【正文】 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須在速率至少為兩倍的信號頻率下采樣、轉(zhuǎn)換，并采集下一個點。%)時，為了減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應(yīng)取 CH=1000PF。 帶采樣 /保持器的 A/D 轉(zhuǎn)換通道 分為： 多路模擬通道共享采樣 /保持器 的通道、 多通道共享 A/D畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 轉(zhuǎn)換器 的通道、 多通道并行 A/D 轉(zhuǎn)換 的通道。因此，要對各項誤差做出估算。片內(nèi)具有三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器、電壓基準(zhǔn)和時鐘電路。模擬部分由高性能的 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器和參考電壓組成。 R/C =0 時，啟動轉(zhuǎn)換； R/C =1 時，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 A0引腳有兩個作用，一是選擇字節(jié)長度，二是與 8 位微機接口時用作選擇讀出字節(jié)。 20VIN： 20V量程輸入端。 VEE：模擬電路負(fù)工作電源： ～ 。 （ 4） AD574 與單片機的接口電路 AD574 的內(nèi)部具有三態(tài)輸出緩沖器，因此可以與單片機直接接口 [7]。 AT89S51 的 74LS373 接 AD574 的 R/C 端來控制 AD574的轉(zhuǎn)換狀態(tài)和讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 +5V1R E F IN10ls b D B 016D B 117A N G N D9D B 218D B 319D B 420B P L R o f12D B 521D B 622D B 7231 0V s p n13D B 824D B 9252 0V s p n14D B 1 026m s b 1127R E F o u t8S T A T U S28CE6CS3+ V s7A 0 /S C4R /C5V s111 2/ 82A D 5 74 AA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y777 4L S 1 38D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE117 4L S 3 73+ 15 V1 5 VVccViP 00P 01P 02P 03P 04P 05P 06P 07+ 5VRDWRP 10123A7 4L S 0 012A7 4L S 0 434B7 4L S 0 4 圖 11 AD574 與單片機的接口 數(shù) /模轉(zhuǎn)換電路 D/A 轉(zhuǎn)換部分也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個重要部分，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為關(guān)鍵器件，用來把單片機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成電壓或電流等模擬信號，并送入執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)解。 1. D/A 通道的結(jié)構(gòu) 單片機周期地輸出控制數(shù)據(jù)給執(zhí)行機構(gòu)，在下次數(shù)據(jù)輸出以前，必須將前一次輸出的數(shù)據(jù)保持。優(yōu)點是節(jié)約了芯片。 （ 3） 相對精度 相對精度是指在零碼誤差 和滿刻度誤差校準(zhǔn)以后，任一數(shù)字代碼所對應(yīng)的實際模擬輸出值與理論值之間的最大偏差。 D/A 有多種分類方法，各有不同特點。 DAC0832 是常用的 8位 COMS 電流輸出型乘法 D/A 轉(zhuǎn)換器，由于采用 COMS 電流開關(guān)和控制電路，所以功耗低，輸出漏電流小。 單電源供電： + 5V~ + 15V。無論哪種工作方式，只要數(shù)據(jù)進(jìn)入 DAC 寄存器便啟動 D/A 轉(zhuǎn)換。 2WR ： DAC 寄存器選通信號，低電平有效。在單級性輸出時， IOUT2通常接地。 DGND：數(shù)字地。每片 DAC0832 為雙緩沖連接方式，這時兩片DAC0832 的輸入寄存器有 各自的獨立地址，而兩個 DAC 寄存器有相同的地址，兩片的傳送允許信號 XFER 接同一線選端，以實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。 畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 14 中運放 A2所在的電路為反向求和電路，將運放 A1的輸出與 VREF相加，從而將運放 A1單極性輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡p極性輸出。 由于 MCS51 系列單片機具有體積小、功能全、面向控制、開發(fā)應(yīng)用方便的特點，因此是工業(yè)實時控制、智能控制、測控領(lǐng)域的首選，具有較高的性價比。
。屬于這一系列的單片機芯片有很多種，如 8031， 8751， 80C31BH， 80C51BH 等等。 單極性輸出方式的 輸出電壓的極性與參 考 電壓極性相反。 DAC0832 采用這種接法時，數(shù)字量的輸入鎖存和 D/A 轉(zhuǎn)換輸出是分兩步完成的，CPU數(shù)據(jù)總線分時向各路 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量并鎖存在各自的輸入寄存器中，然后 CPU對所有的 D/A 轉(zhuǎn)換器發(fā)出控制信號，使各個 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入寄存器中的數(shù)據(jù)同時 輸 入 DAC 寄存器，實現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。范圍為 +5V～ +15V。 IOUT2： DAC 電流輸出端 2。以上三個控制信號構(gòu)成第一級輸入鎖存。另外，還可以在多個 D/A 轉(zhuǎn)換器同時工作時，畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 利用第二級鎖存信號實現(xiàn)多路 D/A 的同時輸出。 電流穩(wěn)定時間： 1μs。按模擬開關(guān)工藝分類有雙極型、 JFET 型和 MOS 型，它們的速度和精度不同；按結(jié)構(gòu)有帶或不帶數(shù) 據(jù)鎖存器之分；按輸出形式有電壓型和電流型之分；等等。 3. 選用 D/A芯片 集成電路 D/A 轉(zhuǎn)換器是將精密電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、甚至包括 基準(zhǔn)電源和運算放大器集成 在 同一芯片上，而且和 8 位或 16位微處理器兼容，可直接接口，或只需少量外圍電路即可構(gòu)成完整的 D/A 轉(zhuǎn)換器。絕對精度可用 LSB 的個數(shù)或它與滿刻度值之比的百分?jǐn)?shù)（ %）來表示。另一種方式是使用采樣保持器保持輸出量，各通道共享一個 D/A 轉(zhuǎn)換器，通過多路開關(guān)進(jìn)行切換。此外，根據(jù)需要可能還要有零點和滿度調(diào)節(jié)部件。讀高 8 位結(jié)果時，要求 A0=0， R/C=1；讀低 4 位結(jié)果時，要求 A0=1， R/C=1。 AT89S51 的控制線RD 和 WR 通過與非門接 AD574 的 CE 端。雙極性偏移調(diào)節(jié)端 BPLRof 通過電位器 W2接至參考電壓輸出端 REF OUT 以取得 10V 的偏移電壓，參考電壓輸入端 REF IN 通過電位器 W1接至參考電壓輸出端 REF OUT。 VL：數(shù)字邏輯電路工作電源： +～ +。 STS=1 時，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行； STS=0 時，轉(zhuǎn)換結(jié)束。 A0：字選擇線。 CS 與 CE 必須同時有效， AD574 才能工作，否則 AD574處于禁止?fàn)顟B(tài)。 （ 1）結(jié)構(gòu)與引腳 AD574 的 引腳圖 如圖 9 所示。地址譯碼器由一片 74LS138（ 38 譯碼器） 以及門電路組成。 所以本設(shè)計的系統(tǒng)采用 多路模擬通道共享采樣 /保持器 的方案。 （ 1） 不帶采樣 /保持器的 A/D 通道 對于直流或低頻信號，通?？梢圆挥貌蓸?/保持器，直接用 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣 。%)而速度要求較高時，可選 CH=100PF，這樣的捕捉時間 tAC? 6us。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。 （ 4） 輸入信號電平可達(dá)到電源電壓 177。它由一個高性能的運算放大器、低漏電阻的模擬開關(guān)和一個由結(jié)型場效應(yīng)管集成的放大器組成 [5]。25℃ ， 所 以 增 益 誤 差 為1510625 % 偏移溫漂 誤 差 偏移溫漂約為 30μV/℃ ，溫度變化177。 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。 圖 4 采樣 /保持器原理圖 1. 采樣 /保持電路的主要參數(shù) （ 1）孔徑時間 tAp 在采 樣 /保持 電路中，由于模擬開關(guān) S 有一定的動作滯后，保持命令發(fā)出后到模擬開關(guān)完全斷開所需的時間稱為孔徑時間 tAp。 當(dāng)輸入信號為緩慢變化的信號，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，則可以不用采樣 /保持電路。 7121310811645111423A D 5 21+ 15 V1 5 VRG1 0KRs 1 00 K輸入輸出 圖 3 AD521 的外部接線圖 因為選擇 RS=100 千 歐姆 177。 （ 2） 輸入端可承受的差動輸入電壓可達(dá) 30V，有較強的過載能力 。因此，在進(jìn)行非電量 到 電量轉(zhuǎn)換之后，需要 將 信號放大 [4]。實踐中用定時器控制采樣時序。其真值表如表 1 所 示。 INH=1 時，所有通道均被斷開；當(dāng) INH=0 時，則根據(jù) CBA 的值選擇一個確定的通道與輸出接通（即可選擇一個由 CBA 確定的輸入通道與輸出通道）。開關(guān)部分的供電電壓為 VEE（低端）和 VDD（高端），因此需要的控制電壓為 VEE～ VDD，電平轉(zhuǎn)換電路將輸入的邏輯控制電壓（ A、 B、 C、 INH 端）從 VSS～ VDD轉(zhuǎn)換到 VEE～ VDD以滿足開關(guān)控制的需要。因此，應(yīng)該根據(jù)最高工作溫度時的漏電流來計算偏移誤差。多路開關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。切換過程可在 CPU 或數(shù)字電路的控制下完成。實現(xiàn)這種功能可以用采樣 /保持器來實現(xiàn)，因而，由于采樣 /保持器的加入，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集頻率。有規(guī)律地周期性改變 N 個選通信號，可以按固定的序列周期性閉合各個開關(guān)，構(gòu)成一個周期性分組的分時復(fù)用輸出信號，由后面的 A/D 轉(zhuǎn)換器分時復(fù)用對各通道模擬信號進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換。包括主程序、 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換程序、多路開關(guān)控制以及 I/O 接口控制等程序的設(shè)計。 本設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)了一種高性能、高智能的實用型 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可達(dá)到對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，濾波等目的。隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大 ， 各種型號、系列的單片機不斷推出 ， 許多新技術(shù)、新工藝被采用 ， 因而具有更高的性能價格比 [1]。 本 設(shè)計中還分析了系統(tǒng)的性能及誤差。單片機控制的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)畢業(yè)論文 畢業(yè)論文 單片機控制多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 摘 要 本設(shè)計主要完成了基于 AT89S51 單片機控制 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 的硬件電路設(shè)計以及相應(yīng)的軟件設(shè)計。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括編譯器的選擇，各部分的流程圖以及程序的設(shè)計。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用的方法有 ， 用微機控制 ， 微機在工業(yè)領(lǐng)域中的一個主要應(yīng)用就是與原有設(shè)備相結(jié)合 ， 構(gòu)成新的數(shù)字化、智能化的測控系統(tǒng) ， 從而提高原有設(shè)備的性能，但微機設(shè)備復(fù)雜、成本較高，使得微機控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)難度、成本都相應(yīng)的提高，從而制約了微機在 數(shù)據(jù)采集這方面的應(yīng)用。從而達(dá)到采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控，濾波等目的。硬件設(shè)計主要完成多路數(shù)據(jù)采集整個硬件電路及 I/O 接口的設(shè)計：包括 模擬 多路開關(guān) 電路 、運算放大 電路 、采樣保持 電路 、模數(shù)轉(zhuǎn)換 電路 、 硬件和 單片機 的連接電路、 數(shù)模轉(zhuǎn)換 電路 、轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)電路等組成；軟件設(shè)計主要完成控制整個系統(tǒng)的應(yīng)用程序與調(diào)試。 一般模擬多路開關(guān)有 2N 個模擬輸入端， N 個通道選擇端，由 N 個選通信號控制選擇其中一個開關(guān)閉合，使對應(yīng)的模擬輸入端與多路開關(guān)的輸出端接通，讓該路模擬信號通過。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在 A/D 轉(zhuǎn)換開始時將輸入信號的電平保持住，而在 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后又要跟蹤輸入信號的變化。 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) 1. 多路開關(guān)的選擇 多 路轉(zhuǎn)換開關(guān)在模擬輸入通道中的作用是實現(xiàn)多選一操作，即利用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)將多路輸入中的一路接至后續(xù)電路。 多路開關(guān)的主要參數(shù)是精度和速度。 （ 2）多路開關(guān)的漏電流在信號源阻抗上產(chǎn)生偏移電壓，而漏電流與工作溫度關(guān)系很大。 2. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) CD4051 CD4051 由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼驅(qū)動電路和 CMOS 模擬開關(guān)電路三部分組成。 INH：禁止控制端。 CD4051 有 1 個公共輸出端，當(dāng)該輸入端為高電平時，不論數(shù)據(jù)輸入端和 輸出 端如何變化，在內(nèi)部的 8 個模擬開關(guān)均為關(guān)斷狀態(tài)。這就要求控制器具有嚴(yán)格的定時機制。 前置放大電路 傳感器檢測出的信號一般是微弱的，不能直接用于顯示、記錄、控制或進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。此外， AD521 與大多數(shù)由單個運放組成的儀用放大器的不同點是： 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)設(shè)計（論文） 8 （ 1） 不需要采用精密匹配的外