【正文】 . 34 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） ii 附錄 1 ..................................................................................................................................... 35 附錄 2（系統(tǒng)硬件總圖） ................................................................................................ 38 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 引言 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 在工業(yè)生產(chǎn)和科學技術研究過程的各行業(yè)中，常常要對各種數(shù)據(jù)進行采集，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為日益重要的技術 ， 廣泛應用于工農(nóng)業(yè)等行業(yè)。 系統(tǒng)通過多路模擬開關采集多路數(shù)據(jù)，使其通過多路模擬轉(zhuǎn)換開關，把采集到的多路模擬信號經(jīng)過放大、采樣保持、A/D(Analog to Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器 )轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入單片機進行處理，處理后發(fā)出的數(shù)字信號經(jīng)過 D/A(Digital to Analog Converter，數(shù)模轉(zhuǎn)換器 )[2]轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬信號。 整個系統(tǒng)的設計包括硬件設計和軟件設計兩部分。用模擬多路開關來輪流切換模擬量與 A/D 轉(zhuǎn)換器間的通道，使得在一個特定的時間內(nèi)，只允許一路模擬信號輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而實現(xiàn)分時轉(zhuǎn)換的目的。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當輸入信號頻率較高時，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。 硬件電路設計 本系統(tǒng)的硬件設計主要包括：多路轉(zhuǎn)換開關及前置放大電路的設計，采樣保持電路的設計，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 的設計，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設計。所以根據(jù)器件的價格和系統(tǒng)的容忍度，選擇 RON的值。因為典型的多路開關 的導通電阻為 200歐姆～ 200 千歐姆，所以，如果信號源阻抗在幾百歐姆以下，則作為負載的采樣 /保持器，其輸入阻抗應在 108歐姆以上。導通電阻 RON為 125 歐姆， 關斷漏電流為 ，開關時間為 120ns。當 CBA=000B～ 111B 時，可選擇通道 S0～ S7。 （ 2） CD4051 原理 在用作 8 選 1 模擬 多路開關時， CD4051 有 8 個數(shù)據(jù)輸入端，在 3 個選擇輸入 端 A、B、 C 的控制下，從 8 個模擬開關中選擇 1 個模擬開關使之導通，將相應的輸入數(shù)據(jù)通過導通的模擬開關送到公共輸出端。 （ 2） 準確定時 實際應用中，需要對多路信號進行 連續(xù) 采樣，并且每次采樣的間隔也有嚴格的要求。s 定時中斷 ，具體程序如附錄 1 所示。 作為一個精密的儀用放大器， AD521 僅有兩只增益調(diào)整電阻 RG 和 RS，通過調(diào)整RG和 RS的阻值，可使放大器在 ～ 1000 增益值范圍內(nèi)取得任意 值，電阻 RG和 RS之比率的調(diào)整不會影響 AD521 的高 CMR（達 120dB），或高輸入阻抗（ 3109 歐姆 ）。選擇 RS=100 千 歐姆 177。因此，要求輸入同一瞬時 的 模擬量在整個模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中保湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 9 持不變，但在轉(zhuǎn)換之后，又要求 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出端能跟蹤輸入模擬量的變化。一旦發(fā)出保持命令，采 樣 /保持 電路將保持采樣命令撤消時刻的采樣值，直到保持命令撤消并再次接到采樣命令為止。UO UC CH 模擬輸入信號 驅(qū) 動信號 UI S A 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 10 此外，減小 ID可減少這種變化。 一般 工作溫度范圍為 0℃ ~+50℃ ，并已在 25℃ 時調(diào)整偏移誤差和增益誤差至零，則可對單片集成采樣 /保持器 做 出如表 3 所示的誤差和性能估算 。 本設計 選用 AD582。該值是保持電容器充電電流與保持模式時電容漏電流之間的比值，是保證采樣 /保持器質(zhì)量的標志。 由于 AD582 的孔徑時間 tAP=50ns、捕捉時間 tAC=6μs， 12 位的 AD574 的轉(zhuǎn)換時間tCONV=25μs， 則可以計算出系統(tǒng)可采集的最高信號頻率如式 24 所示 。所以 AD582 外接較小的電容可獲得較高的采樣速率。因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入通道方案多種多樣，應該根據(jù)被測對象的具體情況確定 [6]。多通道共享采樣 /保持器與 A/D 轉(zhuǎn)換器 的 典型電路原理圖 如 圖 7所示。LSB/2 % 微分線性 度 溫漂誤差 [（ 2～ 5） 106/℃ ] 25℃ ～ % 偏移溫漂誤差 5106/℃ 25℃ % 增益溫漂誤差 [（ 10～ 20） 106/℃ ] 25℃ %～ % 電源電壓誤差 1% % 模 擬 多 路 開 關 模數(shù) 轉(zhuǎn)換 單 片 機 控 制 邏 輯 模 擬 輸 入 信 號 放大器 采樣 保持 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 長周期變化 一般估計 % 總誤差（最壞情況） ～ % 總靜態(tài)誤差（均方根值） ～ % 2. 逐次逼近型 12 位模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD574 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的作用是把模擬信號轉(zhuǎn)化數(shù)字信號。12V)和 +5V； AD574 具有轉(zhuǎn)換時間快，與單片機接口方便可直接采用雙極性模擬信號輸入等優(yōu)點。 CE=1 時，允許； CE=0 時，禁止。 12/ 8 與 A0配合，使 12 位數(shù)據(jù)分兩次讀出， A0=0 時，讀取高 8 位， A0=1 時，讀取低 4 位（數(shù)據(jù)低半字節(jié)附加零）。 以上 5 種信號的電平狀態(tài)與芯片的操作對應關系如表 6 所示。 BIP OFF：雙極性偏移調(diào)節(jié)端。 +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 A+ 15 V1 5 VV cc+ 5V0 .1 K0 .1 K 圖 10 AD574 的工作方式 雙極性模擬輸入有兩種量 程： 5V～ +5V 量程從 13 引腳輸入； 10V～ +10V 量程從引腳 14 輸入。均為 100 歐姆電位器，用來調(diào)整零位和滿量程。故可確定啟動轉(zhuǎn)換時的端口地址為 0F9H。輸出接口電路 、 DAC是模擬量輸出通道的基本部件。一種方式是采用數(shù)據(jù)鎖存器保持輸出量，每個輸出通道都有獨立的數(shù)據(jù)鎖存器湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 18 （一般含在 DA 芯片內(nèi)）及 D/A轉(zhuǎn)換器。它對模擬量的分辨能力 ?與數(shù)字量的位數(shù) n 呈 下列關系 ： n2模擬輸出的滿量程值?? (26) 在實際使用中，表示分辨率的高低更常用的方法是直接輸入數(shù)字量的位數(shù)表示，如8位、 12 位等。一般是指輸入數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到一定數(shù)值范圍內(nèi)（穩(wěn)定值 177。因此，本設計選用美國半導體公司推出的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832。 DAC0832 有兩級鎖存器，第一級稱為輸入寄存器，第二級稱為 DAC 寄存器。 當 1WR 為低電平時，用來將輸入數(shù)據(jù)傳送到輸入鎖存器，當 1WR 為高電平時，輸入鎖存器中的數(shù)字被鎖存。 XFER 和 2WR 構(gòu)成第二級鎖存。 ILE：輸入鎖存器允許信號，高電平有效。 可采用雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入三種工作方式。 DAC0832片內(nèi)含有輸入緩沖寄存器和 DAC 鎖存器兩個 8 位寄存器。按字長區(qū)分，則有 1 （ 4） 零碼誤差、滿刻度誤差的溫度系數(shù) 在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)，每變化 1℃ ，零碼誤差、滿刻度誤差的變化量用 μV/℃ 單片 機 輸出接口電路 鎖存器 1 D/A V/I D/A 鎖存器 1 V/I 湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 19 表示。第一種方式如圖 12 所示。許多 DAC芯片的輸入端都有數(shù)據(jù)鎖存器，這時不需另加鎖存器。模擬量輸出通道的作用就是把計算機處理得出的數(shù)字量結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號，傳輸給相應的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對被控對象的控制。AD574 的 12/8 接數(shù)字地。該電路采用雙極性輸入方式，可對 5V～ +5v 或 10V～ +10V模擬信號進行轉(zhuǎn)換。 單極性模擬輸入有兩種量程： 0～ 10V量程從 AD574 的 10VIN引腳 13 輸入； 0～ 20V湖南科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 量程從 AD574 的 20VIN引腳 14 輸入。將 REF OUT 端通過 100 歐姆的精密電位器接至 REF IN 端即可進行滿刻度校準。讀操作中， A0=0 時，高位數(shù)有效；而 A0=1 時，則低 4 位數(shù)據(jù)有效。當 12/8 =1 時， 12 位數(shù)據(jù)一次讀出，主要用于 16 位微機系統(tǒng)； 12/8 =0 時，可與 8 位單片機接口。由于芯片內(nèi)部的比較輸入回路，接有可改變量程的電阻和雙極型輸入偏置電阻，因此， AD574 的輸入模擬電壓量程范圍有 0V~+10V， 0V~+20V， 5V~+5V， 10V~+10V四種。(1/2)LSB，一次轉(zhuǎn)換時間為 25μs，電源供電為 177。 表 4 A/D 轉(zhuǎn)換器的各項誤差 誤差源 性 能 誤 差 量化誤差 177。模擬開關在單片機控制下 ， 分時選通各個通道信號， 然后把信號 送采樣 /保持器和 A/D 轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后 送 單片機處理 。 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 6 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)的關鍵器件，選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器時，要根據(jù)系統(tǒng)采集對象的性質(zhì)來選擇其類型。 ? ? ? ? K H ztttf APC O N VAC 12 1 966m a x ?????????? ??? (25) AD582 是反饋型采樣 /保持器，保持電容接在運算放大器 A2 的輸入端 (腳 8)與反相輸入端 (腳 6)之間。在高壓 COMS 的邏輯電平為 0V 和 +9V 時， IN 接入 +5V后，則 0V輸入使芯片處于跟蹤模式， +9V輸入時芯片工作在保持模式下。該時間與所選擇的保持電容有關，電容值越大，捕捉時間越長，它影響采樣頻率。取 dU/dt（ 25℃ ） =10μV/μs，則+50℃ 時該值將增為 10 倍。單片集成 /保持器大都需要外接保持電容。 （ 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、模擬開關斷開時的漏電流、電容內(nèi)部的漏電流等。為使保持階段 CH上的電荷不被負載放掉，在保持電容 CH與負載之間需加一個高輸入阻抗緩沖放大器 A。尤其是在同步測量系統(tǒng)中，幾個通道的模擬量均需取同一瞬時值。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)。因此由差分輸入電壓所產(chǎn)生的不平衡電流流過另一個外接電阻 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)的計算公式為 22 所示： GSIO RRVVG ?? (22) 可見，只要適當改變 RS / RG之比值即可改變放大器增益。s 定時中斷，在中斷處理程序中采集數(shù)據(jù)。消除抖動的常用方法有兩種：一種是 用 硬件 方法 來實現(xiàn)，即用 RC 濾波器除抖動；另一種是用軟件延時的方法來解決。 OUT：輸出 /輸入公共端。 VDD與 VEE之差最大為 16V。 根據(jù)上面的分析，本設計 選用的是采用 CMOS 工藝的 8 選 1 開關 CD4051。當要求精度為%時，負載阻抗就應至少是開關導通電阻與信號源阻抗之和的 104 倍。 RON使信號電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關的電流成正比 [3]。單片機及外設負責對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作進行管理