多路數(shù)據(jù)巡回檢測與顯示電路的設計【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設計</b></p><p><b>　　（20 屆）</b></p><p>　　多路數(shù)據(jù)巡回檢測與顯示電路的設計</p><p>　　所在學院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工

2、程 </p><p>　　學生姓名 學號 </p><p>　　指導教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b>&l

3、t;/p><p>　　多路數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)常用于自動化工業(yè)生產或大型設備（如激光器）中，經常需要對生產過程或運行狀態(tài)的各種工作參數(shù)（如壓力、溫度、流量、電壓、電流等）實時的巡回檢測、監(jiān)視并報警，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。</p><p>　　本次設計的電路實現(xiàn)對三路模擬信號（溫度、直流電壓、正弦交流電壓）的采集、顯示和報警。在電路設計的過程中運用到很多木塊，其中主要的模塊有信號提取與放大模塊，電

4、壓比較電路，控制模塊，S/H電路，A/D電路，顯示與報警電路。電路中采用AD590對溫度信號進行提取，再利用OP07AH對其轉換成的電壓信號進行放大，通過一個八選一的模擬開關CD4051，然后信號進入以LF398組成的S/H電路進行采樣保持，最后通過ICL1707對此信號進行A/D轉換，并用數(shù)碼管顯示，當然我們也對三路模擬信號用CA3140比較電路進行范圍衡量，不達標的則進行報警。</p><p>　　多路數(shù)據(jù)巡

5、回檢測與顯示電路，實現(xiàn)了電路對變阻上電壓的自動巡回檢測，并用發(fā)光燈進行顯示和報警，此次設計不僅加強了對數(shù)據(jù)采集的理論學習，也學會了數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)過程。通過完成設計任務，用仿真軟件對電路的設計與調試，完成了三路模擬信號的采集、測量和報警。</p><p>　　關鍵詞：數(shù)據(jù)采集；測量；顯示。</p><p><b>　　Abstract</b></p>&l

6、t;p>　　Multiple real-time data monitoring system commonly used in automated industrial production or large equipment (such as lasers), it is often necessary to the production process or the running of the various worki

7、ng parameters (such as pressure, temperature, flow, voltage, current, etc.) real-time detection circuit , monitoring and alarm to ensure the stability of the system reliability. The design of the circuit of the three ana

8、log signals (temperature, DC voltage, sinusoidal AC voltage) of the a</p><p>　　Keywords: data acquisition; measurement; display. </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　本科畢業(yè)設計（論文

9、）錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　1引言6</b></p><p>　　1.1數(shù)據(jù)采集的背景6</p><p>　　1.2什么是數(shù)據(jù)采集6</p><p>　　1.3數(shù)據(jù)采集的意義6</p><p>　　1.4數(shù)據(jù)采集的發(fā)展趨勢7</p><p&g

10、t;　　2課題總體設計8</p><p>　　2.1 本次設計的要求和內容8</p><p>　　2.2 本次設計的原理和方法簡介8</p><p>　　3具體電路的設計11</p><p>　　3.1溫度傳感比較11</p><p>　　3.1.1 溫度傳感器的選擇條件：11</p>&

11、lt;p>　　3.1.2 選擇AD590的原因：12</p><p>　　3.1.3 AD590的主要電器參數(shù)和工作原理：12</p><p>　　3.2 電壓比較13</p><p>　　3.3 模擬開關15</p><p>　　3.4 取樣/保持（S/H）電路17</p><p>　　3.4.1

12、采樣保持電路應用原因17</p><p>　　3.4.2 LF398引腳介紹和工作原理17</p><p>　　3.5 A/D轉換電路19</p><p>　　3.5.1 位雙積分A/D轉換器ICL710719</p><p>　　3.5.2 A/D轉換器的工作過程20</p><p>　　3.5.3 數(shù)字

13、顯示部分22</p><p>　　3.6 報警電路22</p><p>　　4仿真與調試24</p><p>　　4.1仿真電路圖24</p><p>　　4.1.1 傳感信號的放大仿真25</p><p>　　4.1.2 信號比較電路的仿真29</p><p>　　4.1.3 直

14、流（交流）電壓的報警顯示31</p><p>　　4.2調試注意點：32</p><p><b>　　5設計總結34</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　1.1數(shù)據(jù)采集的背景</

15、p><p>　　在信息科學和互聯(lián)網飛速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)采集已經被廣泛應用于很多領域，數(shù)據(jù)采集和檢測技術已經是數(shù)字信號處理中非常重要的環(huán)節(jié)，將決定整個系統(tǒng)的性能。從此，數(shù)據(jù)采集領域已經發(fā)生了重要的變化。首先，分布式控制應用場合中的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在國內外已經取得了長足的發(fā)展。其次,總線兼容型數(shù)據(jù)采集插件的數(shù)量不斷增大,與個人計算機兼容的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)量也在增加。國內外各種數(shù)據(jù)采集機先后問世，將數(shù)據(jù)采集帶入了一個全新的

16、時代。</p><p>　　1.2什么是數(shù)據(jù)采集</p><p>　　數(shù)據(jù)采集，又稱數(shù)據(jù)截取，是利用一種裝置，從系統(tǒng)外部采集數(shù)據(jù)并輸入到系統(tǒng)內部的一個接口。數(shù)據(jù)采集是為了測量電壓、電流、溫度、壓力或聲音等物理現(xiàn)象。被采集數(shù)據(jù)是義轉換為電訊號的各種物理量，如溫度、水位、風速、壓力等，可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。再由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的過程。相應的系統(tǒng)被稱為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采

17、集系統(tǒng)是結合基于計算機的測量軟硬件產品來實現(xiàn)靈活的，用戶自定義的測量系統(tǒng)?；赑C的數(shù)據(jù)采集，通過模塊化硬件、應用軟件和計算機的結合進行測量。盡管數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)不同需求又不同的定義，但各個系統(tǒng)采集、分析和顯示信息的目的卻都相同。</p><p>　　1.3數(shù)據(jù)采集的意義</p><p>　　采集是一定的采樣方式，即隔一定時間（稱采樣周期）對同一點數(shù)據(jù)重復采集。采集的數(shù)據(jù)大多是瞬時值，也可

18、是某段時間內的一個特征值。準確的數(shù)據(jù)量測是數(shù)據(jù)采集的基礎。數(shù)據(jù)測量方法有接觸式和非接觸式，對于它的檢測元件多種多樣。不論哪種方法和元件，均以不影響被測對象狀態(tài)和測量環(huán)境為前提，以保證數(shù)據(jù)的正確性和完整性。數(shù)據(jù)采集含義很廣，包括對連續(xù)物理量的采集。在計算機輔助制圖、測圖、設計中，對圖形或圖像數(shù)字化過程也可稱為數(shù)據(jù)采集，此時被采集的是幾何量（或包括物理量，如灰度）數(shù)據(jù)。</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務，具體地

19、說，就是傳感器從被測對象獲取有用信息，并將其輸出信號轉換為計算機能識別的數(shù)字信號，然后送入計算機進行相應的處理，得出所需的數(shù)據(jù)。同時，將計算得到的數(shù)據(jù)進行顯示、儲存或打印，以便實現(xiàn)對某些物理量的監(jiān)視，其中一部分數(shù)據(jù)還將被生產過程中的計算機控制系統(tǒng)用來進行某些物理量的控制。從嚴格意義上說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應該是用計算機控制的多路數(shù)據(jù)自動檢測或巡回檢測，并且能夠對數(shù)據(jù)實行存儲、處理、分析計算，以及從檢測的數(shù)據(jù)中提取可用的信息，供顯示、記錄、打印

20、或描繪的系統(tǒng)?？傊?，不論在哪個應用領域中，數(shù)據(jù)的采集與處理越及時，工作效率就越高，取得的經濟效益就越大。</p><p>　　1.4數(shù)據(jù)采集的發(fā)展趨勢</p><p>　　數(shù)據(jù)采集已經成為人們獲得外界信息的重要手段?；诳偩€的數(shù)據(jù)采集與檢測系統(tǒng)，由于可靠且易于實現(xiàn)、經濟等優(yōu)點，得到了廣泛的應用。但當數(shù)據(jù)傳輸率很高時，保持高速數(shù)據(jù)存儲過程的可靠性、實時性將會成為一個比較棘手的問題。今天，數(shù)據(jù)

21、采集的重要性是十分顯著的。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。各種類型信號采集的難易程度差別很大。實際采集時，噪聲也可能帶來一些麻煩。數(shù)據(jù)采集時，有一些基本原理要注意，還有更多的實際的問題要解決。</p><p><b>　　課題總體設計</b></p><p>　　2.1 本次設計的要求和內容</p><p>　　本課題要求設計并調試多路數(shù)據(jù)

22、巡回檢測、顯示與報警電路。模擬信號分別為溫度（t）直流電壓（）和交流正弦電壓（）。各模擬參數(shù)測量預期目標如下：</p><p>　　1、正常工作溫度：，當時，報警（發(fā)光顯示）；當時，報警（發(fā)光顯示）。</p><p>　　2、正常直流電壓：，當時，報警（發(fā)光顯示）</p><p>　　3、交流正弦電壓：，，觀測D/A轉換后的電壓波形。</p><

23、p>　　2.2 本次設計的原理和方法簡介</p><p>　　多路數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)常用于自動化工業(yè)生產或大型設備（如激光器）中，經常需要對生產過程或運行狀態(tài)的各種工作參數(shù)（如壓力、溫度、流量、電壓、電流等）實時的巡回檢測、監(jiān)視并報警，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性。</p><p>　　本次設計主要采用傳感器對信號進行接收，利用放大電路對信號進行放大，再通過A/D轉換，D/A轉換和S/H取樣

24、保持電路對數(shù)據(jù)進行分析，最后通過終端進行顯示，從中需要模擬開關對電路信號接收的把握，也需要控制電路對整體的一個控制。</p><p>　　圖2-1 多路數(shù)據(jù)巡回檢測與顯示框圖</p><p>　　根據(jù)框圖2-1主要有以下幾個模塊：</p><p>　　（1）信號提取與放大。</p><p>　　信號提取要利用傳感器才能實現(xiàn)。傳感器的種類很多

25、。最常用的有光傳感器、溫度傳感器和壓力傳感器等。上圖電路運用溫度傳感器，對電路的溫度進行數(shù)據(jù)采集，作為輸入進入放大器。</p><p><b>　　（2）比較電路 </b></p><p>　　經傳感器轉換后的電信號與某一給定值（基準電壓UR)比較時，將產生一個開關信號，此信號送到時執(zhí)行機構可報警（發(fā)光顯示）。</p><p>　　（3）取樣/

26、保持（S/H）電路 </p><p>　　在A/D轉換前需要將模擬信號變換成能直接滿足A/D變換要求的信號電平輸入方式。為了減小動態(tài)數(shù)據(jù)的測量誤差，對于快速變化的輸入信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中往往設置S/H電路，以防止采樣過程中信號發(fā)生變化。因此，多路開關、S/H電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個重要環(huán)節(jié)。</p><p><b>　?。?）A/D轉換 </b></p

27、><p>　　A/D轉換芯片種類繁多，按其變換原理分類，主要有逐次比較式、雙積分式、量化反饋和并行式等。實現(xiàn)對模擬信號向數(shù)字信號的轉換。</p><p>　?。?）顯示與報警電路</p><p>　　在A/D轉換之后經過譯碼芯片可以將測量的數(shù)據(jù)用數(shù)碼管進行顯示，如果采集的數(shù)據(jù)超出預期的目標，報警電路中的信號經過比較電路的處理，超出測量的范圍，用LED發(fā)光報警。</

28、p><p>　?。?）模擬開關和控制電路</p><p>　　模擬開關合和控制電路，主要采用一個雙向傳輸?shù)陌诉x一開關，使得三個輸入由一定的控制，控制電路由選通開關組成，為了使仿真過程操作起來簡單方便。 </p><p><b>　　具體電路的設計</b></p><p>　　多路數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)要求不間斷地分別對溫度、電壓輸

29、入實時地進行檢測、監(jiān)控并實現(xiàn)報警等功能，并對輸入的溫度、電壓通過A/D轉換顯示?？驁D如圖1所示。圖中三路模擬信號分別為溫度（T），直流電壓（）交流電壓（）。</p><p>　　本次設計完成后可以實現(xiàn)對溫度模擬信號的傳感接收，轉換為電流信號作為輸出，經過放大電路的信號放大，再通過模擬開關的調節(jié)，進入采樣保持電路，產生一個滿足A/D變換要求的信號電平輸入，然后經過A/D轉換到控制電路，對整體電路的一個控制掌握，最后

30、通過D/A轉換，進行報警顯示。檢測電壓就相對比較簡單，直接通過電壓比較和轉換電路，直接得出與基準電壓的差別，最后進行終端顯示。</p><p>　　電路分為溫度測量與顯示，溫度傳感比較報警，電壓比較報警，多路數(shù)據(jù)檢測，A/D轉換、譯碼顯示等幾部分組成。</p><p>　　下面是對本次設計的電路模塊的具體分析：</p><p><b>　　3.1溫度傳感比

31、較</b></p><p>　　在自動控制系統(tǒng)中，控制的對象是某些物理量，如光、熱、溫度、濕度等等。為此，首先要把這些物理量轉換為便于處理的電信號或其他信號，而實現(xiàn)這個變換的部件稱為傳感器。通常所說的放大器的輸入信號，從某種意義上講，取決于傳感器的質量。</p><p>　　傳感器的種類很多，最常用的有光傳感器，溫度傳感器和壓力傳感器等。此次設計的內容在于監(jiān)測溫度</p&

32、gt;<p>　　3.1.1 溫度傳感器的選擇條件： </p><p>　　選擇溫度傳感器比選擇其它類型傳感器所需要考慮內容更多。首先，必須選擇傳感器結構，使敏感元件規(guī)定測量時間之內達到所測流體或被測表面溫度。溫度傳感器輸出僅僅敏感元件溫度。實際上，要確保傳感器指示溫度即所測對象溫度，常常很困難。 </p><p>　?。?） 被測對象溫度否需記錄、報警和自動控制，否需要遠距

33、離測量和傳送。 </p><p>　?。?） 測溫范圍大小和精度要求。 </p><p>　?。?） 測溫元件大小否適當。 </p><p>　?。?） 被測對象溫度隨時間變化場合，測溫元件滯后能否適應測溫要求。 </p><p>　?。?） 被測對象環(huán)境條件對測溫元件否損害。 </p><p>　?。?） 價格如保，

34、使用否方便。 </p><p>　　3.1.2 選擇AD590的原因：</p><p>　　動態(tài)溫度測量比較復雜，只能通過反復測試，盡量接近模擬出傳感器使用中經常發(fā)生條件，才能獲得傳感器動態(tài)性能合理近似。所以在此介紹一種溫度傳感器AD590.</p><p>　　AD590是電流型（即產生一個與絕對溫度成正比的電流輸出）集成溫度傳感器的代表產品，它跟傳統(tǒng)的熱電阻、熱

35、點偶、半導體PN結等溫度傳感器相比較，具有體積小，線性度好，穩(wěn)定性好，輸出信號大且規(guī)范化等優(yōu)點。AD590測量熱力學溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應用于不同的溫度控制場合由于AD590精度高、價格低、不需扶助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。</p><p>　　圖3-1 AD590引腳圖</p><p>　　3.1.3 AD590的主

36、要電器參數(shù)和工作原理：</p><p>　?。?）流過期間的電流等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度讀數(shù)：Ir=T；</p><p>　?。?）AD590的測量范圍為-55℃至+150℃</p><p>　　（3）AD590的電壓源范圍為4至30V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因此器件即使反接也不容易損壞；</p><p>　　（4）輸出

37、電阻為710m；</p><p>　?。?）精度高，AD590在-55℃至+150℃范圍內，非線性誤差僅為0.3℃。</p><p>　　圖3-2 傳感與信號放大電路</p><p>　　在本電路中，用電流源代替AD590進行仿真，AD590是電流型（即產生一個與絕對溫度成正比的電流輸出）集成溫度傳感器的代表產品，而電流源可以代替AD590作為一個電流輸出，信號的

38、放大采用的是OP07AH，對電流信號進行反相放大，放大倍數(shù)為R3與R2的比值，圖3-4的放大倍數(shù)為10倍，其中OP3為AD590測量的溫度信號轉換成的電壓，OP1作為一個比較電壓，而OP1和Op3兩個電壓信號的差值即為OP2的輸入端，此信號再由OP2進行放大，Vo作為信號輸出端，即經過傳感器和放大電路后，電流信號輸出進入模擬開關。</p><p>　　此外，經過傳感器轉換后的電信號與某一給定值（基準電壓VR）比較

39、時，將產生一個開關信號，此信號送到執(zhí)行機構即可報警（或發(fā)光顯示）。</p><p><b>　　3.2 電壓比較</b></p><p>　　電壓比較電路，使利用輸入信號與電路中設定的基準電壓進行比較，以達到得知測量的模擬參數(shù)是否在本次設計的規(guī)定范圍之內，而電壓比較中我們運用到的比較中用的元器件之一就是運放，運算放大器是具有很高放大倍數(shù)的電路單元。在實際電路中，通常結

40、合反饋網絡共同組成某種功能模塊。如圖3-5所示。運算放大器這里用的是MOSFET CA3140E。</p><p>　　CA3140高輸入阻抗運算放大器，是美國無線電公司研制開發(fā)的一種BiMOS高電壓的運算放大器。在一片集成芯片上CA3140能保護MOSFET的柵極（PMOS）中的晶體管輸入電路提供非常高的輸入阻抗，極低輸入電流和高速性能。操作電壓從4V至36V（無論單雙電源），它結合了壓電PMOS晶體管工藝和高

41、電壓雙授晶體管的優(yōu)點（互補對稱金屬氧化物半導體）卓越性能的運放。</p><p>　　圖3-3 轉換與比較電路</p><p>　　比較器基準電壓根據(jù)需要可任意調節(jié)。通過對R3和R4阻值的調節(jié)，即是對兩個CA3140輸入端的信號控制，這里將V1、V2設為基準電壓。舉例，當R3在70%的位置時，則在U1的3端口就會有個3.5V的電壓作為基準電壓V2；當R4在30%的位置時，則在U2的2端口

42、就會有個1.5V的電壓作為基準電壓V1，則此電壓比較電路的正常工作范圍就在1.5V-3.5V之間，當輸入信號大于V1或小于V2基準電壓，發(fā)光二極管工作（發(fā)光顯示），表示電路工作在不正常的狀態(tài)，即視為電路的報警。比較器輸出也可接報警電路，當輸入信號超出規(guī)定的工作范圍，直接驅動報警器工作。經過74S86N和74S04D后信號輸出，不正常的狀態(tài)下，LED發(fā)光顯示，此時也可以替換成報警電路進行鳴叫提示等。</p><p>

43、;<b>　　3.3 模擬開關</b></p><p>　　除了CMOS雙向模擬開關外，另一類CMOS模擬門就是常見的多路模擬開關。典型的多路模擬開關有四選一，雙四選一，八選一，雙八選一，，十六選一和三十二選一等多種，這些模擬開關除了外部引線排列，通道數(shù)不同外，其工作原理和主要應用方法基本相同</p><p>　　在本電路中使用的為八選一模擬開關（CD4051），CD

44、4051/CC4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關，具有雙向傳輸性能。它有三個二進控制輸入端A、B、C和INH輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。幅值為4.5～20V的數(shù)字信號可控制峰值至20V的模擬信號。例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，則0～5V的數(shù)字信號可控制-13.5～4.5V的模擬信號。這些開關電路在整個VDD-VSS和VDD-VEE電源范圍內具有極低的靜態(tài)功耗，與控制信號的邏輯狀態(tài)無關。當INH

45、輸入端＝“1”時，所有的通道截止。三位二進制信號選通8通道中的一通道，可連接該輸入端至輸出。CD4051的邏輯與引腳、功能如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4 CD4051引腳圖</p><p><b>　　表3-1</b></p><p>　　圖3-5 模擬開關電路</p><p>　　其中4051的八個

46、輸入端X0-X8選取三個輸入端X0-X3作為(T,Uac,Udc)的輸入，INH端為芯片控禁止端只有當INH端為低電平輸入時開關正常運行，當INH為高電平輸入時，芯片所有的通道被禁止，利用A，B，C三個端口輸入高低電平對模擬開關進行控制，當ABC輸入000時，X0端作為輸入；當ABC輸入001時，X1端作為輸入當ABC輸入010時，X2端作為輸入，X為信號輸出端，輸出的是接入的信號，再送入采樣保持電路。</p><p

47、>　　3.4 取樣/保持（S/H）電路</p><p>　　3.4.1 采樣保持電路應用原因</p><p>　　轉換電路中是否一定要使用取樣保持器，這完全取決于輸入信號的頻率，對于快速變化的信號，必須在A/D前加S/H電路；對于一般非快速變化的輸入信號可以不使用S/H器。而本次設計中對于正弦交流信號的采集是必須加入S/H電路的。</p><p>　　在A/D

48、轉換前需要將模擬信號變換成能直接滿足A/D變換要求的信號電平及輸入方式。而為了見效動態(tài)數(shù)據(jù)的測量誤差，對于快速變化的輸入信號往往設置采樣/保持電路以防止采樣過程中的信號變化。因此，多路開關，S/H電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個重要環(huán)節(jié)。</p><p>　　3.4.2 LF398引腳介紹和工作原理</p><p>　　目前取樣保持電路大多數(shù)為集成芯片，最常用的有LF198/LF298/

49、LF398和AD582.圖3-6為LF398的內部原理圖及管教配置，由圖可知，當8端邏輯控制端為高電平時，輸出處于跟隨狀態(tài)，有U0=Ui；當8端為低電平時，出于保持狀態(tài)。保持電容Ch一般選用0.01——0.1uF的優(yōu)質電容。</p><p>　　采樣保持電路由模擬開關、存儲元件和緩沖放大器A組成。由圖3-7可知，在采樣時刻，加到模擬開關上的數(shù)字信號為低電平，此時模擬開關被接通，使存儲元件（通常是電容器）兩端的電壓

50、UB被采樣信號UA改變。當采樣間隔終止時，D為高電平，模擬開關斷開，UB則保持在斷開瞬間的值不變。緩沖放大器的作用是放大采樣信號，它在電路中的連接方式有兩種基本類型：一種是將信號先放大再存儲，另一種是先存儲再放大。對理想的采樣保持電路，要求開關沒有偏移并能隨控制信號快速動作，斷開的阻抗要無限大，同時還要求存儲元件的電壓能無延遲地跟蹤模擬信號的電壓，并可在任意長的時間內保持數(shù)值不變。</p><p>　　圖3-6

51、 LF398引腳圖</p><p>　　圖3-7 LF398內部原理電路</p><p>　　圖3-8 采樣保持電路</p><p>　　采樣保持電路由輸入的信號頻率決定，由于此次設計涉及到正弦交流電壓的測量，因此我們在電路中加入了S/H電路，其中引腳3為信號輸入端，引腳6為信號輸出端，為了滿足A/D轉換要求，使得MC14433有一個比較合適的電平輸入，我們可以

52、通過對Rp的阻值調節(jié)來改變采樣頻率。</p><p>　　3.5 A/D轉換電路</p><p>　　A/D轉換器是將模擬電壓或電流轉換成數(shù)字量的器件或設備，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計算機之間的借口。A/D轉換的實現(xiàn)方法有多種，常見A/D轉換方式有非積分式和積分式兩類，如逐次逼近比較式A/D轉換、斜坡電壓式A/D轉換等屬于非積分式，其特點是轉換速度快，但抗干擾能力差。電壓反饋型V-F變換、

53、雙積分式A/D轉換則屬于積分式，其特點是抗干擾能力強、測量精度高，但轉換速度低，在轉換速度要求不太高的情況下，獲得廣泛應用。本課題主要采用雙積分式A/D轉換電路。</p><p>　　3.5.1 位雙積分A/D轉換器ICL7107</p><p>　　ICL7107是高性能、低功耗的三位半A/D轉換電路。它內部電路含有模擬電路和數(shù)字電路兩部分，其中含有七段譯碼器、顯示驅動器、參考源和時鐘系

54、統(tǒng)等，可直接驅動發(fā)光二極管（LED）。ICL7107將高精度、通用性和真正的低成本很好地結合起來了，它有低于10uV的自動校零功能，極性轉換誤差小于一個字。在用于測量負載單元、壓力規(guī)管和其他橋式傳感器會有更突出的優(yōu)點。其主要的特點有：保證零電平輸入時，各量程的讀值均為零、很低的噪聲、低功耗、不需外接電源等。</p><p>　　ICL7107是CMOS大規(guī)模集成電路芯片，只要外接少量元件就可以實現(xiàn)A/D轉換，并且

55、采用雙電源供電能輸出較大電流，可以驅動發(fā)光二極管數(shù)碼顯示。圖3-9是ICL7107的管腳圖。2～8端作為個位數(shù)顯示器的低端驅動輸出端，9～14、25端為十位數(shù)顯示器的低端驅動輸出端，15～18、22～24端為百位數(shù)顯示器的低端驅動輸出端。將極性顯示端（負顯示）位POL端與負極性筆端相連，當輸入信號的電壓極性為負時，負號顯示；電壓極性為正時，不顯示極性負號。</p><p>　　圖3-9 ICL7107管腳圖&l

56、t;/p><p>　　在設計之初，有兩種設計方案。一種方案是用AT89C2051實現(xiàn)模數(shù)轉換；另一種方案是用ICL7107作為A/D轉換器來完成設計。利用單片機的軟硬件資源實現(xiàn)高精度高速A/D轉換，轉換精度和轉換速度還可以通過軟件來改變，價格也低廉。不過對軟件部分要求較高，比較難實現(xiàn)。所以不采用第一種方案；而ICL7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，可以直接驅動發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器，不要再加驅動器件，使整機線路

57、簡化，再加上上述的一些特點，適合研究的要求，故采用了ICL7107來完成設計。</p><p>　　3.5.2 A/D轉換器的工作過程</p><p>　　圖3-10 A/D轉換及顯示電路</p><p>　　其中R0、R1兩個電阻組成的這部分是分壓電路，用于當測量電壓大于參考電壓時進行分壓。而我們需要的電源指標是-5v～5v，所以要求電壓表的量程選為0～20v這

58、檔，所以分壓后的電壓為</p><p>　　2 .( 3-1)</p><p>　　所以通過這個分壓調整了參考電壓，得到所需的技術指標。</p><p>　　A/D轉換器的工作過程分為三個階段，即采樣階段、積分階段和休止階段。設ICL7107一次A/D轉換經過三個階段所需時鐘脈沖的總數(shù)為N，則一次

59、轉換所需的時間為</p><p><b>　　（3-2）</b></p><p>　　振蕩器主頻率與的關系為</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　若取ICL7107的主振頻率，即取，，，則一次A/D轉換所需的時間為</p><p><b&

60、gt;　?。?-4）</b></p><p><b>　　測量速率為</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　3.3 數(shù)字顯示部分</p><p>　　數(shù)字顯示部分主要由芯片ICL7107和四個液晶數(shù)碼顯示管組成，數(shù)碼管采用共陽極數(shù)碼管即共陽極七段L

61、ED數(shù)碼管[9]。對于共陽極LED數(shù)碼管，它將發(fā)光二極管的陽極（正極）短接后作為公共陽極。當驅動信號為低電平，公共陽極接高電平時，二極管才發(fā)光。其特點能在低電壓、小電流條件下工作，發(fā)光響應時間極短，高頻特性好。</p><p>　　芯片ICL7107采用雙電源供電，能輸出較大的電流，適合于驅動發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示器，并且ICL7107芯片內部包括7段譯碼，可以用硬件譯碼的方法直接驅動發(fā)光二極管（LED）數(shù)

62、碼顯示器，所以顯示方式采用共陽極數(shù)碼管LED顯示。圖3-10為數(shù)字顯示部分電路。</p><p>　　ICL7107沒有專門的小數(shù)點驅動信號，使用時可將共陽極數(shù)碼管的公共陽極接V+，小數(shù)點接GND時點亮，接V+時熄滅。通過芯片ICL7107在數(shù)碼管中進行顯示[10]，并能實現(xiàn)進位功能和負號顯示。</p><p><b>　　3.6 報警電路</b></p>

63、<p>　　當電路檢測到溫度或電壓超過記住溫度、電壓時，將產生一個信號給報警電路。使報警電路報警從而提示工作人員檢查電路，排除故障。</p><p>　　有很多種方法來制作報警電路，例如用555電路，或使用專業(yè)的報警器件。在這里我使用的是SGZ07多用報警電路。</p><p>　?。?）SGZ07多用報警電路包括控制輸入、調制振蕩、揚聲輸出、閃光輸出、電源穩(wěn)壓等七部分。不僅

64、可以用作溫度報警器、壓力報警器、防盜報警器、失控報警器、險情報警器等各</p><p><b>　?。?）應用電路</b></p><p>　　SGZ07報警電路如圖11所示，在SGZ07的①腳或②腳接上不同的傳感器或控制信號，同時適當調試一下R1或R2，便可做不同的報警器。①腳、②腳是兩個相位相反的控制端。</p><p>　　圖3-11

65、SGZ07組成的報警電路</p><p>　　上圖為SGZ報警電路，引腳1或引腳2可介入傳感信號即為本次設計中A/D轉換電路后的信號，可通過調節(jié)R1或R2來對報警進行控制，報警分為兩方面，1為LED的發(fā)光顯示，2為揚聲器的鳴叫，當我們所測的三個模擬信號，溫度，直流電壓，交流電壓超出要求的范圍時，電路就會報警顯示</p><p><b>　　仿真與調試</b></

66、p><p>　　根據(jù)設計任務設計并制作多路數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)電路，并逐級調試。如：多路模擬開關、采樣/保持、A/D轉換等。</p><p>　　1.在T=20～30°C溫度范圍內測量AD590溫度傳感器的溫度——電壓變化曲線，確定T=27±3°C所對應的電壓值。</p><p>　　2.根據(jù)步驟2所測電壓值，設計并調試溫度變量的轉換與比較電路

67、，并用發(fā)光二極管顯示不正常溫度。</p><p>　　3.設計并調試模擬信號為直流電壓時的比較電路，當輸入電壓VDC<1.5V時，發(fā)光二極管顯示欠壓狀態(tài)。</p><p><b>　　4.1仿真電路圖</b></p><p>　　圖4-1 電路仿真總框圖</p><p>　　4.1.1 傳感信號的放大仿真<

68、/p><p>　　圖4-2 溫度信號轉換仿真</p><p>　　由上面AD590芯片的介紹中可知，AD590的溫度傳感與電流輸出是成正比的，當測試溫度為25℃的時候，輸出電流為298.2mV1000=0.2982mA；當測試溫度為30℃的時候，輸出電流為0.3032mA，可以得到以下的線性關系：溫度增加1℃，電流輸出增加0.001mA：</p><p>　　對24℃

69、到30℃的信號以60倍的放大比例進行溫度信號的測量</p><p>　　圖4-3 24℃信號轉換仿真 圖4-4 25℃信號轉換仿真</p><p>　　圖4-5 26℃信號轉換仿真 圖4-6 27℃信號轉換仿真</p><p>　　圖4-7 28℃信號轉換仿真 圖4-8 29

70、℃信號轉換仿真</p><p>　　圖4-9 30℃信號轉換仿真</p><p><b>　　表4-1</b></p><p>　　下面以24℃、27℃、30℃為例對這三個信號進行放大仿真</p><p>　　圖4-10 24℃信號放大仿真</p><p>　　圖4-11 27℃信號放大仿真

71、</p><p>　　圖4-12 30℃信號放大仿真</p><p>　　我們將測量溫度所得的信號轉換為電壓信號，然后以此信號進行放大仿真，可以很快得到24℃—30℃的信號，在9.808V—10.006V之間變化，經過比較和放大后在8.08V—10.06V之間變化，之后將此信號接入到模擬開關。</p><p>　　4.1.2 信號比較電路的仿真</p>

72、<p>　　圖4-13 23℃信號電壓比較電路</p><p>　　圖4-14 24℃信號電壓比較電路</p><p>　　圖4-15 27℃信號電壓比較電路</p><p>　　圖4-16 30℃信號電壓比較電路</p><p>　　圖4-17 31℃信號電壓比較電路</p><p>　　傳感

73、信號出來后經過放大電路的放大可以得到電壓為-9.871至-10.006的反相電壓，要使得用電壓比較電路對此信號進行比較和報警，那基準電壓必須設定唉此范圍內，因此電阻R3和R4的選定和阻值調節(jié)就非常重要。由上面仿真的結果可以很明顯的看到，當溫度在24℃—30℃時，發(fā)光二極管是不發(fā)光的，而一旦溫度超出了這個范圍，發(fā)光二極管立即發(fā)光顯示報警。</p><p>　　4.1.3 直流（交流）電壓的報警顯示</p>

74、;<p>　　圖4-18 1.495V電壓的比較電路報警顯示仿真</p><p>　　圖4-19 1.5V電壓的比較電路報警顯示仿真</p><p>　　圖4-20 3.5V電壓的比較電路報警顯示仿真</p><p>　　圖4-21 3.505V電壓的比較電路報警顯示仿真</p><p>　　根據(jù)上圖對電壓比較電路的仿真

75、，我們可以從結果中看到實際測得1.494V-3.506V之間電壓比較電路是不報警的，誤差在0.005V左右，并且當電壓超出上述范圍是LED燈馬上發(fā)光報警。</p><p><b>　　4.2調試注意點：</b></p><p>　　1、系統(tǒng)的采樣速度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，取樣速度有模擬信號帶寬，數(shù)據(jù)通道數(shù)和取樣頻率（即每個周期的取樣點數(shù)）決定。而取樣頻率至少為輸入信號最高

76、有效頻率的兩倍，即每個信號周期內至少取樣兩次。實際使用時，為了保證數(shù)據(jù)采集的精度，一般每周取樣7～10次。</p><p>　　2、系統(tǒng)的同步，例如：S/H與A/D互連時，必須保持同步。為此，可將ADC0804的INTR信號作為控制電路的時鐘輸入信號，也可將INTR信號直接作為S/H的控制信號。具體如何連接，須根據(jù)設計電路而定。</p><p>　　3、基準電壓VREF</p>

77、<p>　　因為A/D轉換的精度直接與基準源的質量有關。因此應選擇精確、穩(wěn)定的電壓來作為基準電壓VREF，應依據(jù)模擬輸入信號的電壓范圍來選定。</p><p>　　4、A/D轉換后，可利用GAL器件或其他顯示器件，進行七段顯示。</p><p><b>　　設計總結</b></p><p>　　本設計方案按照任務書的要求,查閱了大

78、量的相關材料，細致地分析了本系統(tǒng)的各個模塊電路，根據(jù)文獻和自己大學四年所學的知識，思考和設計出了各項功能電路和其實現(xiàn)的方法。在設計期間，我學習了很多模塊的基本知識，有本次設計中運用到的，也有本次設計未用到的，加深了對模電，單片機等的認識和理解，也進一步鞏固了protel 99se和multisim軟件，利用protel 99se和multisim軟件繪制出了電路原理圖，認真檢查思考原理圖是否存在的缺陷，并進行優(yōu)化，作出仿真。</p

79、><p>　　本次設計的總體電路為一個數(shù)據(jù)實時的監(jiān)控系統(tǒng)，能夠對多路數(shù)據(jù)進行巡回檢測、顯示與報警。模擬信號分別為溫度、直流電壓和交流正弦電壓。</p><p>　　本次設計電路模塊主要包括：</p><p>　?。?）信號提取與放大。</p><p>　　電路中溫度信號提取要利用溫度傳感器（AD590或者用電流源代替）才能實現(xiàn)。</p>

80、;<p>　　因為本次電路的溫度信號最終是以電流信號的方式進行輸出和傳送的。此電路主要采用AD590電路作為溫度傳感器。利用AD590所接滑動變阻器和電阻計算出AD590的電流輸出，并傳輸給后面的放大電路。由放大電路進行放大，傳輸?shù)胶竺娴哪M開關。</p><p><b>　　(2)比較電路 </b></p><p>　　電壓比較電路的V1，V2兩個基準

81、電壓的值是我們設定的，可以通過VCC的選定和對連接的Rp進行調節(jié)，以對VCC進行分壓的目的，分壓后再利用比較器產生一個為0或1的信號來通過LED燈，LED燈發(fā)光則電路的輸入電壓異常，顯示報警。</p><p>　　(3)取樣/保持（S/H）電路 </p><p>　　在A/D轉換前需要將模擬信號變換成能直接滿足A/D變換要求的信號電平輸入方式。為了減小動態(tài)數(shù)據(jù)的測量誤差，對于快速變化的輸入

82、信號，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中往往設置S/H電路，以防止采樣過程中信號發(fā)生變化。因此，多路開關、S/H電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個重要環(huán)節(jié)。本次設計主要采用LF398對模擬開關出來的信號進行采樣保持處理，然后再送入A/D準換電路。</p><p><b>　　（4）A/D轉換 </b></p><p>　　A/D轉換芯片種類繁多，按其變換原理分類，主要有逐次比較式、雙積分

83、式、量化反饋和并行式等。這里主要采用芯片ICL7107。實現(xiàn)對模擬信號向數(shù)字信號的轉換。當然或許DC0808等芯片中直接還有蜂鳴器進行報警，相對于ICL1707可能電路較難，ICL1707在本次設計中對于電路的簡便性性的優(yōu)勢是無法替代的。</p><p>　?。?）顯示與報警電路</p><p>　　當然電路中的電壓比較電路是其中一個非常重要的模塊，通過比較電壓大小，我們才能知道測得的數(shù)據(jù)

84、是否合理，如果采集的數(shù)據(jù)超出預期的目標，報警電路中有類似蜂鳴的喇叭進行報警，并進行數(shù)據(jù)顯示，本次設計即有比較器之后所接的LED等進行發(fā)光顯示，又有揚聲器進行鳴叫提醒，作為一個報警電路而言還是相當?shù)耐暾?。仿真的時候用LED發(fā)光進行報警顯示。</p><p>　?。?）模擬開關和控制電路</p><p>　　模擬開關，本次設計采用的是雙向傳輸?shù)陌诉x一開關CD4051，控制電路采用選通開關對整

85、個電路進行控制，來自ICL1707進行A/D轉換之后的數(shù)字信號進入數(shù)碼管進行顯示。</p><p>　　總的來說上述個模塊配合在一起是很完整和準確的，如果用其他模塊或芯片代替，可能就無法達到預期想要的目標。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008，

86、3，1.</p><p>　　[2]謝邦昌，李揚，匡宏波，北京商智通團隊.從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)挖掘[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2009，03.</p><p>　　[3]Authorized Distributors,數(shù)據(jù)采集開關單元[EB/OL]，[2010-03-08].</p><p>　　http://www.home.agilent.com/upload/c

87、mc_upload/All/clp_ID.1824232_chi.html?cmpid=26552&gclid=COPpgeqqx6UCFQLubgodXiO4_g.</p><p>　　[4]賀一丁.多路數(shù)據(jù)巡回檢測與顯示[EB/OL]，[2010-01-01].</p><p>　　[5]陸廣平，卜迎春.基于DSP的多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設計報2010

88、，3，4.（20）：1-6.</p><p>　　[6]沈蘭蓀.數(shù)據(jù)采集技術[M].合肥：中國科學技術大學出版社,1990,8.</p><p>　　[7]姜宏，劉暢，王得發(fā).Signal and Information Processing[J].中國郵電高校學報（英文版）,2010,5,17(5):26-31.</p><p>　　[8]張虹現(xiàn)，全英匯，刑孟道，

89、張守宏.步進線性調頻信號艦船ISAR成像的實時信號處理[J].南京航空航天大學，2007，6，3（25）：401-406.</p><p>　　[9]王正光.數(shù)據(jù)采集與處理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985，9.</p><p>　　[10]羅鳳英.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量結果的不確定評定[J].新疆電力報2005，7，11（2）：41-44.</p><p>　　[1

90、1]stanic Set al.broadband shallow-water,acoustic,coherence,experiments,inProceedings of the High-Fregquency Ocean Acoustics Conference[M] .Panama City,2003，5.</p><p>　　[12]中電網：http://blog.eccn.com/space.php?