数据采集系统的设计

目录

第一章 设计任务与要求.............................................. 3 第二章 设计方案.................................................... 3

2.1、设计步骤 ................................................... 3 2.2、设计框图 ................................................... 4 第三章 设计原理与电路............................................. 4

3.1使用芯片的介绍............................................... 4

3.1.1 RAM存储器的介绍 ....................................... 4 3.1.2 D/A转换器（DAC0832）的介绍 ........................... 6 附：3.1.3 A/D转换器（ADC0809）的介绍 ....................... 8 附：3.1.4 555方波发生器的介绍 ............................ 13 附：3.1.5 译码器与数码显示管的介绍........................ 12 3.2单元电路的设计.............................................. 13

3.2.1数据存储电路 .......................................... 13 3.2.2 数模转换电路.......................................... 14 附：3.2.3模数转换电路 ...................................... 15 附：3.2.4 数字显示电路...................................... 16

第四章 电路的组装与调试......................................... 18

4.1 电路总图 ................................................... 18 4.2 电路的性能测试与仿真 ....................................... 20

4.2.1 第一步仿真：模数转换与数字显示管显示仿真调试........ 20 4.2.2 第二步仿真：数字存储与数模转换并测量输出电压仿真调试.. 21 4.2.3 整个电路图调试显示.................................... 23 4.3 调试结果比较与误差分析 .................................... 24 第五章 设计总结

附录............................................................... 28

1.元件清单 ..................................................... 28 2.Protel 原理图 .............................................. 29 3. PCB图....................................................... 28 参考文献........................................................... 29

第一章 设计任务与要求

数据采集系统的设计（2人）

附：（1）用ADC0809（或其他ADC芯片）实现对一路模拟信号进行数据采集，其模拟信号以常用物理量温度为对象，可以用05V的电压模拟现场温度。采集的数据一方面送到存储器进行保存，同时用数码管跟踪显示。

（2）从存储器中读出数据，经DAC0832（或其他DAC芯片）进行数模转换，比较所得模拟量与输入模拟量对应情况，并且分析误差。

第二章 设计方案

2.1、设计步骤

（1）、用555方波发生器产生5V的脉冲方波 （2）、用ADC0809进行A/D转换 （3）、用7447N二-十进制译码器译码 （4）、用十进制数码显示管显示数字信号

（5）、用RAM存储器写入数字信号进行存储并读出 （6）、用DAC0832进行D/A转换 （7）、用万用表读出输出模拟电压

（8）、把输出模拟电压与输入模拟电压进行比较，并且分析误差

2.2、设计框图

图2-1为数据采集系统的简单组成框图，它由A/D转换器（ADC0809）、译码显示器、存储器（RAM）、D/A转换器（DAC0832）等部分组成。其中， A/D转换器（ADC0809），D/A转换器（DAC0832）是数据采集系统中不可或缺的重要组成部分，其它部分则可以视系统的需要而配置。

第三章 设计原理与电路

3.1使用芯片的介绍 3.1.1 RAM存储器的介绍

存储器（HM1-652-883）元件图如图3.1.1所示

存储器（HM1-652-883）

图3.1.1 引脚排列

1．外部结构

* A0～A12 地址存入端；

* DQ0～DQ7 数据写入（或输出）端； * W’ 写入数据控制端（低电平有效）； * G’ 读入数据控制端（低电平有效）； * E2 接Vcc（5V）； * E1’接地；

2．工作方式

存储器HM1-652-883，既能将A/D转换后的数字信号存入，又能将存入的数字信号读出。其功能如表3.1.1所示。

表3.1.1 W’ G’ 作用 1 0 1

1 1 0 读写无效 写入数据 读出数据 3.1.2 D/A转换器（DAC0832）的介绍

DAC0832 完整元件图 与 DAC简化图（输出电压） 如图3.1.2所示

图3.1.2

DAC0832 完整元件图 DAC简化图（输出电压）

DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。

1．DAC0832的主要特性参数如下：

* 分辨率为8位； * 电流稳定时间1us；

* 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； * 只需在满量程下调整其线性度； * 单一电源供电（+5V～+15V）； * 低功耗，200mW。

2．DAC0832结构：

图3.1.3 DAC0832 逻辑框图及引脚排列

* D0～D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；

* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；

* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；

* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；

* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；

* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。

* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； * IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；

* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；

* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V～+15V；

* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V～+10V； * AGND：模拟信号地（摸拟信号和基准电源的参考地）

* DGND：数字信号地（两种地线在基准电源处共地比较好）

3. DAC0832的工作方式：

根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。

DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。 采用ADC0809实现A/D转换。

（一） D/A转换器DAC0832DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。如图3.1.4所示，它由倒T型R-2R电阻网络、模拟开关、运算放大器和参考电压VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量V0为：

图3.1.4

由上式可见，输出的模拟量 与输入的数字量（

）

成正比，这就实现了从数字量到模拟量的转换。

一个8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28=256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。

附：3.1.3 A/D转换器（ADC0809）的介绍

ADC0809 完整元件图 与 ADC简化图 如图3.1.5所示

图3.1.5

ADC0809 完整元件图 ADC简化图

ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

1．主要特性

1）8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。 3）转换时间为100μs(时钟为0kHz时)，130μs（时钟为500kHz时） 4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。 6）工作温度范围为-40～＋85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A／D转换器，内部结构如图3.1.1所示，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近。

图3.1.6 《ADC0809内部逻辑结构》

3．外部特性（引脚功能）

图3.1.7 ADC0809引脚

ADC0809芯片有2引脚，采用双列直插式封装，如图所示。下面说明各引脚功能。

* IN7～IN0——模拟量输入通道

* ALE——地址锁存允许信号。对应ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址锁存器中。

* START——转换启动信号。START上升沿时，复位ADC0809；START下降沿时启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，START应保持 低电平。本信号有时简写为ST.

* A、B、C——地址线。 通道端口选择线，A为低地址，C为高地址，引脚图中为ADDA，ADDB和ADDC。其地址状态与通道对应关系见表3.1.3。

表3.1.3 ADC0809通道选择真值表

* CLK——时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500KHz的时钟信号

* EOC——转换结束信号。EOC=0,正在进行转换；EOC=1,转换结束。使用中该状态信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 * D7～D0——数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高

* OE——输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，输出转换得到的数据。

* Vcc—— +5V电源。

* Vref——参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V(Vref(+)=+5V, Vref(-)=-5V). 4．ADC0809的工作过程

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 A／D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A／D转换完成，EOC变为高电平，指示A／D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。

转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。为此可采用下述三种方式。 （1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。例如ADC0809转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共个机器周期。可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。 （2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可却只转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述那种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

附：3.1.4 555方波发生器的介绍

图3.1.8 脉冲方波发生器

由图可知：

 RST 置零输入端（高电平有效）；

 DIS 将其通过电阻接到电源上，当电阻够大时，与输出端OUT输出的状

态相同；

 THR 阀值端；  TRI 触发端；

 CON 控制电压输入端；  OUT 方波输出端；  GND 接地；  VCC 接电源。

附：3.1.5 译码器与数码显示管的介绍

图 3.1.9译码器与数码显示管

 BI/RBO 、RBI 、LT 都接VCC；  OA～OG 译码器输出端；  A～G 数码显示管输入端；

3.2单元电路的设计

3.2.1数据存储电路

将模数转换后的数字信号存入存储器中并读出，电路如图3.2.1所示：

图3.2.1 数据的存储

1.引脚接法

 地址输入A0～A12 假设存入地址100000000000（即A0接入高电平）；  E2 接Vcc（5V）；  E1’接地；

 控制输入W’接J2, G’接J3

J1、J2同掷上时读写无效，J1掷下J2掷上时写入数据， J1掷上J2掷下时读出数据；  输出DQ0～DQ7接J4～J11

单刀双掷开关掷上时与ADC0809连接，写入数据（ADC0809输出 的数字信号）;

单刀双掷开关掷上时与DAC0832连接，读出数据 .

2 控制功能表 W’ G’ 作用 1 1 读写无效 0 1 1 0 写入数据 读出数据

3.电路运行过程

连接好电路后。先把单刀双掷开关J4～J11掷上，J1掷下J2掷上写 入数据；再把J1掷上J2掷下，之后把单刀双掷开关J4～J11掷下，读出数据。这就完成了一个存储数据全过程。

3.2.2 数模转换电路

从存储器中读出数据，经DAC0832进行数模转换，并用万用表显示输出的模拟信号，电路如图3.2.2所示：

图3.2.2 数模转换

看图

 J4～J11 单刀双掷开关接下时与DAC0832连接，读出数据（ADC0809

输出的数字信号）；

 XMM1 万用表，显示输出的模拟信号（电压）

数据存储与数据转换综合电路

附：3.2.3模数转换电路

将0～5V的电压（模拟现场的温度）转化为数字信号，电路如图3.2.4所示。

图3.2.4数模转换

如图3.2.4所示ADC0809的外围电路可知:

 滑动变阻器R1 为了得到0～5V的可变电压（模拟现场的温度）；  SOC 开始转换信号（5V的脉冲方波）；  EOC 输出信号转换结束，高电平有效。（检测是否有数据输出）；  VREF 参考电压范围为0～5V；

附： 5V脉冲方波的形成

1. 此电路中用555方波发生器产生5V的脉冲方波，电路如图3.2.5所示。

图3.2.5 脉冲方波发生器

由图可知：

 RST 置零输入端（高电平有效）；

 DIS 将其通过电阻接到电源上，当电阻够大时，与输出端OUT输出的状

态相同；

 THR 阀值端；  TRI 触发端；

 CON 控制电压输入端。

2. 方波发生器的参数计算 f=1KHz;

T=1/f=0.001s;

T=(R2+2*R3)*C*ln2;

若取C=10μF,则R2=R3=48Ω≈50Ω； 所以有C1=10μF，C2=0.01μF=10nF.

附：3.2.4 数字显示电路

1. 经过计算研究，将ADC0809输出的二进制数字信号输入到4线7线译码器（7447N），将二进制的数字信号转化为十进制的数字信号，并用7线十进制显示管显示出，再在ADC0809的输出端接入八个小灯泡，来验证数码显示管显示的数据是否正确，电路如图3.2.6所示：

图3.2.6 数据显示及验证

由图可知：

 BI/RBO、 RBI、 LT 接VCC；  OA～OG 译码器输出端；  A～G 数码显示管输入端；

X1～X8 检验输出的二进制数字信号（小灯泡亮为1，不亮为

2 BCD-七段显示译码器的真值表

表3.2.4七段显示译码器的真值表

0）。

第四章 电路的组装与调试

4.1 电路总图

图4.1.1 数据采集器总电路图

4.2 电路的性能测试与仿真

本次电路仿真采用的仿真调试软件为Multisim 软件。

4.2.1 第一步仿真：模数转换与数字显示管显示仿真调试

1. 操作方法与步骤：

（1）.连接好电路图并检查无误后，把单刀双掷开关J1掷上与VCC连接； （2）.观察灯X9是否亮，若灯亮，则ADC进入模数转换状态并开始输出数字信号；

（3）.观察灯X1-X8的明亮状况，灯亮记为1，灯灭记为0，则可据此依次对应X1-X8写出一组8位二进制数；

（4）.再观察显示管U1和U2显示的数字并依次记录，把每个显示管显示的十进制转换为对应的四位二进制数，记录并计算；

2.仿真调试电路图

当滑动变阻器调为50%（R=1KΩ），即输入电压Vin=5V*50%=2.5V时仿真调试图。

图4.2.1 模数转换数字显示图

3.调试结果记录 滑变百分比实际电压（1 K Ω） (V) ADC0809转化 二进制 十进制 数码显示管 显示换算成十六进制 十进制 2% 8% 23% 25% 50% 80% 81% 100%

0.10 0.4 1.15 1.25 2.5 4.0 4.05 5 00000101 00010100 00111010 00111111 01111111 11001100 11001111 11111111 5 20 58 63 127 204 207 255 05 14 38 3F 7F CC CF FF 5 20 56 63 127 204 207 255 4.2.2 第二步仿真：数字存储与数模转换并测量输出电压仿真调试

1.操作方法与步骤： （1）、连接好电路图并检查无误后，把J1、J2同掷上，并把J4～J11都掷上，此时存储器进入读写无效的停止工作状态，万用表显示电压为0； （2）把J1掷下J2掷上，此时存储器进入写入数字的工作状态，DAC中没有数字输入，万用表显示电压为0；

（3） 把J1掷上J2掷下，此时存储器进入读出数字的工作状态，之后把J4～J11都掷下，DAC中有数字输入，万用表显示电压值，读出电压值并记录。

2 、仿真调试电路图

数模转化后读出数据Vout=2.471V。

图4.2.2 数据存储、数模转换图

3、调试结果记录 滑变百分比实际电压（1KΩ） (V) 2% 8% 23% 25% 50% 80% 81% 100%

0.10 0.4 1.15 1.25 2.5 4.0 4.05 5 ADC0809转化 二进制 十进制 00000101 5 00010100 20 00111010 58 00111111 63 01111111 127 11001100 204 11001111 207 11111111 255 数码显示管 十六十进制 进制 05 5 14 20 38 56 3F 63 7F 127 CC 204 CF 207 FF 255 万用表显示电压 97.582mV 390.33mV 1.132V 1.23V 2.479V 3.982V 4.04V 4.977V 4.2.3 整个电路图调试显示 图4.3.3 R=1KΩ时仿真图

4.3 调试结果比较与误差分析

1.整个电路仿真调试结果表 滑变百分比实际电压ADC0809转化 （1KΩ） (V) 二进制 十进制 2% 8% 23% 25% 50% 80% 81% 100% 0.10 0.4 1.15 1.25 2.5 4.0 4.05 5 00000101 5 00010100 20 00111010 58 00111111 63 01111111 127 11001100 204 11001111 207 11111111 255 数码显示管 十六十进制 进制 05 5 14 20 38 56 3F 63 7F 127 CC 204 CF 207 FF 255 万用表显示电压 97.582mV 390.33mV 1.132V 1.23V 2.479V 3.982V 4.04V 4.977V

2. 比较所得模拟量（万用表显示电压）与输入模拟量（实际输入电压） 分析误差 实际电压(V) 0.10 0.4 1.15 1.25 2.5 4.0 4.05 5 万用表显示电压 绝对误差 97.582mV 0.002418 390.33mV 0.00967 1.132V 0.018 1.23V 0.02 2.479V 0.021 3.982V 0.018 4.04V 0.01 4.977V 0.023 绝对误差平均值0.015261 相对误差平均值1.24905% 相对误差 2.418% 2.4175% 1.56% 1.6% 0.84% 0.45% 0.2469% 0.46%

注： 绝对误差 = | 示值 - 标准值 | （即测量值与真实值之差的绝对值）

相对误差 = | 示值 - 标准值 |/真实值 （即绝对误差所占真实值的百分比）

第五章 设计总结

通过两周的努力，在指导老师的辛勤指导下，终于将数据采集系统的课程

设计完成了。这让我意识到在大学里掌握一定的专业知识和动手能力是多么的重要，这次课程设计让我学会了很多东西，也提醒我今后要更加注意把所学的专业知识与动手实践操作相结合。

这次设计中我用到了模拟电路、数字电路技术和数电、模电、电路等课程学到的知识，我意识到自己很多知识都了解了一点皮毛，专业知识明显不足，以后还需要好好学习与锻炼，进一步加强自己。

在课程设计过程中，我学会了用 M u l t i s i m 软件制作电路图，也学习了用P r o t e l 软件制作PCB板。以前很多没用过的软件也都接触了，也让我意识到学习各种专业方面软件的重要性。通过本次实习我学会了很多，进一步提高了软件、硬件结合的产品设计与开发能力，当然在这方面还有很多需要努力。 这次通过与刘洁合作 ，通过同学们的帮助和老师的指导，我的设计做得很成功。这让我意识到合作的重要性。并且在这次设计中，我不仅掌握了设计的一般原则，而且学会了有效的安排设计中的各个环节。 在设计过程中，要掌握各部分电路的功能，当找不到所需的元器件时要找好功能一样的替代品，而且要找出此元器件的引脚功能，否则设计很难成功。用 M u l t i s i m 软件制作电路图时，要注意选择原件库中有的元件，而且要注意参数的匹配；在用P r o t e l 软件制作PCB板事，也要尽量选择元件库中存在的元件及其封装，当然也可以自己制作一些难找的元件的引脚图与其封装。

总之，我们还是要学好理论知识，理论知识在实践中作指导作用，通过理论知识来武装自己，才能在实践中不乱手脚，一切高效而顺利的进行。要好好学习数电、模电、单片机等专业知识。要把理论知识学扎实、灵活，弄清原理，勤于动手，勤于动脑，可以根据需要设计我们理想的电子产品，更好的服务人民与社会。

附录

1.元件清单

Comment Cap Pol1 Cap LED1 Description Polarized Capacitor (Radial) Capacitor Typical RED GaAs LED 14.22 mm Low Current HDSP-5553 HER 7-Segment Display: CC, RH DP Res1 RPot Resistor Potentiometer SPDT Subminiature SW-SPDT Toggle Switch, Right Angle Mounting, Vertical Actuation LM555H ADC-8 HM SN7447AN Timer Generic 8-Bit A/D Converter BCD-to-Seven-Segment Decoder/Driver Generic 8-Bit D/A Converter R1, R2 RX S0, S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10 U1 U2 U3 U4, U5 H08C SOT403-1 DIP_28 N016 LM555H ADC-8 HM SN7447AN 1 1 1 2 TL36WW15050 SW-SPDT 11 AXIAL-0.3 VR5 Res1 RPot 2 1 DS1, DS2 H-10 HDSP-5553 2 C1 C2 D0, D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 Designator Footprint RB7.6-15 RAD-0.3 LED-1 LibRef Cap Pol1 Cap LED1 1 1 9 Quantity DAC-8 U6 SOT402-1 DAC-8 1

2.Protel 原理图

图5.1数据采集器Protel原理图

3. PCB图

图5.2 数据采集器PCB封装图

参考文献

1.邱光源原著——罗先觉修订.电路（第五版）.北京：高等教育出版社， 2006.

2.童诗白 华成英主编.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版 社，2006.

3.阎石主编.数字电子技术基础（第五版）.北京：高等教育出版社，2006. 4.郭文川主编.单片机原理与接口技术.北京：中国农业出版社，2007.