【正文】 處于跟蹤模式， +9V輸入時(shí)芯片工作在保持模式下。 （ 5） 具有相互隔開的模擬地、數(shù)字地，從而提高了抗干擾能力。 （ 4） 輸入信號電平可達(dá)到電源電壓 177。該值是保持電容器充電電流與保持模式時(shí)電容漏電流之間的比值，是保證采樣 /保持器質(zhì)量的標(biāo)志。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，它影響采樣頻率。 + IN1NC2N U LL3N U LL4U s5CH6NC7 O U TP U T 8IN 9+ U s 10L 11L+ 12NC 13NC 14 圖 5 AD582 管腳 圖 由于 AD582 的以下特征，本設(shè)計(jì)所以選擇 AD582 采樣保持器。它由一個(gè)高性 能的運(yùn)算放大器、低漏電阻的模擬開關(guān)和一個(gè)由結(jié)型場效應(yīng)管集成的放大器組成 [5]。 本設(shè)計(jì) 選用 AD582。取 dU/dt（ 25℃ ） =10μV/μs，則+50℃ 時(shí)該值將增為 10 倍。對于 10V 滿量程輸入，誤差為 750μV/10V % 非線性誤差 一般額定值 % 降落誤差 與保持電容質(zhì)量關(guān)系很大，降落率 dU/dt約為 ～ 100μV/μs。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。 一般 工作溫度范圍為 0℃ ~+50℃ ，并已在 25℃ 時(shí)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 。單片集成 /保持器大都需要外接保持電容。在選擇時(shí)，一般優(yōu)先考慮 單 片集成產(chǎn)品，因?yàn)樗哂兄械刃阅芏鴥r(jià)格較低。 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。UO UC CH 模擬輸入信號 驅(qū) 動(dòng)信號 UI S A 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 此外，減小 ID可減少這種變化。 （ 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(guān)斷開時(shí)的漏電流、電容內(nèi)部的漏電流等。 （ 2）捕捉時(shí)間 tAC 采 樣 /保持 電路的控制信號 UC 由 “保持 ”電平轉(zhuǎn)為 “采樣 ”電平之后，其輸出電壓 Uo將從原保持值過渡到跟隨輸入信號 UI值，這段過渡時(shí)間稱為捕捉時(shí)間 tAC。 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(shí)間 tAp 在采 樣 /保持 電路中，由于模擬開關(guān) S 有一定的動(dòng)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(shí)間稱為孔徑時(shí)間 tAp。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(shí)刻的采樣值，直到保持命令撤消并再次接到采樣命令為止。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。當(dāng)控制信號 UC 為采樣電平 時(shí)，開關(guān) S 導(dǎo)通，模擬信號通過開關(guān) S 向保持電容 CH充電，這時(shí)輸出電壓 Uo 跟蹤輸入電壓 UI的變化。 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(shí)，則可以不用采樣 /保持電路。因此，要求輸入同一瞬時(shí) 的 模擬量在整個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中保湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。尤其是在同步測量系統(tǒng)中，幾個(gè)通道的模擬量均需取同一瞬時(shí)值。表 2 所示為 RG選擇不同的阻值，對應(yīng)的增益值。 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?yàn)檫x擇 RS=100 千 歐姆 177。選擇 RS=100 千 歐姆 177。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)。 AD521 放大器的典型外部接線圖 如圖 3 所示 。 （ 2） 輸入端可承受的差動(dòng)輸入電壓可達(dá) 30V，有較強(qiáng)的過載能力 。 作為一個(gè)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(dá) 120dB），或高輸入阻抗（ 3109 歐姆 ）。因此由差分輸入電壓所產(chǎn)生的不平衡電流流過另一個(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： GSIO RRVVG ?? (22) 可見，只要適當(dāng)改變 RS / RG之比值即可改變放大器增益。 AD521 放大器的簡化原理如圖 2 所示 。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]。s 定時(shí)中斷 ，具體程序如附錄 1 所示。s 定時(shí)中斷，在中斷處理程序中采集數(shù)據(jù)。s 切換一次通道，采集一個(gè)數(shù)據(jù)。實(shí)踐中用定時(shí)器控制采樣時(shí)序。 （ 2） 準(zhǔn)確定時(shí) 實(shí)際應(yīng)用中，需要對多路信號進(jìn)行 連續(xù) 采樣，并且每次采樣的間隔也有嚴(yán)格的要求。消除抖動(dòng)的常用方法有兩種：一種是 用 硬件 方法 來實(shí)現(xiàn)，即用 RC 濾波器除抖動(dòng)；另一種是用軟件延時(shí)的方法來解決。若此時(shí)采集多路開關(guān)輸出信號，就可能引入很大的誤差。其真值表如表 1 所示。 （ 2） CD4051 原理 在用作 8 選 1 模擬 多路開關(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)模擬開關(guān)中選擇 1 個(gè)模擬開關(guān)使之導(dǎo)通，將相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)通過導(dǎo)通的模擬開關(guān)送到公共輸出端。 OUT：輸出 /輸入公共端。 S0～ S7： 8 個(gè)通道的輸入輸出通道。 INH=1 時(shí)，所有通道均被斷開；當(dāng) INH=0 時(shí)，則根據(jù) CBA 的值選擇一個(gè)確定的通道與輸出接通（即可選擇一個(gè)由 CBA 確定的輸入通道與輸出通道）。當(dāng) CBA=000B～ 111B 時(shí)，可選擇通道 S0～ S7。 VDD與 VEE之差最大為 16V。 VSS接地。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。導(dǎo)通電阻 RON為 125 歐姆， 關(guān)斷漏電流為 ，開關(guān)時(shí)間為 120ns。 根據(jù)上面的分析，本設(shè)計(jì) 選用的是采用 CMOS 工藝的 8 選 1 開關(guān) CD4051。它一方面取決于多路開關(guān)建立時(shí)間，并與規(guī)定湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 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，多路開關(guān)被設(shè)計(jì)為 “先斷后通 ”，這增加了斷開到接通的 延時(shí)，影響了通過率的提高。因此，應(yīng)該根據(jù)最高工作溫度時(shí)的漏電流來計(jì)算偏移誤差。因?yàn)榈湫偷亩嗦烽_關(guān) 的導(dǎo)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(fù)載的采樣 /保持器，其輸入阻抗應(yīng)在 108歐姆以上。當(dāng)要求精度為%時(shí)，負(fù)載阻抗就應(yīng)至少是開關(guān)導(dǎo)通電阻與信號源阻抗之和的 104 倍。 傳輸誤差是衡量多路開關(guān)的一個(gè)指標(biāo)， 多路開關(guān)的傳輸誤差包括兩個(gè)方面 。多路開關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。所以根據(jù)器件的價(jià)格和系統(tǒng)的容忍度，選擇 RON的值。 RON使信號電壓產(chǎn)生跌落，跌落量與流過開關(guān)的電流成正比 [3]。本設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn) 32 路數(shù)據(jù)采集，所以選擇 4 片 8 選 1 的 模擬 開關(guān)。切換過程可在 CPU 或數(shù)字電路的控制下完成。 硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及前置放大電路的設(shè)計(jì)，采樣保持電路的設(shè)計(jì)，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 的設(shè)計(jì)，數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。單片機(jī)及外設(shè)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作進(jìn)行管理和控制，并對采集到的數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理。 A/D 轉(zhuǎn)換器是采樣通道的核心，因此， A/D 轉(zhuǎn)換器是影響湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速 率和精度的主要因素之一。實(shí)現(xiàn)這種功能可以用采樣 /保持器來實(shí)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。否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別當(dāng)輸入信號頻率較高時(shí)，會造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。 （ 2）采樣保持部分 模擬信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。放大器的作用是將這些微弱的輸入信號進(jìn)行放大，以便充分利用 A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程分辨率。有規(guī)律地周期性改變 N 個(gè)選通信號，可以按固定的序列周期性閉合各個(gè)開關(guān)，構(gòu)成一個(gè)周期性分組的 分時(shí)復(fù)用輸出信號，由后面的 A/D 轉(zhuǎn)換器分時(shí)復(fù)用對各通道模擬信號進(jìn)行周期性的轉(zhuǎn)換。用模擬多路開關(guān)來輪流切換模擬量與 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輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器，從而實(shí)現(xiàn)分時(shí)轉(zhuǎn)換的目的。 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件部分分為多路數(shù)據(jù)輸入部分，采樣保持部分， A/D 轉(zhuǎn)換部分，硬件和單片機(jī)的連接電路部分 ， D/A 轉(zhuǎn)換部分。 圖 1 系統(tǒng)總框圖 器數(shù)據(jù) 傳感器 傳感器 多 多路模擬開關(guān)路 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān) 前 置 放 大 單 片 機(jī) 數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換 執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu) 模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換 傳感器 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)思想 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的正常運(yùn)行依賴于整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)備的科學(xué)設(shè)計(jì)。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(jì)。 整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。 （ 4）單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)鎖存和 D/A 轉(zhuǎn)換單元。 （ 2）采樣保持電路的 A/D 轉(zhuǎn)換單元。 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一種高性能、高智能的實(shí)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。 系統(tǒng)通過多路模擬開關(guān)采集多路數(shù)據(jù)，使其通過多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)，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(jī)進(jìn)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。 在過程控制及各種儀器表儀表中， 由微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)所加工的信息總是數(shù)字量。 本文利用 AT89S51 單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) ， 著重介紹該系統(tǒng)的特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方法。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大 ， 各種型號、系列的單片機(jī)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(jià)格比 [1]。 DAC0832 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） i 目 錄 第一章 引言 ........................................................................................................................ 1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 .............................................................................................. 1 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) ...................................................................................................... 1 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ..................................................................................................... 3