測控專業(yè)綜合課程設計(精密測試系統,人機交互,精密絲桿加工)

1、.第一部分 精密測試數據采集系統第一章 緒論1.1數據采集系統簡介 數據采集，是指從傳感器和其它待測設備等模擬和數字被測單元中自動采集信息的過程。數據采集系統是結合基于計算機（或微處理器）的測量軟硬件產品來實現靈活的、用戶自定義的測量系統。本次設計的精密測試數據采集系統，是用于將模擬信號轉換成計算機可以識別的數字信號，將傳感器測得的微弱電信號經過放大、濾波，以8051單片機為核心，配以ADC0809模數轉換器件，并且通過RS232協議將信息送到PC上位機中進行顯示。1.2應用背景及意義在計算機廣泛應用的今天，數據采集在多個領域有著十分重要的應用。它是計算機與外部物理世界連接的橋梁。利用串行或紅

2、外通信方式，實現對移動數據采集器的應用軟件升級，通過制訂上位機(PC)與移動數據采集器的通信協議,實現兩者之間阻塞式通信交互過程。在工業(yè)、工程、生產車間等部門，尤其是在對信息實時性能要求較高或者惡劣的數據采集環(huán)境中更突出其應用的必要性。例如：在工業(yè)生產和科學技術研究的各行業(yè)中，常常利用PC或工控機對各種數據進行采集。這其中有很多地方需要對各種數據進行采集，如液位、溫度、壓力、頻率等；衛(wèi)星數據采集系統是利用航天遙測、遙控、遙監(jiān)等技術，對航天器遠地點進行各種監(jiān)測，并根據需求進行自動采集，經過衛(wèi)星傳輸到數據中心處理后，送給用戶使用的應用系統。隨著時代的發(fā)展，數據采集系統在各領域的應用將越來重要，發(fā)揮

3、舉足輕重的作用。第二章 設計安排2.1設計目標針對國際電工電壓標準（+、-）5v的規(guī)定。要求能根據信號源電壓的范圍進行調理和計算，并能根據采樣定理設計滿足要求的濾波器，然后針對處理后的電壓值進行A/D轉換、數據標定以及數碼顯示。2.2設計內容1利用運算電路把不同電壓范圍的信號處理到0至5V之間。2根據采樣定理，利用有源濾波器對信號進行抗混濾波。3利用ADC0809等器件對數據進行A/D轉換，采用C語言編寫A/D轉換過程。4編寫C語言上位機通訊程序（采用RS232協議）實現對底層數據的采集與處理。5已知數據 信號電壓范圍：-0.5V2.5V；頻率成分：信號頻率50100Hz，干擾頻率650750

4、Hz；濾波器類型:巴特沃思有源濾波器，通帶增益Kp=1。2.3設計分析數據采集（Data Acquisition）就是將要獲取的信息通過傳感器轉換為信號，并經過信號調理、采樣、量化、編碼和傳輸等步驟，最后送到計算機系統中進行處理、分析、存儲和顯示。相應的系統稱為數據采集系統。一個數據采集系統通常是由傳感器（sensor）、信號調理電路（signal conditioning circuit）、A/D轉換器（analog-digital converter，ADC）及微型計算機等4個主要部分組成。信號調理電路包括信號放大、隔離、模擬濾波、多路轉換等。數據采集系統的任務，就是采集傳感器輸出的模擬信

5、號并轉換成計算機能識別的數字信號，然后送入計算機進行相應的計算和處理，得到所需的數據。同時，將計算機得到的數據進行顯示或打印，以便實現對某些物理量的見識，其中一部分數據還將被生產過程中的計算機控制系統用來控制某些物理量。數據采集系統性能的好壞，主要取決于它的精度和速度。在保證精度的條件下，應有盡可能高的采樣速度，以滿足實時采集、實時處理和實時控制對速度的要求。2.4設計結構數據采集系統主要有硬件和軟件兩部分組成，其中硬件部分又可分為模擬部分和數字部分。計算機數據采集系統的硬件基本組成如下圖2-1所示。圖2-1 計算機數據采集系統的硬件基本組成 從圖1可以看出，計算機數據采集系統一般有傳感器、前

6、置放大器、濾波器、多路模擬開關、采樣/保持（/）器、模數（/）轉換器和計算機系統組成。以下介紹各個組成部分的功能。2.4.1傳感器傳感器的作用是把非電的物理量（如速度、溫度、壓力等）轉變成模擬電量（如電壓、電流、電阻或頻率）。2.4.2前置放大器前置放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較?。ㄈ纾撼Ｓ脽犭娕嫉妮敵鲎兓趲缀练綆资练g，電阻應變片輸出電壓的變化只有幾個毫伏），因此需要加以放大以滿足大多數/轉換器的慢量程輸入的要求。此外，某些傳感器內阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起到阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，因此放大器的種類也

7、較多。例如，為了減少輸入信號的共模分量，就產生了各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器；為了減少放大器輸出的漂移，就產生了斬波穩(wěn)零和激光修正的精密放大器。2.4.3濾波器傳感器以及后續(xù)處理電路中的器件常會產生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲。例如，工頻信號可以成為一種人為的干擾源。為了提高模擬輸入信號的信噪比，常常需要使用濾波器對噪聲信號進行一定的衰減。2.4.4多路模擬開關在數據采集系統中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可以通過多路模擬開關來實現，這樣可以簡化設計，降低成本。多路模擬開關可以分時選通來自多個輸入通道中的某一路通道。因此，在多路模

8、擬開關后的單元電路，如采樣/保持電路、模/數轉換電路以及處理器電路等，只需要一套即可，這樣可以節(jié)省成本和體積，但這僅適用于物理量變化比較緩慢、變化周期在數十至數百毫秒之間的情況下。因為這時可以使用普通的微秒級/轉換器從容地分時處理這些信號。但當分時通道較多時，必須注意泄露及邏輯安排等問題，當信號頻率較高時，使用多路分路開關后，對A/D的轉換速率要求也隨之上升。在數據通過慮超過4050kHz時，一般不宜使用分時的多路開關技術。模擬多路開關有時也可以安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關的類型；若選用集成電路的模擬多路開關，由于它比干簧或繼電器組成的多路模擬開關導通電阻

9、大、泄露電流大，因而有較大的誤差產生。所以要根據具體情況來選擇多路模擬開關。一般模擬多路開關有個模擬輸入端，N個通道選擇器，由N個選通信號控制選擇其中一個開關閉合，使對應的模擬輸入端與多路開關的輸出端接通，讓該路模擬信號通過。有規(guī)律地周期性改變N個選通信號，可以按固定的序列周期性閉合各個開關，構成一個周期性分組的分時復用輸出信號，由后面的A/D轉換器分時復用對個通道模擬信號進行周期性轉換。2.4.5采樣/保持器多路模擬開關之后是模擬通道的轉換部分，它包括采樣/保持電路和A/D轉換電路。采樣/保持電路的作用是快速拾取多路模擬開關輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A/D轉換器的轉換精度，如果把

10、采樣/保持電路放在模擬多路開關之前（毎道一個），還可實現對瞬時信號同時進行采樣。A/D轉換器完成一次轉換需要一定的時間，在這段時間內希望A/D轉換器輸入端的模擬信號電壓保持不變，以保證有較高的轉換精度。這可以利用采樣/保持器來實現，采樣/保持器的加入，大大提高了數據采集系統的采樣頻率。2.4.6模/數轉換器采樣/保持電路輸出的信號送至A/D轉換器，A/D轉換器是模擬輸入通道的關鍵電路。由于輸入信號變化的速度不同，系統對分辨率、精度、轉換速率及成本的要求也不同，因此/轉換器的種類也較多。目前，采樣/保持電路和/轉換電路普遍采用單片集成電路，有的單片A/D轉換器內部還包含有采樣/保持電路、基準電源

11、和接口電路。A/D轉換器的結果輸出給計算機，有的采用并行輸出，有的則采用串行輸出。使用串行輸出結果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。2.4.7計算機系統計算機系統是整個計算機數據采集系統的核心。計算機控制整個計算機數據采集系統的正常工作，并且把A/D轉換器輸出的結果讀入到內存，進行必要的數據分析和數據處理。計算機系統包括計算機硬件和計算機軟件，其中計算機硬件是計算機系統的基礎，而計算機軟件是計算機系統的靈魂。2.4.8定時與邏輯控制電路定時電路就是按照各個器件的工作次序產生各種時鐘信號，而邏輯控制電路是依據時序信號產生各種邏輯控制信號。數據采集系統個器件的定時關系是比較嚴格的，如

12、果定時不合適就會嚴重影響系統的精度。微型計算機數據采集系統的特點是：（1）系統結構簡單，技術上容易實現，能夠滿足中、小規(guī)模數據采集的要求。（2）微型計算機對環(huán)境的要求不是很高，能夠在比較惡劣的環(huán)境下工作。（3）微型計算機的價格低廉，降低了數據采集的成本。（4）微型計算機數據采集系統可作為集散型數據采集系統的一個基本組成部分。（5）微型計算機的各種I/O模板及軟件比較齊全，很容易構成系統，便于使用和維護第三章 信號調理電路的設計3.1測量放大器的介紹和選用在數據采集系統中，被檢測的物理量經過傳感器變換成模擬電信號，往往是很微弱的毫伏級信號，需要用放大器加以放大。而通用運算放大器一般都具有毫伏級的

13、失調電壓和毎度數的溫漂，因此通用運算放大器不能直接用于發(fā)達微弱信號，而測量放大器則能較好地實現此功能。測量放大器是一種帶有精密差動電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強抗共模干擾能力、低溫漂、低失調電壓和高穩(wěn)定增益等特點，使其在檢測微弱信號的系統中被廣泛用作前置放大器。測量放大器的電路原理如下圖3-1 所示。由圖可見，測量放大器由三個運放構成，并分為二級：第一級是兩個同相放大器、，因此輸入阻抗高；第二級是普通的差動放大器，把雙端輸入變成對地的單端輸出。圖3-1測量放大器電路原理圖在此次課程設計中，選用了美國Analog Devices公司提供的AD522型放大器。該放大器就是按照

14、上述原理設計的單片集成測量放大器。AD522集成數據采集放大器可以在環(huán)境惡劣的工作條件下進行高精度的數據采集。它線性好，并具有高共模抑制比、低電壓漂移和低噪聲的優(yōu)點，適用于大多數12位數據采集系統。AD522通常用于電阻傳感器（電熱調節(jié)器、應變儀等）構成的橋式傳感器放大器以及過程控制、儀器儀表、信息處理和醫(yī)療儀器等方面。AD522是集成精密測量放大器，它的非線性度為0.005%（G=100時），在0.1Hz100Hz頻帶內噪聲的峰-峰值為1.5mV，共模抑制比MRR>100dB(G=100)。AD522采用14腳雙列直插式封裝，它的引腳功能如下圖及表1所示：圖3-2 AD522引腳表1

15、引腳功能說明引  腳名    稱功    能1+INPUT正輸入端2R GAIN增益被償端3-INPUT輸入端4NULL空端5V-負電源端6NULL空端7OUTPUT輸出端8V+正電源端9GND地參考端10NC不接11REF參考端12SENSE補償端13DATA GUARD數據保護端14R GAIN增益補償端引腳OFFSET（4，6）用于調整放大器零點，調整線路是芯片4、6端接到10電位器的兩個固定端，電位器滑動端接負電源（腳5），AD522的基本連接如下圖所示。圖3-3 AD522的基本連接引腳2和14連接調整放大倍數的電

16、阻。引腳13用于連接信號傳輸導線的屏蔽網，以減少外電場對輸入信號的干擾。AD522具有如下特性：低漂移：2.0V/(AD522B)；非線性低：0.005%（G=100）；高共模抑制比：>110dB(G=1000)；低噪聲：1.5Vp-p(0.1100Hz)；單電阻可編程增益：1G1000；具有輸出參考端及遠程補償端；可進行內部補償；除增益電阻外，不需其它外圍器件；可調整偏移、增益和共模抑制比。AD522的器件特性AD522可以提供高精度的信號調理，它的輸出失調電壓漂移小于1V/，輸入失調電壓漂移低于2.0V/,共模抑制比高于80dB(在G=1000時為110dB)，G=1時的最大非線性增

17、益為0.001%，典型輸入阻抗為10 9。AD522使用了自動激光調整的薄膜電阻，因而公差小、損耗低、體積小、性能可靠。同時，AD522還具有單片電路和標準組件放大器的最好特性，是一種高性價比的放大器。為適應不同的精確度要求和工作溫度范圍，AD522提供有三種級別。其中“A”和“B”為工業(yè)級，可用于-25+85?！癝”為軍事級，用于-55+125。AD522可以提供四種漂移選擇。輸出失調電壓的最大漂移隨著增益的增加而增加。失調電流漂移所引起的電壓誤差等于失調電流漂移和不對稱源電阻的乘積。另外，AD522的非線性增益將隨關閉環(huán)增益的降低而增加。AD522放大器的共模抑制比的測量環(huán)境條件為

18、7;10V,使用阻值為1k的不對稱電阻。在低增益情況下，共模抑制比主要取決于薄膜電阻的穩(wěn)定性，但由于增益帶寬的影響，AD522在60Hz以下頻率時相對比較恒定。但在有限的帶寬中，AD522的相移將隨著直流共模抑制比的升高而增加。在動態(tài)性能方面，AD522的穩(wěn)定時間、單位增益帶寬和增益成正比。第四章 信號的濾波4.頻率混疊和采樣定理模擬信號經過 A/D 變換轉換為數字信號的過程稱之為采樣，信號采樣后其頻譜產生了周期延拓，每隔一個采樣頻率s，重復出現一次。1. 頻混現象頻混現象又稱為頻譜混疊效應，它是由于采樣信號頻譜發(fā)生變化，而出現高、低頻成分發(fā)生混淆的一種現象，如圖1所示。信號x(t)的傅里葉變

19、換為X()，其頻帶范圍為-m+m；采樣信號x(t)的傅里葉變換是一個周期譜圖，其周期為s，并且：s=2TsTs為時域采樣周期當采樣周期Ts較小時，s2m，周期譜圖相互分離如圖1-5中（b）所示；當Ts較大時，s2m，周期譜圖相互重疊，即譜圖之間高頻與低頻部分發(fā)生重疊，如圖1-6中(c)所示，此即為頻混現象，這將使信號復原時丟失原始信號中的高頻信息。圖4-1 采樣信號的頻混現象下面從時域信號波形來看這種情況。圖1-6(a)是頻率正確的情況，以及其復原信號；(b)是采樣頻率過低的情況，復原的是一個虛假的低頻信號。圖4-2 發(fā)生頻混現象的時域信號波形當采樣信號的頻率低于被采樣信號的最高頻率時，采樣所

20、得的信號中混入了虛假的低頻分量，這種現象叫做頻率混疊。2. 采樣定理上述情況表明，如果s2m，就不發(fā)生頻混現象，因此對采樣脈沖序列的間隔Ts須加以限制，即采樣頻率s（2Ts）或 fs(1Ts)必須大于或等于信號x(t)中的最高頻率m的兩倍，即：s2m，或 fs2fm。為了保證采樣后的信號能真實地保留原始模擬信號的信息，采樣信號的頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。這是采樣的基本法則，稱為采樣定理。需要注意的是，在對信號進行采樣時，滿足了采樣定理，只能保證不發(fā)生頻率混疊，對信號的頻譜作逆傅立葉變換時，可以完全變換為原時域采樣信號，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號。工程實際中采樣頻

21、率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍。4.2濾波器濾波器是一種用來消除干擾雜訊的器件，是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統。4.2.1濾波器的類型1、按所處理的信號分為模擬濾波器和數字濾波器兩種。2、按所通過信號的頻段按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。 高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內的信號，允許該頻段以外的信號通過。3、按所采用的元器件按所采用的元器件分為無源和有

22、源濾波器兩種。 3.1、無源濾波器： 僅由無源元件(R、L 和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構成的。這類濾波器的優(yōu)點是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點是：通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，當電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大，在低頻域不適用。 3.2、有源濾波器：由無源元件(一般用R和C)和有源器件(如集成運算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點是：通帶內的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負載效應不明顯，多級相聯時相互影響很小，利用級聯的簡單方法很容易構成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕

23、、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點是：通帶范圍受有源器件(如集成運算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電，可靠性不如無源濾波器高，在高壓、高頻、大功率的場合不適用。4.2.2三種常用有源濾波器的比較巴特沃斯（Butterworth）、切比雪夫（Chebyshev）和貝塞爾（Bessel），具有相同的基本組成，即電阻R、電容C和運算放大器，但通過各器件的信號和輸出量是有區(qū)別的，關鍵在于轉折頻率及運算放大器的增益。此三種濾波器的復頻響應曲線如下圖4-3所示圖4-3復頻響應曲線巴特沃斯濾波器是最簡單的一種，只要保證處的轉折頻率不變，即不變，R和C的數值的選擇有較大的自由度。貝塞爾濾波器的增益

24、和時間常數都是不同的，因為，是標準化系數，是轉折頻率。切比雪夫是復雜的一種，因為傳遞函數的極點分布要復雜得多。4.2.3巴特沃思低通濾波器的設計1.1 巴特沃斯低通濾波器簡介:巴特沃斯濾波器是電子濾波器的一種，特點是通頻帶內的頻率響應曲線最大限度平坦，沒有起伏，而在阻頻帶則逐漸下降為零。這種濾波器最先由英國工程師斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年發(fā)表在英國無線電工程期刊的一篇論文中提出的，可以構成低通、高通、帶通和帶阻四種組態(tài)，是目前最為流行的一類數字濾波器 ,經過離散化可以作為數字巴特沃思濾波器 ,較模擬濾波器具有精度高、穩(wěn)定、靈活、不要求阻抗匹

25、配等眾多優(yōu)點 ,因而在自動控制、語音、圖像、通信、雷達等眾多領域得到了廣泛的應用，是一種具有最大平坦幅度響應的低通濾波器。1.2巴特沃斯低通濾波器的設計原理:巴特沃斯低通濾波器的幅度平方函數用下式表示：其中 N為濾波器的階數。當=0時，=1；=時，=1/,是3dB截止頻率。=時，逐漸增大，幅度下降非常迅速。、N同幅度特性關系如圖1.1所示。N決定了幅度下降速度，N越大，通帶就越平坦，過渡帶也隨之變窄，阻帶幅度同過渡帶下降的速度越迅速，總體頻響特性同理想低通濾波器的實際誤差 圖4-4 、N同幅度特性關系用s代替，把幅度平方函數變成s的函數： s=，此公式說明了幅度平方函數有2N個極點，極點可以用

26、下面的公式來表達： k=0,1,2，···，2N-1。2N個極點等間隔分布在半徑為的圓上，間隔是/N rad。如圖4-5所示：圖4-5三階巴特沃斯濾波器極點分布為形成穩(wěn)定的濾波器，2N個極點中只取s平面左半平面的N個極點構成，而右半平面的N個極點構成。的表示式為 例如N=3,通過下式可以計算出6個極點，當N=3時，6個極點中位于左半平面的三個分別為:，取s平面左半平面的極點組成： 將對3dB截止頻率c 歸一化后的表示為： 令，p稱為歸一化拉氏復變量。 ，稱為歸一化頻率。經過歸一化后巴特沃斯濾波器的傳輸函數為： (1.1)式中，為歸一化極點，為位于左半平面的極點用下

27、式表示： 將極點表示式代入(1.1)式，得到的的分母是p的N階多項式，用下式表示： 下面來確定N：由技術指標， 和確定。在定義 (1.2) (1.3) (1.4) 中，將=和=分別代入(1.4)式中，得到和，再將和代入(1.2)和(1.3)式中，得到： 整理得： (1.5) (1.6)由(1.5)和(1.6)式得到： 令 (1.7) 則N由下式表示： (1.8) 取大于等于N的最小整數。關于3dB截止頻率，如果技術指標中沒有給出，可以按照(1.7)式或(1.8)式求出， (1.9) (1.10) 由(1.9)式得到： 由(1.10)式得到： 1.3傳遞函數的計算在本次課程設計中，信號頻率為50

28、100Hz，干擾頻率650750Hz。通帶增益Kp=1，fp=100HZ，p= 0.1dB；fs=650Hz，s=50dB，取截止頻率fc=600Hz.1.該濾波器的技術要求：p=0.1dB，p=2fp=2·100rad/s=200rad/s=628rad/ss=50dB，s=2fs=2·650rad/s=1300rad/s=4082rad/s2.確定階數Nksp=0.00048sp=sp=2·6502·100=6.5N= -lgksplgsp=4.08，取N=5 (實際應用中，根據具體要求也可能取N=4，指標稍微差一點，但階數低一階，使系統是實現電路得

29、到簡化。)3.按照數字信號處理156頁公式，pk歸一化極點，）（k=0,1,2,3,4）故其極點為p0= ，p1= ，p2= ， p3= ， p4=按照課本（6.2.12）式，歸一化低通原型系統函數為 上式分母可以展開成五階多項式，或者將共軛極點放在一起，形成因式分解式，這里不如直接查表課本157頁表6.2.1簡單，由N=5，直接查表得到：極點：，-1.0000歸一化低通原型函數為 式中b0=1.0000， b1=3.2361， b2=5.2361， b3=5.2361， b4=3.2361分母因式分解形式為以上公式中的數據均取小數點后四位。4.為將Ga(p)去歸一化，先求3dB截止頻率，按照

30、課本（6.2.19）式，得到： =將代入課本（6.2.20）式=得： 此時算出的比題目中給的小，因此，過渡帶小于指標要求?；蛘哒f，在時衰減大于50dB，所以說阻帶指標有富余量。將代入中得到：1.4 Matlab仿真MATLAB的信號處理工具箱提供了濾波器的函數 buttap、buttord、butter。由z,p,k = buttap(n)函數可設計出n階巴特沃斯低通濾波器原型,其傳遞函數為 所以事實上z為空陣。上述零極點形式可以化為： 其中，令，得到巴特沃斯濾波器歸一化結果,如表所示。表 階的巴特沃斯濾波器系數n b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b01 1.00002 1.4142

31、 1.0000 3 2.0000 2.0000 1.0000 4 2.6131 3.4142 2.6131 1.0000 5 3.2361 5.2361 5.2361 3.2361 1.0000 6 3.8637 7.4641 9.1416 7.4641 3.8637 1.0000 7 4.4940 10.0978 14.5918 14.5918 10.0978 4.4940 1.0000 8 5.1258 13.1371 21.8462 25.8462 21.8462 13.1371 5.1258 1.0000buttord函數可在給定濾波器性能的情況下 ,選巴特沃斯濾波器的階數 n 和截止

32、頻率,從而可用butter函數設計巴特沃斯濾波器的傳遞函數。9n , = buttord (,s) 可得到足性能的模擬巴特沃斯濾波器的最小階數 n及截止頻率 ,其中為通帶的拐角頻率, 為阻帶的拐角頻率, 和的單位均為rad/s; 為通帶區(qū)的最大波動系數,為阻帶區(qū)的最小衰減系數, 和的單位都為dB。b,a = butter (n,s) 可設計截止頻率為的n 階低通模擬巴特沃斯濾波器,其傳遞函數為: 10具體設計步驟經過總結，巴特沃斯低通濾波器的設計步驟大致為：（1）通過,和的值，用公式算出濾波器的階數（2）根據公式，求出歸一化極點，將代入 中，得出歸一化傳輸函數。（3）將去歸一化。將p=s/c代

33、入之中，從而得到實際的濾波器傳輸函數。MATLAB程序MATLAB 程序如下:（1）.輸入信號的時域波形和頻譜的設計：N=256;t=linspace(0,1,N);dt=t(2)-t(1);xt=cos(2*pi*4*t)+cos(2*pi*10*t)+cos(2*pi*20*t);f=(0:(N/2-1)/(dt*N);Xt=fft(xt,N);subplot(2,1,1),plot(t(1:128),xt(1:128),subplot(2,1,2),plot(f(1:64),abs(Xt(1:64),xlabel('f(kHz)')（2）輸出的巴特沃斯低通濾波器的波特圖的

34、設計Qc=5.2775;b0=1;b1=3.2361;b2=5.2361;b3=b2;b4=b1;Q=f%Q=linspace(0,25,N);Ha=Qc5./(j*Q).5+b4*Qc*(j*Q).4+b3*Qc2*(j*Q).3+b2*Qc3*(j*Q).2+b1*Qc4*(j*Q)+b0*Qc5);L=length(Ha)Has=20*log10(abs(Ha);figure,plot(Q(1:64),Has(1:64),Q,-30,'r*',12,Has,'*',5,Has,'*'),axis(0 30 -70 2),xlabel(

35、9;f(kHz)'),ylabel('20lg(abs(H_a(jOmega)(dB)');（3）巴特沃斯低通濾波后的時域波形和頻譜的設計Yt=Xt(1:L).*Ha ;yt=ifft(Yt);figure,subplot(2,1,1),plot(t(1:128),abs(yt(1:128),subplot(2,1,2),plot(f(1:64),abs(Yt(1:64);xlabel('f(kHz)')圖形結果顯示：圖4-6輸入信號的時域波形和頻譜圖4-7 輸出的巴特沃斯低通濾波器的波特圖圖4-8 進行巴特沃斯低通濾波后的時域波形和頻譜1.5電路設計1

36、. 在電路設計中，高階濾波器通常采用一階或二階濾波器級聯來完成。本次課程設計中，是5階低通濾波器，所以采用2個二階低通濾波器和1個一階低通濾波器來實現。本次課程設計使用的二階濾波器電路時薩倫基（Sallen-Key）電路。薩倫基電路看作是壓控電壓源低通濾波器，因為它是用一個運算放大器和適當連接的兩個電阻構成一個壓控電壓源。如圖4-9所示：圖4-9巴特沃斯濾波器電路圖在二階低通濾波器的情況下，傳遞函數為，濾波器參數：，R0=0.<1> 第一級二階濾波器：由以上兩式可得：由實驗法得到：，取<2> 第二級二階濾波器： 由以上兩式可得：由實驗法得到：，取<3> 第三

37、級一階濾波器：時一階濾波器傳遞函數形式為 由實驗法得到：， 表4-1 截止頻率fc,電容C2.由于本次課程設計電壓范圍為-0.5V-2.5V，首先利用加法電路變成單級為0-3V采用圖4-10同相加法電路 圖4-10同相加法電路其中1是輸入信號電壓范圍-0.5V-2.5V，ui2是固定電壓0.5V，u0是輸出電壓0-3V,電阻R2=R3=R=10，Rf=2R=400，R1=2003.電壓放大到0-3V后必須經過同相比例放大電路，電路圖如4-11圖：圖4-11同相比例放大電路此ui為上級加法電路輸出0-3V,放大后輸出u0為0-5V。由此確定放大倍數，故可得到R1=300，R2=10，Rf=200

38、綜上所述，可得到總的濾波器電路圖如圖4-12所示：圖4-12濾波器總電路圖第五章 模數轉換A/D轉換器是將時間上連續(xù)的模擬信號(通常是電壓信號)轉換為n位二進制數字信號，以便于計算機進行處理，是計算機應用系統的重要接口，A/D 轉換器常用于數據采集系統。現在，A/D轉換電路已集成在一塊芯片上，所以應用比較方便。在本次課設中，選用了ADC0809。 5.1ADC0809與CPU的接口設計ADC0809是逐次逼近型8位單片A/D 轉換芯片，轉換時間100s。片內含8路模擬開關，可允許8 個模擬量輸入。另外片內帶有三態(tài)輸出緩沖器，因此可直接與系統總線相連。ADC0809 的轉換精度和轉換時間都不是很

39、高，但其性能價格比有較明顯的優(yōu)勢，是應用較廣泛的芯片之一。1.ADC0809的引腳及功能ADC0809 的外部引腳如圖5-1所示。圖5-1 ADC0809引腳圖它是28個引腳的雙列直插式芯片，其引腳功能如下：(1) D0D7 輸出數據線。(2) IN0IN7 8 路模擬電壓輸入端，可連接8 路模擬量輸入。(3) ADDA、ADDB、ADDC 3 個引腳組合起來選擇8路模擬量輸入中的一路輸入。ADDC為最高位，ADDA為最低位。如表所示模擬輸入通道的選擇情況，比如要選擇通道IN0，使ADDC=0、ADDB=0、ADDA=0即可。表5-1 模擬輸入通道的選擇模擬通道ADDCADDBADDAIN00

40、0IN001IN010IN011IN100IN101IN110IN111(4) START 啟動信號輸入端，下降沿有效。在啟動信號的下降沿，啟動轉換。(5) ALE 模擬通道地址鎖存信號，用來鎖存ADDA、ADDB、ADDC端的地址輸入，上升沿有效。(6) EOC A/D 轉換結束狀態(tài)信號。當該引腳輸出低電平時表示正在轉換，輸出高電平時表示一次轉換已結束。(7) OE 讀允許信號，高電平有效。當EOC=1 且OE=1 時，CPU 可將轉換后的數字量讀入。(8) CLK 時鐘輸入端，作為ADC0809進行轉換的時間基準，可輸入頻率范圍10kHz1.2MHz，一般可取500kHz。(9) VCC

41、電源端，接+5V。(10) GND 電源地，也是模擬地和數字地。(11) VREF(+)，VREF(-) 參考電壓輸入端。一般VREF(+)接+5V 電源，VREF(-)接地2.ADC0809的內部結構ADC0809 的內部結構框圖如圖所示，它由模擬電壓輸入選擇部分、轉換器部分和輸出部分組成。圖5-2 ADC0809內部結構框圖模擬電壓輸入選擇部分包括一個8路模擬選擇部分、地址鎖存與譯碼電路。輸入的3位通道地址信號由鎖存器鎖存，經譯碼電路譯碼后控制模擬開關選擇相應的模擬輸入。轉換器部分主要包括比較器、8位D/A 轉換器、逐次逼近數碼寄存器以及時序控制邏輯電路等。輸出部分包括一個8 位三態(tài)輸出鎖

42、存器。3.ADC0809的工作過程ADC0809 的工作時序如圖所示，由時序圖可以看出ADC0809的工作過程如下：圖5-3 ADC0809工作時序圖(1) 首先CPU發(fā)出3位通道地址信號ADDC、ADDB、ADDA。(2) 在通道地址信號有效期間，使ALE 引腳上產生一個由低到高的電平變化，即脈沖上升沿，它將輸入的3 位通道地址ADDC、ADDB、ADDA鎖存到內部地址鎖存器。ALE的下降沿不影響地址鎖存器原來鎖存的數據。(3) 然后給START引腳加上一個由高到低變化的電平，即脈沖下降沿，啟動A/D 轉換；(4) A/D 轉換期間，輸出引腳EOC呈現低電平，一旦轉換結束，EOC變?yōu)楦唠娖剑?/p>

43、(5) CPU在檢測到EOC變?yōu)楦唠娖胶?，輸出一個正脈沖到OE端，然后讀取轉換后的8位數字量。另外，如果只用0809 的一個模擬輸入通道，ADDC、ADDB、ADDA 均直接接地(即接低電平)，固定使用通道0(IN0)。一般情況下ALE和START 可短接使用，短接后先使該引腳為低電平，當通道地址ADDC、ADDB、ADDA信號輸出后，CPU 往該引腳發(fā)送一個正脈沖，其上升沿鎖存地址，下降沿啟動轉換。根據實際情況CPU 可選擇延時、查詢、中斷和DMA 方式讀取轉換后的數字量，延時方式就是在啟動A/D 轉換后等待一段時間(大于A/D轉換時間)后，使OE=1，然后直接讀取轉換后的數字量；查詢方式就

44、是在啟動A/D 轉換后檢測到EOC變?yōu)楦唠娖胶?，使OE=1，然后讀取轉換后的數字量；中斷方式就是在啟動A/D 轉換后由EOC由低電平變?yōu)楦唠娖揭餋PU 的一個外部中斷，然后由CPU 的中斷服務子程序來讀取轉換后的數字量。5.2 AT89C51單片機的主要特性與MCS-51兼容；4K字節(jié)可編程閃爍存儲器；壽命：1000寫/擦循環(huán)；數據保留時間：10年；全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz；三級程序存儲器鎖定；128×8位內部RAM；32可編程I/O線；兩個16位定時器/計數器；5個中斷源；可編程串行通道；低功耗的閑置和掉電模式；片內振蕩器和時鐘電路。5.3AT89C51單片機的引腳 圖5-4

45、 AT89C51引腳圖AT89C51引腳圖如圖1-20所示。各引腳定義：（1）VCC：供電電壓。（2）GND：接地。（3）P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時， P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 （4）P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電 流。 P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用圖1-11 AT89c51引腳作輸入，P1

46、口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。（5）P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和

47、控制信號。（6）P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表示：P3口引腳的特殊功能引腳名稱功能引腳名稱功能10P3.0/RXD串行輸入口14P3.4/T0記時器0外部輸入11P3.1/TXD串行輸出口15P3.5/T1記時器1外部輸入12P3.2/INT0外部中斷016P3.6/WR外部數據存儲器寫選通13P3.3/INT1外部中斷117P3.7/RD外部數據存儲器讀選

48、通P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。（7）RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。（8）ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器

49、在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。（9）/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。（10）/EA/VPP：當/EA保持低電平時，在此期間外部程序存儲（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。（11）XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。（12）XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。5.4 AT8

50、9C51串行異步通訊的波特率因為我們使用標準串行口進行RS-232串行通訊，因此，串行口應工作于方式1或方式3（波特率可變的模式）,定時器 T1 應工作于方式2（8位定時器，自動重載模式，用作波特率發(fā)生器）。在這里，對于CMOS工藝的微處理器，根據SMOD位是否被設置，所有的公式均可提供2個時間除數的選擇。對于NMOS工藝的器件，總是使用默認值（SMOD1）。定時器重載值的基本公式規(guī)定如下：例如當晶振頻率為11.0592MHZ時，如果需要獲得9600波特率的通訊速率，則定時器重載值為：（十六進制的0xFD）也可以根據公式，從其他一直條件求出波特率和晶振頻率，如下式：所需的最小晶振頻率=設定的波特率× 38（4若SMOD = 1則乘數為192）按上述公式，對于SMOD1的CMOS器件，若使用19.2K的通訊波特率，則應使用的最小晶振頻率為19200192，即3.68