信號(hào)采集與處理設(shè)計(jì)報(bào)告

1、信號(hào)采集與處理學(xué) 院： 信息科學(xué)與工程學(xué)院 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 1 緒論 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用也日益廣泛。數(shù)據(jù)采集是工業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在生產(chǎn)過(guò)程中，往往需要隨時(shí)檢測(cè)各個(gè)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。同時(shí)，還要對(duì)某個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的任意參數(shù)進(jìn)行隨機(jī)查詢(xún)，將所得到的檢測(cè)結(jié)果提取出來(lái)以便進(jìn)行比較做出決策，調(diào)整控制方案。此外，在科研過(guò)程中，運(yùn)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可獲得大量的動(dòng)態(tài)信息，也是獲取科學(xué)數(shù)據(jù)的重要手段之一。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，該系統(tǒng)的目的是便于對(duì)一些物理量進(jìn)行監(jiān)視、控制。即將

2、現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、傳輸、顯示、存儲(chǔ)等操作。換言之，其主要功能就是把模擬信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)和顯示。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)輸入通道，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理，數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。輸入通道要實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)對(duì)象的檢測(cè)，采樣和信號(hào)轉(zhuǎn)換等工作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理要用存儲(chǔ)器把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行管理和調(diào)用。數(shù)據(jù)處理就是從采集到的原始數(shù)據(jù)中，刪除有關(guān)干擾噪聲，無(wú)關(guān)信息和必要的信息，提取出反映被測(cè)對(duì)象特征的重要信息。數(shù)據(jù)輸出及顯示就是把數(shù)據(jù)以適當(dāng)?shù)男问竭M(jìn)行輸出和顯示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應(yīng)有盡

3、可能高的采樣速度，以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)處理和實(shí)時(shí)控制的要求。 隨著數(shù)字化進(jìn)程的加快，工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)采集提出了更高的要求。數(shù)據(jù)采集作為信息處理系統(tǒng)的最前端，從廣義上講，主要包括以下幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的初步處理等，并且一般需要通過(guò)PC接口總線將數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，根據(jù)不同的需要進(jìn)行相應(yīng)的算法處理。簡(jiǎn)言之，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)就是把輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行處理，為進(jìn)一步操作做準(zhǔn)備。2 交流信號(hào)采集與處理在電力系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)發(fā)電廠、變電站、母線、輸電線路等回路的電流都應(yīng)該加以測(cè)量。一般這些線路上的電流都很大，不可能直接進(jìn)行測(cè)量，因此先

4、用電流互感器（TA）將大電流轉(zhuǎn)換為小電流，而交流電流變送器捷成TA 的負(fù)載。圖1為電流變送器與電流互感器的連接。 2.1電流變送器原理框圖電流變送器以電流互感器二次電流作為輸入信號(hào)，電流輸入信號(hào)首先通過(guò)變送器內(nèi)部的中間電流互感器使變送器輸入與后級(jí)線路電氣隔離，中間電流互感器輸出電路經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。精密交直流變換電路將交流電壓變?yōu)?5V的直流電壓，經(jīng)過(guò)恒流輸出電路得到0-1mA或4-20mA的直流輸出信號(hào)。電流變送器的原理框圖見(jiàn)圖2。2.2精密交流直流變換電路精密交流直流變換電路由線性整流電路和低通濾波電路組成。采用線性整流電路可以改善由于整流二極管的非線性對(duì)交流

5、直流變換線性度的影響，低通濾波器消除全波整流后的工頻二次以上的諧波，輸出全波整流信號(hào)的平均值。 （1）全波線性整流電路，如圖3所示  圖3 全波線性整流電路由于運(yùn)算放大器的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小，因而負(fù)載效應(yīng)小，易于級(jí)間配合。整流信號(hào)從運(yùn)算反大器A1的同相端輸入，并從A1輸出端取得輸出。   當(dāng)Ui>0時(shí)，Ai輸出為正,V1導(dǎo)通，V2截止，其等效電路圖如圖4（a）所示。很明顯U1=Ui.對(duì)于運(yùn)算放大器A2，同相輸入產(chǎn)生的輸出設(shè)為U01，反相輸入產(chǎn)生的輸出設(shè)為U02，則  U01 =(1+R4/(R2+R3

6、)Ui             (1) U02=-R4/(R2+R3)Ui                 (2)將R4=2R1=2R2=2R3代入式（1）（2）得U01=2 Ui； U02=-Ui從而Ui>0時(shí)  U0=U01+U02=Ui  

7、;                    (3)當(dāng)Ui<0時(shí)，A1輸出為負(fù)，V1反偏，V2導(dǎo)通  U1=(1+R2/R1)UiU01=(1+R4/R3)Ui=3UiU02=-(R4/R3)U1=-4Ui 從而，Ui<0時(shí)  U0=U01+U02=-Ui (4)同時(shí)考慮式（3）（4）得到 U0=|Ui|（2）有源低通濾波電路。經(jīng)過(guò)全波線性整流的信號(hào)

8、，通過(guò)有源低通濾波便可以得到一個(gè)平滑的直流電壓信號(hào)。圖5所示為有源低通濾波電路原理圖。在這個(gè)電路中，運(yùn)算放大器A3的輸出U03，全部反饋到它的同相輸入端，從而C2兩端的電壓近似為U03。圖5 有源低通濾波電路原理圖（2）恒流輸出電路。一般都要求變送器都能具有較好的恒流輸出，因而需要有一個(gè)恒壓恒流轉(zhuǎn)換電路。圖7所示是輸出電流為01mA的恒流輸出電路。它主要由一個(gè)運(yùn)算放大器和兩個(gè)NPN管V1、V2組成，電路的輸入信號(hào)加于運(yùn)放的反相輸入端，V1接成倒相放大，V2作為射極跟隨器。電路的負(fù)載串于V2的射極。此外，從V2的射極R7的兩端引出反饋信號(hào)至運(yùn)放的輸入端。由于運(yùn)放和V1的倒相，因?yàn)橐吝\(yùn)放反相輸入

9、的信號(hào)形成正反饋，引至運(yùn)放同相端輸入端的信號(hào)形成負(fù)反饋。圖7可見(jiàn)負(fù)反饋強(qiáng)于正反饋，輸出端有恒定的電流輸出。2.3電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理由于發(fā)電機(jī)變壓器及其各種非線性負(fù)荷的作用，電力系統(tǒng)中除了基波之外，還存在著各種次諧波，這給我們希望準(zhǔn)確地測(cè)量交流系統(tǒng)的各個(gè)參數(shù)帶來(lái)了困難。在交流信號(hào)采樣和變換的兩側(cè)都需要濾波?？梢酝ㄟ^(guò)一定的計(jì)算，濾除不需要的諧波量，并計(jì)算出希望得到的交流量幅值和有效值。 （1）一階低通Butterworth濾波電路低通濾波器的基本電路特點(diǎn)是，只允許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)。（2）有源高通濾波器高通濾波器的特點(diǎn)是，只允許高于截止頻率的信號(hào)通過(guò)。2.4顯示部分（以顯示電壓值為例

10、）（1）數(shù)字電壓表原理框圖（2） 各芯片簡(jiǎn)介l MC14433型集成雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器 輸入的模擬電壓信號(hào)變換成易于準(zhǔn)確測(cè)量的時(shí)間量，然后在這個(gè)時(shí)間寬度里用計(jì)數(shù)器記時(shí)，計(jì)數(shù)結(jié)果就是正比于輸入模擬量的數(shù)字量。MC14433的各管腳功能如下：(VAG)電壓接地端。(VR)基準(zhǔn)電壓，外接基準(zhǔn)電壓端。MC14433的正基準(zhǔn)電壓可測(cè)量正、負(fù)電壓。VX:被測(cè)電壓輸入端，MC14433為雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器，未知電壓與基準(zhǔn)電壓有以下關(guān)系:讀數(shù)=(VX/VR)1999. 滿(mǎn)量程的Vx=VR。滿(mǎn)量程:1.999V。(R1.R1/C1.C1)外接積分電阻電容元件端；(C01、C02)外接失調(diào)

11、補(bǔ)償電容端 (DU)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出顯示控制端，如與腳相聯(lián)，則每次轉(zhuǎn)換結(jié)果都顯示.  (CLK1、CLK0)時(shí)鐘外接元件端, 選擇電阻即可設(shè)定時(shí)鐘頻率，如時(shí)鐘頻率為66kHz時(shí)，外接電阻取300k。  (VEE:負(fù)電源端。VEE的電流約為0.8mA，驅(qū)動(dòng)電流并不流經(jīng)此引腳，對(duì)此負(fù)電壓的電源電流要求不高。 (VSS ):輸出信號(hào)接地端。(EOC):轉(zhuǎn)換周期結(jié)束標(biāo)示輸出端。OR過(guò)量程標(biāo)志輸出端。多路選通脈沖輸入端DS4:個(gè).DS3:十.DS2:百.DS1:千位。BCD碼數(shù)據(jù)輸出端。VDD：正電源端l MC1403 用來(lái)穩(wěn)定電壓

12、，保持 MC14433的比較電壓。l CD4511 專(zhuān)用于將二-十進(jìn)制代碼（BCD）轉(zhuǎn)換成七段顯示信號(hào)的專(zhuān)用譯碼器，它有4位鎖存器，7段譯碼器和驅(qū)動(dòng)器。4位鎖存器：它的功能是將輸入的端A,B,C,和D代碼寄存起來(lái)，該電路具有鎖存功能，在鎖存允許端（LE端，）控制下起鎖存作用。當(dāng)LE=1時(shí)，鎖存器處于鎖存狀態(tài)，四位鎖存器封鎖輸入，此時(shí)他的輸出為前一次LE=0時(shí)輸入的BCD碼；當(dāng)LE=0時(shí)，鎖存器處于選通狀態(tài)，輸出即為輸入代碼?？芍?，利用LE 端的控制作用可以將一時(shí)刻的輸入BCD碼寄存下來(lái)，使輸出不隨輸入的變化而變化。 七段譯碼電路：將來(lái)自四位鎖存器的輸出BCD碼譯成

13、七段顯示碼輸出。l MC1413 采用NPN達(dá)林頓復(fù)合晶體管的結(jié)構(gòu)，因此具有很高的電流增益很高的電流阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成電路的輸出信號(hào)，進(jìn)而把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化成足夠大的電流信號(hào)驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，MC1413內(nèi)有7個(gè)集成開(kāi)路反相器，該芯片有16個(gè)引腳，每一驅(qū)動(dòng)器輸出端均接有一釋放電感負(fù)載能量的續(xù)流二極管。2.5數(shù)字電壓表芯片連接電路圖及原理分析 模擬信號(hào)經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后以動(dòng)態(tài)形式輸出，數(shù)字量輸出端Q0、Q1、Q2、Q3上的數(shù)字信號(hào)經(jīng)七段譯碼器MC4511譯碼后順序輸出。位選信號(hào)DS1DS4通過(guò)位選開(kāi)關(guān)到四位數(shù)碼管同時(shí)顯示并且會(huì)出現(xiàn)不同的數(shù)字的效果。 

14、;由于參考電壓VR=2V時(shí)，滿(mǎn)量程顯示1.999V，通過(guò)外接分壓電阻將信號(hào)衰減十倍后接入MC14433的輸入端，通過(guò)限流電阻實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)相的小數(shù)點(diǎn)顯示位置控制，設(shè)定在百位和十位之間，從而可使?jié)M量程顯示為19.99V。3 多路數(shù)據(jù)采集3.1數(shù)據(jù)采集器的主要功能 我們的數(shù)據(jù)采集器采用的主要元件是AT89S51和ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。其主要功能是模擬采集信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終顯示出來(lái)采集結(jié)果。首先我們的模擬信號(hào)采用電位器產(chǎn)生，供給ADC0809，ADC0809有8路數(shù)據(jù)輸入，也就是8路模擬電壓信號(hào)。在AT89S51的控制下，實(shí)現(xiàn)按鍵轉(zhuǎn)換要求通道的電壓值。通過(guò)AT89S51的計(jì)算輸

15、出結(jié)果，顯示在4為共陽(yáng)極數(shù)碼管上。3.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一由微機(jī)控制的A/D數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，該卡具有對(duì)8個(gè)通道上05V的模擬電壓進(jìn)行采集的能力，且可用鍵盤(pán)選擇轉(zhuǎn)換通道，選擇ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器芯片。并在顯示器上動(dòng)態(tài)顯示采集的數(shù)據(jù)。3.3系統(tǒng)方案3.3.1 ADC0809將05V 模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為00FF 數(shù)字信號(hào)并傳送51單片機(jī)，然后由51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，最終由LED 顯示器顯示。完成對(duì)模擬信號(hào)的采集。3.3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809將05V模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并傳給AT89S51單片機(jī)，然后由51

16、單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)處理，最終由數(shù)碼管顯示，從而完成對(duì)模擬信號(hào)的采集。其硬件系統(tǒng)原理框圖如下圖所示：本系統(tǒng)中，以AT89S51單片機(jī)為運(yùn)算和控制的核心，它具有4個(gè)8位并行的I/O端P0P3，其中由P0口控制數(shù)碼管顯示，P1口控制信號(hào)輸入。8路模擬量采集由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809完成。3.4 硬件系統(tǒng)各個(gè)電路的設(shè)計(jì)3.4.1 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809是TI公司生產(chǎn)的8位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè)8位的逼近型的ADC部分，并帶有8通道的模擬多路開(kāi)關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件，可以和單片機(jī)直接接口，為模擬通道的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為A/D轉(zhuǎn)換電路的

17、核心。（1）ADC0809主要性能 a) 逐次比較型； b) CMOS工藝制造； c) 單一電源供電； d) 無(wú)需零點(diǎn)和滿(mǎn)刻度調(diào)整； e) 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與TTL兼容 f) 易與各種微控制器接口； g) 具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)； h) 分辨率：8位； i) 功耗：15mW； j) 最大不可調(diào)誤差小于±1LSB（最低有效位）； k) 轉(zhuǎn)換時(shí)間（500C

18、LKfKHz=）128us; （2）ADC0809的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其特性 ADC0809是CMOS工藝，采用逐次逼近法的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，28引腳雙列直插封裝，片內(nèi)除8位A/D轉(zhuǎn)換部分外，還有8路模擬開(kāi)關(guān)、三態(tài)輸出鎖存器以及地址鎖存譯碼器等。它可以分別對(duì)8路05V模擬量輸入信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出量由三態(tài)鎖存緩沖，可直接連到單片機(jī)的數(shù)據(jù)總線上。其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：ADC0809的引腳圖：3.4.2 51單片機(jī)模塊（1）AT89S51單片機(jī)的簡(jiǎn)介 AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(I

19、n-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)供給高性?xún)r(jià)比的解決方案。AT89S51引腳圖：（2）復(fù)位電路設(shè)計(jì) RES引腳是復(fù)位信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，其有效時(shí)間應(yīng)持續(xù)24個(gè)振蕩周期（即兩個(gè)機(jī)器周期）以上。若使用頻率為6MHz的晶振，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)超過(guò)4us，才能完成復(fù)位。復(fù)位

20、操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。本設(shè)計(jì)采用上電復(fù)位，如圖所示：（3）晶振電路設(shè)計(jì) AT89S51芯片內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器。反相放大器的輸入端為XTAL1,輸出端為XTAL2,兩端跨接石英晶體及兩個(gè)電容就可以構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器，如圖所示。電容器C1和C2通常取30pF左右，可穩(wěn)定頻率并對(duì)振蕩頻率有微調(diào)作用。本設(shè)計(jì)中采用6MHz的晶振構(gòu)成單片機(jī)的時(shí)鐘電路。晶振頻率也就是振蕩電路的脈沖頻率，也稱(chēng)振蕩頻率。（振蕩脈沖頻率范圍為024MHz）3.4.3 ADC0809與AT89S51的接口設(shè)計(jì) ADC0809與AT89S51單片機(jī)的硬件接口方式一般有

21、3種：查詢(xún)方式、中斷方式和等待延時(shí)方式，本設(shè)計(jì)采用查詢(xún)方式。通道基本地址為0000H0007H。模擬量直接由ADC0809的IN0IN7口輸入，數(shù)字量由ADC0809的2-1（D0）2-8(D7)輸出，并直接接到AT89S51單片機(jī)的I/O口的P1口，其他引腳連接如下圖所示：8路數(shù)據(jù)采集由A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809完成，它具有8路模擬輸入端，05V的直流信號(hào)送給ADC0809后，地址線（A、B、C端）決定對(duì)哪一路模擬輸入作A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)由AT89S51單片機(jī)的P0口讀入。3.4.4 輸出電路設(shè)計(jì) 輸出電路采用數(shù)碼管顯示，顯示方法為動(dòng)態(tài)掃描顯示。顯示部分的原理圖如下圖所示。顯示部分為4個(gè)共陽(yáng)極的7