实验一：《过程接口板设计》上机报告

1、 设计内容

设计一个32路的数据采集系统

2、 设计要求

1、输入信号为正负5V；用查询法读取A/D的转换数；

2、用Protel软件画出该数据采集板的原理线路图。

3、 设计过程

1、设计原理

系统总框图如图所示：

系统原理框图

根据系统原理框图得到设计的主要组成如下：

(1)多路数据输入单元。

(2)采样保持电路的A/D转换单元。

(3)硬件和单片机的连接电路。

(4)单片机输出的数据锁存和D/A转换单元。

其中设计包括：

① 模拟多路开关电路

② 运算放大电路

③ 采样保持电路

④ 模数转换电路

⑤ 硬件和单片机的连接电路

⑥ 数模转换电路

⑦ 转换开关保护电路

2、设计步骤

32路数据采集系统的硬件部分：分为多路数据输入部分、采样保持部分、A/D转换部分、硬件和单片机的连接电路部分、D/A转换部分。

1)多路开关的选择

多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路中。切换过程可在CPU或数字电路的控制下完成。

常用的模拟开关大都采用CMOS工艺，如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。

本实验要实现32路数据采集，则选择4片8选1的模拟开关CD4051。

CD4051由电平转换电路、译码驱动电路和CMOS模拟开关电路三部分组成。开关部分的供电电压为VEE(低端)和VDD(高端)，因此需要的控制电压为 VEE～VDD，电平转换电路将输入的逻辑控制电压(A、B、C、INH端)从VSS～VDD转换到VEE～VDD以满足开关控制的需要。

2)前置放大电路

传感器检测出的信号一般是微弱的，不能直接用于显示、记录、控制或进行A/D转换。因此，在进行非电量到电量转换之后，需要将信号放大。由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。

AD521的外部接线图

3)采样/保持电路

当输入信号为缓慢变化的信号时，在A/D转换期间的变化量小于A/D转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样/保持电路。当控制信号UC为采样电平时，开关S 导通，模拟信号通过开关S向保持电容CH充电，这时输出电压Uo跟踪输入电压UI的变化。

当控制信号UC为保持电平时，开关S断开，此时输出电压Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值。为使保持阶段CH上的电荷不被负载放掉，在保持电容CH与负载之间需加一个高输入阻抗缓冲放大器A。

UO

UC

CH

模拟输入信号

驱动信号

UI

A

采样/保持器原理图

采样/保持器的选择，是以速度和精度作为最主要的因素。因为影响采样/保持器的误差源比较多，所以关键在于误差的分析。AD582它由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成。它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图所示，其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容CH在脚6和脚8之间，脚10和脚5是正负电源；脚11和脚12是逻辑控制端；脚3和脚4接直流调零电位器；脚2，7，13，14为空脚(NC)。

AD582管脚图

由于AD582的以上特征，所以选择AD582采样保持器。

下图为AD582的连接图。

4)模/数转换电路

A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D转换器时，要根据系统采集对象的性质来选择其类型。

模

拟

多

路

开

关

模数

转换

单

片

机

控 制 逻 辑

模

拟

输

入

信

号

放大器

采样

保持

多通道共享采样/保持器与A/D转换器图

A/D转换器的选择

模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。地址译码器由一片74LS138(3-8 译码器)以及门电路组成。

AD574的工作方式

双极性模拟输入有两种量程：-5V～+5V量程从13引脚输入；-10V～+10V量程从引脚14输入。

此实验中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图所示。双极性偏移调节端BPLRof通过电位器W2接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压，参考电压输入端REF IN通过电位器W1接至参考电压输出端REF OUT。W1和W2均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。

5)AD574与单片机的接口电路

AD574的内部具有三态输出缓冲器，因此可以与单片机直接接口。AD574与单片机的接口电路如图所示。

AD574与单片机的接口

该电路采用双极性输入方式，可对-5V～+5v或-10V～+10V模拟信号进行转换。双极性偏移调节端BIP OFF接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压。均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。

AD574的状态信号STS与AT89S51的P1.0端相连，采用查询判断A/D转换是否结束。AT89S51的控制线RD和WR通过与非门接AD574的CE端。AT89S51的P0.0通过锁存器74LS373和非门接AD574的A0。AT89S51的P0.1通过锁存器74LS373接AD574的R/C端来控制AD574的转换状态和读取转换结果。AD574片选端CS端由译码器74LS138的译码信号来控制。AD574的12/8接数字地。

设A/D全12位转换，要求启动转换时，A0=0，即P0.0=0；R/C=0，即P0.1=0。故可确定启动转换时的端口地址为0F9H。因为12/8接地，所以A/D转换结果分两次读出，高8位从D11～D4读出，低4位从D3～D0读出。读高8位结果时，要求A0=0，R/C=1；读低4位结果时，要求A0=1，R/C=1。两次读出结果的端口地址分别为0FBH和0FAH。

6)、D/A转换器接口电路设计

若应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求同步输出时，则可以选择单缓冲接口方式。在单缓冲接口方式下，ILE接+5V始终保持有效，由写信号控制数据的锁存，和相连，接单片机的WR，数据同时写入两个寄存器。传送允许信号与片选相连，选中DAC0832后，写入数据立即启动转换。

4、 设计结果

单片机有4个并行I/O口。本设计采用P0口作为AD574和DAC0832的数据输入口。P1.0接AD574的STS用来指示AD574是否转换完成，89S51的RD和WR通过与非门接AD574的CE端，用来使能AD574的数据输出。74LS138的Y5端接两片DAC0832的XFER作为传送控制信号，89S51的WR接两块DAC0832的WE1，WE2。

74LS138的片选接74LS373的LE，AD574的片选，两片DAC0832的片选，用74LS139作为四片CD4051的片选。

单片机控制的多路数据采集系统硬件电路图如下页所示

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