基于at89s51單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)

1、摘 要本設(shè)計(jì)主要完成了基于AT89S51單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的軟件設(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)。多路轉(zhuǎn)換開關(guān)及前置放大電路的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)介紹了多路開關(guān)的選擇、AD521放大倍數(shù)的計(jì)算以及多路開關(guān)CD4051和放大器AD521硬件連接電路。采樣保持電路的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)介紹了采樣保持電路的原理和主要參數(shù)以及采樣保持器的選擇和連接電路。模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)A/D通道的選擇和A/D轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)誤差分析以及A/D轉(zhuǎn)換器AD574的介紹、輸入方式和連接電路。數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)中

2、重點(diǎn)介紹了D/A通道的選擇，D/A轉(zhuǎn)換器的選擇以及D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832的介紹、連接電路和DAC0832的輸出方式。硬件設(shè)計(jì)中還介紹了單片機(jī)的選擇，單片機(jī)AT89S51的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括編譯器的選擇，各局部的流程圖以及程序的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中還分析了系統(tǒng)的性能及誤差。本設(shè)計(jì)根本上實(shí)現(xiàn)了對多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)，但是由于時(shí)間緊湊以及自己的知識水平有限等原因，沒有對所設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試及仿真，因而也就沒能做出實(shí)物出來；同時(shí)可能有很多問題還沒有發(fā)現(xiàn)，希望老師和同學(xué)給予指出。關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)采集；AT89S51單片機(jī)；CD4051；DAC0832ABSTRACTComplet

3、ed the design of the main AT89S51 Microcontroller based data acquisition system hardware design and the corresponding software design. The hardware design of the system include: multi-switch and preamplifier circuit design, sample and hold circuit, ADC circuit design, digital to analog conversion ci

4、rcuit. Multi-switch and preamplifier circuit design highlights the choice of multi-way switch, AD521, and the calculation of the magnification CD4051 MUX hardware connection circuit and amplifier AD521. Sample and hold circuit design focuses on the principles of sample and hold circuit and the main

5、parameters and sample and hold circuit for the selection and connection. Analog-digital conversion circuits focused on the design of the system A / D channel selection and A / D converter of the error analysis and A / D converter AD574 introduction, input and connection circuits. Digital-analog conv

6、ersion circuit design highlights the D / A channel selection, D / A converter selection and D / A converter DAC0832 introduction, connecting the output circuit and the DAC0832. It also describes the hardware design, the choice of microcontroller, microcontroller AT89S51 the clock circuit and reset c

7、ircuit. The software design includes the choice of compiler, various parts of the flow chart and program design. This design also analyzed the system performance and errors. The design is basically realized the design of multi-channel data acquisition, but because of tight time and limited knowledge

8、 of their own reasons, not the entire system is designed for debugging and simulation, and thus have not been able to make in-kind out; the same time There may be many problems have not been found, giving hope that teachers and students. Keywords: data acquisition; AT89S51 microcontroller; CD4051; D

9、AC0832 目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc22968 第一章 引言 PAGEREF _Toc22968 1 HYPERLINK l _Toc9820 1.1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介 PAGEREF _Toc9820 1 HYPERLINK l _Toc18475 1.2 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù) PAGEREF _Toc18475 1 HYPERLINK l _Toc23231 第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc23231 3 HYPERLINK l _Toc19819 2.1 硬件設(shè)計(jì)思想 PAGEREF _Toc19819 3 HYPERLIN

10、K l _Toc32473 2.2 硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc32473 4 HYPERLINK l _Toc29742 2.2.1 多路轉(zhuǎn)換開關(guān) PAGEREF _Toc29742 4 HYPERLINK l _Toc17796 2.2.2 前置放大電路 PAGEREF _Toc17796 6 HYPERLINK l _Toc4848 2.2.3 采樣/保持電路 PAGEREF _Toc4848 8 HYPERLINK l _Toc9750 2.2.4 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 PAGEREF _Toc9750 12 HYPERLINK l _Toc31570 2.2.5 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路

11、PAGEREF _Toc31570 17 HYPERLINK l _Toc3269 2.2.6 硬件和單片機(jī)的連接電路 PAGEREF _Toc3269 22 HYPERLINK l _Toc11621 第三章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc11621 26 HYPERLINK l _Toc29511 3.1 KEILC51 編譯器簡介 PAGEREF _Toc29511 26 HYPERLINK l _Toc30283 3.1.1 uVision2集成開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc30283 26 HYPERLINK l _Toc19314 3.1.2 編輯器和調(diào)試器 PAGE

12、REF _Toc19314 27 HYPERLINK l _Toc23761 3.2 程序流程圖 PAGEREF _Toc23761 28 HYPERLINK l _Toc13290 3.2.1主程序流程圖 PAGEREF _Toc13290 28 HYPERLINK l _Toc5106 3 A/D轉(zhuǎn)換程序的流程圖和D/A轉(zhuǎn)換程序的流程圖 PAGEREF _Toc5106 29 HYPERLINK l _Toc28437 3.3 系統(tǒng)總圖 PAGEREF _Toc28437 30 HYPERLINK l _Toc10853 第四章 系統(tǒng)性能及誤差分析 PAGEREF _Toc10853 31

13、 HYPERLINK l _Toc5881 4.1系統(tǒng)可靠性措施 PAGEREF _Toc5881 31 HYPERLINK l _Toc10146 4.1.1低功耗措施 PAGEREF _Toc10146 31 HYPERLINK l _Toc7336 4.1.2抗干擾措施 PAGEREF _Toc7336 31 HYPERLINK l _Toc2562 第五章 結(jié)論 PAGEREF _Toc2562 32 HYPERLINK l _Toc22628 致 謝 PAGEREF _Toc22628 33 HYPERLINK l _Toc30434 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc30434 3

14、4 HYPERLINK l _Toc22442 附錄1 PAGEREF _Toc22442 35 HYPERLINK l _Toc13563 附錄2系統(tǒng)硬件總圖 PAGEREF _Toc13563 38第一章 引言1.1 多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)研究過程的各行業(yè)中，常常要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，隨著現(xiàn)代化工業(yè)的開展，多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)成為日益重要的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)等行業(yè)。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用的方法有，用微機(jī)控制，微機(jī)在工業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)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(jī)設(shè)備復(fù)雜、本錢較高，使得微機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技

15、術(shù)難度、本錢都相應(yīng)的提高，從而制約了微機(jī)在數(shù)據(jù)采集這方面的應(yīng)用。隨著單片機(jī)技術(shù)的飛速開展，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。單片機(jī)控制的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用非常方便、性能優(yōu)越、運(yùn)行可靠、廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)。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。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為控制來構(gòu)成多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并完成了軟硬件的設(shè)計(jì)。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。被控制或測量對象的有關(guān)參量往往是一些連續(xù)變化的模擬量，如溫度、

16、濕度、壓力、流量、速度等。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。從而到達(dá)采集數(shù)據(jù)，監(jiān)控，濾波等目的。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)，可到達(dá)對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，濾波等目的。1.2 本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)本設(shè)計(jì)用單片機(jī)控制多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，本文著重介紹該系統(tǒng)的工作原理

17、及硬件與軟件設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)的主要組成如下：1多路數(shù)據(jù)輸入單元。2采樣保持電路的A/D轉(zhuǎn)換單元。3硬件和單片機(jī)的連接電路。4單片機(jī)輸出的數(shù)據(jù)鎖存和D/A轉(zhuǎn)換單元。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、軟件設(shè)計(jì)并完成軟件調(diào)試，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的要求。單片機(jī)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)兩局部。硬件設(shè)計(jì)主要完成多路數(shù)據(jù)采集整個(gè)硬件電路及I/O接口的設(shè)計(jì)：包括模擬多路開關(guān)電路、運(yùn)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(jī)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(jì)主要完成控制整個(gè)系統(tǒng)

18、的應(yīng)用程序與調(diào)試。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)。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。模 數(shù) 轉(zhuǎn) 換數(shù) 模 轉(zhuǎn) 換執(zhí) 行 機(jī) 構(gòu)多 多路模擬開關(guān)路 轉(zhuǎn) 換 開 關(guān)采 樣 保 持前 置 放 大器數(shù)據(jù) 傳感器傳感器傳感器圖1 系統(tǒng)總框圖第二章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 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)。根據(jù)課題設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，結(jié)合軟件的設(shè)計(jì)，選擇適宜的電路元件，設(shè)計(jì)合理的接口電路以便能夠高效率、穩(wěn)定合理、方便的實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集。多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件局部分為多路數(shù)據(jù)輸入局部，采樣保持局部，A/D轉(zhuǎn)換局部，硬件和單片機(jī)的連接電路局部，

19、D/A轉(zhuǎn)換局部。1多路數(shù)據(jù)輸入局部在不要求高速采樣的場合，一般采用共享的A/D轉(zhuǎn)換通道，分時(shí)對各路模擬量進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，目的是簡化電路，降低本錢。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。一般模擬多路開關(guān)有2N個(gè)模擬輸入端，N個(gè)通道選擇端，由N個(gè)選通信號控制選擇其中一個(gè)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。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

20、的轉(zhuǎn)換。在數(shù)據(jù)采集時(shí)，來自傳感器的模擬信號，一般都是比擬弱的電平信號，因此需要放大電路把輸入的模擬信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆糯蟆７糯笃鞯淖饔檬菍⑦@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。為了充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字位數(shù)，就要把模擬輸入信號放大到與A/D轉(zhuǎn)換器滿量程電壓相應(yīng)得電平值。2采樣保持局部模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動轉(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。在這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號要根本保持不變。否那么轉(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。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將輸入信號的電平保持住，而

21、在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又要跟蹤輸入信號的變化。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/保持器的參加，大大提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集頻率。3A/D轉(zhuǎn)換局部因?yàn)閱纹瑱C(jī)只能處理數(shù)字信號，所以需要把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換功能的器件是A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器是采樣通道的核心，因此，A/D轉(zhuǎn)換器是影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣速率和精度的主要因素之一。4硬件和單片機(jī)的連接局部該局部用來將傳感器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行整形或電平調(diào)整，然后再傳給單片機(jī)。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。 5D/A轉(zhuǎn)換局部D/A轉(zhuǎn)換局部也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要局部，在數(shù)

22、字控制系統(tǒng)中作為關(guān)鍵器件，用來把單片機(jī)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(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)。2.2 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)。 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(shí)現(xiàn)多項(xiàng)選擇一操作，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。切換過程可在CPU或數(shù)字電路的控制下完成。常用的模擬開關(guān)大都采用CMOS工藝，如8選1開關(guān)CD4051、雙4選1開關(guān)CD4052、三3選1開關(guān)CD4053等。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

23、擬開關(guān)。模擬多路開關(guān)中，不可防止導(dǎo)通電阻RON的存在。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。設(shè)計(jì)中希望RON越小越好，但是RON越小的器件價(jià)格越高。所以根據(jù)器件的價(jià)格和系統(tǒng)的容忍度，選擇RON的值。多路開關(guān)的主要參數(shù)是精度和速度。多路開關(guān)的精度以傳輸誤差的大小來間接表示。多路開關(guān)的速度以信號通過多路開關(guān)的通過率來間接表示。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。1多路開關(guān)導(dǎo)通電阻加上信號源阻抗與負(fù)載阻抗構(gòu)成了分壓器。當(dāng)要求精度為0.01%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。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，多路開關(guān)的負(fù)載一般是采樣/保持器

24、。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，那么作為負(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。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。通過率是衡量多路開關(guān)的另一個(gè)指標(biāo)，是多路開關(guān)從一個(gè)通道切換并使下一個(gè)通道建立到規(guī)定精度所能到達(dá)的最高切換率。它一方面取決于多路開關(guān)建立時(shí)間，并與規(guī)定的建立精度有關(guān)，另一方面為了防止兩個(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。在確定多路開關(guān)的通過率時(shí)，要跟據(jù)系統(tǒng)的采樣速率來考慮

25、。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。CD4051的模擬信號范圍為7.5V，導(dǎo)通電阻RON為125歐姆，關(guān)斷漏電流為0.1A，開關(guān)時(shí)間為120ns。2. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)CD4051CD4051由電平轉(zhuǎn)換電路、譯碼驅(qū)動電路和CMOS模擬開關(guān)電路三局部組成。開關(guān)局部的供電電壓為VEE低端和VDD高端，因此需要的控制電壓為 VEEVDD，電平轉(zhuǎn)換電路將輸入的邏輯控制電壓A、B、C、INH端從VSSVDD轉(zhuǎn)換到VEEVDD以滿足開關(guān)控制的需要。1CD4051的引腳功能及使用方法VEE、VDD、VSS：電源線。VSS接地。單極性信號輸入時(shí)，VEE和VDD分別接地和正電壓

26、，雙極性輸入時(shí)，VEE和VDD分別接負(fù)電壓和正電壓。VDD與VEE之差最大為16V。C、B、A：通道地址。當(dāng)CBA=000B111B時(shí)，可選擇通道S0S7。 INH：禁止控制端。INH=1時(shí)，所有通道均被斷開；當(dāng)INH=0時(shí)，那么根據(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。使用該控制端還可以方便地實(shí)現(xiàn)多通道的擴(kuò)展。S0S7：8個(gè)通道的輸入輸出通道。當(dāng)用作多到一開關(guān)使用時(shí)為輸入線，當(dāng)用作一到多開關(guān)使用時(shí)為輸出線。OUT：輸出/輸入公共端。利用S0S7和OUT引線可以完成輸入/輸出。2CD4051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

27、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。CD4051有1個(gè)公共輸出端，當(dāng)該輸入端為高電平時(shí)，不管數(shù)據(jù)輸入端和輸出端如何變化，在內(nèi)部的8個(gè)模擬開關(guān)均為關(guān)斷狀態(tài)。其真值表如表1所示。表1 CD4051真值表INH CBA所選通道0000S00001S1 0111S71S0S7均未選中3控制程序1消除抖動引起的誤差和機(jī)械開關(guān)類似，多路開關(guān)在通道切換時(shí)也存在抖動過程，會出現(xiàn)瞬變現(xiàn)象。假設(shè)此時(shí)采集多路開關(guān)輸出信號，就可能引入很大的誤差。影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。消除抖動的常用方法有兩種：一種是用硬件方法來實(shí)現(xiàn)，即用

28、RC濾波器除抖動；另一種是用軟件延時(shí)的方法來解決。在有微控制系統(tǒng)中，軟件方法較硬件方法更顯優(yōu)勢。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。這就要求控制器具有嚴(yán)格的定時(shí)機(jī)制。實(shí)踐中用定時(shí)器控制采樣時(shí)序。本設(shè)計(jì)是對32路模擬信號進(jìn)行采集，每路采集頻率為1.25KHz，那么系統(tǒng)總的采樣頻率為1.2532=40 KHz，也就是400s切換一次通道，采集一個(gè)數(shù)據(jù)。在本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，只需要設(shè)計(jì)定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)400s定時(shí)中斷，在中斷處理程序中采集數(shù)據(jù)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)定時(shí)器400s定時(shí)中斷，具體程序如附錄1所示。2.2.2 前置放大電路傳感器檢測出的信號一般是微弱的

29、，不能直接用于顯示、記錄、控制或進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。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。由于前置放大器要求輸入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以本設(shè)計(jì)選用高阻抗、低漂移的運(yùn)算放大器AD521作為前置放大器。AD521放大器的簡化原理如圖2所示。IX1=VO/RSBG4BG3BG1 BG22I2I鏡 象 電 流 源U+U-敏感端輸出端I-VI/RGI+VI/RGRGVI/RG=IRSIX2II基準(zhǔn)端VI圖2 AD521簡化原理圖工作原理：差分輸入電壓VI加在外接電阻RG兩端，在RG上產(chǎn)生的不平衡電流I=VI /RG；流過晶體管BG1和BG2，由于晶體管BG3和BG4為鏡象電流源所偏置

30、，迫使流過BG3和BG4集電極的電流相等。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，由于反應(yīng)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： (2-1)即放大器的放大倍數(shù)的計(jì)算公式為2-2所示： (2-2)可見，只要適當(dāng)改變RS / RG之比值即可改變放大器增益。其放大倍數(shù)可在11000的范圍內(nèi)調(diào)整。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0.11000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。此外，AD52

31、1與大多數(shù)由單個(gè)運(yùn)放組成的儀用放大器的不同點(diǎn)是： = 1. * Arabic 1不需要采用精密匹配的外接電阻。2輸入端可承受的差動輸入電壓可達(dá)30V，有較強(qiáng)的過載能力。3對各個(gè)增益段均進(jìn)行了內(nèi)部補(bǔ)償，并具有優(yōu)良的動態(tài)特性，其增益帶寬達(dá)40MHz。AD521放大器的典型外部接線圖如圖3所示。引腳OFFSET(4，6)用于調(diào)整放大器零點(diǎn)，調(diào)整線路是芯片4，6接到10千歐姆電位器的兩個(gè)固定端，電位器滑動端接負(fù)電源U-(腳5)。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)。引腳RS(10，13)用于外接電阻RS，電阻RS用于對放大倍數(shù)進(jìn)行微調(diào)。選擇RS=100千歐姆15%時(shí)，可以得到比

32、擬穩(wěn)定的放大倍數(shù)。 圖3 AD521的外部接線圖因?yàn)檫x擇RS=100千歐姆15%時(shí)，可以得到比擬穩(wěn)定的放大倍數(shù)，本設(shè)計(jì)選擇RS為100千歐姆，根據(jù)公式2-1可知，只要RG選擇不同的阻值，就可以得到不同的放大倍數(shù)，即就是增益值。表2所示為RG選擇不同的阻值，對應(yīng)的增益值。表2 增益表增益值RG1 兆歐姆1100千歐姆1010 千歐姆1001千歐姆1000100歐姆2. 采樣/保持電路由于模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量有一個(gè)過程，這個(gè)動態(tài)模擬信號在轉(zhuǎn)換過程中是不確定的，從而引起轉(zhuǎn)換器輸出的不確定性誤差，直接影響轉(zhuǎn)換精度。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。如果通過多路開關(guān)將各通道的信號按

33、時(shí)序分別直接送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換共享一個(gè)A/D，所得到的值就不是同一瞬時(shí)值，無法進(jìn)行比擬、判斷與計(jì)算。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。能完成上述任務(wù)的器件叫采樣/保持電路，簡稱采/保器S/H。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)，那么可以不用采樣/保持電路。最根本的采樣/保持電路由模擬開關(guān)、保持電容和緩沖放大器組成，如圖4所示圖中S為模擬開關(guān)，UC模擬開關(guān)S的控制信號，CH為保持電容。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

34、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)控制信號UC為保持電平時(shí)，開關(guān)S斷開，此時(shí)輸出電壓Uo保持模擬開關(guān)S斷開時(shí)的瞬時(shí)值。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。采樣/保持電路有兩種工作狀態(tài)，即“采樣和“保持狀態(tài)，在采樣狀態(tài)中，采樣/保持電路的輸出跟隨模擬輸入電壓。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。此時(shí)采樣/保持電路的輸出重新跟隨輸入模擬信號的變化，直到下一個(gè)保持命令發(fā)生時(shí)為止。UOUCCH模擬輸入信號驅(qū)動信號UISA 圖4 采樣/保持器原理

35、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。由于孔徑時(shí)間的存在，采樣時(shí)間被額外延遲了，在tAp期間輸出仍跟隨輸入變化。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。它包括模擬開關(guān)的導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間和建立跟蹤的穩(wěn)定時(shí)間，顯然，采樣周期必須大于捕捉時(shí)間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入的模擬信號UI。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

36、化，式2-3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。增大電容CH可減少這種變化，但捕捉時(shí)間tAC也隨之增大。此外，減小ID可減少這種變化。采用高輸入阻抗的運(yùn)算放大器，選擇優(yōu)質(zhì)電容如緝、聚四氟乙烯電容作保持電容以及選用漏電流小的模擬開關(guān)等措施，可以減少保持電壓的變化。 (2-3)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。因?yàn)橛绊懖蓸?保持器的誤差源比擬多，所以關(guān)鍵在于誤差的分析。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。所謂價(jià)格較低，是指采集時(shí)間為4s時(shí)，采

37、集誤差即處于輸入值到終值0.1%的誤差帶內(nèi)；采集時(shí)間為5s25s時(shí)，那么采集誤差為0.01%。單片集成/保持器大都需要外接保持電容。保持電容的質(zhì)量直接關(guān)系到采樣/保持器的精度。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，那么可對單片集成采樣/保持器做出如表3所示的誤差和性能估算。表3 采樣/保持器的誤差估算誤差源性 能誤 差采集誤差額定采集時(shí)間相應(yīng)的誤差0.01%增益誤差增益誤差溫度系數(shù)為1510-6/，溫度變化為25，所以增益誤差為1510-6250.0375%偏移溫漂誤 差偏移溫漂約為30V/，溫度變化25，所以最大偏移溫漂誤差為3025=750V。對于10V滿量程

38、輸入，誤差為750V/10V0.0075%非線性誤差一般額定值0.01%降落誤差與保持電容質(zhì)量關(guān)系很大，降落率dU/dt約為0.2V/s100V/s。且是溫度的函數(shù)。取dU/dt25=10V/s，那么+50時(shí)該值將增為10倍。假設(shè)保持時(shí)間10s，那么電壓降落為10V/s1010s=1mV，為滿量程值的0.01% 0.01%介質(zhì)吸收一般估計(jì)0.003%孔徑抖動未計(jì)算在內(nèi) 總誤差最壞情況 總靜態(tài)誤差均方根值0.078% 0.0421%常用的集成采樣/保持器有AD582、AD583、AD585以及國家半導(dǎo)體公司的LF198/298/398等。本設(shè)計(jì)選用AD582。AD582是美國Analog Dev

39、ices公司生產(chǎn)的通用型采樣保持器。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。它采用14腳雙列直插式封裝，其管腳及結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，其中腳1是同相輸入端，腳9是反相輸入端，保持電容CH在腳6和腳8之間，腳10和腳5是正負(fù)電源，腳11和腳12是邏輯控制端，腳3和腳4接直流調(diào)零電位器，腳2,7,13,14為空腳(NC)。 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。1有較短的信號捕捉時(shí)間，最短到達(dá)6s。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。2有較高的采樣/保持電流比，可到達(dá)10

40、7。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。3在采樣和保持模式時(shí)有較高的輸入阻抗，約30兆歐姆。4輸入信號電平可到達(dá)電源電壓US，可適應(yīng)于12位的A/D轉(zhuǎn)換器。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。6具有差動的邏輯輸入端+IN和-IN，利用差動的邏輯輸入端+IN和-IN，可以由任意的邏輯電平控制其開關(guān)。在高壓COMS的邏輯電平為0V和+9V時(shí)，-IN接入+5V后，那么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。7 AD582可與任何獨(dú)立的運(yùn)算放大器連接，以控制增益或頻率響應(yīng)，以及提供反相信號等。由于AD582的孔

41、徑時(shí)間tAP=50ns、捕捉時(shí)間tAC=6s，12位的AD574的轉(zhuǎn)換時(shí)間tCONV=25s，那么可以計(jì)算出系統(tǒng)可采集的最高信號頻率如式2-4所示。 (2-4)由2-4式可見，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能對頻率不高于15.53KHz的信號進(jìn)行采樣，使系統(tǒng)可采集的信號頻率提高了許多倍，大大改善了系統(tǒng)的采樣頻率。因此，在數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)中參加采樣/保持器是很有必要的。但是由采樣定理可知，一個(gè)有限帶寬的模擬信號是可以在某個(gè)采樣頻率下重新恢復(fù)而不喪失任何信號的，該采樣頻率至少應(yīng)為兩倍于最高信號頻率。這意味著帶采樣/保持器的數(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(gè)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可處理的

42、最高輸入信號頻率應(yīng)為式2-5所示。 (2-5)AD582是反應(yīng)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。根據(jù)“密勒效應(yīng)，這樣的接法相當(dāng)與在A2的輸入端接有點(diǎn)容C1H=(1+A2) CH (A2為運(yùn)算放大器A2的放大倍數(shù))。所以AD582外接較小的電容可獲得較高的采樣速率。當(dāng)精度要求不高(0.1%)而速度要求較高時(shí)，可選CH=100PF，這樣的捕捉時(shí)間tAC6us。當(dāng)精度要求較高(0.015%)時(shí)，為了減小饋送的影響和減緩保持電壓的下降，應(yīng)取CH=1000PF。因此，本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)根據(jù)對采集精度的要求可以配置不同的CH的，圖6為AD582的連接圖。圖6 A

43、D582的連接圖2.2.4 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)采集對象的性質(zhì)來選擇其類型。1. 系統(tǒng)A/D通道方案確實(shí)定 在數(shù)據(jù)采集中，要采集多個(gè)模擬信號，而且采集要求不盡相同。因此，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入通道方案多種多樣，應(yīng)該根據(jù)被測對象的具體情況確定6。目前，常見的系統(tǒng)A/D通道方案有以下幾種。1不帶采樣/保持器的A/D通道對于直流或低頻信號，通常可以不用采樣/保持器，直接用A/D轉(zhuǎn)換器采樣。2帶采樣/保持器的A/D轉(zhuǎn)換通道當(dāng)模擬輸入信號電壓最大變化率較大時(shí)，A/D通道需要使用采樣/保持器。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

44、持器的通道、多通道共享A/D轉(zhuǎn)換器的通道、多通道并行A/D轉(zhuǎn)換的通道。多路模擬通道共享采樣/保持器的通道是采用分時(shí)轉(zhuǎn)換工作方式。模擬開關(guān)在單片機(jī)控制下，分時(shí)選通各個(gè)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(jī)處理。由于各路信號的幅值可能有很大的差異，常在系統(tǒng)中放置放大器，使加到A/D輸入端的模擬電壓幅值處于FSR/2FSR范圍，以便充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的滿程分辨率。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。根據(jù)本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)被采集信號的數(shù)量、特性類型、帶寬、動態(tài)范圍等、精度和轉(zhuǎn)換速度的要求、各路模擬信號之間相位差的要求和工作環(huán)境要求等實(shí)際

45、情況，使之既在系統(tǒng)性能上到達(dá)或超過預(yù)期的指標(biāo)，又造價(jià)低廉。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。模擬多路開關(guān)模數(shù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)控 制 邏 輯模擬輸入信號放大器采樣保持 圖7 多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器圖如果在某一溫度調(diào)整轉(zhuǎn)換器的偏移和增益誤差為零，那么溫度改變時(shí)，偏移和增益誤差就不再是零了。因此，要對各項(xiàng)誤差做出估算。如表4所示。表4 A/D轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)誤差誤差源性 能誤 差量化誤差LSB/20.012%微分線性度誤差LSB/20.012%微分線性度溫漂誤差2510-6/ 250.0125%偏移溫漂誤差510-6/250.0125%增益溫漂誤差102010-6/ 250

46、.025%0.05%電源電壓誤差2%0.002%長周期變化一般估計(jì)0.02%總誤差最壞情況0.1135%總靜態(tài)誤差均方根值0.04040.0581%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。本系統(tǒng)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路選取逐次逼近型12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574，并用一片8位D鎖存器74LS373構(gòu)成系統(tǒng)控制存放器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。地址譯碼器由一片74LS1383-8 譯碼器以及門電路組成。AD574是美國Analog Devices公司生產(chǎn)的一種快速12位逐次比擬式A/D變換器，是單通道變換器。片內(nèi)具有三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器、電壓基準(zhǔn)和時(shí)鐘電路。溫度的調(diào)節(jié)范圍為20

47、40，十進(jìn)制分度為200，非線性誤差小于(1/2)LSB，一次轉(zhuǎn)換時(shí)間為25s，電源供電為15V(12V)和+5V；AD574具有轉(zhuǎn)換時(shí)間快，與單片機(jī)接口方便可直接采用雙極性模擬信號輸入等優(yōu)點(diǎn)。有著廣泛的應(yīng)用場合。1結(jié)構(gòu)與引腳 AD574的引腳圖如圖9所示。AD574由模擬芯片和數(shù)字芯片混合組成。模擬局部由高性能的12位A/D轉(zhuǎn)換器和參考電壓組成。數(shù)字局部由控制邏輯、逐次逼近存放器和三態(tài)輸出緩沖器構(gòu)成，控制邏輯發(fā)出啟/停及復(fù)位信號，控制轉(zhuǎn)換過程。由于芯片內(nèi)部的比擬輸入回路，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

48、，-10V+10V四種。2AD574的引腳功能CE：芯片允許工作控制端。CE=1時(shí)，允許；CE=0時(shí)，禁止。CS：片選線，低電平有效。CS與CE必須同時(shí)有效，AD574才能工作，否那么AD574處于禁止?fàn)顟B(tài)。R/：讀/啟動A/D控制端。R/=0時(shí)，啟動轉(zhuǎn)換；R/ =1時(shí)，讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。12/：數(shù)據(jù)格式選擇端。當(dāng)12/=1時(shí)，12位數(shù)據(jù)一次讀出，主要用于16位微機(jī)系統(tǒng)；12/ =0時(shí)，可與8位單片機(jī)接口。AD574采用左對齊數(shù)據(jù)方式。12/與A0配合，使12位數(shù)據(jù)分兩次讀出，A0=0時(shí)，讀取高8位，A0=1時(shí)，讀取低4位數(shù)據(jù)低半字節(jié)附加零。12/不能用TTL電平控制，必須用+5V或數(shù)字地控制。A

49、0：字選擇線。與CPU接口時(shí)，通常接至低位地址線。A0引腳有兩個(gè)作用，一是選擇字節(jié)長度，二是與8位微機(jī)接口時(shí)用作選擇讀出字節(jié)。啟動轉(zhuǎn)換時(shí)假設(shè)A0=1，那么AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10s；假設(shè)A0=0，那么按12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25s，與12/的狀態(tài)無關(guān)。讀操作中，A0=0時(shí)，高位數(shù)有效；而A0=1時(shí)，那么低4位數(shù)據(jù)有效。但12/=1接口+5V時(shí)，那么A0的狀態(tài)不起作用。 以上5種信號的電平狀態(tài)與芯片的操作對應(yīng)關(guān)系如表6所示。STS：工作狀態(tài)指示。STS=1時(shí)，轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行；STS=0時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束。10VIN：10V量程輸入端。20VIN：20V量程輸入端。REF IN、R

50、EF OUT：參考電壓輸入、輸出端。將REF OUT端通過100歐姆的精密電位器接至REF IN端即可進(jìn)行滿刻度校準(zhǔn)。DO11DO0：12位數(shù)據(jù)線，三態(tài)輸出鎖存，可直接與CPU數(shù)據(jù)總線相連。BIP OFF：雙極性偏移調(diào)節(jié)端。AGND、DGND：模擬地、數(shù)字地。VL：數(shù)字邏輯電路工作電源：+4.5+5.5V。VCC：模擬電路正工作電源：。VEE：模擬電路負(fù)工作電源：。 圖9 AD574的引腳圖表6 AD574的控制信號的作用CECSR/12/A0AD574的操作0禁止轉(zhuǎn)換，無操作1芯片接通，無操作1000啟動1次12位轉(zhuǎn)換1001啟動1次8位轉(zhuǎn)換101高電平接+5V允許12位并行輸出101低電平

51、接0V0允許高8位輸出101低電平接0V1允許低4位輸出后加4個(gè)03AD574的單極性和雙極性工作方式 AD574有單極性和雙極性兩種工作方式，后允許模擬輸入信號為雙極性信號。單極性模擬輸入有兩種量程：010V量程從AD574的10VIN引腳13輸入；020V量程從AD574的20VIN引腳14輸入。 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端用作滿量程調(diào)整。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。本系統(tǒng)中的AD574采用雙極

52、性工作方式，連接方法如圖10所示。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。W1和W2均為100歐姆電位器，用來調(diào)整零位和滿量程。4AD574與單片機(jī)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(jī)直接接口7。AD574與單片機(jī)的接口電路如圖11所示。該電路采用雙極性輸入方式，可對-5V+5v或-10V+10V模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。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。均為100歐姆電位器，用來調(diào)整零位和滿

53、量程。AD574的狀態(tài)信號STS與AT89S51的P端相連，采用查詢判斷A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。AT89S51的控制線RD和WR通過與非門接AD574的CE端。AT89S51的P通過鎖存器74LS373和非門接AD574的A0。AT89S51的P通過鎖存器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。AD574片選端CS端由譯碼器74LS138的譯碼信號來控制。AD574的12/8接數(shù)字地。設(shè)A/D全12位轉(zhuǎn)換，要求啟動轉(zhuǎn)換時(shí)，A0=0，即P=0；R/C=0，即P=0。故可確定啟動轉(zhuǎn)換時(shí)的端口地址為0F9H。因?yàn)?2/8接地，所以A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果分兩次讀出，高8位從D

54、11D4讀出，低4位從D3D0讀出。讀高8位結(jié)果時(shí)，要求A0=0，R/C=1；讀低4位結(jié)果時(shí)，要求A0=1，R/C=1。兩次讀出結(jié)果的端口地址分別為0FBH和0FAH。圖11 AD574與單片機(jī)的接口 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路D/A轉(zhuǎn)換局部也是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)重要局部，在數(shù)字控制系統(tǒng)中作為關(guān)鍵器件，用來把單片機(jī)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(jī)構(gòu)進(jìn)行控制或調(diào)解。除了新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)外，傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)大都是用模擬電壓或電流作為傳輸信號的。模擬量輸出通道的作用就是把計(jì)算機(jī)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(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制。能把數(shù)字量轉(zhuǎn)換

55、成模擬量的器件稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換器簡稱D/A轉(zhuǎn)換器或DAC。輸出接口電路、DAC是模擬量輸出通道的根本部件。由于實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)距離的信號傳輸時(shí)采用的是電流信號，而DAC通常輸出的是電壓故模擬量輸出通道一般具有電壓/電流V/I轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)8。此外，根據(jù)需要可能還要有零點(diǎn)和滿度調(diào)節(jié)部件。因數(shù)/模轉(zhuǎn)換器是模擬輸出通道的核心，所以通常也把模擬量輸出通道稱為D/A通道。1. D/A通道的結(jié)構(gòu)單片機(jī)周期地輸出控制數(shù)據(jù)給執(zhí)行機(jī)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。單個(gè)的D/A通道由數(shù)據(jù)鎖存器保持?jǐn)?shù)據(jù)，通道由輸出接口電路數(shù)據(jù)鎖存器、D/A轉(zhuǎn)換電路、V/I轉(zhuǎn)換電路等構(gòu)成。許多DAC芯片的輸入端都有數(shù)據(jù)鎖存器，這

56、時(shí)不需另加鎖存器。對于多模擬量輸出通道，有兩種不同的輸出量保持方式，即有兩種不同的結(jié)構(gòu)。一種方式是采用數(shù)據(jù)鎖存器保持輸出量，每個(gè)輸出通道都有獨(dú)立的數(shù)據(jù)鎖存器一般含在DA芯片內(nèi)及D/A轉(zhuǎn)換器。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是速度快，精度高，工作可靠，不用多路開關(guān)。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(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，通過多路開關(guān)進(jìn)行切換。由于各路共用一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度減慢，且輸出端靠保持電容模擬量信息，當(dāng)控制周期較長時(shí)，需要軟件刷新。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約了芯片。 由于D/A通道的第一種方式的轉(zhuǎn)換速度快，精度高，工作可靠，不用多路開關(guān)又節(jié)約了芯片降低了系統(tǒng)的造價(jià)，所以本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用D/A通道的第一種

57、方式。第一種方式如圖12所示。單片機(jī)輸出接口電路鎖存器1D/AV/ID/A鎖存器1V/I圖12 具有獨(dú)立DAC的多路模擬量輸出通道2. D/A轉(zhuǎn)換器的主要參數(shù)1分辨率當(dāng)輸入數(shù)字量發(fā)生單位變化數(shù)碼變化時(shí)，即LSB位產(chǎn)生一次變化時(shí)，所對應(yīng)輸出的是模擬量相對于滿量程的變化量，對于線性D/A轉(zhuǎn)換器來說，它等于1/2nn為二進(jìn)制位數(shù)。它對模擬量的分辨能力與數(shù)字量的位數(shù)n呈以下關(guān)系： (2-6)在實(shí)際使用中，表示分辨率的上下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。2絕對精度絕對精度是指在DAC的數(shù)字輸入端參加給定的數(shù)字代碼時(shí)，在輸出端實(shí)際測得的模擬輸出值與理論上應(yīng)有的模擬值之差。絕對精度

58、可用LSB的個(gè)數(shù)或它與滿刻度值之比的百分?jǐn)?shù)%來表示。描述絕對精度的參數(shù)有不調(diào)整總誤差、零碼誤差、滿刻度誤差或增益誤差和非線性誤差等。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(shí)際模擬輸出值與理論值之間的最大偏差。一般也用LSB的個(gè)數(shù)或它與滿刻度值之比的百分?jǐn)?shù)%來表示。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V/表示。5建立時(shí)間ts建立時(shí)間ts是描述D/A轉(zhuǎn)換速率的重要參數(shù)。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，通常=1/2LSB所經(jīng)歷的時(shí)間。3. 選用D/A芯片集成電路D/A轉(zhuǎn)換器

59、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(yùn)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。這些集成電路芯片是由大規(guī)模集成電路技術(shù)LSI實(shí)現(xiàn)的，它們有TTL、CMOS等用不同的邏輯和工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品，是典型的數(shù)字電路和模擬電路混合集成芯片。D/A有多種分類方法，各有不同特點(diǎn)。按數(shù)據(jù)輸入方式有并行、串行之分。按字長區(qū)分，那么有8、10、12、位之分，字長不同，微分階梯粗細(xì)不同。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。盡管如此，

60、但轉(zhuǎn)換原理根本上是一致的。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。可以直接與AT89S51單片機(jī)連接。DAC0832片內(nèi)含有輸入緩沖存放器和DAC鎖存器兩個(gè)8位存放器?？梢赃M(jìn)行兩級緩沖操作，具有很大的靈活性，可以采用流水線方式，一邊輸入數(shù)據(jù)一邊轉(zhuǎn)換上一次輸入的數(shù)據(jù)。因此，本設(shè)計(jì)選用美國半導(dǎo)體公司推出的8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832。(1) 根本特性 分辨率：8位。 電流穩(wěn)定時(shí)間：1s。 功耗：20mV。 單電源供電：+ 5V + 15V。 數(shù)字輸入與TTL兼容。可采用雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入三種工作方式。