多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

-.z多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)會(huì)一種小型電子系統(tǒng)—多路數(shù)據(jù)巡回檢測、實(shí)時(shí)監(jiān)控與顯示電路的一般設(shè)計(jì)方法。掌握模擬、數(shù)字、A/D、D/A等電路的綜合應(yīng)用技巧。熟悉并掌握相關(guān)集成器件的性能參數(shù)及應(yīng)用。二、設(shè)計(jì)原理多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)常用于自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)或大型設(shè)備〔如激光器〕中，經(jīng)常需要對生產(chǎn)過程或運(yùn)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(shí)時(shí)的巡回檢測、監(jiān)視并報(bào)警，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性?！惨弧畴娐方M成與框圖本課題介紹的多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)要求不連續(xù)地分別對溫度、電壓輸入實(shí)時(shí)地進(jìn)展檢測、監(jiān)控并實(shí)現(xiàn)報(bào)警等功能，并對輸入的溫度、電壓通過A/D轉(zhuǎn)換顯示?？驁D如5-8-1圖所示。圖中三路模擬信號分別為溫度〔T〕，直流電壓〔VDC〕，交流電壓〔VAC〕。電路分為溫度測量與顯示，溫度傳感比擬報(bào)警，電壓比擬報(bào)警，多路數(shù)據(jù)檢測，A/D轉(zhuǎn)換、譯碼顯示等幾局部組成。原理分析與設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或設(shè)備，它是模擬系統(tǒng)與數(shù)字系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)之間的借口。A/D轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法有多種，常用的有：積分式、逐次比擬式、并行比擬式和二進(jìn)制脅迫式〔又稱為計(jì)數(shù)式〕、量化反應(yīng)式等。在該電路中使用的是3-1/2位雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器MC14433。MC14433采用雙積分原理完成A/D轉(zhuǎn)換，全部轉(zhuǎn)換電路用CMOS大規(guī)模集成電路技術(shù)設(shè)計(jì)，具有功耗低、精度高、功能完整、使用簡單及與微機(jī)或其他數(shù)字電路兼容等優(yōu)點(diǎn)。特性轉(zhuǎn)換精度：讀數(shù)的±0.05%±1字電壓量程：1.999V和199.9mV兩檔。量程的擴(kuò)展通過外加控制電路實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)換速率：4~10Hz,相應(yīng)時(shí)鐘頻率變化*圍為50~150kHz。輸入阻抗：大于100MΩ。工作電壓*圍：±4.5~±8V或9~16V.典型功耗：當(dāng)電壓為±5V時(shí)，功耗為8mW.外型封裝：24引腳雙列直插式。片內(nèi)具有自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換和自動(dòng)調(diào)零功能。有過量程和欠量程標(biāo)志信號輸出，配上控制電路可以完成自動(dòng)量程切換。片內(nèi)提供時(shí)鐘脈沖發(fā)生電路，使用時(shí)只需外接一電阻，也可以使用外部輸入時(shí)鐘。時(shí)鐘頻率*圍為50~150kHz。外接單一正電壓基準(zhǔn)，基準(zhǔn)電壓值和量程有關(guān)。當(dāng)量稱為1.999V時(shí)，基準(zhǔn)電壓為2V;當(dāng)量程為199.9mV時(shí)，基準(zhǔn)電壓為200mV。轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出形式為經(jīng)過多路條值得BCD碼，并有多路調(diào)制選通脈沖輸出，通過外接譯碼電路可實(shí)現(xiàn)LED動(dòng)態(tài)掃描顯示或LCD顯示。電路構(gòu)造與引腳功能MC14433組成中的模擬局部電路構(gòu)造如圖5-8-2所示。在時(shí)序邏輯電路控制下，10余個(gè)開關(guān)協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成了6個(gè)輪流工作階段。這6個(gè)階段的作用分別對應(yīng)圖5-8-3中的6種波形：1——模擬校零；2——數(shù)字曉玲〔檢測與存儲(chǔ)比擬器失調(diào)電壓對應(yīng)的數(shù)字〕；3——模擬校零；4——對輸入信號采樣積分；5——數(shù)字校零〔補(bǔ)償比擬器失調(diào)電壓〕；6——對參考電壓回積。圖5-8-4為MC14433的整個(gè)電路構(gòu)造框圖，圖5-8-5是其引腳圖。由圖可知，使用時(shí)只要外接兩個(gè)適宜的電阻和兩個(gè)適宜的電容就能進(jìn)展3-1/2位的A/D轉(zhuǎn)換。為了適合電池供電，MC14433的二十進(jìn)制轉(zhuǎn)換碼采用數(shù)據(jù)輪流掃描輸出的方式，因而只需一塊7段譯碼期限是3-1/2位十進(jìn)制數(shù)，大大節(jié)省了外部電路的數(shù)量和顯示電路功耗，這對LED顯示的數(shù)字表特別有利。這里要注意的是，MC14433的輸出數(shù)據(jù)線和位掃線無三態(tài)特性，因此與微機(jī)接口時(shí)不能直接連接到數(shù)據(jù)總線上去，而要通過I/C芯片接口。MC14433的引腳功能為：1端：VAG，模擬地，為高阻抗輸入端，作為輸入被測電壓V*和基準(zhǔn)電壓VR的地。2端：VR，基準(zhǔn)電壓，為外接基準(zhǔn)電壓輸入端，假設(shè)此端加一個(gè)大于5個(gè)時(shí)鐘周期的負(fù)脈沖〔VEE電平〕；則系統(tǒng)復(fù)位到轉(zhuǎn)換周期的起點(diǎn)。3端：V*，輸入被測電壓，為被測電壓輸入端。4端：R1，外接積分電阻端。5端：R1/C1,外接積分元件端。6端：C1，外接積分元件端，積分波形輸出端。7端：C01，外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。8端：C02，外接失調(diào)補(bǔ)償電容端。9端：DU，實(shí)時(shí)輸出控制端，主要控制轉(zhuǎn)換結(jié)果的輸出，假設(shè)在雙積分放電周期〔即階段5〕開場前DU端輸入一正脈沖，則該轉(zhuǎn)換周期所得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果將被送入輸出鎖存器經(jīng)多路開關(guān)輸出，否則輸出端就繼續(xù)輸出鎖存器原來的轉(zhuǎn)換結(jié)果。在使用中，假設(shè)該端和14端〔EOC〕輸出連接，則每一轉(zhuǎn)換周期的結(jié)果都將被輸出。10、11端：CLKI、CLKO，時(shí)鐘信號輸入、輸出端。12端：VEE，負(fù)電源端。VEE是整個(gè)電路的電源負(fù)端，主要作為內(nèi)部模擬局部的電源，所有輸出驅(qū)動(dòng)電路的電流不流過該端，而是流向VSS端。13端：VSS，數(shù)字地。14端：EOC，轉(zhuǎn)換周期完畢標(biāo)志輸出。每個(gè)A/D轉(zhuǎn)換周期完畢時(shí)，EOC端輸出一正脈沖，寬度為時(shí)鐘信號周期的1/2。15端：OR,溢出標(biāo)志輸出。當(dāng)|V*|>VR時(shí)，OR時(shí)輸出低電平，平時(shí)OR位高電平。16、17、18、19端：DS4、DS3、DS2、DS1，多路調(diào)制選通脈沖信號輸出的個(gè)位、十位、百位、千位。20、21、22、23端：Q0、Q1、Q2、Q3，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出信號〔BCD碼〕，Q0為MSB位。24端：VDD,正電源端。主要參數(shù)選擇參考電壓VR：應(yīng)根據(jù)輸入電壓*圍來選擇，可用下式計(jì)算；式中，N2為BCD輸出數(shù)據(jù)。時(shí)鐘頻率fCK和振蕩器定時(shí)電阻RCK：fCK應(yīng)該按下式得出：fCK=200/m(kHz)式中，m位整數(shù)，m=1,2,3……。通常在選擇時(shí)鐘頻率時(shí)，還要考慮到數(shù)據(jù)刷新速率的要求。數(shù)據(jù)刷新速率DUR由下式?jīng)Q定：DUR=16400/fCK〔次/s〕在選定fCK后，一般可先用查表方法粗選，再用實(shí)測方法來確定RCK，查表法粗選RCK的圖表如下列圖所示積分電容C1和積分電阻R1：積分電容C1通常可選用0.1μF。如果采樣階段時(shí)間超過100ms，可適當(dāng)增加C1容量，如取0.22μF。在選定C1之后，R1應(yīng)以積分放大器在最大輸入電壓下，采樣階段末不發(fā)生飽和位原則來選定，具體公式如下：式中，T1是采樣階段時(shí)間；ΔV是為了保證線性工作取得平安條件。假設(shè)C1=0.1μF，VDD=5.0V,fCK=66kHz,則當(dāng)V*ma*=2.0V時(shí)，R1=480kΩ;當(dāng)V*ma*=200mV時(shí)，R1=28kΩ。MC14433轉(zhuǎn)換的結(jié)果采用BCD碼動(dòng)態(tài)掃描輸出，它的千位、百位、十位、個(gè)位4個(gè)數(shù)位分別與DS4、DS3、DS2、DS1輸出高電平是相對應(yīng)。輸出數(shù)據(jù)除了在選通信號DS4、DS3、DS2對應(yīng)位上，Q0、Q1、Q2、Q3輸出BCD碼之外，還在選通信號DS1對應(yīng)位上輸出了“千〞位數(shù)和別的信號〔欠，過量程標(biāo)志，正，負(fù)極性標(biāo)志等〕。例如：DS1為“1〞時(shí)，Q0、Q1、Q2、Q3各位代碼的作用真值表。表中Q3表示1/2位，輸出低電平對應(yīng)“1〞，輸出高電平對應(yīng)“0〞；Q2表示極性，輸出“1表示正極性，輸出“0〞表示負(fù)極性；Q0指示量程是否適宜，假設(shè)輸出為“0〞，表示量程適宜，假設(shè)輸出為“1〞，說明V*超出量程*圍，當(dāng)與Q3一起使用時(shí)，就可以指示出過量程或欠量程。過量程時(shí)Q3為“0〞，Q0為“1〞；欠量程時(shí)Q3與Q0均為“1〞。2、溫度傳感比擬在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，控制的對象是*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(zhuǎn)換為便于處理的電信號或其他信號，而實(shí)現(xiàn)這個(gè)變換的部件稱為傳感器。通常所說的放大器的輸入信號，從*種意義上講，取決于傳感器的質(zhì)量。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。在此介紹一種溫度傳感器AD590.〔1〕集成電路溫度傳感器AD590電路簡介AD590是電流型〔即產(chǎn)生一個(gè)與絕對溫度成正比的電流輸出〕集成溫度傳感器的代表產(chǎn)品，他跟傳統(tǒng)的熱電阻、熱點(diǎn)偶、半導(dǎo)體PN結(jié)等溫度傳感器相比擬，具有體積小，線性度好，穩(wěn)定性好，輸出信號大且規(guī)*化等優(yōu)點(diǎn)。AD590的主要電器參數(shù)為：工作電壓*圍：+4~+30V測溫*圍：-50℃~+150℃溫度系數(shù)：1μA/K25℃電流輸出〔298.20K〕298.2μA輸出阻抗：〉10MΩ由于AD590是個(gè)溫控的恒流源器件，因而使用時(shí)往往轉(zhuǎn)換為電壓信號，圖1為一最簡單的測溫電路。他僅對*一溫度進(jìn)展調(diào)整，至于這一點(diǎn)選至什么溫度值，要看使用*圍而定。舉個(gè)例子，假設(shè)選在25℃，通過調(diào)節(jié)RP,使〔R+RP〕I=298.2mV,則在此溫度下的溫度系數(shù)能滿足1μA/K的準(zhǔn)確度要求。圖2位溫差測量電路，假設(shè)T1=T2,I=0,則VT=0,假設(shè)V+=│V-│=5V,則調(diào)節(jié)*圍是±1μA〔相當(dāng)于±1℃〕，由于Rf=10KΩ,故電路輸出vT=(T-T)·10mV/℃.這種電路通常把T視為參考溫度，而T用于監(jiān)視的被測溫度。圖5-10-7為AD590測溫電路。經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號與*一給定值〔基準(zhǔn)電壓VR〕比擬時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號，此信號送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可報(bào)警〔或發(fā)光顯示〕。〔2〕電壓比擬經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換后的電信號與*一給定值〔基準(zhǔn)電壓VR〕比擬時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)信號，此信號送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可報(bào)警〔或發(fā)光顯示〕。根本的熱——電、光——電轉(zhuǎn)換電路為橋式電路，與比擬器相連，構(gòu)成熱動(dòng)〔光動(dòng)〕開關(guān)，如圖5-8-8所示。比擬器基準(zhǔn)電壓根據(jù)需要可任意調(diào)節(jié)。當(dāng)輸入信號大于V1或小于V2基準(zhǔn)電壓，發(fā)光二極管工作，表示電路工作在不正常的狀態(tài)。這里將V1、V2設(shè)為基準(zhǔn)電壓。比擬器輸出也可接報(bào)警電路，當(dāng)輸入信號超出規(guī)定的工作*圍，直接驅(qū)動(dòng)報(bào)警器工作，報(bào)警器的設(shè)計(jì)可參看555的應(yīng)用章節(jié)。運(yùn)算放大器這里用的是MOSFETCA3140。圖5.10.8轉(zhuǎn)換與比擬電路3、模擬開關(guān)除了CMOS四雙向模擬開關(guān)外，另一類CMOS模擬門就是常見的多路模擬開關(guān)。典型的多路模擬開關(guān)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(guān)除了外部引線排列，通道數(shù)不同外，其工作原理和主要應(yīng)用方法根本一樣。在本電路中使用的為八選一模擬開關(guān)〔CD4051〕CD4051是常用的八選一模擬開關(guān)，具有雙向傳輸性能。CD4051的邏輯與引腳、功能如下圖：在本電路中使用的為八選一模擬開關(guān)〔CD4051〕CD4051是常用的八選一模擬開關(guān)，具有雙向傳輸性能。CD4051的邏輯與引腳、功能如圖5-8-9所示。4、取樣/保持〔S/H〕電路在A/D轉(zhuǎn)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(dòng)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(shè)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(guān)，S/H電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。此外，轉(zhuǎn)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。在此不作詳細(xì)討論，讀者可自行參閱有關(guān)文獻(xiàn)資料。目前取樣/保持電路大多為集成芯片，最常用的有LF198/LF298/LF398和AD582。圖5-8-10為LF398的內(nèi)部原理圖及管腳配置。由圖可知，當(dāng)8端邏輯控制為高電平時(shí)，輸出處于跟隨狀態(tài)，有UO=UI；當(dāng)8端為低電平時(shí)，處于保持狀態(tài)。保持電容CH一般選用0.01——0.1μF的優(yōu)質(zhì)電容〔如聚四氟乙烯電容〕4.報(bào)警電路當(dāng)電路檢測到溫度或電壓超過記住溫度、電壓時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)信號給報(bào)警電路。使報(bào)警電路報(bào)警從而提示工作人員檢查電路，排除故障。有很多種方法來制作報(bào)警電路，例如用555電路，或使用專業(yè)的報(bào)警器件。在這里我使用的是SGZ07多用報(bào)警電路。SGZ07多用報(bào)警電路包括控制輸入、調(diào)制振蕩、揚(yáng)聲輸出、閃光輸出、電源穩(wěn)壓等七局部。不僅可以用作溫度報(bào)警器、壓力報(bào)警器、防盜報(bào)警器、失控報(bào)警器、險(xiǎn)情報(bào)警器等各〔2〕應(yīng)用電路

SGZ07的應(yīng)用電路如圖5-8-12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(shí)適當(dāng)調(diào)試一下R1或R2，便可做不同的報(bào)警器。①腳、②腳是兩個(gè)相位相反的控制端。設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示、報(bào)警系統(tǒng)。各路模擬參數(shù)的控制要求如下：正常工作溫度：測試正常工作溫度，T=27°C±3°C，當(dāng)T>30°C時(shí)，報(bào)警〔發(fā)光顯示〕；當(dāng)T<24°C時(shí)，報(bào)警正常直流電壓：VDC=〔1.5～3.5〕V，當(dāng)VDC<1.5V時(shí)，報(bào)警〔可發(fā)光顯示〕。交流正弦電壓：VAC=〔1～2〕V，?=1KHZ，觀測D/A轉(zhuǎn)換后的電壓波形。采樣數(shù)據(jù)的巡回顯示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作多路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)電路，并逐級調(diào)試。如：多路模擬開關(guān)、采樣/保持、A/D轉(zhuǎn)換等。在T=20～30°C溫度*圍內(nèi)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(yīng)的電壓值。根據(jù)步驟2所測電壓值，設(shè)計(jì)并調(diào)試溫度變量的轉(zhuǎn)換與比擬電路，并用發(fā)光二極管顯示不正常溫度。設(shè)計(jì)并調(diào)試模擬信號為直流電壓時(shí)的比擬電路，當(dāng)輸入電壓VDC<1.5V時(shí)，發(fā)光二極管顯示欠壓狀態(tài)。調(diào)試提示：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(gè)周期的取樣點(diǎn)數(shù)〕決定。而取樣頻率至少為輸入信號最高有效頻率的兩倍，即每個(gè)信號周期內(nèi)至少取樣兩次。實(shí)際使用時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)采集的精度，一般每周取樣7～10次。系統(tǒng)的同步，例如：S/H與A/D互連時(shí)，必須保持同步。為此，可將ADC0804的INTR信號作為控制電路的時(shí)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(shè)計(jì)電路而定?；鶞?zhǔn)電壓VREF因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換的精度直接與基準(zhǔn)源的質(zhì)量有關(guān)。因此應(yīng)選擇準(zhǔn)確、穩(wěn)定的電壓來作為基準(zhǔn)電壓VREF，應(yīng)依據(jù)