Ｖｐ| ( 1-IＤ/ＩＤＳＳ)] /ＩＤ
式中ＶＰ 表示为夹断电压 ,ＩＤＳＳ为饱和漏极电流 .也可以去掉电源辅助回路 ,变成一纯两端网络 ,电路如图1.1.3.4(ｂ)所示 , 由图可得
ＶＧＳ=-ＩＤＲＳ
图1.3.2 场效应管恒流源
1.3.2.1 改进型
对于场效应管恒流源的等效内阻 ,我们也不难导出
ｒｉｎｔ=ｒＤＳ( 1+ＳＲＳ) ( 3)
式中ｒＤＳ为场效应管漏源极间电阻 ,Ｓ为其跨导 .若设ｒＤＳ=100ｋΩ,Ｓ =2ｍＡ/Ｖ ,Ｒｓ=5ｋΩ ,则ｒｉｎｔ=1.1ＭΩ .可见 ,其等效内阻也
是非常巨大的 .另外 ,从 ( 1)式与 ( 3)式还可以看到 ,将电阻Ｒｅ 或Ｒｓ 增大 ,晶体管恒流源内阻则趋于最大值 βｒｃｅ,而场效应管恒流源内阻会趋近于无穷大 .由此 ,采用较大负反馈电阻 ,场效应管恒流源会取得更好的等效内阻指标 .若将场效应管与晶体管配合使用 ,组成如图1.1.3.5所示电路 ,并辅之以温度补偿和稳压措施 ,则恒流效果会更佳 .图1.1.3.5中 ,设晶体管Ｔ2级等效内阻为ＲＳ,则
Ｒｓ=ｒｃｅ[1+βＲｅ(Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ)]代入公式 ( 3) ,可求得该恒流电路等效内阻
ｒｉｎｔ=ｒＤＳ{1+ｓ·ｒｃｅ[1+βＲｅ(Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ) ]} ≈ｓ·ｒＤＳ·ｒｃｅ( 1+βＲｅ(Ｒｂ+ｒｂｅ+Ｒｅ)) 可见 ,其等效内阻进一步增大 .
1.3.3 集成运放恒流源
若要扩大输出电流的取值范围 ,采用如图所示的集成运放恒流源 .,稳压管Ｄｚ 进行稳压 ,Ｔ1栅流极小 ,输出恒流Ｉ0=Ｖｚ/Ｒ1,只要Ｔ2的参数允许 ,这种电路可输出几百ｍＡ以上的稳定电流 .有时 ,需要负载一端按地的场合 ,电路
如图2.1.3.6(ｂ)所示 ,输出恒流Ｉ0=Ｖ2/Ｒ2.假定运算放大器能供给 5ｍＡ以上的基流 ,晶体管 β >100,则Ｉ0可以超过1Ａ .为防止运算放大器和晶体管进入饱和状态影响电路的正常工作 ,负载ＲＬ 取值不能过大 ,该电路适应于小负载大电流的场合 .
综合上述此次的设计中采用如下电流源该电流源输出电流可在0——1A直接调节。
电流源仿真图
第二章
2.1AD620简介
各种非电量的测量，通常由传感器把它转换为电压（或电流）信号，此电压信号一般都较弱，最小的到0.1µV，而且动态范围较宽，往往有很大的共模干扰电压。因此，在传感器后面大都需要接仪表放大器，主要作用是对传感器信号进行精密的电压放大，同时对共模干扰信号进行抑制，以提高信号的质量。
由于传感器输出阻抗一般很高，输出电压幅度很小，再加上工作环境恶劣，因此，仪器放大器与一般的通用放大器相比，有其特殊的要求，主要表现在高输入阻抗，高共模抑制比、低失调与漂移、低噪声、及高闭环增益稳定性等。本节介绍几种由运算放大器构成的高共模抑制比仪表放大器
2.1.1同相串联差动放大器
图2.1为一同相串联差动放大器。电路要求两只运算放大器性能参数基本匹配，且在外接电阻元件对称情况下（即R1=R4，R2=R3），电路可获得很高的共模抑制比，此外还可以抵消失调及漂移误差电压的作用。
R2R3R4R10-+000-+00000U0R5A1Ui2
R6A2Ui1图2.1 同相串联差动放大器
该电路的输出电压由叠加原理可得
V0(1R2RR)Vi1(4)(14)Vi2 R1R3R3R4R)Vi1(14)Vi2 R3R3 (1=(1R4)(Vi2Vi1) R3从而求得差模闭环增益
AdA0R14
Vi2Vi1R32.2同相并联差动放大器
图2.2为同相并联差动放大器。该电路与图3-17电路一样，仍具有输入阻抗高、直流效益好、零点漂移小、共模抑制比高等特点，在传感器信号放大中得到广泛应用。
Ui1+-000U010R3R5A1IR1R7R2A3-000+00U0R6-0R40Ui20+U02A2图2.2 同相并联差动放大器
由图2.2可知：
V01Vi1IR1V02Vi2IR2 IVi1Vi2R7将I 代入V01，V02可得
V01Vi1(Vi1Vi2RR)R1Vi1(11)1Vi2 R7R7R7Vi1Vi2R2R2)R2Vi2(1)Vi1 R7R7R7V02Vi2(V0R5RR2R5(V02V01)(11)Vi2Vi1 R3R7R3
由此可得电路差模闭环增益
Ad(1R1R2R5) R7R3该电路若用一可调电位器代替R7，可以调整差模增益Ad的大小。
该电路要求A3 的外接电阻严格匹配，因为A3放大的是A1，A2输出之差。电路的失调电压是由A3引起的，降低A3的增益可以减小输出温度漂移。
2.3增益线性可调差动放大器
图2.3是电压增益可线性调节的差动放大器。可以通过调节电位器RW的线性刻度来直接读取电压增益，给使用带来很大的方便。
Ui100+-0U010R1UAR2A10A3-+000U00-+0R30Ui20U02R4UBR5RWA2A4
图2.3增益线性可调差动放大器
图2.3中，由叠加原理可得
VAR2R2V01Vi1
R1R2R1R2R3R3R5R4R4V02V04Vi2V0
RR3R4R3R4R3R4R3R4WVB
因VA=VB，整理上两式，且当R1=R2=R3=R4时，输出电压
00U04+0-0
V0RW(Vi2Vi1) R5电路闭环增益
RAdW
R5
可见，电路增益与RPW成线性关系，改变RW大小不影响电路的共模抑制比
2.4高共模抑制比差动放大器
前面讨论的电路中，没有考虑寄生电容、输入电容和输入参数不对称对抑制比的影响。当要求提高交流放大电路的共模抑制比时，这些影响就必须考虑。在检测和控制系统中，常用屏蔽电缆来实现长距离信号传输，信号线与屏蔽层之间有不可忽略的电容存在。习惯上采用屏蔽层接地的方法，这样该电容就成为放大器输入端对地的寄生电容，加上放大器本身的输入电容。如果差动放大器两个输入端各自对地的电容不相等，就会使电路的共模抑制比变坏，测量精度下降。
为了消除信号线与屏蔽层之间寄生电容的影响，最简单的方法是采用等电位屏蔽的措施，即不把电缆的屏蔽层接地，而是接到与输入共模信号相等的某等电位点上，亦即使电缆芯线与屏蔽层之间处于等电位，从而消除了共模输入信号在差动放大器两端形成的误差电压。如图3-20所示。
+EC0+-0U0100A1-EC+EC.R1R0R7R5A4R2R0R4-EC0-000+
图2.4 高共模抑制比差动放大器
图中两只电阻R0的连接点电位正好等于输入共模电压，将连接点电位通过A4电压跟随器连到输入信号电缆屏蔽层上，使屏蔽层电位也等于共模电压。
参照同相并联差动放大器的分析可知
0+000..-.A2R3Uc0A30-+00U0R6U02
V01Vi1(1V02Vi2(1R1R)1Vi2R7R7R2R)2Vi1R7R7
当R1=R2时，可证明连接点电位
11VC(V01V02)(Vi1Vi2)
22
正好等于共模输入电压，也即是电缆屏蔽层的电位与共模输入电缆芯线电位相等，因此不再因电缆电容的不平衡而造成很大的误差电压。
由图2.4还可见，A4的输出端还接到输入运放A1、A2供电电源±EC的公共端，因此使其电源处于随共模电压而变的浮动状态，即使正负电源的涨落幅度与共模输入电压的大小完全相同。由于电源对共模电压的跟踪作用，会使共模电压造成的影响大大地削弱。
2.5集成仪器放大器
在差分放大电路中，电阻匹配问题是影响共模抑制比的主要因素。如果用分立运算放大器来作测量电路，难免有电阻的差异，因而造成共模抑制比的降低和增益的非线性。采用后模工艺制作的集成仪器放大器解决了上述匹配问题，此外集成芯片较分立放大器具有性能优异、体积小、结构简单、成本低的优点，因而被广泛使用。
一般集成仪器放大器具有以下特点： (1) 输入阻抗高，一般高于109Ω； (2) 偏置电流低； (3) 共模抑制比高； (4) 平衡的差动输入； (5) 良好的温度特性 (6) 增益可调 (7) 单端输入
1. AD620仪表放大器简介
图2.5仪表放大电路是由三个放大器所共同组成，其中的电阻R 与Rx需在放大器的电阻适用范围內(1kΩ~10kΩ)。固定的电阻R，我们可以调整Rx來调整放大的增益值，其关系式如式（3-20）所示，注意避免每个放大器的饱和现象（放大器最大输出为其工作电压±Vdc）
2RV01(V1V2)RX
（3-20）
U1+-000R0RA1RRxRA3-000+00U0R-0R0U20+A2
图2.7仪表放大电路示意图
一般而言，上述仪表放大器都有包装好的成品可以买到，只需外接一电阻（即式中RX），依照其特有的关系式去调整至所需的放大倍率即可。
AD620 仪表放大器的引脚图如图3-22所示。其中1、8引脚要跨接一个电阻来调整放大倍率，4、7引脚需提供正负相等的工作电压，由2、3引脚输入的电压即可从引脚6输出放大后的电压值。引脚5是参考基准，如果接地则引脚6的输出即为与地之间的相对电压。AD620的放大增益关系式如式（3-21）、式（3-22）所示，通过以上二式可推算出各种增益所要使用的电阻值RG。
RG RG 8 1
-IN2 7 +VS
R 3 6 +IN OUTPU -VS REF4 5
图3-22 AD620 仪表放大器的引脚图
GG49.4K1 （3-21） RG即
RG49.4K （3-22） G1
AD620的基本特点为精度高、使用简单、低噪声，增益范围1~1000，只需一个电阻即可设定，电源供电范围±2.3V~±18V，而且耗电量低，可用电池驱动，方便应用于可携式仪器中。 2．AD620 仪表放大器基本放大电路
图3-23为AD620电压放大电路图，其中电阻RG需根据所要放大的倍率由
式（3-22）求得，
+ - —2 dc +V3 Vin 6 Vout
-Vdc 图3-23 AD620电压放大电路图
由式（3-22）可以计算出放大2倍所需要的电阻为49.4 KΩ
AD620非常适合压力测量方面的应用，如血压测量、一般压力测量器的电桥电路的信号放大等。AD620 也可以作为ECG测量使用由于AD620 的耗电量低，电路中电源可用3V干电池驱动；也因此AD620 可以应用在许多可携式的医疗器材中。
第三章
工作原理： AD7705是比较典型的一种16位A/D转换芯片。 AD7705芯片是带有自校正功能的Σ-Δ于A/D转换器。其内部由多路模拟开关、缓冲器、可编程增益放大器（PGA）、Σ-Δ调制器、数字滤波器、基准电压输入、时钟电路及串行接口组成。其中串行接口包括寄存器组，它由通讯寄存器、设置寄存器、时钟寄存器、数据输出寄存器、零点校正寄存器和满程校正寄存器等组成。该芯片还包括2通道差分输入（AD7705）和3种伪差分通道输入（AD7706）。
AD7705的PGA可通过指令设定，对不同幅度的输入信号实现1、2、4、8、16、32、64和128倍的放大，因此AD7705/06芯片既可接受从传感器送来的低电平输入信号，亦可接受高电平（10V）信号，它运用Σ―Δ技术实现16位无误码性能；它的输出速度同样可由指令设定，范围由 20Hz到500Hz；它能够通过指令设定对零点和满程进行校正；AD7705/06与微处理器的数据传送通过串行方式进行，采用了节省端口线的通讯方式，最少只占用控制机两条端口线。
第四章
4.1滤波器定义
所谓滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，对输入或输出的信号中特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。一般可实为一个可实现的线性时不变系统。
4.2滤波器的分类
常用的滤波器按以下类型进行分类。 1) 按所处理的信号：
按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。
2) 按所通过信号的频段
按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。 低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。
带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 3) 按所采用的元器件
按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。
无源滤波器： 仅由无源元件(R、L 和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。
有源滤波器：由无源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。 4) 按照阶数来分
通过传递函数的阶数来确定滤波器的分类。
4.3网络的频率响应
在时域中，设输入为x(t)，输出为y(t)，滤波器的脉冲响应函数为h(t)。转换到频域，激
励信号为X(j)，经过一个线性网络得到的响应信号为Y(j)。
则传递函数
H(j)Y(j)1X(j)F(jw)
其中，传递函数的极点是网络的固有频率。而一个传递函数所有极点的实部均为负的网络是稳定的。
一个网络的传递函数蕴含了网络的全部属性。 幅频特性和相频特性
Y(j)j()H(j)|H(j)|eX(j)AxejxAy Ax
Ayejy幅度增益 相位变化
| H( j) |
与ω 构成幅频特性曲线。
yx() 与ω 构成相频特性曲线。
4.3.1低通滤波器的一些概念
1、单位
分贝：是用对数的方式描述相对值，无量纲。 B 贝尔 （A/B）(贝尔)=lg（A/B）=lg(A)-lg(B)
AydB 分贝 （A/B）(分贝)=10 1g（A/B）
|H(j)|对于幅频响应， A
x|H(j)|(dB)20lg(|H(j)|)其中3dB ：功率为2倍（10*1g2=3.01），电压或电流为1.414倍。 2、低通滤波器英文名称：low-pass filter 简称为LPF。
低通滤波器是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。
理想低通滤波器能够让直流一直到截止频率为fc的所有信号都没有任何损失的通过。让高于截止频率fc的所有信号全部丧失. 3、描述滤波器性能的基本参数： 1.截止频率
若滤波器在通频带内的增益为K，则当其增益下降到
(即下降了3dB)时所对应的
频率被称为截止频率。 2.带宽B
对于低通或带通滤波器，带宽是指其通频带宽度，对于高通或带阻滤波器，带宽是指其
阻带宽度。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。 3.品质因数Q
Q定义为带通或带阻滤波器的中心频率fc与带宽B之比，即 品质因数Q的大小反映了滤波器频率选择能力的高低。 4.倍频程选择性
是指在f02与2f02之间，或在f01与f01/2之间，幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时幅频特性的衰减量，用dB表示，它反映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。
4、低通滤波器的幅频特性
c被称为截止频率，是功率为最大值一半的点，也是带宽下降3dB的点。
5、滤波器作用：
下图是对滤波器作用的说明。由0.7KHz和17KHz的两个正弦波所合成的信号，经过只允许频率低于1KHz的信号通过的RC滤波器之后，输出端只能检测到0.7KHz的正弦波信号。 此次设计滤波电路如下图所示
频率响应
幅频特性：|H(j)|11(RC)2；
RC)； 相频特性：()arctan(H(j)1jC(R1/jC)1jC1截止角频率 c1RC时，振幅|H|1=-3dB 2
式中为ω输入信号的角频率，令τ=RC为回路的时间常数，则有
fCc11 ，fC为截止频率。 222RC总结：适当改变电路中R或C的取值，可改变截止频率。设计低通滤波器时，应使截止频率大于有用信号的频率。 根据截止频率，算出时间常数τ=RC的值，然后根据需要选取所需的电阻与电感既可。不过RC滤波器在较低的信号源阻抗和较高的负载阻抗下才比较好的效果。
总电路图
第五章
5.1MAX7219工作原理简介
MAX7219是一个采用3线串行接口的8位共阴极7段LED显示驱动器。本文分析了MAX7219各个寄存器的功能,并结合MAX7219的工作时序,给出了MAX7219在Motorola MC68HC908单片机系统中的一个应用实例。 关键词： MCU;MAX7219;LED Motorola MC68HC908
5.2MAX7219工作时序及其寄存器
MAX7219是一个高性能的多位LED显示驱动器,可同时驱动8位共阴极LED或64个独立的LED。其内部结构框图如图1所示,主要包括移位寄存器、控制寄存器、译码器、数位与段驱动器以及亮度调节和多路扫描电路等。
MAX7219 采用串行接口方式,只需LOAD、DIN、CLK三个管脚便可实现数据传送。DIN管脚上的16位串行数据包不受LOAD状态的影响,在每个CLK的上升沿被移入到内部16位移位寄存器中。然后,在LOAD的上升沿数据被锁存到数字或控制寄存器中。LOAD必须在第16个时钟上降沿或之后,但在下一个时钟上升沿之前变高,否则数据将会丢失。DIN端的数据通过移位寄存器传送,并在16.5个时钟周期后出现在DOUT端,随CLK的下降沿输出。 MAX7219的操作时序如图2所示。 MAX7219的串行数据标记为D15~D0,其中低8位表示显示数据本身,最高的4位D15~D12未使用,寻址内部寄存器的地址位占用D11~D8,选择14个内部寄存器, MAX7219 内部具有14个可寻址数字和控制寄存器。其中的8个数字寄存器由一个片内8×8双端口SRAM实现。它们可直接寻址,因此可对单个数进行更新并且通常只要 V+超过2V数据就可保留下去。除8个数位寄存器之外,还有无操作、译码方式、亮度调整、扫描位数、睡眠模式和显示器测试6个控制寄存器。
无操作寄存器用于多片MAX7219级联,在不改变显示或不影响任意控制寄存器条件下,它允许数据从DIN传送到DOUT。
睡眠模式控制寄存器用于节省电源消耗,延长显示器的使用寿命。当睡眠模式控制寄存器控制字节中的最低位D0=0时,为睡眠模式;D0=1时,为正常操作模式。上电时所有的控制寄存器都复位,显示器都熄灭,芯片进入睡眠模式。睡眠模式下的各个寄存器保留原数据而不更新,消耗的电流少于250mA。
显示器测试寄存器有正常与测试两种设定模式,数据字节的D0位置0为正常模式,D0置1为测试模式。测试时以31/32或15/16的占空比扫描全部数位段,使得所有显示器的所有段以最大的亮度点亮。
译码方式控制寄存器可以设置每个数位工作于BCD译码方式,或者非译码方式,控制字节的8位正好对应8个数位,该位为1表示该数位工作于BCD码方式,为0 表示该数位工作于非译码方式。当采用代码BCD译码方式时,对10个数字“0~9”和5个字符“-,E,H,L,P”,译码器仅针对数字寄存器中数据的低四位D3~D0,而不考虑D6~D4位。设置小数点(SEG DP)的D7与编码方式,点亮时,D7置\"1\熄灭时,D7置“0”即可。表2是BCD码的字符编码。
当选择不译码方式时,数据位D7~D0对应于LED的段线如图3所示。
显示器的亮度可以通过模拟与数字两种方式进行调整,模拟方式是在Vcc与ISET引脚之间外接一个电阻RSET,这时段驱动器提供的峰值电流约为ISET引脚电流的100倍,调整该电阻的大小即可改变显示器亮度,电阻的最小值为9.53KW,此时提供的段驱动电流典型值为40mA。
亮度的数字化调整是使用亮度调整寄存器,此时芯片内启用一个脉宽调制器,它受亮度调整寄存器低半字节D3~D0的控制,产生16种占空比不同的输出脉冲,形成16级亮度调整,此时以RSET设定峰值电流。寄存器数据为×0H时,脉冲占空比为1/32,表示MAX7219驱动的段点亮时间仅为整周期的1/32,这是最暗的情况。数据从×0H变化到×FH,表示脉冲占空比由1/32变化到31/32 (注意这里的分子只有奇数),此时扫描消隐期按比例递减,亮度线性递增。因此寄存器数据为×FH时最亮,消隐期仅为1/32。
MAX7219 有驱动8个数码管的能力,但实际应用中不一定恰好是8个。扫描位数寄存器用于设置显示器数码管的实际扫描个数,由扫描位数寄存器的D2~D0设定,其数据为×0H时,表示仅扫描数位0,数据为01H时,扫描数位0与数位1,如此类推,直至数据为×7H,表示8个全扫描。8个全部扫描时,扫描速率为 800Hz,只扫描N个时,扫描速率为8fOSC/N。应注意扫描的位数变化对亮度有明显影响。当扫描的数码管等于或少于3个时,单个数位驱动器将消耗较大的功率,因而必须依据使用的数码管实际数量调整电阻RSET的大小,限制消耗的电流。
显示器测试寄存器有正常与测试两种设定模式,数据字节的D0位置0为正常模式,D0置1为测试模式。测试时,以31/32的占空比扫描MAX7219全部数位段,使得所有显示器的所有段以最大的亮度点亮。
5.3MAX7219与MC68HC908GP32接口应用
MAX7219 采用串行通信,只需通过CLK、LOAD、DIN三根线便可与多种MCU接口。M68HC908系列单片机是新一类 Motorola高性能的8位单片机,具有速度高、功能强和价格低等特点,其指令码与M68HC05完全兼容。Motorola自1999年推出该系列单片机以来,至今已推出了三十余种不同型号的MC68HC908单片机。本文以Motorola在中国大力推广的通用型芯片MC68HC908GP32为例,介绍MAX7219与MC68HC908系列单片机的接口电路,如图4所示。由于MC68HC908系列的单片机都具有一定数量的I/O管脚,所以该应用实例同样适用于其它型号的MC68HC908单片机,具有一定的代表性。
图中MC68HC908GP32的PORTB口工作于输出方式,并结合MAX7219的工作时序,对MAX7219进行控制。WRI_INSTRU为MAX7219控制子程序,它在CLK管脚产生8个时钟脉冲,并将入口参数A中的8位值在CLK的上升沿串行输出到DIN。LED_WR为MAX7219控制主程序,它首先置LOAD为低电平,然后通过两次调用 WRI_INSTRU完成向MAX7219写入16位串行数据,最后再置LOAD为高电平,产生一个上升沿脉冲以满足MAX7219的数据传送时序。
附录
1源程序 显示程序
#include \"REG51.h\"
sbit ADC_SCK=P1^0 ;//ADC时钟 sbit ADC_DIN= P1^1;//ADC数据入 sbit ADC_DOUT=P1^2; //ADC数据出 sbit ADC_DBY=P1^3;//ADC准备
void delay(void) //误差 0us {
unsigned char a,b,c; for(c=19;c>0;c--) for(b=20;b>0;b--)
for(a=130;a>0;a--); }
/******向AD7705写入一个字节******/ void WriteByte7705(unsigned char dat) {
unsigned char i; for (i=0; i<8; i++) {
ADC_SCK=0; _nop_(); _nop_(); _nop_();
if(dat & 0x80){ADC_DIN=1;} else
ADC_DIN=0; _nop_(); _nop_(); _nop_();
ADC_SCK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_();
dat=dat<<1; }
}
/****** 从AD7705读一个字节 ******/ unsigned long ReadWord7705() {
unsigned long read_dat=0; unsigned char i; for(i=0;i<16;i++) {
read_dat=read_dat<<1; ADC_SCK=0; _nop_(); _nop_(); _nop_();
if(ADC_DOUT == 1) {read_dat++; } _nop_(); _nop_(); _nop_();
ADC_SCK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); }
return read_dat; }
/******ad7705通信端口复位******/ void reset7705() {
unsigned char i; ADC_DIN=1;
for(i=0;i<36;i++) {
ADC_SCK=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); ADC_SCK=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); } }
/******AD7705通道1初始化******/ void ad7705_init1() {
reset7705();
WriteByte7705(0x20);//写通信寄存器,选择通道1,将下一次操作设为写时钟寄存器
WriteByte7705(0x01);//写时钟寄存器,不分频,更新频率25Hz WriteByte7705(0x10);//写通信寄存器,选择通道1
WriteByte7705(0x44);//写设置寄存器4,单极性,非缓冲模式,清除滤波器同步,启动对1通道的自校准 }
/******AD7705通道2初始化******/ void ad7705_init2() {
reset7705();
WriteByte7705(0x21);//写通信寄存器,选择通道2,将下一次操作设为写时钟寄存器
WriteByte7705(0x01);//写时钟寄存器,不分频,更新频率25Hz WriteByte7705(0x11);//写通信寄存器,选择通道2
WriteByte7705(0x44);//写设置寄存器4,单极性,非缓冲模式,清除滤波器同步,启动对2通道的自校准 }
/******读取AD7705通道1转换数据函数******/ unsigned int ReadData1_7705() {
unsigned int value; ad7705_init1(); reset7705();
delay(); //等待转换结束
WriteByte7705(0x38); //写通信寄存器,下一次操作为读数据寄存器 value=5000*ReadWord7705()/65535;
return value; }
/******读取AD7705通道2转换数据函数******/ unsigned int ReadData2_7705() {
unsigned int value; ad7705_init2(); reset7705();
delay(); //等待转换结束
WriteByte7705(0x39);//写通信寄存器,下一次操作为读数据寄存器 value=5000*ReadWord7705()/65535;
return value; }
计算程序
#include \"REG51.h\" #include \"intrins.h\" #include \"AD7705.H\"
unsigned int channal1, channal2;
unsigned int qian1,bai1,shi1,ge1,qian2,bai2,shi2,ge2; //管脚定义
sbit LOAD=P2^2; //(LOAD-->CS) MAX7219片选 sbit DIN=P2^1; //MAX7219串行数据 1脚 sbit CLK=P2^0; //MAX7219串行时钟 13脚//寄存器宏定义
#define DECODE_MODE 0x09 //译码控制寄存器 #define INTENSITY 0x0A //亮度控制寄存器 #define SCAN_LIMIT 0x0B //扫描界限寄存器 #define SHUT_DOWN 0x0C //关断模式寄存器
#define DISPLAY_TEST 0x0F //测试控制寄存器 //函数声明
void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat); void Initial(void);
//地址、数据发送子程序
void Write7219(unsigned char address,unsigned char dat) {
unsigned char i;
LOAD=0; //拉低片选线，选中器件 //发送地址
for (i=0;i<8;i++) //移位循环8次 {
CLK=0; //清零时钟总线
DIN=(bit)(address&0x80); //每次取高字节 address<<=1; //左移一位 CLK=1; //时钟上升沿，发送地址 }
//发送数据
for (i=0;i<8;i++) {
CLK=0;
DIN=(bit)(dat&0x80); dat<<=1;
CLK=1; //时钟上升沿，发送数据 }
LOAD=1; //发送结束，上升沿锁存数据 }
脚 12
//MAX7219初始化，设置MAX7219内部的控制寄存器 void Initial(void) {
Write7219(SHUT_DOWN,0x01); //开启正常工作模式（0xX1） Write7219(DISPLAY_TEST,0x00); //选择工作模式（0xX0） Write7219(DECODE_MODE,0xff); //选用全译码模式 Write7219(SCAN_LIMIT,0x07); //8只LED全用
Write7219(INTENSITY,0x04); //设置初始亮度 }
/*********************主函数************************************/ void main(void) {
float number1,number2; int jcdy,jcdl,om,num;
Initial(); //MAX7219初始化 while(1) {
channal1=ReadData1_7705();//通道1 channal2=ReadData2_7705();//通道2
number2=channal2; jcdy=channal2-channal1; jcdl=jcdy*10; number1=channal1; if(channal1>500) om=number1/jcdl*1000-320; if(channal1<500) om=number1/jcdl*1000-160; if(om<0)om=-om; num=channal1; if(number2>2000||channal2<=channal1) {num=0;om=0;} qian1 =(int) num/1000; //单位mV bai1 =(int)(num%1000)/100; shi1 =(int)(num%100)/10; ge1 =(int)num%10;
qian2 =(int) om/1000; bai2 =(int)(om%1000)/100; shi2 =(int)(om%100)/10; ge2 =(int)om%10; Write7219(8,qian1|0x80); Write7219(7,bai1); Write7219(6,shi1); Write7219(5,ge1); Write7219(4,qian2|0x80); Write7219(3,bai2); Write7219(2,shi2); Write7219(1,ge2); } }
//单位mV
总结
对系统的各项数据进行测量,其中恒流源基本上可以维持在1A,能够检测的
最小电阻是0.1左右,基本达到了预计要求.
本次的设计系统是以单片机再结合自己所需的硬件为主,先是经过恒流源出来的电流,经过采样电阻送到仪表放大器中,最后在经过AD7705送达单片机中做出分析和处理,同理恒流源所流出的电流还要经过待测电阻经过仪表放大器通过AD7705送达单片机,最后将显示的数据通过MAX7219显示出来.
在本次的设计中,刘老师从最开始的设计到出结果期间一直积极的给我们进行细心的指导,,在此衷心的向刘老师表示的感谢!
AD620内部结构及引脚
AD7705引脚图（管脚图）：
参考文献
1 《全国大学生电子设计竞赛训练教程》 （黄智伟主编 王彦 陈文光
朱卫华 编著）
2 《单片微型计算机与接口技术（第2版）》（李群芳 张士军 黄建 编著）
3 《单片机原理及应用》 4
主编） （张毅刚
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容