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1、微型计算机原理及接口技 术课程设计微型计算机原理及接口技术课程设计微型计算机原理及接口技术课程设计 数据采集系统设数据采集系统设计计学院：学院： 专业：专业： 电子信息工程电子信息工程班级：班级： 学号：学号： 姓名：姓名： 指导教师：指导教师： 第一部分第一部分课程设计任务书课程设计任务书一、设计内容（论文阐述的问题）一、设计内容（论文阐述的问题）设计一个数据采集系统基本要求：要求具有 8 路模拟输入输入信号为 0500mV 采用数码管 8 位，显示十进制结果输入量与显示误差12 位）时价格很高。3）并行比较型/串并行比较型（如 TLC5510）并行比较型 AD 采用多个比较器，仅作一次比较
2、而实行转换，又称 FLash(快速)型。由于转换速率极高，n 位的转换需要 2n-1 个比较器，因此电路规模也极大，价格也高，只适用于视频 AD 转换器等速度特别高的领域。串行比较型 AD 结构上介于并行型和逐次比较型之间，最典型的是由 2 个 n/2 位的并行型AD 转换器配合 DA 转换器组成，用两次比较实行转换，所以称为 Half flash(半快速)型。还有分成三步或多步实现 AD 转换的叫做分级（Multistep/Subrangling）型 AD，而从转换时序角度又可称为流水线（Pipelined）型 AD，现代的分级型 AD 中还加入了对多次转换结果作数字运算而修正特性等功能。这
3、类 AD 速度比逐次比较型高，电路规模比并行型小。4）-(Sigma?/FONTdelta)调制型（如 AD7705）- 型 AD 由积分器、比较器、1 位 DA 转换器和数字滤波器等组成。原理上近似于积分型，将输入电压转换成时间(脉冲宽度)信号，用数字滤波器处理后得到数字值。电路的数字部分基本上容易单片化，因此容易做到高分辨率。主要用于音频和测量。5）电容阵列逐次比较型电容阵列逐次比较型 AD 在内置 DA 转换器中采用电容矩阵方式，也可称为电荷再分配型。一般的电阻阵列 DA 转换器中多数电阻的值必须一致，在单芯片上生成高精度的电阻并不容易。如果用电容阵列取代电阻阵列，可以用低廉成本制成高精
4、度单片 AD 转换器。最近的逐次比较型 AD 转换器大多为电容阵列式的。6）压频变换型（如 AD650）压频变换型（Voltage-Frequency Converter）是通过间接转换方式实现模数转换的。其原理是首先将输入的模拟信号转换成频率，然后用计数器将频率转换成数字量。从理论上讲这种 AD 的分辨率几乎可以无限增加，只要采样的时间能够满足输出频率分辨率要求的累积脉冲个数的宽度。其优点是分辩率高、功耗低、价格低，但是需要外部计数电路共同完成AD 转换。考虑到设计指标要求 8 路模拟输入，可采用的 A/D 转换器有多种如：AD574、ADC0809、ADC0804 等，但是 ADC0809
5、 本身具有 8 路模拟输入端，不需要多路开关，考虑节省硬件开支故采用 ADC0809 作为模数转换器。2、ADC0809 的技术指标如下 ：（1）主要特性1）8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。 2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为 100s4）单个5V 电源供电 5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-4085 摄氏度 7）低功耗，约 15mW。 （2）内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，内部结构如图 2 所示，它由 8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8 路开关树型 D/A 转换、逐次逼近型寄存器、三
6、态输出锁存器等其它一些电路组成。因此，ADC0809 可处理 8 路模拟量输入，且有三态输出能力，既可与各种微处理器相连，也可单独工作。输入输出与 TTL 兼容。图 2 ADC0809 内部结构框图图 3 ADC0809 管脚图（3）外部引脚功能 ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装，如图 3 所示。下面说明各引脚功能。 IN0IN7：8 路模拟量输入端。2-12-8：8 位数字量输出端。ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线用于选择 8 路模拟输入中的一路，如表 1表 1 ADDA、ADDB、ADDC 真值表ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START
7、： AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源，单一5V。 GND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动
8、AD 转换，之后 EOC 输出信号变低，指示转换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。三、传感器三、传感器在此仅对压力做出详细介绍。温度，流量，位移等只需用相应的传在此仅对压力做出详细介绍。温度，流量，位移等只需用相应的传感器来对其做出相对应的变化。感器来对其做出相对应的变化。3.1.1 应变式传感器的测量原理应变式传感器的测量原理应变式电阻传感器的工作原理：当导体或半导体受到外力作用时，会产生机械变形， 从而导致阻值变化。导体与半导体的
9、电阻与电阻率及其几何尺寸有关。当导体受外力作用 时，电阻率及几何尺寸的变化会引起电阻的变化。因此，通过测量电阻值的大小，就可以 反映外界力的大小。3.1.2 传感器的分类传感器的分类应变片式电阻传感器按其测量电路（桥式）可分为单臂式、半桥式、全桥式三种。 所谓半桥，即将电桥的四臂接入四应变片。其中：一片受拉，一片受压，另外两应变片不 受力。全桥是两片受拉，两片受压，故灵敏度比半桥式的大一倍。 本方案采用全桥式传感。3.1.3 传感器的选择传感器的选择 电阻型应变片传感器的测量电路可采用桥式测量电路。桥式测量电路有四个电阻，其 中任何一个电阻均可以是应变片。如能恰当的选择个桥臂的电阻，可以消除电
10、桥的恒定输 出，使输出电压只与应变片的电阻有关。3.1.4 传感器的电路图传感器的电路图3.23.2 放大器放大器3.2.1 放大器的原理放大器的原理运算放大器的核心是一个差动放大器，由两个三极管背靠背连着，共同分担一个恒流 源的电流，三极管一个是运放的正向输入，一个是反向输入正向输入的三极管放大后送到 一个功放电路放大输出3.2.2 放大器的分类放大器的分类放大器可分为；分立元件放大器和集成运算放大器 集成运算放大器可分为：1 通用性运放 2 低失调低温漂运放 3 高输入阻抗运放 4 斩波稳零运放 3.2.3 放大器的的设计放大器的的设计放大器的设计，就是根据给定的技术指标，确定电路方案、选
11、择电子器件、计算电路 各元件参数。一般根据电信号的频带而对放大器的设计进行考虑。由于电子器件的离散型 以及环境、温度和其他条件的随机性，使理论与实际结果不符，需要在实验中反复调试、 修正，直到满足指标要求。在通常情况下，采用集成运放设计放大器会使电路既简单又易 于调试，而且稳定性高。 集成运算放大器是一种高输入阻抗、低输出阻抗、高放大倍数且便于调试的优质放大 器。集成运放内部电路由偏置电路、中间放大器、输出及过载保护电路组成。运放的开环 放大倍数可达 106；当它构成闭环负反馈放大电路时，其电压放大倍数只取决于外加电 阻值的大小，与运放本身无关，安装调试十分简单。2.2.4 集成运放的选用原则
12、集成运放的选用原则【1】如果没有特殊的要求，一般选用通用型运放，因为这类器件直流性能较好，种类也 较多，且价格较低。在通用运放系列中，又有单运放、双运放、四运放等多种，对 于多运放器件，其最大的特点是内部对称性好，这样也可以减少器件、简化线路、 缩小面积和降低成本。 【2】如果被放大信号源的输出阻抗很大，则可选用高输入阻抗的运算放大器，另外像采 样|保持电路、峰值检波、优质对数放大器和积分以及生物信号放大、提取、测量 放大器电路等也需使用高输入阻抗集成运放。 【3】如果系统对放大电路要求低噪声、低温漂、高精度，则可以选用高精度、 低漂移的低噪声集成运放，适用于再毫伏级或更微弱的信号检测、精密模
13、拟运算、高精度 稳压源、高增益直流放大、自控仪表等场合。 【4】对于视频信号放大、高速采样|保持、高频振荡及波形发生器、锁相环等场合，则 应选用高速宽带集成运放。 【5】对于要求低功耗场合，如便携式仪表、遥感遥测等场合，可选用低功耗运放；对于 需要高压输入|输出场合，可选用高压运放；对于需增益控制场合，可选用程控运 放；其他如宽范围电压振荡、伺服放大和驱动、DC-DC 变换等场合，可选用跨导型、 电流型等相应的集成运放。 一般来讲，选择器件的原则是在满足所需电气特性的前提下，尽可能选择价格低廉、 市场供货充足的器件，即选用性能价格比高、通用性强的器件。在本实验中，选用 AD620 型放大器即可
14、满足电路所需。3.2.5 放大器的参数放大器的参数在分析运放时，一般将它看成理想运放。理想运放的开环放大倍数为无穷大，输入偏置电 流为零，输入电阻为无穷大，输出电阻为零，失调电压和失调电流及温漂为零。AD620 的参数：最大输入失调电压 125uv(最大电流 50uA)最大输入失调漂移 1uv/最大输入偏置电流 20nA最小共模抑制比（G=10）为 93dB带宽 120KHz（G=100）建立时间 15us（0.01%）工作温度范围：-55+125电源电压极限范围18V差分输入电压极限范围25V3.2.6 放大器的电路图放大器的电路图3.3 采采样样/保保持持电电路路采样/保持电路在下列情况被
15、使用： 逐次比较 A/D 转换器前端 同时数据采集3.3.1 采采样样/保保持持电电路路的的原原理理采样/保持电路可用图 2 - 1 来体现其原理 采样/保持电路通常用保持电容、输入输出缓冲放大器、逻辑输入控制的开关电路等组 成。采样期间，逻辑输入控制的模拟开关是闭合的，A1 是高增益放大器，它的输出通过开 关给电容器快速充电；保持期间，开关断开，由于运算放大器 A2 输出阻抗很高，在理想情 况下，电容器将保持充电时的最终值。图图 2 2 1 1 在采样期间，期望电容上的电压和输入信号一致，并跟随输入信号的变化；而在保持 期间能使电容上的电压不变并和输出保持一致。但实际上由于受到运算放大器性能
16、的限制， 实际采样/保持电路的输入输出曲线如图 2 2图图 2 2 - - 2 2 3.3.2 采采样样/保保持持电电路路的的参参数数在保持方式时，采样/保持电路的两个重要参数是：电压跌落率和保持方式的前馈。影响电压跌落率的因素有电容的泄露电流，开关的泄露电流和输出放大器泄露电流，clIslIsI及其它杂散泄露电流，电容的电压变化率为： Htvc CI dd3.33.33 3 采采样样/保保持持电电路路的的采采样样频频率率采样频率必须满足采样定理 Fs=2fmax，fma 为被采样信号的最高频率。3.4 AD 转转换换器器3.4.13.4.1 AD0809AD0809 的工作原理的工作原理AD0809 为 8 位逐次比较型模数转换器，包含模数转换器、8 通道多路转换器以及与微 控制器兼容的控制逻辑。8 个单独模拟信号可从 8 通道多路转换器直接输入。 1. A
