【正文】 為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本提供信息和手段；在科學(xué)研究中，應(yīng)用這一系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信號(hào)，是研究瞬間物理過(guò)程的有力工具，也是獲得科學(xué)奧秘的重要手段之一。 本畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)一種多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了初步的研究，該多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行采集和處理。 3. PC 和單片機(jī)的通信。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方案及總體設(shè)計(jì)，包括主體電路的設(shè)計(jì)和單片機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)（要用到單片機(jī)的控制整個(gè)系統(tǒng)），因此要完成單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足整個(gè)系統(tǒng)的要求。 圖 系統(tǒng)總框圖 傳感器 傳感器 傳感器 多路模擬轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 前 置 放 大 單 片 機(jī) 鍵盤(pán) 液晶顯示 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 傳感器 串口通信 系統(tǒng)電源 畢業(yè)論文 4 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 畢業(yè)論文 5 硬件設(shè)計(jì)思想 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行依賴(lài)于整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備的科學(xué)設(shè)計(jì)。用模擬多路開(kāi)關(guān)來(lái)輪流切換模擬量與 A/D 轉(zhuǎn)換器間的通道，使得在一個(gè)特定的時(shí)間內(nèi)，只允許一路模擬信號(hào)輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換的目的。放大器的作用是將這些微弱的輸入信號(hào)進(jìn)行放大，以便充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程分辨率。否則轉(zhuǎn)換精度沒(méi)有保證，特別當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。 畢業(yè)論文 6 A/D 轉(zhuǎn)換部分 因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號(hào)，所以需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能的器件是 A/D 轉(zhuǎn)換器。在近端與遠(yuǎn)端通信過(guò)程中，采用串行 RS232 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸 [1]。顯示采用 fyd12864，采用串口的方式顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。接通電源后 555 輸出高低變化的電平控制場(chǎng)效應(yīng)管不停的導(dǎo)通和截止，脈沖寬度變寬，輸出電壓升高；脈沖寬度變窄，輸出電壓降低，從而形成穩(wěn)定的振蕩。 MCS51 是 Intel 公司生產(chǎn)的一個(gè)單片機(jī)系列名稱(chēng)。由 于 MCS51 系列單片機(jī)具有體積小、功能全、面向控制、開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便的特點(diǎn)，因此是工業(yè)實(shí)時(shí)控制、智能控制、測(cè)控領(lǐng)域的首選，具有較高的性?xún)r(jià)比。主要特性： （ 1）與 MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。 （ 5）全靜態(tài)工作模式： 0Hz33Hz。 （ 9） 2個(gè) 18 位的定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 （ 13）中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng)。 各引腳功能簡(jiǎn)要說(shuō)明如下： VCC(40 腳 )：接 +5V 電源。 時(shí)鐘引腳 (1 19 腳 )外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。 XTAL1 在采用外部時(shí)鐘時(shí)，必須接地。當(dāng)單片機(jī)訪(fǎng)問(wèn)外部存貯器時(shí)， ALE(地址鎖存允許 )輸出脈沖下降沿用于鎖存 16 位地址的低 8 位。 VPP是對(duì) 8751 片內(nèi) EPROM 固化編程時(shí)，作為施加高編程電壓（一般 12~21V）的輸入端。此引腳也同樣可驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS型 TTL 負(fù)載。 P0 口 (～ ， 39～ 32 腳 )： P0 口是一個(gè)漏極開(kāi)路的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 端口，作為漏極開(kāi)路的輸出端口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) LS型 TTL 負(fù)載。在此期間， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。 P2 口（ ～ ， 21～ 28 腳）： P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I／ O端口。 P3 口的每一位能驅(qū)動(dòng)（灌入或輸出電流） 4 個(gè) LS 型 TTL 負(fù)載。 最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外部接晶體（在頻率穩(wěn)定性要求不高而希望盡可能廉價(jià)時(shí)，選擇陶瓷振蕩器）和電容組成斬并聯(lián)諧振回路，不論是 HMOS 還是 CHMOS 型的單片機(jī)其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。兩個(gè)電容的作用是晶體振蕩器的微調(diào)電容。因?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，會(huì)經(jīng)常進(jìn)入復(fù)位的工作 狀態(tài)。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，還可以在程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，按鍵復(fù)位可以擺脫困境。 圖 a 晶振電路圖 圖 b 復(fù)位電路圖 多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。本設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn) 8路數(shù)據(jù)采集，所以只選擇 1 片 8 選 1的模擬開(kāi)關(guān)。所以根據(jù)器件的價(jià)格和系統(tǒng)的容忍度，選擇 RON的值。 傳輸誤差是衡量多路開(kāi)關(guān)的一個(gè)指標(biāo)，多路開(kāi)關(guān)的傳輸誤差包括兩個(gè)方面。因?yàn)榈湫偷亩嗦烽_(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻為 200 歐姆～ 200 千歐姆，所以，如果信號(hào)源阻抗在幾百歐姆以下，則作為負(fù)載的采樣 /保持器，其 輸入阻抗應(yīng)在108歐姆以上 [2]。它一方面取決于多路開(kāi)關(guān)建立時(shí)間，并與規(guī)定的建立精度有關(guān)，另一方面為了避免兩個(gè)通道同時(shí)接通，多路開(kāi)關(guān)被設(shè)計(jì)為“先斷后通”，這增加了斷開(kāi)到接通的延時(shí)，影響了通過(guò)率的提高。 ，導(dǎo)通電阻 RON為 125 歐姆， 關(guān)斷漏電流為 ，開(kāi)關(guān)時(shí)間為 120ns。 VSS接地。當(dāng) CBA=000B～ 111B 時(shí)，可選擇通道 S0～ S7。 S0～ S7： 8 個(gè)通道的輸入輸出通道。 （ 2） CD4051 原理 在用作 8 選 1 模擬多路開(kāi)關(guān)時(shí)， CD4051 有 8 個(gè)數(shù)據(jù)輸入端，在 3個(gè)選擇輸入端 A、 B、C 的控制下，從 8 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)中選擇 1 個(gè)模擬開(kāi)關(guān)使之導(dǎo)通，將相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)通過(guò)導(dǎo)通的模擬開(kāi)關(guān)送到公共輸出端。若此時(shí)采集多路開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，就可能引入很大的誤差。 （ 2）準(zhǔn)確定時(shí) 實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，并且每次采樣的間隔也有嚴(yán)格的要求。s 切換一次通道，采集一個(gè)數(shù)據(jù)。因此，在進(jìn)行非電量到電量轉(zhuǎn)換之后，需要將信號(hào)放大 [4]。因此由差分輸入電壓所產(chǎn)生的不平衡電流流過(guò)另一個(gè)外接電阻 RS，由于反饋放大器的作用，該放大器的輸出電壓 Vo和電阻 RS兩端的電壓保持相等，因此可得： GSIO RRVV ? (21) 即放大器的放大倍數(shù)的計(jì)算公式為 22所示： IX1 △=△VO/RS BG4 BG3 BG1 BG2 2I 2I 鏡 象 電 流 源 U+ U 敏感端 輸出端 IVI/RG I+VI/RG RG VI/RG=△I RS IX2 I I 基準(zhǔn)端 VI 畢業(yè)論文 14 GSIO RRVVG ?? (22) 可見(jiàn)，只要適當(dāng)改變 RS / RG之比值即可改變放大器增益。 （ 2）輸入端可承受的差動(dòng)輸入電壓可達(dá) 30V，有較強(qiáng)的過(guò)載能力。引腳 RG(2， 14）用于外接電阻 RG，電阻 RG用于調(diào)整放大倍數(shù)。 7121310811645111423A D 5 21+ 15 V1 5 VRG1 0KRs 1 00 K輸入輸出 圖 AD521 的外部接線(xiàn)圖 因?yàn)檫x擇 RS=100 千歐姆177。尤其是在同步測(cè)量系統(tǒng)中，幾個(gè)通道的模擬量均需取同一瞬時(shí)值。 當(dāng)輸入信號(hào)為緩慢變化的信號(hào)，在 A/D 轉(zhuǎn)換期間的變化量小于 A/D 轉(zhuǎn)換器的誤差，且不是多通道同步采樣時(shí)，則可以不用采樣 /保持電路。為使保持階段 CH上的電荷不被負(fù)載放掉，在保持電容 CH與負(fù)載之間需加一個(gè)高輸入阻抗緩沖放大器 A。 圖 采樣 /保持器原理圖 UO UC CH 模擬輸入信號(hào) 驅(qū)動(dòng)信號(hào) UI S A 畢業(yè)論文 16 1. 采樣 /保持電路的主要參數(shù) （ 1）孔徑時(shí)間 tAp 在采樣 /保持電路中，由于模擬開(kāi)關(guān) S有一定的動(dòng)作滯后，保持命令發(fā)出后到模擬開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)所需的時(shí)間稱(chēng)為孔徑時(shí)間 tAp。 （ 3）保持電壓衰減率 在保持狀態(tài)下，由于保持電容的漏電流會(huì)使保持電壓發(fā)生變化，式 23 中 ID為保持階段保持電容 CH的泄漏電流，它包括緩沖放大器的輸入電流、模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的漏電流、電容內(nèi)部的漏電流等。 HDtu CIdd ?0 (23) 2. 采樣 /保持器的選擇與連接電路 采樣 /保持器的選擇，是以速度和精度作為最主要的因素。單片集成 /保持器大都需要外接保持電容。 25℃，所以增益誤差為 15 106 25 % 偏移溫漂 誤 差 偏移溫漂約為 30μ V/℃，溫度變化177。取 dU/dt（ 25℃） =10μ V/μ s，則 +50℃時(shí)該值將增為 10 倍。它由一個(gè)高性能的運(yùn)算放大器、低漏電阻的模擬開(kāi)關(guān)和一個(gè)由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管集成的放大器組成 [5]。該時(shí)間與所選擇的保持電容有關(guān)，電容值越大，捕捉時(shí)間越長(zhǎng)，它影響采樣頻率。 （ 4）輸入信號(hào)電平可達(dá)到電源電壓177。在高壓 COMS 的邏輯電平為 0V 和 +9V 時(shí)， IN 接入 +5V 后，則 0V輸入使芯片處于跟蹤模式， +9V 輸入時(shí)芯片工作在保持模式下。因此，在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中加入采樣 /保持器是很有必要的。 ? ? ? ? K H ztttf APC ON VAC 12 1 966m a x ?????????? ??? (25) AD582 是反饋型采樣 /保持器，保持電容接在運(yùn)算放大器 A2的輸入端 (腳 8)與反相輸入端 (腳 6)之間。 %)而速度要求較高時(shí)，可選 CH=100PF，這樣的捕捉時(shí)間 tAC? 6us。 畢業(yè)論文 19 34Us5+Us10CH6O U T P U T8I N9L11L+12+ IN1A D 5 8 20 .0 5 u FCH1 5 V0 .0 5 u F+ 1 5 VRL2K1 0 KUoUi 圖 AD582 的連接圖 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換電路 A/D 轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)采集對(duì)象的性質(zhì)來(lái)選擇其類(lèi)型。 （ 1）不帶采樣 /保持器的 A/D 通道 對(duì)于直流或低頻信號(hào)，通?？梢圆挥貌蓸?/保持器，直接用 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣。模擬開(kāi)關(guān)在單片機(jī)控制下，分時(shí)選通各個(gè)通道信號(hào)，然后把信號(hào)送采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)處理。所以本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用多路模擬通道共 享采樣 /保持器的方案。 表 A/D 轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)誤差 誤差源 性 能 誤 差 量化誤差 177。 AD574 是美國(guó) Analog Devices 公司生產(chǎn)的一種快速 12 位逐次比較式 A/D 變換器，是 模 擬 多 路 開(kāi) 關(guān) 模數(shù) 轉(zhuǎn)換 單 片 機(jī) 控 制 邏 輯 模 擬 輸 入 信 號(hào) 放大器 采樣 保持 畢業(yè)論文 21 單通道變換器。 15V(177。模擬部分由高性能的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器和參考電壓組成。 [2]. Pin2( )—— 數(shù)據(jù)模式選擇端，通過(guò)此引腳可選擇數(shù)據(jù)縱線(xiàn)是 12 位或 8位輸出。須注意的是， 端 TTL 電平不能直接 +5V 或 0V連接。在 CE= CS =0 同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)， AD574A 才會(huì)正常工作，在 AD574 處于工作狀態(tài)時(shí)，當(dāng) R/C =0時(shí) A/D 轉(zhuǎn)換，當(dāng) R/C =1 是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀出。當(dāng) R/C =1，也即當(dāng) AD574A 處于數(shù)據(jù)狀態(tài)時(shí)， A0 和 12/8 控制數(shù)據(jù)輸出狀態(tài)的格式。 [7]. Pin7(V+)—— 正電源輸入端，輸入 +15V 電源。 [11]. Pin(V)—— 負(fù)電源輸入端，輸入 15V 電源。 [15]. Pin15(DGND)—— 數(shù)字地端。 AD574A 的工作模式：以上我們所述的是 AD574A 的全控狀態(tài)，如果需 AD574A 工作于單一模式，只需將 CE、 12/8 端接至 +5V 電源端， CS 和 A0 接至 0V，僅用 R/C 端來(lái)控制 A/D轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)輸出。 電位器 W1接參考電壓輸出端 BIP OFF 端用作零位偏移調(diào)整，電位器 W2接參考電壓輸入端 REF IN 和雙極性偏移調(diào)節(jié)端 BPLRof 端用作滿(mǎn)量程調(diào)整。 W1和 W2均為 100 歐姆電位器，用來(lái)調(diào)整零位和滿(mǎn)量程。雙極性偏移調(diào)節(jié)端 BIP OFF 接至參考電壓輸出端 REF OUT 以取得 10V 的偏移電壓。 AT89S51 的 74LS373 和非門(mén)接 AD574 的 A0。 設(shè) A/D 全 12 位轉(zhuǎn)換，要