信号采集与处理设计报告

1、信号采集与处理学 院： 信息科学与工程学院 班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： 1 绪论 随着计算机技术的发展，数据采集系统的应用也日益广泛。数据采集是工业控制系统中至关重要的一个环节，在生产过程中，往往需要随时检测各个环节的温度、湿度、流量及压力等参数。同时，还要对某个检测点的任意参数进行随机查询，将所得到的检测结果提取出来以便进行比较做出决策，调整控制方案。此外，在科研过程中，运用数据采集系统可获得大量的动态信息，也是获取科学数据的重要手段之一。 数据采集系统用于将模拟信号转换为计算机可以识别的数字信号，该系统的目的是便于对一些物理量进行监视、控制。即将

2、现场采集到的数据进行处理、传输、显示、存储等操作。换言之，其主要功能就是把模拟信号变成数字信号，并进行分析、处理、存储和显示。 数据采集系统一般由数据输入通道，数据存储与管理，数据处理，数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测，采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除有关干扰噪声，无关信息和必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽

3、可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。 随着数字化进程的加快，工业生产和科学研究等各个领域对数据采集提出了更高的要求。数据采集作为信息处理系统的最前端，从广义上讲，主要包括以下几个方面：数据的采集、数据的存储、数据的初步处理等，并且一般需要通过PC接口总线将数据送入计算机，根据不同的需要进行相应的算法处理。简言之，数据采集系统的主要任务就是把输入的模拟信号转换成数字信号，并对其进行处理，为进一步操作做准备。2 交流信号采集与处理在电力系统监控系统中，对发电厂、变电站、母线、输电线路等回路的电流都应该加以测量。一般这些线路上的电流都很大，不可能直接进行测量，因此先

4、用电流互感器（TA）将大电流转换为小电流，而交流电流变送器捷成TA 的负载。图1为电流变送器与电流互感器的连接。 2.1电流变送器原理框图电流变送器以电流互感器二次电流作为输入信号，电流输入信号首先通过变送器内部的中间电流互感器使变送器输入与后级线路电气隔离，中间电流互感器输出电路经过一个电阻转变为电压信号。精密交直流变换电路将交流电压变为05V的直流电压，经过恒流输出电路得到0-1mA或4-20mA的直流输出信号。电流变送器的原理框图见图2。2.2精密交流直流变换电路精密交流直流变换电路由线性整流电路和低通滤波电路组成。采用线性整流电路可以改善由于整流二极管的非线性对交流

5、直流变换线性度的影响，低通滤波器消除全波整流后的工频二次以上的谐波，输出全波整流信号的平均值。 （1）全波线性整流电路，如图3所示  图3 全波线性整流电路由于运算放大器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，因而负载效应小，易于级间配合。整流信号从运算反大器A1的同相端输入，并从A1输出端取得输出。   当Ui>0时，Ai输出为正,V1导通，V2截止，其等效电路图如图4（a）所示。很明显U1=Ui.对于运算放大器A2，同相输入产生的输出设为U01，反相输入产生的输出设为U02，则  U01 =(1+R4/(R2+R3

6、)Ui             (1) U02=-R4/(R2+R3)Ui                 (2)将R4=2R1=2R2=2R3代入式（1）（2）得U01=2 Ui； U02=-Ui从而Ui>0时  U0=U01+U02=Ui  

7、;                    (3)当Ui<0时，A1输出为负，V1反偏，V2导通  U1=(1+R2/R1)UiU01=(1+R4/R3)Ui=3UiU02=-(R4/R3)U1=-4Ui 从而，Ui<0时  U0=U01+U02=-Ui (4)同时考虑式（3）（4）得到 U0=|Ui|（2）有源低通滤波电路。经过全波线性整流的信号

8、，通过有源低通滤波便可以得到一个平滑的直流电压信号。图5所示为有源低通滤波电路原理图。在这个电路中，运算放大器A3的输出U03，全部反馈到它的同相输入端，从而C2两端的电压近似为U03。图5 有源低通滤波电路原理图（2）恒流输出电路。一般都要求变送器都能具有较好的恒流输出，因而需要有一个恒压恒流转换电路。图7所示是输出电流为01mA的恒流输出电路。它主要由一个运算放大器和两个NPN管V1、V2组成，电路的输入信号加于运放的反相输入端，V1接成倒相放大，V2作为射极跟随器。电路的负载串于V2的射极。此外，从V2的射极R7的两端引出反馈信号至运放的输入端。由于运放和V1的倒相，因为引至运放反相输入

9、的信号形成正反馈，引至运放同相端输入端的信号形成负反馈。图7可见负反馈强于正反馈，输出端有恒定的电流输出。2.3电力系统数据预处理由于发电机变压器及其各种非线性负荷的作用，电力系统中除了基波之外，还存在着各种次谐波，这给我们希望准确地测量交流系统的各个参数带来了困难。在交流信号采样和变换的两侧都需要滤波。可以通过一定的计算，滤除不需要的谐波量，并计算出希望得到的交流量幅值和有效值。 （1）一阶低通Butterworth滤波电路低通滤波器的基本电路特点是，只允许低于截止频率的信号通过。（2）有源高通滤波器高通滤波器的特点是，只允许高于截止频率的信号通过。2.4显示部分（以显示电压值为例

10、）（1）数字电压表原理框图（2） 各芯片简介l MC14433型集成双积分式A/D转换器 输入的模拟电压信号变换成易于准确测量的时间量，然后在这个时间宽度里用计数器记时，计数结果就是正比于输入模拟量的数字量。MC14433的各管脚功能如下：(VAG)电压接地端。(VR)基准电压，外接基准电压端。MC14433的正基准电压可测量正、负电压。VX:被测电压输入端，MC14433为双积分型A/D转换器，未知电压与基准电压有以下关系:读数=(VX/VR)1999. 满量程的Vx=VR。满量程:1.999V。(R1.R1/C1.C1)外接积分电阻电容元件端；(C01、C02)外接失调

11、补偿电容端 (DU)A/D转换结果输出显示控制端，如与脚相联，则每次转换结果都显示.  (CLK1、CLK0)时钟外接元件端, 选择电阻即可设定时钟频率，如时钟频率为66kHz时，外接电阻取300k。  (VEE:负电源端。VEE的电流约为0.8mA，驱动电流并不流经此引脚，对此负电压的电源电流要求不高。 (VSS ):输出信号接地端。(EOC):转换周期结束标示输出端。OR过量程标志输出端。多路选通脉冲输入端DS4:个.DS3:十.DS2:百.DS1:千位。BCD码数据输出端。VDD：正电源端l MC1403 用来稳定电压

12、，保持 MC14433的比较电压。l CD4511 专用于将二-十进制代码（BCD）转换成七段显示信号的专用译码器，它有4位锁存器，7段译码器和驱动器。4位锁存器：它的功能是将输入的端A,B,C,和D代码寄存起来，该电路具有锁存功能，在锁存允许端（LE端，）控制下起锁存作用。当LE=1时，锁存器处于锁存状态，四位锁存器封锁输入，此时他的输出为前一次LE=0时输入的BCD码；当LE=0时，锁存器处于选通状态，输出即为输入代码。可知，利用LE 端的控制作用可以将一时刻的输入BCD码寄存下来，使输出不随输入的变化而变化。 七段译码电路：将来自四位锁存器的输出BCD码译成

13、七段显示码输出。l MC1413 采用NPN达林顿复合晶体管的结构，因此具有很高的电流增益很高的电流阻抗，可直接接受MOS或CMOS集成电路的输出信号，进而把电压信号转化成足够大的电流信号驱动各种负载，MC1413内有7个集成开路反相器，该芯片有16个引脚，每一驱动器输出端均接有一释放电感负载能量的续流二极管。2.5数字电压表芯片连接电路图及原理分析 模拟信号经A/D 转换后以动态形式输出，数字量输出端Q0、Q1、Q2、Q3上的数字信号经七段译码器MC4511译码后顺序输出。位选信号DS1DS4通过位选开关到四位数码管同时显示并且会出现不同的数字的效果。 

14、;由于参考电压VR=2V时，满量程显示1.999V，通过外接分压电阻将信号衰减十倍后接入MC14433的输入端，通过限流电阻实现对相应相的小数点显示位置控制，设定在百位和十位之间，从而可使满量程显示为19.99V。3 多路数据采集3.1数据采集器的主要功能 我们的数据采集器采用的主要元件是AT89S51和ADC0809模数转换芯片。其主要功能是模拟采集信号，并对信号进行处理，最终显示出来采集结果。首先我们的模拟信号采用电位器产生，供给ADC0809，ADC0809有8路数据输入，也就是8路模拟电压信号。在AT89S51的控制下，实现按键转换要求通道的电压值。通过AT89S51的计算输

15、出结果，显示在4为共阳极数码管上。3.2 设计任务要求设计一由微机控制的A/D数据采集和控制系统，该卡具有对8个通道上05V的模拟电压进行采集的能力，且可用键盘选择转换通道，选择ADC0809作为A/D转换器芯片。并在显示器上动态显示采集的数据。3.3系统方案3.3.1 ADC0809将05V 模拟信号转换为00FF 数字信号并传送51单片机，然后由51单片机进行数据存储及数据处理，最终由LED 显示器显示。完成对模拟信号的采集。3.3.2 硬件系统设计原理 A/D转换器ADC0809将05V模拟信号转换为数字信号，并传给AT89S51单片机，然后由51

16、单片机进行数据存储及数据处理，最终由数码管显示，从而完成对模拟信号的采集。其硬件系统原理框图如下图所示：本系统中，以AT89S51单片机为运算和控制的核心，它具有4个8位并行的I/O端P0P3，其中由P0口控制数码管显示，P1口控制信号输入。8路模拟量采集由A/D转换器ADC0809完成。3.4 硬件系统各个电路的设计3.4.1 A/D转换器ADC0809是TI公司生产的8位逐次逼近型模数转换器，包括一个8位的逼近型的ADC部分，并带有8通道的模拟多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件，可以和单片机直接接口，为模拟通道的设计提供了很大的方便。所以本设计中选用该芯片作为A/D转换电路的

17、核心。（1）ADC0809主要性能 a) 逐次比较型； b) CMOS工艺制造； c) 单一电源供电； d) 无需零点和满刻度调整； e) 具有三态锁存输出缓冲器，输出与TTL兼容 f) 易与各种微控制器接口； g) 具有锁存控制的8路模拟开关； h) 分辨率：8位； i) 功耗：15mW； j) 最大不可调误差小于±1LSB（最低有效位）； k) 转换时间（500C

18、LKfKHz=）128us; （2）ADC0809的内部结构及其特性 ADC0809是CMOS工艺，采用逐次逼近法的8位A/D转换芯片，28引脚双列直插封装，片内除8位A/D转换部分外，还有8路模拟开关、三态输出锁存器以及地址锁存译码器等。它可以分别对8路05V模拟量输入信号进行转换，输出量由三态锁存缓冲，可直接连到单片机的数据总线上。其内部逻辑结构图如下图所示：ADC0809的引脚图：3.4.2 51单片机模块（1）AT89S51单片机的简介 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k Bytes ISP(I

19、n-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统供给高性价比的解决方案。AT89S51引脚图：（2）复位电路设计 RES引脚是复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期（即两个机器周期）以上。若使用频率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us，才能完成复位。复位

20、操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。本设计采用上电复位，如图所示：（3）晶振电路设计 AT89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1,输出端为XTAL2,两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器，如图所示。电容器C1和C2通常取30pF左右，可稳定频率并对振荡频率有微调作用。本设计中采用6MHz的晶振构成单片机的时钟电路。晶振频率也就是振荡电路的脉冲频率，也称振荡频率。（振荡脉冲频率范围为024MHz）3.4.3 ADC0809与AT89S51的接口设计 ADC0809与AT89S51单片机的硬件接口方式一般有

21、3种：查询方式、中断方式和等待延时方式，本设计采用查询方式。通道基本地址为0000H0007H。模拟量直接由ADC0809的IN0IN7口输入，数字量由ADC0809的2-1（D0）2-8(D7)输出，并直接接到AT89S51单片机的I/O口的P1口，其他引脚连接如下图所示：8路数据采集由A/D转换器ADC0809完成，它具有8路模拟输入端，05V的直流信号送给ADC0809后，地址线（A、B、C端）决定对哪一路模拟输入作A/D转换。转换数据由AT89S51单片机的P0口读入。3.4.4 输出电路设计 输出电路采用数码管显示，显示方法为动态扫描显示。显示部分的原理图如下图所示。显示部分为4个共阳极的7