单片机控制的多路数据采集系统毕业论文

毕业论文单片机控制多路数据采集系统摘要本设计主要完成了基于AT89S51单片机控制的数据采集系统的硬件电路设计以及相应的软件设计。本系统的硬件设计主要包括多路转换开关及前置放大电路的设计，采样保持电路的设计，模数转换电路的设计，数模转换电路的设计。多路转换开关及前置放大电路的设计中重点介绍了多路开关的选择、AD521放大倍数的计算以及多路开关CD4051和放大器AD521硬件连接电路。采样保持电路的设计中重点介绍了采样保持电路的原理和主要参数以及采样保持器的选择和连接电路。模数转换电路的设计中重点介绍了系统A/D通道的选择和A/D转换器的各项误差分析以及A/D转换器AD574的介绍、输入方式和连接电路。数模转换电路的设计中重点介绍了D/A通道的选择，D/A转换器的选择以及D/A转换器DAC0832的介绍、连接电路和DAC0832的输出方式。硬件设计中还介绍了单片机的选择，单片机AT89S51的时钟电路和复位电路。本系统的软件设计主要包括编译器的选择，各部分的流程图以及程序的设计。本设计中还分析了系统的性能及误差。本设计基本上实现了对多路数据采集的设计，但是由于时间紧凑以及自己的知识水平有限等原因，没有对所设计的整个系统进行调试及仿真，因而也就没能做出实物出来；同时可能有很多问题还没有发现，希望老师和同学给予指出。关键词数据采集；AT89S51单片机；CD4051；DAC0832ABSTRACTCOMPLETEDTHEDESIGNOFTHEMAINAT89S51MICROCONTROLLERBASEDDATAACQUISITIONSYSTEMHARDWAREDESIGNANDTHECORRESPONDINGSOFTWAREDESIGNTHEHARDWAREDESIGNOFTHESYSTEMINCLUDEMULTISWITCHANDPREAMPLIFIERCIRCUITDESIGN,SAMPLEANDHOLDCIRCUIT,ADCCIRCUITDESIGN,DIGITALTOANALOGCONVERSIONCIRCUITMULTISWITCHANDPREAMPLIFIERCIRCUITDESIGNHIGHLIGHTSTHECHOICEOFMULTIWAYSWITCH,AD521,ANDTHECALCULATIONOFTHEMAGNIFICATIONCD4051MUXHARDWARECONNECTIONCIRCUITANDAMPLIFIERAD521SAMPLEANDHOLDCIRCUITDESIGNFOCUSESONTHEPRINCIPLESOFSAMPLEANDHOLDCIRCUITANDTHEMAINPARAMETERSANDSAMPLEANDHOLDCIRCUITFORTHESELECTIONANDCONNECTIONANALOGDIGITALCONVERSIONCIRCUITSFOCUSEDONTHEDESIGNOFTHESYSTEMA/DCHANNELSELECTIONANDA/DCONVERTEROFTHEERRORANALYSISANDA/DCONVERTERAD574INTRODUCTION,INPUTANDCONNECTIONCIRCUITSDIGITALANALOGCONVERSIONCIRCUITDESIGNHIGHLIGHTSTHED/ACHANNELSELECTION,D/ACONVERTERSELECTIONANDD/ACONVERTERDAC0832INTRODUCTION,CONNECTINGTHEOUTPUTCIRCUITANDTHEDAC0832ITALSODESCRIBESTHEHARDWAREDESIGN,THECHOICEOFMICROCONTROLLER,MICROCONTROLLERAT89S51THECLOCKCIRCUITANDRESETCIRCUITTHESOFTWAREDESIGNINCLUDESTHECHOICEOFCOMPILER,VARIOUSPARTSOFTHEFLOWCHARTANDPROGRAMDESIGNTHISDESIGNALSOANALYZEDTHESYSTEMPERFORMANCEANDERRORSTHEDESIGNISBASICALLYREALIZEDTHEDESIGNOFMULTICHANNELDATAACQUISITION,BUTBECAUSEOFTIGHTTIMEANDLIMITEDKNOWLEDGEOFTHEIROWNREASONS,NOTTHEENTIRESYSTEMISDESIGNEDFORDEBUGGINGANDSIMULATION,ANDTHUSHAVENOTBEENABLETOMAKEINKINDOUTTHESAMETIMETHEREMAYBEMANYPROBLEMSHAVENOTBEENFOUND,GIVINGHOPETHATTEACHERSANDSTUDENTSKEYWORDSDATAACQUISITIONAT89S51MICROCONTROLLERCD4051DAC0832目录第一章引言111多路数据采集系统简介112本设计的主要任务1第二章系统硬件设计321硬件设计思想322硬件电路设计4221多路转换开关4222前置放大电路6223采样/保持电路8224模/数转换电路12225数/模转换电路17226硬件和单片机的连接电路22第三章系统的软件设计2631KEILC51编译器简介26311UVISION2集成开发环境26312编辑器和调试器2732程序流程图28321主程序流程图28322A/D转换程序的流程图和D/A转换程序的流程图2933系统总图30第四章系统性能及误差分析3141系统可靠性措施31411低功耗措施31412抗干扰措施31第五章结论32致谢33参考文献34附录135附录2（系统硬件总图）38第一章引言11多路数据采集系统简介在工业生产和科学技术研究过程的各行业中，常常要对各种数据进行采集，随着现代化工业的发展，多路数据采集系统成为日益重要的技术，广泛应用于工农业等行业。多路数据采集系统通常采用的方法有，用微机控制，微机在工业领域中的一个主要应用就是与原有设备相结合，构成新的数字化、智能化的测控系统，从而提高原有设备的性能，但微机设备复杂、成本较高，使得微机控制的数据采集系统技术难度、成本都相应的提高，从而制约了微机在数据采集这方面的应用。随着单片机技术的飞速发展，应用领域日益扩大，各种型号、系列的单片机不断推出，许多新技术、新工艺被采用，因而具有更高的性能价格比1。单片机控制的多路数据采集系统使用非常方便、性能优越、运行可靠、广泛地应用于各行各业。本文利用AT89S51单片机设计了一个多路数据采集系统，着重介绍该系统的特点及实现方法。本设计采用单片机作为控制来构成多路数据采集系统，并完成了软硬件的设计。在过程控制及各种仪器表仪表中，由微型计算机进行实时控制及实时数据处理，单片机所加工的信息总是数字量。被控制或测量对象的有关参量往往是一些连续变化的模拟量，如温度、湿度、压力、流量、速度等。系统通过多路模拟开关采集多路数据，使其通过多路模拟转换开关，把采集到的多路模拟信号经过放大、采样保持、A/DANALOGTODIGITALCONVERTER，模数转换器转换电路转换成数字信号，输入单片机进行处理，处理后发出的数字信号经过D/ADIGITALTOANALOGCONVERTER，数模转换器2转换电路转换成模拟信号。从而达到采集数据，监控，滤波等目的。本设计的系统实现了一种高性能、高智能的实用型多路数据采集系统，可达到对收集的数据进行监控，滤波等目的。12本设计的主要任务本设计用单片机控制多路数据采集系统，本文着重介绍该系统的工作原理及硬件与软件设计，本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。多路数据采集系统的方案及总体设计，包括主体电路的设计和单片机控制电路的设计（要用到单片机的控制整个系统），因此要完成单片机应用系统的硬、软件设计并采样保持完成软件调试，以满足整个系统的要求。整个系统的设计包括硬件设计和软件设计两部分。硬件设计主要完成多路数据采集整个硬件电路及I/O接口的设计包括模拟多路开关电路、运算放大电路、采样保持电路、模数转换电路、硬件和单片机的连接电路、数模转换电路、转换开关保护电路等组成；软件设计主要完成控制整个系统的应用程序与调试。包括主程序、A/D和D/A转换程序、多路开关控制以及I/O接口控制等程序的设计。系统总框图如图1所示。图1系统总框图器数据传感器传感器多多路模拟开关路转换开关前置放大单片机数模转换执行机构模数转换传感器第二章系统硬件设计21硬件设计思想多路数据采集系统的正常运行依赖于整个系统硬件设备的科学设计。根据课题设计任务的要求，结合软件的设计，选择合适的电路元件，设计合理的接口电路以便能够高效率、稳定合理、方便的实现多路数据采集。多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）多路数据输入部分在不要求高速采样的场合，一般采用共享的A/D转换通道，分时对各路模拟量进行模/数转换，目的是简化电路，降低成本。用模拟多路开关来轮流切换模拟量与A/D转换器间的通道，使得在一个特定的时间内，只允许一路模拟信号输入到A/D转换器，从而实现分时转换的目的。一般模拟多路开关有2N个模拟输入端，N个通道选择端，由N个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。有规律地周期性改变N个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的A/D转换器分时复用对各通道模拟信号进行周期性的转换。在数据采集时，来自传感器的模拟信号，一般都是比较弱的电平信号，因此需要放大电路把输入的模拟信号进行适当的放大。放大器的作用是将这些微弱的输入信号进行放大，以便充分利用A/D转换器的满量程分辨率。为了充分利用A/D转换器的分辨率（A/D转换器输出的数字位数），就要把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应得电平值。（2）采样保持部分模拟信号进行A/D转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间。在这个转换时间内，模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证，特别当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住，而在A/D转换结束后又要跟踪输入信号的变化。实现这种功能可以用采样/保持器来实现，因而，由于采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采集频率。（3）A/D转换部分因为单片机只能处理数字信号，所以需要把模拟信号转换成数字信号，实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心，因此，A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。（4）硬件和单片机的连接部分该部分用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整，然后再传给单片机。单片机及外设负责对数据采集系统的工作进行管理和控制，并对采集到的数据作相应的处理。（5）D/A转换部分D/A转换部分也是数据采集系统的一个重要部分，在数字控制系统中作为关键器件，用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调节。22硬件电路设计本系统的硬件设计主要包括多路转换开关及前置放大电路的设计，采样保持电路的设计，模数转换电路的设计，数模转换电路的设计。221多路转换开关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。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。本设计是实现32路数据采集，所以选择4片8选1的模拟开关。模拟多路开关中，不可避免导通电阻RON的存在。RON使信号电压产生跌落，跌落量与流过开关的电流成正比3。设计中希望RON越小越好，但是RON越小的器件价格越高。所以根据器件的价格和系统的容忍度，选择RON的值。多路开关的主要参数是精度和速度。多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示。多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。传输误差是衡量多路开关的一个指标，多路开关的传输误差包括两个方面。（1）多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。当要求精度为001时，负载阻抗就应至少是开关导通电阻与信号源阻抗之和的104倍。在数据采集系统中，多路开关的负载一般是采样/保持器。因为典型的多路开关的导通电阻为200欧姆200千欧姆，所以，如果信号源阻抗在几百欧姆以下，则作为负载的采样/保持器，其输入阻抗应在108欧姆以上。（2）多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压，而漏电流与工作温度关系很大。因此，应该根据最高工作温度时的漏电流来计算偏移误差。通过率是衡量多路开关的另一个指标，是多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。它一方面取决于多路开关建立时间，并与规定的建立精度有关，另一方面为了避免两个通道同时接通，多路开关被设计为“先断后通”，这增加了断开到接通的延时，影响了通过率的提高。在确定多路开关的通过率时，要跟据系统的采样速率来考虑。根据上面的分析，本设计选用的是采用CMOS工艺的8选1开关CD4051。CD4051的模拟信号范围为75V，导通电阻RON为125欧姆，关断漏电流为01A，开关时间为120NS。2多路转换开关CD4051CD4051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VEEVDD，电平转换电路将输入的逻辑控制电压（A、B、C、INH端）从VSSVDD转换到VEEVDD以满足开关控制的需要。（1）CD4051的引脚功能及使用方法VEE、VDD、VSS电源线。VSS接地。单极性信号输入时，VEE和VDD分别接地和正电压，双极性输入时，VEE和VDD分别接负电压和正电压。VDD与VEE之差最大为16V。C、B、A通道地址。当CBA000B111B时，可选择通道S0S7。INH禁止控制端。INH1时，所有通道均被断开；当INH0时，则根据CBA的值选择一个确定的通道与输出接通（即可选择一个由CBA确定的输入通道与输出通道）。使用该控制端还可以方便地实现多通道的扩展。S0S78个通道的输入输出通道。当用作多到一开关使用时为输入线，当用作一到多开关使用时为输出线。OUT输出/输入公共端。利用S0S7和OUT引线可以完成输入/输出。（2）CD4051原理在用作8选1模拟多路开关时，CD4051有8个数据输入端，在3个选择输入端A、B、C的控制下，从8个模拟开关中选择1个模拟开关使之导通，将相应的输入数据通过导通的模拟开关送到公共输出端。CD4051有1个公共输出端，当该输入端为高电平时，不论数据输入端和输出端如何变化，在内部的8个模拟开关均为关断状态。其真值表如表1所示。表1CD4051真值表INHCBA所选通道0000S00001S10111S71S0S7均未选中3控制程序（1）消除抖动引起的误差和机械开关类似，多路开关在通道切换时也存在抖动过程，会出现瞬变现象。若此时采集多路开关输出信号，就可能引入很大的误差。影响测量结果的准确性。消除抖动的常用方法有两种一种是用硬件方法来实现，即用RC滤波器除抖动；另一种是用软件延时的方法来解决。在有微控制系统中，软件方法较硬件方法更显优势。（2）准确定时实际应用中，需要对多路信号进行连续采样，并且每次采样的间隔也有严格的要求。这就要求控制器具有严格的定时机制。实践中用定时器控制采样时序。本设计是对32路模拟信号进行采集，每路采集频率为125KHZ，那么系统总的采样频率为1253240KHZ，也就是400S切换一次通道，采集一个数据。在本设计的系统中，只需要设计定时器，实现400S定时中断，在中断处理程序中采集数据。在设计系统时，设计定时器400S定时中断，具体程序如附录1所示。222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4。由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以本设计选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。AD521放大器的简化原理如图2所示。IX1VO/RSBG4BG3BG1BG22I2I镜象电流源UU敏感端输出端IVI/RGIVI/RGRGVI/RGIRSIX2II基准端VI图2AD521简化原理图工作原理差分输入电压VI加在外接电阻RG两端，在RG上产生的不平衡电流IVI/RG；流过晶体管BG1和BG2，由于晶体管BG3和BG4为镜象电流源所偏置，迫使流过BG3和BG4集电极的电流相等。因此由差分输入电压所产生的不平衡电流流过另一个外接电阻RS，由于反馈放大器的作用，该放大器的输出电压VO和电阻RS两端的电压保持相等，因此可得21GSIORV即放大器的放大倍数的计算公式为22所示22GSIO可见，只要适当改变RS/RG之比值即可改变放大器增益。其放大倍数可在11000的范围内调整。作为一个精密的仪用放大器，AD521仅有两只增益调整电阻RG和RS，通过调整RG和RS的阻值，可使放大器在011000增益值范围内取得任意值，电阻RG和RS之比率的调整不会影响AD521的高CMR（达120DB），或高输入阻抗（3109欧姆）。此外，AD521与大多数由单个运放组成的仪用放大器的不同点是（1）不需要采用精密匹配的外接电阻。（2）输入端可承受的差动输入电压可达30V，有较强的过载能力。（3）对各个增益段均进行了内部补偿，并具有优良的动态特性，其增益带宽达40MHZ。AD521放大器的典型外部接线图如图3所示。引脚OFFSET4，6用于调整放大器零点，调整线路是芯片4，6接到10千欧姆电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源U脚5。引脚RG2，14）用于外接电阻RG，电阻RG用于调整放大倍数。引脚RS10，13用于外接电阻RS，电阻RS用于对放大倍数进行微调。选择RS100千欧姆15时，可以得到比较稳定的放大倍数。7121310811645111423AD52115V15VRG10KRS100K输入输出图3AD521的外部接线图因为选择RS100千欧姆15时，可以得到比较稳定的放大倍数，本设计选择RS为100千欧姆，根据公式（21）可知，只要RG选择不同的阻值，就可以得到不同的放大倍数，即就是增益值。表2所示为RG选择不同的阻值，对应的增益值。表2增益表增益值RG011兆欧姆1100千欧姆1010千欧姆1001千欧姆1000100欧姆223采样/保持电路由于模拟量转换成数字量有一个过程，这个动态模拟信号在转换过程中是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬时值。如果通过多路开关将各通道的信号按时序分别直接送入A/D转换器进行转换（共享一个A/D），所得到的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。因此，要求输入同一瞬时的模拟量在整个模数转换过程中保持不变，但在转换之后，又要求A/D转换器的输出端能跟踪输入模拟量的变化。能完成上述任务的器件叫采样/保持电路，简称采/保器（S/H）。当输入信号为缓慢变化的信号，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。最基本的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和缓冲放大器组成，如图4所示图中S为模拟开关，UC模拟开关S的控制信号，CH为保持电容。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。采样/保持电路有两种工作状态，即“采样”和“保持”状态，在采样状态中，采样/保持电路的输出跟随模拟输入电压。一旦发出保持命令，采样/保持电路将保持采样命令撤消时刻的采样值，直到保持命令撤消并再次接到采样命令为止。此时采样/保持电路的输出重新跟随输入模拟信号的变化，直到下一个保持命令发生时为止。UOUCCH模拟输入信号驱动信号UISA图4采样/保持器原理图1采样/保持电路的主要参数（1）孔径时间TAP在采样/保持电路中，由于模拟开关S有一定的动作滞后，保持命令发出后到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间TAP。由于孔径时间的存在，采样时间被额外延迟了，在TAP期间输出仍跟随输入变化。（2）捕捉时间TAC采样/保持电路的控制信号UC由“保持”电平转为“采样”电平之后，其输出电压UO将从原保持值过渡到跟随输入信号UI值，这段过渡时间称为捕捉时间TAC。它包括模拟开关的导通延时时间和建立跟踪的稳定时间，显然，采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入的模拟信号UI。（3）保持电压衰减率在保持状态下，由于保持电容的漏电流会使保持电压发生变化，式23中ID为保持阶段保持电容CH的泄漏电流，它包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关断开时的漏电流、电容内部的漏电流等。增大电容CH可减少这种变化，但捕捉时间TAC也随之增大。此外，减小ID可减少这种变化。采用高输入阻抗的运算放大器，选择优质电容如缉、聚四氟乙烯电容作保持电容以及选用漏电流小的模拟开关等措施，可以减少保持电压的变化。23HDTUCID02采样/保持器的选择与连接电路采样/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。在选择时，一般优先考虑单片集成产品，因为它具有中等性能而价格较低。所谓价格较低，是指采集时间为4S时，采集误差即处于输入值到终值01的误差带内；采集时间为5S25S时，则采集误差为001。单片集成/保持器大都需要外接保持电容。保持电容的质量直接关系到采样/保持器的精度。一般工作温度范围为050，并已在25时调整偏移误差和增益误差至零，则可对单片集成采样/保持器做出如表3所示的误差和性能估算。表3采样/保持器的误差估算误差源性能误差采集误差额定采集时间相应的误差001增益误差增益误差温度系数为15106/，温度变化为25，所以增益误差为151062500375偏移温漂误差偏移温漂约为30V/，温度变化25，所以最大偏移温漂误差为3025750（V）。对于10V满量程输入，误差为750V/10V00075非线性误差一般额定值001降落误差与保持电容质量关系很大，降落率DU/DT约为02V/S100V/S。且是温度的函数。取DU/DT（25）10V/S，则50时该值将增为10倍。假设保持时间10S，则电压降落为10V/S1010S1MV，为满量程值的001001介质吸收一般估计0003（孔径抖动未计算在内）总误差（最坏情况）0078总静态误差（均方根值）00421常用的集成采样/保持器有AD582、AD583、AD585以及国家半导体公司的LF198/298/398等。本设计选用AD582。AD582是美国ANALOGDEVICES公司生产的通用型采样保持器。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5。它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图如图6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。IN1NC2NULL3NULL4US5CH6NC7OUTPUT8IN9US10L11L12NC13NC14图5AD582管脚图由于AD582的以下特征，本设计所以选择AD582采样保持器。（1）有较短的信号捕捉时间，最短达到6S。该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。（2）有较高的采样/保持电流比，可达到107。该值是保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值，是保证采样/保持器质量的标志。（3）在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约30兆欧姆。（4）输入信号电平可达到电源电压US，可适应于12位的A/D转换器。（5）具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。（6）具有差动的逻辑输入端IN和IN，利用差动的逻辑输入端IN和IN，可以由任意的逻辑电平控制其开关。在高压COMS的逻辑电平为0V和9V时，IN接入5V后，则0V输入使芯片处于跟踪模式，9V输入时芯片工作在保持模式下。（7）AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。由于AD582的孔径时间TAP50NS、捕捉时间TAC6S，12位的AD574的转换时间TCONV25S，则可以计算出系统可采集的最高信号频率如式24所示。24KHZTFAPN53105143219MAX由（24）式可见，本设计的系统能对频率不高于1553KHZ的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样频率。因此，在数据采样系统中加入采样/保持器是很有必要的。但是由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信号是可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失任何信号的，该采样频率至少应为两倍于最高信号频率。这意味着带采样/保持器的数据采集系统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、转换，并采集下一个点。因此，本设计的系统可处理的最高输入信号频率应为式25所示。25KHZTTFAPCONVA310521062196MAXAD582是反馈型采样/保持器，保持电容接在运算放大器A2的输入端脚8与反相输入端脚6之间。根据“密勒效应”，这样的接法相当与在A2的输入端接有点容C1H1A2CHA2为运算放大器A2的放大倍数。所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率。当精度要求不高01而速度要求较高时，可选CH100PF，这样的捕捉时间TAC6US。当精度要求较高0015时，为了减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH1000PF。因此，本设计的系统根据对采集精度的要求可以配置不同的CH的，图6为AD582的连接图。34US5US10CH6OUTPUT8IN9L11L12IN1AD582005UFCH15V005UF15VRL2K10KUOUI图6AD582的连接图224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。1系统A/D通道方案的确定在数据采集中，要采集多个模拟信号，而且采集要求不尽相同。因此，系统的数据输入通道方案多种多样，应该根据被测对象的具体情况确定6。目前，常见的系统A/D通道方案有以下几种。（1）不带采样/保持器的A/D通道对于直流或低频信号，通常可以不用采样/保持器，直接用A/D转换器采样。（2）带采样/保持器的A/D转换通道当模拟输入信号电压最大变化率较大时，A/D通道需要使用采样/保持器。带采样/保持器的A/D转换通道分为多路模拟通道共享采样/保持器的通道、多通道共享A/D转换器的通道、多通道并行A/D转换的通道。多路模拟通道共享采样/保持器的通道是采用分时转换工作方式。模拟开关在单片机控制下，分时选通各个通道信号，然后把信号送采样/保持器和A/D转换器，经过A/D转换器转换后送单片机处理。由于各路信号的幅值可能有很大的差异，常在系统中放置放大器，使加到A/D输入端的模拟电压幅值处于FSR/2FSR范围，以便充分利用A/D转换器的满程分辨率。多通道共享采样/保持器与A/D转换器的典型电路原理图如图7所示。根据本设计的系统被采集信号的数量、特性（类型、带宽、动态范围等）、精度和转换速度的要求、各路模拟信号之间相位差的要求和工作环境要求等实际情况，使之既在系统性能上达到或超过预期的指标，又造价低廉。所以本设计的系统采用多路模拟通道共享采样/保持器的方案。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图7多通道共享采样/保持器与A/D转换器图如果在某一温度调整转换器的偏移和增益误差为零，则温度改变时，偏移和增益误差就不再是零了。因此，要对各项误差做出估算。如表4所示。表4A/D转换器的各项误差误差源性能误差量化误差LSB/20012微分线性度误差LSB/20012微分线性度温漂误差（25）106/25000500125偏移温漂误差5106/2500125增益温漂误差（1020）106/250025005电源电压误差100020002长周期变化一般估计002总误差（最坏情况）009601135总静态误差（均方根值）00404005812逐次逼近型12位模/数转换器AD574模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。本系统的模/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（38译码器）以及门电路组成。AD574是美国ANALOGDEVICES公司生产的一种快速12位逐次比较式A/D变换器，是单通道变换器。片内具有三态数据锁存器、电压基准和时钟电路。温度的调节范围为2040，十进制分度为200，非线性误差小于1/2LSB，一次转换时间为25S，电源供电为15V12V和5V；AD574具有转换时间快，与单片机接口方便可直接采用双极性模拟信号输入等优点。有着广泛的应用场合。（1）结构与引脚AD574的引脚图如图9所示。AD574由模拟芯片和数字芯片混合组成。模拟部分由高性能的12位A/D转换器和参考电压组成。数字部分由控制逻辑、逐次逼近寄存器和三态输出缓冲器构成，控制逻辑发出启/停及复位信号，控制转换过程。由于芯片内部的比较输入回路，接有可改变量程的电阻和双极型输入偏置电阻，因此，AD574的输入模拟电压量程范围有0V10V，0V20V，5V5V，10V10V四种。（2）AD574的引脚功能CE芯片允许工作控制端。CE1时，允许；CE0时，禁止。CS片选线，低电平有效。CS与CE必须同时有效，AD574才能工作，否则AD574处于禁止状态。R/读/启动A/D控制端。R/0时，启动转换；R/1时，读取转换结果。CCC12/数据格式选择端。当12/1时，12位数据一次读出，主要用于16位微机88系统；12/0时，可与8位单片机接口。AD574采用左对齐数据方式。12/与A0配8合，使12位数据分两次读出，A00时，读取高8位，A01时，读取低4位（数据低半字节附加零）。12/不能用TTL电平控制，必须用5V或数字地控制。A0字选择线。与CPU接口时，通常接至低位地址线。A0引脚有两个作用，一是选择字节长度，二是与8位微机接口时用作选择读出字节。启动转换时若A01，则AD574按8位A/D转换，转换时间为10S；若A00，则按12位A/D转换，转换时间为25S，与12/的状态无关。读操作中，A00时，高位数有效；而A01时，则低48位数据有效。但12/1（接口5V）时，则A0的状态不起作用。以上5种信号的电平状态与芯片的操作对应关系如表6所示。STS工作状态指示。STS1时，转换正在进行；STS0时，转换结束。10VIN10V量程输入端。20VIN20V量程输入端。REFIN、REFOUT参考电压输入、输出端。将REFOUT端通过100欧姆的精密电位器接至REFIN端即可进行满刻度校准。DO11DO012位数据线，三态输出锁存，可直接与CPU数据总线相连。BIPOFF双极性偏移调节端。AGND、DGND模拟地、数字地。VL数字逻辑电路工作电源4555V。VCC模拟电路正工作电源114165V。VEE模拟电路负工作电源114165V。5V1REFIN10LSBDB016DB117ANGND9DB218DB319DB420BPLROF12DB521DB622DB72310VSPN13DB824DB92520VSPN14DB1026MSB1127REFOUT8STATUS28CE6CS3VS7A0/SC4R/C5VS1112/82AD574A图9AD574的引脚图表6AD574的控制信号的作用CECSR/C12/8A0AD574的操作0禁止转换，无操作1芯片接通，无操作1000启动1次12位转换1001启动1次8位转换101高电平（接5V）允许12位并行输出101低电平（接0V）0允许高8位输出101低电平（接1允许低4位输出（后加4个0）0V）（3）AD574的单极性和双极性工作方式AD574有单极性和双极性两种工作方式，后允许模拟输入信号为双极性信号。单极性模拟输入有两种量程010V量程从AD574的10VIN引脚13输入；020V量程从AD574的20VIN引脚14输入。电位器W1接参考电压输出端BIPOFF端用作零位偏移调整，电位器W2接参考电压输入端REFIN和双极性偏移调节端BPLROF端用作满量程调整。5V1REFIN10LSBDB016DB117ANGND9DB218DB319DB420BPLROF12DB521DB622DB72310VSPN13DB824DB92520VSPN14DB1026MSB1127REFOUT8STATUS28CE6CS3VS7A0/SC4R/C5VS1112/82AD574A15V15VVCC5V01K01K图10AD574的工作方式双极性模拟输入有两种量程5V5V量程从13引脚输入；10V10V量程从引脚14输入。本系统中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图10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REFOUT以取得10V的偏移电压，参考电压输入端REFIN通过电位器W1接至参考电压输出端REFOUT。W1和W2均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。（4）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7。AD574与单片机的接口电路如图11所示。该电路采用双极性输入方式，可对5V5V或10V10V模拟信号进行转换。双极性偏移调节端BIPOFF接至参考电压输出端REFOUT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P10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P00通过锁存器74LS373和非门接AD574的A0。AT89S51的P01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，A00，即P000；R/C0，即P010。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D11D4读出，低4位从D3D0读出。读高8位结果时，要求A00，R/C1；读低4位结果时，要求A01，R/C1。两次读出结果的端口地址分别为0FBH和0FAH。5V1REFIN10LSBDB016DB117ANGND9DB218DB319DB420BPLROF12DB521DB622DB72310VSPN13DB824DB92520VSPN14DB1026MSB1127REFOUT8STATUS28CE6CS3VS7A0/SC4R/C5VS1112/82AD574AA1B2C3E14E25E36Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y7774LS138D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE1174LS37315V15VVCC01K01KVIP00P01P02P03P04P05P06P075VRDWRP10123A74LS0012A74LS0434B74LS04图11AD574与单片机的接口225数/模转换电路D/A转换部分也是数据采集系统的一个重要部分，在数字控制系统中作为关键器件，用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号，并送入执行机构进行控制或调解。除了新型的现场总线控制系统外，传统的计算机控制系统大都是用模拟电压或电流作为传输信号的。模拟量输出通道的作用就是把计算机处理得出的数字量结果转换成模拟电压或电流信号，传输给相应的执行机构，实现对被控对象的控制。能把数字量转换成模拟量的器件称为数/模转换器简称D/A转换器或DAC。输出接口电路、DAC是模拟量输出通道的基本部件。由于实现较远距离的信号传输时采用的是电流信号，而DAC通常输出的是电压故模拟量输出通道一般具有电压/电流（V/I）转换环节8。此外，根据需要可能还要有零点和满度调节部件。因数/模转换器是模拟输出通道的核心，所以通常也把模拟量输出通道称为D/A通道。1D/A通道的结构单片机周期地输出控制数据给执行机构，在下次数据输出以前，必须将前一次输出的数据保持。单个的D/A通道由数据锁存器保持数据，通道由输出接口电路数据锁存器、D/A转换电路、V/I转换电路等构成。许多DAC芯片的输入端都有数据锁存器，这时不需另加锁存器。对于多模拟量输出通道，有两种不同的输出量保持方式，即有两种不同的结构。一种方式是采用数据锁存器保持输出量，每个输出通道都有独立的数据锁存器（一般含在DA芯片内）及D/A转换器。这种方案的优点是速度快，精度高，工作可靠，不用多路开关。另一种方式是使用采样保持器保持输出量，各通道共享一个D/A转换器，通过多路开关进行切换。由于各路共用一个D/A转换器，其转换速度减慢，且输出端靠保持电容模拟量信息，当控制周期较长时，需要软件刷新。优点是节约了芯片。由于D/A通道的第一种方式的转换速度快，精度高，工作可靠，不用多路开关又节约了芯片降低了系统的造价，所以本设计的系统采用D/A通道的第一种方式。第一种方式如图12所示。单片机输出接口电路锁存器1D/AV/ID/A锁存器1V/I图12具有独立DAC的多路模拟量输出通道2D/A转换器的主要参数（1）分辨率当输入数字量发生单位变化数码变化时，即LSB位产生一次变化时，所对应输出的是模拟量相对于满量程的变化量，对于线性D/A转换器来说，它等于1/2N（N为二进制位数）。它对模拟量的分辨能力与数字量的位数N呈下列关系26N2模拟输出的满量程值在实际使用中，表示分辨率的高低更常用的方法是直接输入数字量的位数表示，如8位、12位等。（2）绝对精度绝对精度是指在DAC的数字输入端加入给定的数字代码时，在输出端实际测得的模拟输出值与理论上应有的模拟值之差。绝对精度可用LSB的个数或它与满刻度值之比的百分数（）来表示。描述绝对精度的参数有不调整总误差、零码误差、满刻度误差（或增益误差）和非线性误差等。（3）相对精度相对精度是指在零码误差和满刻度误差校准以后，任一数字代码所对应的实际模拟输出值与理论值之间的最大偏差。一般也用LSB的个数或它与满刻度值之比的百分数（）来表示。（4）零码误差、满刻度误差的温度系数在规定的使用温度范围内，每变化1，零码误差、满刻度误差的变化量用V/表示。（5）建立时间TS建立时间TS是描述D/A转换速率的重要参数。一般是指输入数字量变化后，输出模拟量稳定到一定数值范围内（稳定值，通常1/2LSB）所经历的时间。3选用D/A芯片集成电路D/A转换器是将精密电阻网络、模拟开关、甚至包括基准电源和运算放大器集成在同一芯片上，而且和8位或16位微处理器兼容，可直接接口，或只需少量外围电路即可构成完整的D/A转换器。这些集成电路芯片是由大规模集成电路技术（LSI）实现的，它们有TTL、CMOS等用不同的逻辑和工艺生产的产品，是典型的数字电路和模拟电路混合集成芯片。D/A有多种分类方法，各有不同特点。按数据输入方式有并行、串行之分。按字长区分，则有8、10、12、位之分，字长不同，微分阶梯粗细不同。按模拟开关工艺分类有双极型、JFET型和MOS型，它们的速度和精度不同；按结构有带或不带数据锁存器之分；按输出形式有电压型和电流型之分；等等。尽管如此，但转换原理基本上是一致的。DAC0832是常用的8位COMS电流输出型乘法D/A转换器，由于采用COMS电流开关和控制电路，所以功耗低，输出漏电流小。可以直接与AT89S51单片机连接。DAC0832片内含有输入缓冲寄存器和DAC锁存器两个8位寄存器。可以进行两级缓冲操作，具有很大的灵活性，可以采用流水线方式，一边输入数据一边转换上一次输入的数据。因此，本设计选用美国半导体公司推出的8位D/A转换芯片DAC0832。1基本特性分辨率8位。电流稳定时间1S。功耗20MV。单电源供电5V15V。数字输入与TTL兼容。可采用双缓冲、单缓冲或直接数字输入三种工作方式。2结构DAC0832是采用CMOS工艺，具有20个引脚的双列直插式8位D/A转换器，其引脚如图13所示。DAC0832有两级锁存器，第一级称为输入寄存器，第二级称为DAC寄存器。因为有两级锁存器，DAC0832可以工作在双缓冲方式下，即在输出模拟信号的同时可以采集一个数字量，这样可以有效地提高转换速率。另外，还可以在多个D/A转换器同时工作时，利用第二级锁存信号实现多路D/A的同时输出。DAC0832既可以工作在双缓冲方式，也可以工作在单缓冲方式。无论哪种工作方式，只要数据进入DAC寄存器便启动D/A转换。3引脚功能片选信号，低电平有效。CSILE输入锁存器允许信号，高电平有效。输入寄存器数据写信号，低电平有效。1WR当为低电平时，用来将输入数据传送到输入锁存器，当为高电平时，输1WR入锁存器中的数字被锁存。只有当ILE为高电平且和同时为低电平时，才能将CS1锁存器中的数据更新。以上三个控制信号构成第一级输入锁存。VCC20IOUT111LSBDI07IOUT212DI16DI25RFB9DI34DI416VREF8DI515DI614MSBDI713ILE19WR218CS1WR12XFER17DAC0832图13DAC0832引脚图输入锁存器向DAC寄存器传送数据控制信号，低电平有效。XFERDAC寄存器选通信号，低电平有效。2W当和同时有效时输入寄存器中的数据被装入DAC寄存器，并同时启动F2D/A转换器。和构成第二级锁存。XERDI0DI78位数据输入端，DI0是最低位（LSB），DI7是最高位（MSB）。IOUT1DAC电流输入端1。当DAC寄存器全为1时，表示IOUT1为最大值；当DAC寄存器为全0时