數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)與存儲

1、科學技術學院science & technology college of nanchang university 工 程 訓 練報 告report on engineering training題 目 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)與存儲 學科部、系： 信息學科部 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 謝老師、彭老師 起訖日期： 2013.12.22013.12.13 目 錄第一章 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)與存儲的概述1第二章 設計方案的選擇和確定22.1 電路設計要求和指標22.2 電路設計方案的確定2第三章 系統(tǒng)硬件設計33.1 數(shù)模轉換電路33.2 數(shù)模轉換電路53.3 振蕩電路73.4 八分頻電路73

2、.5 譯碼電路9第四章 系統(tǒng)的軟件設計114.1 altium designer在本電路中的具體應用114.2 pcb板的制作流程12第五章 性能測試與分析135.1 整體測試135.2 各部分電路的測試135.2.1 電源端測試135.2.2 振蕩電路的測試135.2.3 模數(shù)/數(shù)模轉換測試135.3 調試過程常遇到的問題及解決方法14心得體會15附錄116附錄217 第一章 數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)與存儲的概述 在一個實際的系統(tǒng)中需用傳感器把各種物理參數(shù)(如壓力和溫度等)測量出來，并轉換為電信號，再經(jīng)過a/d轉換器，加工處理后，通過d/a轉換器去控制各種參數(shù)量。把模擬量轉換成數(shù)字量的器件，稱為模數(shù)轉

3、換器，簡稱為a/d(anolog to digit)。把數(shù)字量轉換成模擬量的器件稱為數(shù)模轉換器，簡稱為d/a(digit to anolog)。 a/d轉換器的功能是把模擬量轉換成數(shù)字量。由于實現(xiàn)這種轉換的工作原理和采用的工藝技術不同，因此生產(chǎn)出種類繁多的a/d轉換芯片。a/d轉換器按分辨率分為4位，6位，8位，10位，14位，16位和bcd碼的31/2位,51/2位等。按照轉換速度可分為超高速，次超高速，高速，中速，低速等。a/d轉換器按轉換原則可分為直接a/d轉換器和間接a/d轉換器。因為輸入的模擬信號在時間上是連續(xù)的而輸出的數(shù)字信號是離散的，所以轉換只能在一系列選定的瞬間對輸入的模擬信號

4、取樣，然后再將這些取樣值轉換成輸出信號量。因此，a/d轉換的過程是首先對輸入模擬電壓信號取樣，取樣結束后進入保持時間，在這段時間內將取樣的電壓量化為數(shù)字量，并按一定的編碼形式給出轉換結果。然后，再開始下一次取樣。d/a轉換器是把數(shù)字量轉換成模擬量的線性電路器件。為了實現(xiàn)數(shù)字量到模擬量的轉換，必須將每位代碼按其權值的大小轉換成相應的模擬量，然后將各模擬分量相加，其總和就是與數(shù)字量對應的模擬量，這就是d/a轉換的基本原理。17第二章 設計方案的選擇和確定 2.1 電路設計要求和指標1、 利用4mhz晶振構建石英晶體多諧振蕩器，并通過分頻得到500khz的方波信號（需預留測試端口cndm0832）。

5、2、 在模數(shù)的信號輸出端接數(shù)碼管，以觀察結果。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)芯片的時鐘信號輸入端及start信號輸入端預留測試端。4、 使用數(shù)模芯片恢復模數(shù)芯片轉換的模擬信號。5、 在布局完成的基礎上完成實物焊接，制作實物時應盡量避免使用跳線。各種功能模的構成器件盡量緊湊排布。 在制作實物時，電源及地需預留端口出來，以便儀器的測量。 2.2 電路設計方案的確定根據(jù)上述設計要求，結合現(xiàn)有元件，利用集成芯片完成具有以上功能的電路。選用ad轉換器實現(xiàn)模數(shù)的轉換，而知此ad轉換器需要有時鐘脈沖的驅動，所以也得構建多諧振蕩電路，再由計數(shù)器實現(xiàn)分頻獲得時鐘脈沖。數(shù)字量的表現(xiàn)可利用

6、數(shù)碼管，故譯碼電路也是其中的一部分。然而，也要恢復出模擬信號。因此就要有da轉換器將數(shù)字信號轉換成模擬信號。電路原理圖見附錄1。第3章 系統(tǒng)硬件設計3.1 數(shù)模轉換電路 利用轉換器adc0809實現(xiàn)模數(shù)轉換，電路如圖3.1所示。圖3.1 數(shù)模轉換電路 ad轉換器的功能是將輸入的模擬電壓轉換為輸出的數(shù)字信號，即將模擬量轉換成與其成比例的數(shù)字量。一個完整的轉換過程，必須包括采樣、保持、量化、編碼四部分。有三大指標：分辨率、轉換速度和轉換誤差。adc0809芯片的結構和功能介紹：圖3.2 adc0809邏輯框圖 adc0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉換的器件。其內部有一個8通道多

7、路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行a/d轉換。1. 主要特性 (1)8路8位a/d轉換器，即分辨率8位。 (2)具有轉換起?？刂贫?。(3)轉換時間為100us。 (4)單個+5v電源供電。 (5)模擬輸入電壓范圍0+5v，不需要零點和滿刻度校準。 (6)工作溫度范圍為-40+85攝氏度。(7)低功耗，約15mw.adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。2. 內部結構adc0809是cmos型逐次逼近a/d轉換器，內部結

8、構如圖3.1所示，他由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型d/a轉換器、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，各引腳功能如下： 圖3.3 adc0809引腳圖 in0in7：8路模擬量輸入端。 d0d7：8位數(shù)字量輸出端。 a、b、c：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，輸入高電平有效。當ale1時，鎖存通道的地址選擇信號才能選通相應的模擬通道。 st：a/d轉化啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復位，下降沿啟動a/d轉換）。eoc：a/d轉換

9、結束信號，輸出，當a/d轉換結束時，此端輸出一個高電平（轉換期間一直為低電平）。oe：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入高電平有效。當ad轉換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。clk：時鐘脈沖輸入端。頻率為500khz。vref（+）、vref（-）：基準電壓的正負電源端，其范圍為0。vcc：電源，+5v。gnd：地。adc0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ale為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。st上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動轉換，之后eoc輸出信號變低，指示轉換正在進行。直到ad轉換完成，eoc變?yōu)楦唠娖?，指示ad轉換

10、結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當eoc輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3.2 數(shù)模轉換電路 利用dac0832實現(xiàn)數(shù)模轉換 da轉換器的功能是將數(shù)字信號轉換成模擬信號，它是一種將二進制數(shù)字量形式的離散信號轉換成標準量（或參考量）為基準的模擬量的轉換器，簡稱dac或d/a轉換器。最常見的數(shù)模轉換器是將并行二進制的數(shù)字量轉換為直流電壓或直流電流，數(shù)模轉換器電路還在利用反饋技術的模數(shù)轉換器設計中。d/a轉換器由數(shù)碼寄存器、模擬電子開關電路、解碼網(wǎng)絡、求和電路及基準電壓及部分組成。數(shù)字量以并行或串行方式輸入、存儲于數(shù)碼寄存器中，數(shù)字寄存器輸出的各位

11、數(shù)碼，分別控制對應的位的模擬電子開關，使數(shù)碼為1的位在位權網(wǎng)絡上產(chǎn)生與其權值成正比的電流值，再由求和電路將各種權值相加，即得到數(shù)字量對應的模擬量。其結構如圖3.4所示。圖 3.4 dac0832內部結構圖 dac0832內部結構：芯片內有兩級輸入寄存器，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。da轉換結果采用電流形式輸出。要是需要相應的模擬信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個功能。運放的反饋電阻可通過rfb端引用片內固有電阻，還可以外接。dac0832引腳功能說明：圖3.5 dac0832引腳圖di0di7：數(shù)據(jù)輸入線，ttl電平。其中di0

12、為最低位，di7為最高位。ile：輸入寄存器鎖存器信號，高電平有效。當ile、和均有效時，在端產(chǎn)生正脈沖，當為高電平時，輸入寄存器的狀態(tài)隨輸入線的狀態(tài)變化，的負跳變就將數(shù)據(jù)線上的信息打入輸入存儲器。：片選信號輸入線，低電平有效。當0且ile1，0時才能將輸入數(shù)據(jù)存入輸入寄存器。：輸入信號1,為輸入寄存器的寫選通信號。在和ile均有效時，0允許輸入數(shù)字信號。：輸入信號2,為dac寄存器寫選通輸入線。和同時有效時，將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)裝入dac寄存器。：“傳送控制”信號，低電平有效。它與一起控制選通dac寄存器。當和均有效時，則在產(chǎn)生正脈沖。當為高電平時,dac寄存器的輸出和輸入鎖存器的狀態(tài)一致。

13、的負跳變將輸入鎖存器的內容打入dac寄存器。iout1:模擬電流輸出端1，當輸入全為1時iout1最大。iout2: 模擬電流輸出端2，其值與iout1之和為一常數(shù)。iout1iout2常數(shù)。一般單極性輸出時iout2接地，在雙極性輸出時接運放。rfb:反饋信號輸入線,芯片內部有反饋電阻。 vcc:電源輸入線。(+5v+15v)。vref:基準電壓輸入線。(-10v+10v)。agnd:模擬地,摸擬信號和基準電源的參考地。dgnd:數(shù)字地,兩種地線在基準電源處共地比較好。dac0832的工作過程是： p2接口連接上面的模數(shù)轉換后的數(shù)據(jù)接口p11（注意通道的對接，解決辦法是用帶鎖插槽）p10的作

14、用是當有數(shù)據(jù)輸出時，p10需要接低電平，數(shù)據(jù)才會進入第一寄存器，這樣才可以進行數(shù)模轉換，p8為模擬輸出的電壓。3.3 振蕩電路 振蕩電路的作用是產(chǎn)生脈沖，它是一種無需外加激勵信號情況下，能自動將直流電源能源轉換成特定頻率和幅度的正弦交流信號的電路裝置。由于石英晶體具有壓電效應，因而外加電壓信號頻率等于晶片固有機械諧振頻率時，晶體表現(xiàn)振動幅度最強；同時當晶片兩側感應出的電荷最多時，外電路中的電流就會最大，表現(xiàn)出一種電諧振現(xiàn)象。所以，我們采用石英晶體構建晶振電路。振蕩電路圖如圖3.6所示。圖中兩個與非門利用74ls00芯片，芯片圖如圖3.7所示。它有四個與非門，任選兩個。此電路的優(yōu)點是結構簡單，石

15、英晶體的固有諧振頻率非常穩(wěn)定，當頻率為諧振頻率時，石英晶體的等效阻抗最小，信號最容易通過，而其它頻率信號均被衰減掉。因此振蕩電路的工作頻率僅決定于石英晶體的諧振頻率，而與電路中的、數(shù)值無關。 圖3.6 振蕩電路 圖3.7 74ls00芯片結構圖3.4 八分頻電路分頻電路是將由多諧振蕩器產(chǎn)生的脈沖進行分頻以得到合適頻率的時鐘脈沖。利用74ls163（4位二進制同步計數(shù)器）實現(xiàn)8分頻，電路圖見圖3.8，時序波形如圖3.9。圖3.8 八分頻電路圖圖3.9 八分頻時序波形圖74ls163芯片的結構和功能表圖3.10 74ls163芯片引腳圖管腳圖介紹：時鐘，四個數(shù)據(jù)輸入端d0d3，使能，置數(shù)ld，數(shù)據(jù)

16、輸出端。74ls163的功能表如表3.1所示。從74ls163功能表功能表中可以知道，當清零端cr=“0”，計數(shù)器輸出q3、q2、q1、q0立即為全“0”，這個時候為異步復位功能。當cr=“1”且ld=“0”時，在cp信號上升沿作用后，74ls163輸出端q3、q2、q1、q0的狀態(tài)分別與并行數(shù)據(jù)輸入端d3，d2，d1，d0的狀態(tài)一樣，為同步置數(shù)功能。而只有當cr=ld=“1”、cp脈沖上升沿作用后，計數(shù)器加1。此電路運用到74ls163的計數(shù)功能，狀態(tài)表如表3.2所示。表3.1 74ls163的功能表輸入輸出crcpldd3d2d1d0q3 q2 q1 q0 0 x x x x x x x

17、0 0 0 0 1 0 x xdcba d c ba 1 1 0 xx x x x 保持1 1 x 0 x x x x 保持1 1 1 1 x x x x 計數(shù)表3.2 74ls163計數(shù)器的狀態(tài)表輸入現(xiàn)態(tài)輸出crldcpq3nq2nq1nq0nq3n+1q2n+1q1n+1q0n+11 1 1 1 000000011 1 1 1 000100101 1 1 1 001000111 1 1 1 001101001 1 1 1 010001011 1 1 1 010101101 1 1 1 011001111 1 1 1 011110001 1 1 1 100010011 1 1 1 10011

18、0101 1 1 1 101010111 1 1 1 101111001 1 1 1 110011011 1 1 1 110111101 1 1 1 111011111 1 1 1 11110000 clk為振蕩電路輸出的4mhz輸出脈沖，通過芯片后可以clk4輸出500khz脈沖。3.5 譯碼電路 當adc轉換器將模擬量轉換為數(shù)字量后，要有數(shù)碼管用來顯示數(shù)字，就必須有譯碼器來驅動數(shù)碼管。本次實驗是用的是共陽極數(shù)碼管，我們就采用74ls247譯碼芯片來驅動此數(shù)碼管。74ls247芯片及共陽極數(shù)碼管結構圖 圖3.11 74ls247芯片結構圖 圖3.12 共陽極數(shù)碼管管腳 74ls247為4線七

19、段譯碼器/驅動器（bcd 輸入，oc，15v），簡要說明特性： (1)74ls247為集電極開路輸出的bcd七段譯碼器/驅動器，輸出端(ag)為低電平有效，可直接驅動指示燈或共陽極led。 (2)當要求輸入 015 時，消隱輸入(/bi)應為高電平或開路，對于輸出 0 時還要求脈沖消隱輸入(/rbi)為高電平或開路。 (3)當bi為低電電平，不管其它輸入端狀態(tài)如何，ag均為截止態(tài)。 (4)當/rbi 和地址端(ad)均為低電平，并且燈測試(/lt)為高電平時，ag 均為截止態(tài)，脈沖消隱輸出(/rbo)為低電平。 (5)當bi為高電平開路時，/lt的低電平可使ag為低電平。引出段符號： (1)a

20、，b，c，d：譯碼地址輸入端。 (2)bi：消隱輸入（低電平有效）。(3)/rbo：脈沖消隱輸出（低電平有效）。 (4)/lt：燈測試輸入端（低電平有效）。 (5)/rbi：脈沖消隱輸入端（低電平有效）。 (6)ag：段輸出（低電平有效）。第4章 系統(tǒng)的軟件設計4.1 altium designer在本電路中的具體應用 1.新建原理圖及封裝庫的建立 圖4.1 新建原理圖及封裝制作流程圖 2.利用向導新建 圖4.2 pcb制作流程圖 pcb完整布線圖見附錄2。4.2 pcb板的制作流程 設計繪制原理圖導成pcb圖打印輸出（熱轉印紙）利用熱轉印法將pcb圖轉到敷銅板腐蝕（留下電子線路）金屬焊盤鉆孔

21、焊接安裝元器件調試成品。注意事項：(1) 正確的選擇元器件的封裝。(2) 要合理地選擇線寬、焊盤、焊孔的大小，在鉆孔時需要仔細地選擇鉆頭的直徑，以方面元器件的焊接。(3) 導入pcb后，先進行布局對布線有利。(4) 在焊接元器件前，一定要先檢測元器件是否有損壞，再進行焊接。在焊接過程中也要注意安全。 第五章 性能測試與分析5.1 整體測試 通電后三個燈全亮且沒有芯片發(fā)熱，燒焦，爆炸等現(xiàn)象，而數(shù)碼管能夠顯示數(shù)字00ff（ff為消隱狀態(tài)）。說明電路整體無太大錯誤。5.2 各部分電路的測試5.2.1 電源端測試 三個電源測試端7805、7809、7909的記錄數(shù)據(jù)見表5.1.表5.1 電源測試值芯片

22、780578097909理論值/v+5.00+9.009.00測試值/v+5.02+9.199.15誤差0.40%2.11%1.67%5.2.2 振蕩電路的測試 (1)多諧振蕩器的測試端口有示波器測得頻率為3.9999mhz的類似方波信號； (2)經(jīng)74ls163芯片8分頻后輸出的測試端口測得為499.9998khz的類似方波信號；5.2.3 模數(shù)/數(shù)模轉換測試 數(shù)碼管顯示數(shù)值與之相對應的十六進制表見表5.2。表5.2 數(shù)碼管顯示數(shù)值與之相對應的十六進制表 數(shù)碼管顯示 對應的16進制 數(shù)碼管顯示 對應的16進制0088119922a33b44c55d66e77不顯f 數(shù)碼管對應數(shù)字轉換為電壓的

23、公式為：電壓值=（十位*16+個位）*19.6mv。通過用萬用表可以測得輸入的電壓值，再通過計算數(shù)碼管顯示的數(shù)字計算出電壓值，在兩者進行比較可以計算出誤差值。模數(shù)轉換誤差分析見表5.3表 5.3 模數(shù)轉換數(shù)據(jù)表模擬輸入(v)00.371.151.872.603.303.724.014.875.02平均誤差數(shù)碼管顯示0133b6085a9becdf9ff數(shù)字輸出(v)00.371.161.882.613.313.734.024.885.02誤差(%)000.870.530.380.30.270.250.2100.28數(shù)模轉換誤差分析見表5.4 表5.4 數(shù)模轉換數(shù)據(jù)表數(shù)碼管顯示0133b6085

24、a9becdf9ff平均誤差數(shù)字輸入(v)00.371.161.882.613.313.734.024.885.02模擬輸出(v)00.371.171.902.633.333.754.044.905.00誤差(%)000.871.060.770.600.540.50.410.400.52 誤差分析：本次實驗電路都采用了集成電路芯塊，元器件本身具有良好的穩(wěn)定性，芯片間在電路上是相連接的，但并不會有很大的干擾。綜合上述數(shù)據(jù)可以看出，電源輸出電壓較正常，振蕩電路輸出值與理論基本相符，符合電路設計要求。模數(shù)、數(shù)模轉換與理論計算也基本一致，所以模擬信號經(jīng)過模數(shù)和數(shù)模轉換，最終能較好的恢復模擬信號。上述表格數(shù)據(jù)中得出實際與理論存在一些誤差，但在允許的誤差范圍內。引起誤差的原因可能有：(1)電阻器的阻值色環(huán)讀數(shù)與其標定阻值間的誤差；(2)空氣的噪聲及元器件內部噪聲使得脈沖不是很標準的方波；(3)計算時四舍五入引起的誤差。5.3 調試過程常遇到的問題及解決方法 電源指示燈不亮，可能原因及解決方法：發(fā)光二極管接反；重新正確連接。發(fā)光二極管虛焊；將其正確焊接。發(fā)光二極管損壞；換發(fā)光二極管。 某個電源端的輸出值異常，檢查芯片是否連接正確，尤其是790