adc數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)摘要本次工程訓(xùn)練是設(shè)計(jì)和制作數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)電路，要求可以進(jìn)行模數(shù)和數(shù)模的轉(zhuǎn)換。以ADC0809和DAC0832作為核心元件，利用石英晶體多諧振蕩器為時(shí)鐘信號(hào)，外接由函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)作為模擬量，結(jié)合數(shù)碼管的顯示以觀察模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并用示波器檢驗(yàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換結(jié)果。秉著從實(shí)際與實(shí)踐的觀點(diǎn)出發(fā),不斷求索，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。在熟悉掌握數(shù)模、模數(shù)轉(zhuǎn)換原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出原理圖，并結(jié)合自己所學(xué)到的proteus軟件仿真，最終完善、確定設(shè)計(jì)方案。利用AltiumDesiger軟件繪制完整原理電路圖，使用可有的原材料，選擇合適的元件封裝，繪制PCB板圖，并不斷改善，以達(dá)到精益求精，最終調(diào)試與驗(yàn)證成功。在這短短的兩周工程訓(xùn)練中，我學(xué)會(huì)了很多，收獲了很多，當(dāng)然了，也同時(shí)付出了很多，正所謂“一份努力一份收獲”啊。對(duì)于本次的工程訓(xùn)練項(xiàng)目，我感觸頗多。這是一次將理論付諸實(shí)踐的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)了我們的實(shí)際動(dòng)手能力，提高對(duì)知識(shí)的理解與應(yīng)用能力，增強(qiáng)把書本知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際運(yùn)用能力。在整個(gè)實(shí)訓(xùn)過程中，不斷發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題，強(qiáng)化了我們的實(shí)踐創(chuàng)新能力及獨(dú)立思考分析能力TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章 數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)的概述 3\o"CurrentDocument"1.1簡(jiǎn)介 3\o"CurrentDocument"1.2基本原理及結(jié)構(gòu) 3\o"CurrentDocument"第二章設(shè)計(jì)方案的選擇和確定 4\o"CurrentDocument"2.1電路設(shè)計(jì)要求和指標(biāo) 4\o"CurrentDocument"2.2電路設(shè)計(jì)方案確定 4\o"CurrentDocument"第三章 電路圖設(shè)計(jì) 43.1各部分電路的設(shè)計(jì) 4\o"CurrentDocument"總電路原理圖 10\o"CurrentDocument"第四章 PCB設(shè)計(jì) 10\o"CurrentDocument"PCB圖 10\o"CurrentDocument"第五章 性能測(cè)試與分析 11\o"CurrentDocument"性能測(cè)試 11\o"CurrentDocument"性能分析 11第一章數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)的概述簡(jiǎn)介此電路的作用是采集外接模擬信號(hào)，把之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，又可將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。其利用ADC0809和DAC0832為本電路的核心元件，分別實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換。用石英多諧晶體振蕩器（經(jīng)過分頻）作為時(shí)鐘脈沖以驅(qū)動(dòng)ADC0809，還外接2KHz脈沖以啟動(dòng)ADC0809，最終用示波器觀測(cè)輸出的信號(hào)并與原外接模擬信號(hào)相對(duì)比，以此兩信號(hào)比較為相同波形和頻率為測(cè)試成功標(biāo)志。基本原理及結(jié)構(gòu)模擬信號(hào)經(jīng)采樣、保持、量化和編碼，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，由此實(shí)現(xiàn)了模數(shù)轉(zhuǎn)換部分?jǐn)?shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的位權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其位權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)模轉(zhuǎn)換。本實(shí)驗(yàn)電路的結(jié)構(gòu)框圖如下：圖1.1第二章設(shè)計(jì)方案的選擇和確定2.1電路設(shè)計(jì)要求和指標(biāo)1、 利用4MHz晶振構(gòu)建石英晶體多諧振蕩器，并通過分頻得到500KHZ的方波信號(hào)（需預(yù)留測(cè)試端口）。2、 在模數(shù)的信號(hào)輸出端接數(shù)碼管，以觀察結(jié)果。并且在輸出端并上排針，留出端口方便以后使用。3、 在模數(shù)芯片的時(shí)鐘信號(hào)輸入端及START信號(hào)輸入端預(yù)留測(cè)試端。4、 使用數(shù)模芯片恢復(fù)模數(shù)芯片轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)。5、 在布局完成的基礎(chǔ)上完成實(shí)物焊接，制作實(shí)物時(shí)應(yīng)盡量避免使用跳線。各種功能模的構(gòu)成器件盡量緊湊排布。6、 在制作實(shí)物時(shí)，電源及地需預(yù)留端口出來，以便儀器的測(cè)量。電路設(shè)計(jì)方案確定根據(jù)上述設(shè)計(jì)要求，結(jié)合現(xiàn)有元件，利用集成芯片完成具有以上功能的電路。選用AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模數(shù)的轉(zhuǎn)換，而知此AD轉(zhuǎn)換器需要有時(shí)鐘脈沖的驅(qū)動(dòng)，所以也得構(gòu)建多諧振蕩電路，再由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)分頻獲得時(shí)鐘脈沖。數(shù)字量的表現(xiàn)可利用數(shù)碼管，故譯碼電路也是其中的一部分。然而，也要恢復(fù)出模擬信號(hào)，因此就要有DA轉(zhuǎn)換器將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。電路的結(jié)構(gòu)可參照?qǐng)D1.1，電路原理圖見3.9．第三章電路圖設(shè)計(jì)3.1各部分電路的設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路利用轉(zhuǎn)換器ADC0809實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換器的功能是將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字信號(hào)，即將模擬量轉(zhuǎn)換成與其成比例的數(shù)字量。一個(gè)完整的AD轉(zhuǎn)換過程，必須包括采樣、保持、量化、編碼四部分電路。有三大指標(biāo)：分辨率、轉(zhuǎn)換速度和轉(zhuǎn)換誤差。F面主要介紹ADC0809芯片的結(jié)構(gòu)和功能:ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行?！獢?shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。1．主要特性1）8路8位A／D轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。2）具有轉(zhuǎn)換起停控制端。3） 轉(zhuǎn)換時(shí)間為100“s4） 單個(gè)＋5V電源供電5） 模擬輸入電壓范圍0?+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。6） 工作溫度范圍為-40?+85攝氏度7） 低功耗，約15mW。2．內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.3所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型D／A轉(zhuǎn)換器、逐次逼近3．外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖3.2所示。下面說明各引腳功能。IN0?IN7:8路模擬量輸入端。2-1?2-8:8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC:3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。START：A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少 100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。EOC:A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE:數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng) A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK:時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于 640KHZ。REF（+）、REF（-）:基準(zhǔn)電壓。Vcc:電源，單一+5V。GND:地。ADC0809的工作過程是:首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到A/D轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路利用DAC0832實(shí)現(xiàn)數(shù)模轉(zhuǎn)換。DA轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，它是一種將二進(jìn)制數(shù)字量形式的離散信號(hào)轉(zhuǎn)換成以標(biāo)準(zhǔn)量（或參考量）為基準(zhǔn)的模擬量的轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱DAC或D/A轉(zhuǎn)換器。最常見的數(shù)模轉(zhuǎn)換器是將并行二進(jìn)制的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為直流電壓或直流電流，數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路還用在利用反饋技術(shù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中。D/A轉(zhuǎn)換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關(guān)電路、解碼網(wǎng)絡(luò)、求和電路及基準(zhǔn)電壓幾部分組成。數(shù)字量以串行或并行方式輸入、存儲(chǔ)于數(shù)碼寄存器中，數(shù)字寄存器輸出的各位數(shù)碼，分別控制對(duì)應(yīng)位的模擬電子開關(guān)，使數(shù)碼為1的位在位權(quán)網(wǎng)絡(luò)上產(chǎn)生與其權(quán)值成正比的電流值，再由求和電路將各種權(quán)值相加，即得到數(shù)字量對(duì)應(yīng)的模擬量。其結(jié)構(gòu)如圖3.3所示：fkjLE"T”時(shí)"離&:討対rfkjLE"T”時(shí)"離&:討対r-町■奇存器輸人散拡嵌“行[X；?JD{‘皿電“：ACND圖3.3DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料:芯片內(nèi)有兩級(jí)輸入寄存器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要（如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等）。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應(yīng)的模擬信號(hào)，可通過一個(gè)高輸入阻抗的線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)這個(gè)供功能。運(yùn)放的反饋電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接。DAC0832引腳功能說明：DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。CS：片選信號(hào)輸入線，低電平有效。WR1：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效。WR2:為DAC寄存器寫選通輸入線。Ioutl:電流輸出線。當(dāng)輸入全為1時(shí)Ioutl最大。Iout2:電流輸出線。其值與Ioutl之和為一常數(shù)。Rfb:反饋信號(hào)輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻.Vcc:電源輸入線(+5v~+l5v)

Vref:基準(zhǔn)電壓輸入線 （TOv+10v）AGND:模擬地，摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地.DGND:數(shù)字地，兩種地線在基準(zhǔn)電源處共地比較好.3.1.3多諧振蕩器及分頻電路1?多諧振蕩器作用是產(chǎn)生脈沖，它是一種無需外加激勵(lì)信號(hào)情況下，能自動(dòng)將直流電源能源轉(zhuǎn)換成特定頻率和幅度的正弦交流信號(hào)的電路裝置。由于石英晶體具有壓電效應(yīng)，因而外加電壓信號(hào)頻率等于晶片固有機(jī)械諧振頻率時(shí)，晶體表現(xiàn)振動(dòng)幅度最強(qiáng)；同時(shí)當(dāng)晶片兩側(cè)感應(yīng)出的電荷最多時(shí)，外電路中的電流就會(huì)最大，表現(xiàn)出一種電諧振現(xiàn)象。所以，我們采用石英晶體構(gòu)建晶振電路。石英晶體電抗特性如圖3.1所示：圖3.4CII石英晶體電抗特性如圖3.1所示：圖3.4CII采用串聯(lián)式，石英晶體工作在串聯(lián)諧振頻率f0下，只有頻率為f0的信號(hào)才能通過,滿足振蕩條件。因此，電路的振蕩頻率=fO，與外接元件R、C無關(guān)，所以這種電路振蕩頻率的穩(wěn)定度很高。圖3.6J2.分頻電路是將由多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行分頻以得到合適頻率的時(shí)鐘脈沖。本電路是利用74163（4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器）實(shí)現(xiàn)8分頻，時(shí)序波形如下圖圖3.6J簡(jiǎn)單介紹74163芯片的結(jié)構(gòu)和功能，見下圖3.7和表3.1圖3.7圖3.7輸A輸出CRLDCTpCFtCPDdDi8Da0QlQzQ3QXXXtXXXX000010XXt由dtd2由dodids1]tjtXXXX計(jì)較]]nXtXXXX1]XQXXXXX廉持表3.13.1.4譯碼電路當(dāng)ADC轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，要有數(shù)碼管用來顯示數(shù)字，就必須有?4LS247(OC)譯碼器來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。本次實(shí)驗(yàn)是用的是共陽(yáng)極數(shù)碼管，我們就采用74247譯碼芯片來驅(qū)動(dòng)此數(shù)碼管。其結(jié)構(gòu)和一般使用電路如下：IE?4LS247(OC)譯碼器來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。本次實(shí)驗(yàn)是用的是共陽(yáng)極數(shù)碼管，我們就采用74247譯碼芯片來驅(qū)動(dòng)此數(shù)碼管。其結(jié)構(gòu)和一般使用電路如下：IEGND4線——七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器（BCD輸入，0C,15V）簡(jiǎn)要說明：247為集電極開路輸出的BCD——七段譯碼器/驅(qū)動(dòng)器，輸出端(a~g)為低電平有效，可直接驅(qū)動(dòng)指示燈或共陽(yáng)極LED。當(dāng)要求輸入0?15時(shí)，消隱輸入(/BI)應(yīng)為高電平或開路，對(duì)于輸出0時(shí)還要求脈沖消隱輸入(/RBI)為高電平或開路。當(dāng)BI為低電電平，不管其它輸入端狀態(tài)如何，a?g均為截止態(tài)。當(dāng)/RBI和地址端(A~D)均為低電平，并且燈測(cè)試(/LT)為高電平時(shí)，a~g均為截止態(tài)，脈沖消隱輸出(/RBO)為低電平。當(dāng)BI為高電平開路時(shí)，/LT的低電平可使a?g為低電平。引出段符號(hào)：A,B,C,D譯碼地址輸入端/BI，/RBO消隱輸入(低電平有效)脈沖消隱輸出(低電平有效)/LT燈測(cè)試輸入端(低電平有效)/RBI脈沖消隱輸入端(低電平有效)a~g段輸出(低電平有效)總電路原理圖綜合上述的各部分電路，可以繪制完整的數(shù)據(jù)采集的實(shí)現(xiàn)與存儲(chǔ)的總電路圖，見圖3.9.第四章PCB設(shè)計(jì)4.1PCB圖利用Protel軟件將原理圖導(dǎo)入PCBDocument中，按要求進(jìn)行排線，繪制成PCB圖。見圖4.1.第五章性能測(cè)試與分析5.1性能測(cè)試整體測(cè)試經(jīng)過正確裝配焊接，接通電源并外接模擬信號(hào)，數(shù)碼管會(huì)隨不同的模擬信號(hào)而有不同的數(shù)值，在ADC0832的輸出端由示波器觀測(cè)到波形及頻率與原模擬信號(hào)一致。故本電路設(shè)計(jì)正確。各部分電路測(cè)試（1） 多諧振蕩器產(chǎn)生4MHz的方波信號(hào)；（2） 經(jīng)74163芯片分頻后輸出500KH^方波信號(hào)；（