数据采集的实现与存储

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1、科学技术学院SCIENCE & TECHNOLOGY COLLEGE OF NANCHANG UNIVERSITY 工 程 训 练报 告REPORT ON ENGINEERING TRAINING题 目 数据采集的实现与存储 学科部、系： 信息学科部 专业班级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 谢老师、彭老师 起讫日期： 2013.12.22013.12.13 目 录第一章 数据采集的实现与存储的概述1第二章 设计方案的选择和确定22.1 电路设计要求和指标22.2 电路设计方案的确定2第三章 系统硬件设计33.1 数模转换电路33.2 数模转换电路53.3 振荡电路73.4 八分频电路73

2、.5 译码电路9第四章 系统的软件设计114.1 Altium Designer在本电路中的具体应用114.2 PCB板的制作流程12第五章 性能测试与分析135.1 整体测试135.2 各部分电路的测试135.2.1 电源端测试135.2.2 振荡电路的测试135.2.3 模数/数模转换测试135.3 调试过程常遇到的问题及解决方法14心得体会15附录116附录217 第一章 数据采集的实现与存储的概述 在一个实际的系统中需用传感器把各种物理参数(如压力和温度等)测量出来，并转换为电信号，再经过A/D转换器，加工处理后，通过D/A转换器去控制各种参数量。把模拟量转换成数字量的器件，称为模数转

3、换器，简称为A/D(Anolog to Digit)。把数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器，简称为D/A(Digit to Anolog)。 A/D转换器的功能是把模拟量转换成数字量。由于实现这种转换的工作原理和采用的工艺技术不同，因此生产出种类繁多的A/D转换芯片。A/D转换器按分辨率分为4位，6位，8位，10位，14位，16位和BCD码的31/2位,51/2位等。按照转换速度可分为超高速，次超高速，高速，中速，低速等。A/D转换器按转换原则可分为直接A/D转换器和间接A/D转换器。因为输入的模拟信号在时间上是连续的而输出的数字信号是离散的，所以转换只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号

4、取样，然后再将这些取样值转换成输出信号量。因此，A/D转换的过程是首先对输入模拟电压信号取样，取样结束后进入保持时间，在这段时间内将取样的电压量化为数字量，并按一定的编码形式给出转换结果。然后，再开始下一次取样。D/A转换器是把数字量转换成模拟量的线性电路器件。为了实现数字量到模拟量的转换，必须将每位代码按其权值的大小转换成相应的模拟量，然后将各模拟分量相加，其总和就是与数字量对应的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。第二章 设计方案的选择和确定 2.1 电路设计要求和指标1、 利用4MHz晶振构建石英晶体多谐振荡器，并通过分频得到500KHz的方波信号（需预留测试端口）。2、 在模数的信号输

5、出端接数码管，以观察结果。并且在输出端并上排针，留出端口方便以后使用。3、 在模数芯片的时钟信号输入端及START信号输入端预留测试端。4、 使用数模芯片恢复模数芯片转换的模拟信号。5、 在布局完成的基础上完成实物焊接，制作实物时应尽量避免使用跳线。各种功能模的构成器件尽量紧凑排布。 在制作实物时，电源及地需预留端口出来，以便仪器的测量。 2.2 电路设计方案的确定根据上述设计要求，结合现有元件，利用集成芯片完成具有以上功能的电路。选用AD转换器实现模数的转换，而知此AD转换器需要有时钟脉冲的驱动，所以也得构建多谐振荡电路，再由计数器实现分频获得时钟脉冲。数字量的表现可利用数码管，故译码电路也

6、是其中的一部分。然而，也要恢复出模拟信号。因此就要有DA转换器将数字信号转换成模拟信号。电路原理图见附录1。第三章 系统硬件设计3.1 数模转换电路 利用转换器ADC0809实现模数转换，电路如图3.1所示。图3.1 数模转换电路 AD转换器的功能是将输入的模拟电压转换为输出的数字信号，即将模拟量转换成与其成比例的数字量。一个完整的转换过程，必须包括采样、保持、量化、编码四部分。有三大指标：分辨率、转换速度和转换误差。ADC0809芯片的结构和功能介绍：图3.2 ADC0809逻辑框图 ADC0809是采样频率为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

7、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8位A/D转换器，即分辨率8位。 (2)具有转换起停控制端。(3)转换时间为100us。 (4)单个+5V电源供电。 (5)模拟输入电压范围0+5V，不需要零点和满刻度校准。 (6)工作温度范围为-40+85摄氏度。(7)低功耗，约15mW.ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。2. 内部结构ADC0809是CMOS型逐次逼近A/D转换器，内部结构如图3.1所示，他

8、由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近。3. 外部特性（引脚功能） ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下： 图3.3 ADC0809引脚图 IN0IN7：8路模拟量输入端。 D0D7：8位数字量输出端。 A、B、C：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路。 ALE：地址锁存允许信号，输入高电平有效。当ALE1时，锁存通道的地址选择信号才能选通相应的模拟通道。 ST：A/D转化启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC：A/D转换结束信号，输出，当A

9、/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。OE：数据输出允许信号，输入高电平有效。当AD转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。CLK：时钟脉冲输入端。频率为500KHZ。VREF（+）、VREF（-）：基准电压的正负电源端，其范围为0。VCC：电源，+5V。GND：地。ADC0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ALE为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。ST上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到AD转换完成，EOC变为高电平，指示AD转换结束，结果数据已存入

10、锁存器，这个信号可用作中断申请。当EOC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。3.2 数模转换电路 利用DAC0832实现数模转换 DA转换器的功能是将数字信号转换成模拟信号，它是一种将二进制数字量形式的离散信号转换成标准量（或参考量）为基准的模拟量的转换器，简称DAC或D/A转换器。最常见的数模转换器是将并行二进制的数字量转换为直流电压或直流电流，数模转换器电路还在利用反馈技术的模数转换器设计中。D/A转换器由数码寄存器、模拟电子开关电路、解码网络、求和电路及基准电压及部分组成。数字量以并行或串行方式输入、存储于数码寄存器中，数字寄存器输出的各位数码，分别控制对应的

11、位的模拟电子开关，使数码为1的位在位权网络上产生与其权值成正比的电流值，再由求和电路将各种权值相加，即得到数字量对应的模拟量。其结构如图3.4所示。图 3.4 DAC0832内部结构图 DAC0832内部结构：芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832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。DA转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个功能。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。DAC0832引脚功能说明：图3.5 DAC0832引脚图DI0DI7：数据输入线，TTL电平。其中DI0为最低位，DI7为最

12、高位。ILE：输入寄存器锁存器信号，高电平有效。当ILE、和均有效时，在端产生正脉冲，当为高电平时，输入寄存器的状态随输入线的状态变化，的负跳变就将数据线上的信息打入输入存储器。：片选信号输入线，低电平有效。当0且ILE1，0时才能将输入数据存入输入寄存器。：输入信号1,为输入寄存器的写选通信号。在和ILE均有效时，0允许输入数字信号。：输入信号2,为DAC寄存器写选通输入线。和同时有效时，将输入寄存器中的数据装入DAC寄存器。：“传送控制”信号，低电平有效。它与一起控制选通DAC寄存器。当和均有效时，则在产生正脉冲。当为高电平时,DAC寄存器的输出和输入锁存器的状态一致。的负跳变将输入锁存器

13、的内容打入DAC寄存器。Iout1:模拟电流输出端1，当输入全为1时Iout1最大。Iout2: 模拟电流输出端2，其值与Iout1之和为一常数。Iout1Iout2常数。一般单极性输出时Iout2接地，在双极性输出时接运放。Rfb:反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻。 Vcc:电源输入线。(+5V+15V)。Vref:基准电压输入线。(-10V+10V)。AGND:模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地。DGND:数字地,两种地线在基准电源处共地比较好。DAC0832的工作过程是： P2接口连接上面的模数转换后的数据接口P11（注意通道的对接，解决办法是用带锁插槽）P10的作用是当有数据输出时，

14、P10需要接低电平，数据才会进入第一寄存器，这样才可以进行数模转换，P8为模拟输出的电压。3.3 振荡电路 振荡电路的作用是产生脉冲，它是一种无需外加激励信号情况下，能自动将直流电源能源转换成特定频率和幅度的正弦交流信号的电路装置。由于石英晶体具有压电效应，因而外加电压信号频率等于晶片固有机械谐振频率时，晶体表现振动幅度最强；同时当晶片两侧感应出的电荷最多时，外电路中的电流就会最大，表现出一种电谐振现象。所以，我们采用石英晶体构建晶振电路。振荡电路图如图3.6所示。图中两个与非门利用74LS00芯片，芯片图如图3.7所示。它有四个与非门，任选两个。此电路的优点是结构简单，石英晶体的固有谐振频率

15、非常稳定，当频率为谐振频率时，石英晶体的等效阻抗最小，信号最容易通过，而其它频率信号均被衰减掉。因此振荡电路的工作频率仅决定于石英晶体的谐振频率，而与电路中的、数值无关。 图3.6 振荡电路 图3.7 74LS00芯片结构图3.4 八分频电路分频电路是将由多谐振荡器产生的脉冲进行分频以得到合适频率的时钟脉冲。利用74LS163（4位二进制同步计数器）实现8分频，电路图见图3.8，时序波形如图3.9。图3.8 八分频电路图图3.9 八分频时序波形图74LS163芯片的结构和功能表图3.10 74LS163芯片引脚图管脚图介绍：时钟，四个数据输入端D0D3，使能，置数LD，数据输出端。74LS16

16、3的功能表如表3.1所示。从74LS163功能表功能表中可以知道，当清零端CR=“0”，计数器输出Q3、Q2、Q1、Q0立即为全“0”，这个时候为异步复位功能。当CR=“1”且LD=“0”时，在CP信号上升沿作用后，74LS163输出端Q3、Q2、Q1、Q0的状态分别与并行数据输入端D3，D2，D1，D0的状态一样，为同步置数功能。而只有当CR=LD=“1”、CP脉冲上升沿作用后，计数器加1。此电路运用到74LS163的计数功能，状态表如表3.2所示。表3.1 74LS163的功能表输入输出CRCPLDD3D2D1D0Q3 Q2 Q1 Q0 0 x x x x x x x 0 0 0 0 1

17、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 计数表3.2 74LS163计数器的状态表输入现态输出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 100110101 1 1 1

18、 101010111 1 1 1 101111001 1 1 1 110011011 1 1 1 110111101 1 1 1 111011111 1 1 1 11110000 CLK为振荡电路输出的4MHz输出脉冲，通过芯片后可以CLK4输出500KHz脉冲。3.5 译码电路 当ADC转换器将模拟量转换为数字量后，要有数码管用来显示数字，就必须有译码器来驱动数码管。本次实验是用的是共阳极数码管，我们就采用74LS247译码芯片来驱动此数码管。74LS247芯片及共阳极数码管结构图 图3.11 74LS247芯片结构图 图3.12 共阳极数码管管脚 74LS247为4线七段译码器/驱动器（B

19、CD 输入，OC，15V），简要说明特性： (1)74LS247为集电极开路输出的BCD七段译码器/驱动器，输出端(ag)为低电平有效，可直接驱动指示灯或共阳极LED。 (2)当要求输入 015 时，消隐输入(/BI)应为高电平或开路，对于输出 0 时还要求脉冲消隐输入(/RBI)为高电平或开路。 (3)当BI为低电电平，不管其它输入端状态如何，ag均为截止态。 (4)当/RBI 和地址端(AD)均为低电平，并且灯测试(/LT)为高电平时，ag 均为截止态，脉冲消隐输出(/RBO)为低电平。 (5)当BI为高电平开路时，/LT的低电平可使ag为低电平。引出段符号： (1)A，B，C，D：译码地

20、址输入端。 (2)BI：消隐输入（低电平有效）。(3)/RBO：脉冲消隐输出（低电平有效）。 (4)/LT：灯测试输入端（低电平有效）。 (5)/RBI：脉冲消隐输入端（低电平有效）。 (6)ag：段输出（低电平有效）。第四章 系统的软件设计4.1 Altium Designer在本电路中的具体应用 1.新建原理图及封装库的建立 图4.1 新建原理图及封装制作流程图 2.利用向导新建 图4.2 PCB制作流程图 PCB完整布线图见附录2。4.2 PCB板的制作流程 设计绘制原理图导成PCB图打印输出（热转印纸）利用热转印法将PCB图转到敷铜板腐蚀（留下电子线路）金属焊盘钻孔焊接安装元器件调试成

21、品。注意事项：(1) 正确的选择元器件的封装。(2) 要合理地选择线宽、焊盘、焊孔的大小，在钻孔时需要仔细地选择钻头的直径，以方面元器件的焊接。(3) 导入PCB后，先进行布局对布线有利。(4) 在焊接元器件前，一定要先检测元器件是否有损坏，再进行焊接。在焊接过程中也要注意安全。 第五章 性能测试与分析5.1 整体测试 通电后三个灯全亮且没有芯片发热，烧焦，爆炸等现象，而数码管能够显示数字00FF（FF为消隐状态）。说明电路整体无太大错误。5.2 各部分电路的测试5.2.1 电源端测试 三个电源测试端7805、7809、7909的记录数据见表5.1.表5.1 电源测试值芯片7805780979

22、09理论值/V+5.00+9.009.00测试值/V+5.02+9.199.15误差0.40%2.11%1.67%5.2.2 振荡电路的测试 (1)多谐振荡器的测试端口有示波器测得频率为3.9999MHz的类似方波信号； (2)经74LS163芯片8分频后输出的测试端口测得为499.9998KHZ的类似方波信号；5.2.3 模数/数模转换测试 数码管显示数值与之相对应的十六进制表见表5.2。表5.2 数码管显示数值与之相对应的十六进制表 数码管显示 对应的16进制 数码管显示 对应的16进制0088119922A33B44C55D66E77不显F 数码管对应数字转换为电压的公式为：电压值=（十

23、位*16+个位）*19.6mv。通过用万用表可以测得输入的电压值，再通过计算数码管显示的数字计算出电压值，在两者进行比较可以计算出误差值。模数转换误差分析见表5.3表 5.3 模数转换数据表模拟输入(v)00.371.151.872.603.303.724.014.875.02平均误差数码管显示0133B6085A9BECDF9FF数字输出(v)00.371.161.882.613.313.734.024.885.02误差(%)000.870.530.380.30.270.250.2100.28数模转换误差分析见表5.4 表5.4 数模转换数据表数码管显示0133B6085A9BECDF9FF

24、平均误差数字输入(v)00.371.161.882.613.313.734.024.885.02模拟输出(v)00.371.171.902.633.333.754.044.905.00误差(%)000.871.060.770.600.540.50.410.400.52 误差分析：本次实验电路都采用了集成电路芯块，元器件本身具有良好的稳定性，芯片间在电路上是相连接的，但并不会有很大的干扰。综合上述数据可以看出，电源输出电压较正常，振荡电路输出值与理论基本相符，符合电路设计要求。模数、数模转换与理论计算也基本一致，所以模拟信号经过模数和数模转换，最终能较好的恢复模拟信号。上述表格数据中得出实际与理

25、论存在一些误差，但在允许的误差范围内。引起误差的原因可能有：(1)电阻器的阻值色环读数与其标定阻值间的误差；(2)空气的噪声及元器件内部噪声使得脉冲不是很标准的方波；(3)计算时四舍五入引起的误差。5.3 调试过程常遇到的问题及解决方法 电源指示灯不亮，可能原因及解决方法：发光二极管接反；重新正确连接。发光二极管虚焊；将其正确焊接。发光二极管损坏；换发光二极管。 某个电源端的输出值异常，检查芯片是否连接正确，尤其是7909。 振荡电路输出方波频率过大，可能原因为电容已损坏，会漏电。更换电容。 数码管显示异常，可能某个点虚焊；首先检查电路是否连接正确，接着检查0809以及74LS247电压输出是

26、否正确，然后检查与数码管连接电路是否虚焊。若以上正确，还出现异常，可考虑替换芯片，检测数码管是否为共阳极。心得体会 在这两个星期的工程训练中，从基本原理的学习到设计连接电路的原理图，然后到PCB的布局，每一部分都是自己用心去理解完成的。在此过程中学到了许多理论上的知识，比如各种芯片的原理及应用，复习了Altium Designer软件制作PCB印刷电路板的方法。在整个板子制作成功需要检测时，我深刻感觉到了理论知识的重要性，只有理论知识学扎实了，真正了解了A/D转换的原理，才能有条理的对作品进行检错，而不至于在有错误时找不着边际，在平时的学习中还是应该将基本功打牢。在实践方面，经过了三次工程训练

27、，我觉得自己的动手能力的确有了点提高，不在那么需要依靠别人，就算遇到一点问题也能自己检测解决，本次工程训练让我收获颇丰。附录1 电路原理图附录2 PCB布线图 工程训练成绩评定表项目名称 数据采集的实现与存储设计任务与要求1、 理解A/D转换原理，熟悉掌握逐次逼近型A/D转换器的原理。2、 利用4MHz晶振构建石英晶体多谐振荡器，并通过分频得到500KHz的方波信号（需分别预留测试端口)。3、 在ADC0809的信号输出端接数码管，以观察结果。并且在输出端并上排针，留出端口方便以后使用。4、 在ADC0809的时钟信号输入端及START信号输入端预留测试端。5、 使用DCA0832恢复ADC0809转换的模拟信号。6、 在布局完成的基础上完成实物焊接，制作实物时应尽量避免使用跳线。各种功能模的构成器件尽量紧凑排布。7、在制作实物时，电源及地需预留端口出来，以便仪器的测量。指导教师评语 建议成绩： 指导教师：教研组评定意见 评定成绩： 负责人：时间： 年 月 日