DZ256高精度数据采集系统设计.rar

毕业设计任务书 课题名称 高精度数据采集系统设计 学院(部) 信息工程学院 专 业 电子信息工程 班 级 24030402 班 学生姓名 孙瑞静 学 号 2403040202 3 月 3 日至 6 月 8 日共 14 周 指导教师(签字) 教学院长(签字) 2008 年 1 月 8 日 一、设计内容（论文阐述的问题） （1） 阐述高精度数据采集系统的基本原理与各部分实现方法； （2） 进行系统整体设计，选择方案； （3） 进行硬件系统设计，进行调试； （4） 对系统进行软件设计； （5） 介绍部分外围电路的方案，完成系统的设计。 二、设计原始资料（实验、研究方案） （1） 介绍高精度数据采集系统系统的研究意义及发展； （2） 单片微型计算机的实验部分； （3） 智能仪器的实验及课程设计； （4） 数据采集方法的认识。 三、设计完成后提交的文件和图表（论文完成后提交的文件） 1. 计算说明书部分： 数据采集的一些基本理论以及系统设计各部分电路分析。 2、图纸部分： （1） 高精度数据采集系统硬件设计各部分电路图与总电路图； （2） 高精度数据采集系统软件设计各模块流程图与编程代码。 四、毕业设计进程安排 序号 设计各阶段名称 日期（教学周） 1 准备论文的设计资料 3 月 3 日—4 月 13 日(1 周-6 周） 2 开始着手毕业设计，设计主要电路 4 月 14 日—5 月 25 日（7 周-12 周） 3 完成设计并撰写设计论文 5 月 26 日—6 月 8 日（13 周-14 周） 五、主要参考资料 [1] 马明建. 数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005. [2] 周林，殷侠等. 数据采集与分析技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2005. [3] 张毅坤，衬衫久，裘雪红等. 单片微型计算机原理及应用[M].西安：西安电子科技大 学出版社，1998. [4] 赵茂泰.智能仪器原理及应用（第 2 版）[M].北京：电子工业出版社，2005. [5] 陈立周，陈宇. 单片机原理及其应用[M]. 北京：机械工业出版社，2002. [6] 赵负图. 信号采集与处理集成电路手册[M].北京：化学工业出版社，2002. [7] 陶楚良. 数据采集系统及其器件[M].北京：北京理工业大学出版社，1988. [8] 李全利、迟荣强. 单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2004. 长安大学毕业设计开题报告表 课题名称 高精度数据采集系统设计 课题来源 自选项目 课题类型 工程设计 指导教师 张利川 学生姓名 孙瑞静 学 号 2403040202 专 业 电子信息工程 课题研究的目的和意义 计算机数据采集与分析技术是信息获取的重要手段和方法。数据采集与分析技术在工 程领域中的地位和作用不言而喻，比如对工程实践中经常遇到的诸如速度、电压、电流、 电阻、温度、压力等物理量，经常要用到计算机对其进行测量、存储、处理和显示等。计 算机数据采集与分析技术涉及的学科和技术较多，涉及的学科主要有仪器学科、信息学科 和计算机学科，涉及的技术主要有传感器技术、测试技术、仪器技术、电子技术和计算机 技术等。 “数据采集”就是将要获取的信息通过传感器转换信号，并经过信号调理、采样、量 化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。相应的系 统称为数据采集系统。 随着计算机技术、电磁兼容技术、传感器技术和信息技术的飞速发展和普及，数据采 集系统迅速得到广泛应用，它渗透到地质、医疗器械、通讯等各个领域，为获取信息提供 了良好的基础。在生产过程中，应用这一系统可对生产现场的工艺参数进行采集、监视和 记录，为提高产品质量、降低成本提供信息和手段。在科学研究中，应用数据采集系统可 获得大量的动态信息，是研究瞬间物理过程的有力工具，也是获取科学奥秘的重要手段之 一。随着技术的发展，各种各样基于数字化的产品不断推陈出新，给我们的生活带来了极 大的好处。数字化之所以能如此广泛拓展开，主要在于以下两个优点： 1、 数字处理灵活、方便。在软件无线电领域，正在构建一个较通用的平台，通过 软件来实现许多“僵化”硬件平台的功能。这正是基于数字化带来的灵活性。 2、 数字系统稳定可靠。在早期，较之模拟系统，数字系统的最大优点就在于有良 好的稳定性。 国内外发展状况 采用 Intel 或兼容的硬件及微软或兼容的软件的数据采集系统，俗称 Wintel 架 构．由于 Wintel 架构已经成为商业 PC 机的主流，其标准公开，结构公开，软件及开发工 具公开，因此具有很好的开放性．因此世界各大厂商纷纷推出自己的微处理器系统，和相 应的开发工具．且硬件成本和开发成本相比较均很低．因此，这种基于ＰＣ的数据采集系 统架构以其开发成本低，开放性，运算能力，通讯能力强，易于使用，成为设计应用的主 流．Wintel 架构的数据采集系统可分为 2 种形式： （１） 基于板卡的集中式数据采集系统 基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。主要做法是将一块基于 IAS 或 PCI 的板卡 插入工业计算机或商用机上，将外部信号通过导线引致计算机的端子上，然后接如数据采 集卡，通过定制的软件就可以进行采集．优点是成本比较低，速度快；缺点是传输距离短， 可靠性一般，同时布线费用高。 （２） 基于分布式的数据采集系统 基本方式－是智能采集模块记录信号，再通过一些通用总线如 RS232，RS485 进行传送， 但这样的速度，距离都受到很大限制。二是采用基于现场总线的数据采集模块,流行的现场 总线如 CANBUS,PROFIBUS 等。基本做法是通过现场总线将智能模块引入计算机,上位机通过 定制的软件和智能模块通讯.他的优点是易维护,布线简单,可靠性高;缺点是采样速度低,成 本较高。 课题研究的基本内容 数字采集的任务，具体地说，就是采集传感器输出模拟信号并转换成计算机能识别的 数字信号，然后送入计算机或相应的信号处理系统，根据不同需要进行显示或打印，以便 实现对某些物理量的监视，其中一部分数据还将被控制生产过程中的计算机控制系统用来 控制某些物理量。数据采集系统几乎无孔不入，它已渗透到了地质、医药器械、雷达、通 讯、遥感遥测等各个领域，为我们更好的获取信息提供了良好的基础。 数据采集系统追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量值的测试都要 有一定的精确度要求，否则将失去采集的意义；提高速据采集系统得速度不仅仅可以提高 工作效率，更重要的是可以扩大数据采集系统的使用范围，以便于实现动态测试。 本课题研究的主要任务就是完成高精度、高速度数据采集系统的设计，使得该系统组 成的模拟数字转换模块能够达到数度快、精度高的目标。 本文提出了一种基于低电压，高性能 CMOS 8 位单片机 AT89C52 的数据采集系统，本系 统采用了高速、低功耗 16 位的 ADC 芯片 AD976 来完成信号的采集、放大、存储、处理等功 能，并使用 8 位数据存储器进行存储，使得数据采集快、精度高。 毕业设计进程安排 序号 设计各阶段名称 日期（教学周） 1 准备论文的设计资料 3 月 3 日—4 月 13 日(1 周-6 周） 2 开始着手毕业设计,设计主要电路 4 月 14 日—5 月 25 日（7 周-12 周） 3 完成设计并撰写设计论文 5 月 26 日—6 月 8 日（13 周-14 周） 指导老师意见及建议： 指导老师签名： 年 月 日 注：1、课题来源分为：国家重点、省部级重点、学校科研、校外协作、实验室建设和自选项目；课题类 型分为：工程设计、专题研究、文献综述、综合实验。 2、此表由学生填写，交指导教师签署意见后方可开题。 高精度数据采集系统设计 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 摘 要 数据采集系统是信号与信息处理系统的重要组成部分。随着科技的发展， 对现代的数据采集在速度、分辨率、精度、抗干扰能力等方面的要求越来越高， 越来越多的产品要求同时具有高精度、高速度，以满足广大用户的要求。这使 得采集系统对ADC芯片的转换位数与采样率的要求也越来越高。 在这样的背景下，本文提出了一种基于低电压，高性能 CMOS 8 位单片机 AT89C52 的数据采集系统，本系统采用了高速、低功耗 16 位的 ADC 芯片 AD976 来完成信号的采集、放大、存储、处理等功能，很好的解决采样率和转换位数 之间的矛盾,使得数据采集快、精度高。另外，本系统还包括多通道采集电路和 通道转换电路等，通过对多路模拟输入信号的采集，放大和检波，AD 转换， 并利用单片机 AT89C52 进行控制，使得系统智能化和精确化。 关键词: DAS，AT89C52，AD976，高精度 高精度数据采集系统设计 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ABSTRACT Analog to digital converter (ADC) is very important in signal and information processing system. With the development of the science， the requirements of modern data conversion system are becoming higher and higher in speed, resolution, accuracy as well as the capacity of anti-jamming, it is necessary to decrease the resolution in order to improve the speed, so does the opposition. Based on this background, this essay puts forward a data collect system which bases on the low voltage , high-performance CMOS 8 bit single chip AT89C52 .The system applies high speed ,low-power consumption 16 bit ADC chip AD976 to accomplish the functions such as collecting , enlarging , storing , handling and so on. The system solves contradiction between resolving sampling rate and changing a digit, and make the data collection quickly, highly accuracy .Besides the system includes collection circuit and passage change circuit etc. that makes the system controlled by single chip AT89C52 systematically intellectualized and precision by simulating entering signal acquisition，amplification and detection to multipath . KEY WORDS：DAS ，AT89C52，AD976，high resolution 高精度数据采集系统设计 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 目 录 第一章 绪 论 .1 1.1 数据采集的意义 1 1.2 数据采集系统技术现状 .2 1.3 数据采集系统的设计 3 1.3.1 设计的目的 .3 1.3.2 设计的基本要求 .3 1.3.3 设计的特点 .3 1.3.4 系统设计总流程图 .4 第二章 数据采集的基本理论 .5 2.1 数据采集过程 5 2.2 采样定理 5 2.3 量化与量化误差 .10 2.3.1 量化 10 2.3.2 量化方法 10 2.3.4 量化误差 11 第三章 硬件设计 .15 3.1 数据采集系统的框图及其特点 15 3.2 AT89C52 的介绍 16 3.2.1.主要功能特性 16 3.2.2.功能特性概述 17 3.2.3.引脚功能说明 18 3.2.4 特殊功能寄存器 20 3.2.5 存储器结构 20 3.3 AD976 的简介 20 3.3.1 AD976 的管脚与框图 21 3.3.2 管 脚 功 能 .21 3.3.3 AD976 的应用 22 3.4 CD4051 简介 .24 3.4.1 CD4051 引脚 .24 3.4.2 CD4051 的功能 .24 3.5 74HC573 简介 25 3.5.1 74HC573 概述 25 3.5.2 74HC573 功能表 26 3.5.3 74HC573 引脚图 26 3.6 可编程放大器 PGA204 的简介 26 3.6.1 可编程放大器 PGA204 描述 .26 3.6.2 可编程放大器 PGA204 特点 .27 3.6.3 可编程放大器 PGA204 的引脚与逻辑功能 .27 3.7 74HC138 的简介 27 高精度数据采集系统设计 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 3.7.1 74HC138 的介绍 27 3.7.2 74HC138 的引脚图和真值表 28 3.8 静态 RAM62256 的简介 29 3.8.1 RAM 的结构和特性 29 3.8.2 静态 RAM 的工作方式 29 3.8.3 62256 与 MCS—51 的连接 30 3.9 电路设计 .31 3.9.1 微处理器模块设计 31 3.9.2 通道模块设计 32 3.9.3 模数转换电路设计 33 第四章 软件设计 .35 4.1 系统的软件框架 .35 4.2 系统总模块设计 .35 4.3 数据采集模块设计 .36 4.3.1 通道设置模块 36 4.3.2 AD 转换模块设计 .37 结 论 40 致 谢 41 参考文献 .42 附 录 43 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 1 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第一章 绪 论 1.1 数据采集的意义 数据采集技术是信息技术的重要组成部分之一。信息技术主要包括信息获 取、传输、处理、存储（记录） 、显示和应用等。信息技术的三大支柱技术是信 息获取技术、通信技术和计算机技术，常被称为 3C 技术 （Collection、 Communication 和 Computer） 。其中，信息获取技术是信息技术 的基础和前提，而数据采集技术是信息获取的主要手段和方法，它是以传感器 技术、测试技术、电子技术和计算机技术等技术为基础的一门综合应用技术。 “数据采集”就是将要获取的信息通过传感器转换信号，并经过信号调理、 采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存 储和显示。相应的系统称为数据采集系统。 数据采集系统是计算机与外部世界之间联系的桥梁，是获取信息的重要途 径。数据采集技术是信息科学的重要组成部分，已广泛应用于国民经济和国防 建设的各个领域，并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及， 数据采集技术将有广阔的发展前景。 数据采集系统追求的主要目标有两个：一是精度，二是速度。对任何量值 的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去采集的意义；提高数据采集的速 度不仅仅可以提高工作效率，更主要的是可以扩大数据采集系统的适用范围， 以便于实现动态测试。 现代数据采集系统具有以下几个特点： （1） 、现代数据采集系统一般都内含有计算机系统，这使得数据采集的质 量和效率等大为提高，同时显著节省了硬件投资。 （2） 、软件在数据采集系统中的作用越来越大，增加了系统设计的灵活性。 （3） 、数据采集与数据处理相互结合得日益紧密，形成了数据采集与处理 相互融合的系统，可实现数据采集、处理到控制的全部工作。 （4） 、速度快、数据采集过程一般都具有“实时”特性。对于通用数据采 集系统一般希望有尽可能高的速度，以满足更多的应用环境。 （5） 、随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积 越来越小，可靠性越来越高，甚至出现了单片数据采集系统。 （6） 、总线在数据采集系统中的应用越来越广泛，总线技术对数据采集系 统结构的发展起着重要作用。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 2 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1.2 数据采集系统技术现状 采用 Intel 或兼容的硬件及微软或兼容的软件的数据采集系统，俗称 Wintel 架构．由于 Wintel 架构已经成为商业 PC 机的主流，其标准公开，结构 公开，软件及开发工具公开，因此具有很好的开放性．因此世界各大厂商纷纷 推出自己的微处理器系统，和相应的开发工具．且硬件成本和开发成本相比较 均很低．因此，这种基于ＰＣ的数据采集系统架构以其开发成本低，开放性， 运算能力，通讯能力强，易于使用，成为设计应用的主流．Wintel 架构的数据 采集系统可分为 2 种形式： （１） 基于板卡的集中式数据采集系统 基本方式是采用数据采集卡进行数据采集。具有代表性厂家 Advantch,NI。主要做法是将一块基于 IAS 或 PCI 的板卡插入工业计算机或商用 机上，将外部信号通过导线引致计算机的端子上，然后接如数据采集卡，通过 定制的软件就可以进行采集．优点是成本比较低，速度快，如 1MHz 数据采集； 缺点是传输距离短，可靠性一般，同时布线费用高。如 NI 的 PCI--6025E，他 有 16 个模拟输入通道，2 个通道的模拟输出，32 个数字 I/O，增益可调，12B 分辨率，200K 采样率。插如计算机的 PCI 插槽与主机相连。 （２） 基于分布式的数据采集系统 基本方式－是智能采集模块记录信号，再通过一些通用总线如 RS232，RS485 进行传送，但这样的速度，距离都受到很大限制。或者是使用一 些一起专用总线 IEEE-488 或 VXI，例如 NICOLET 的 BE256-XE 多通道瞬态记录 仪，他就采用 IEEE-488 总线，传输速率为 1MB/S，一个系统中总线上最多可连 接 15 台设备：二是采用基于现场总线的数据采集模块,流行的现场总线如 CANBUS,PROFIBUS 等。代表性的厂家如 ADVANTECHADAM 系列等。基本做法是通 过现场总线将智能模块引入计算机,上位机通过定制的软件和智能模块通讯。他 的优点是易维护,布线简单,可靠性高；缺点是采样速度低,成本较高。 在电力系统中，航空航天等行业的特殊环境，如对雷击，短路等瞬态突变 过程，高电压，大电流，大功耗设备，浮地系统等的数据采样分析，除了需要 考虑高速，高分辨率外，还要考虑到隔离的问题，来保证数据传输时的正确性 和可靠性，以及人员设备的安全。首先可以在数据采集系统的输入前端距离， 将被测信号的地与设备的地隔离。通常可以采用光电耦合器件或隔离放大器， 这样做的缺点就是限制了采集信号的频率范围和通频带宽度。其次在数据想上 位机的传送时使用光纤，保证信号在传输过程中不会受到外界恶劣环境的干扰。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 3 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 如 NICOET 的 63XI 系列，他采集前端用了隔离探头，向上位机传送命令与数据 时均采用光纤。 1.3 数据采集系统的设计 本课题研究的主要任务是完成高速度，高精度数据采集系统设计；使得该 系统组成的模拟数字转换模块能够达到速度快、精度高的目标。 1.3.1 设计的目的 随着计算机的广泛应用和微电子学的高度发展，数字系统已被广泛地应用 于国民经济、国防建设与科学实验的各个领域。和模拟系统相比，数字系统有 精度高、稳定性好等一系列优点，但是数字系统只能处理离散的数字信号。外 部世界的各种被检测量，如温度、压力、位移、流量、角度、位置等，通过相 应的各种类型的传感器转换成便于进一步处理的处理量(一般为电压、电流、电 阻或电脉冲等信号)。只有一部分传感器可以将外部世界的被检测量直接转换为 数字信号或开关信号(这是一种只有0, 1 两个状态的数字信号)。大部分传感器 输出的仍是电压或电流等模拟信号，所以往往需要将这些模拟信号转换为便于 处理和存储的数字信号。在当今市场中的ADC(数字模拟转换器)由于采样率，量 化精度等的限制，转换位数通常为8位，但这远远不能满足实际系统的需要。针 对项目来讲，直接使用8位的模拟数字转换器在精确性上是不能达到要求的。因 此，希望能够自行设计一个高性能、高精度、高速度的模拟数字转换器，转换 位数增加一倍，达到16位。 1.3.2 设计的基本要求 符合电路设计的一般要求：设计电路所用的芯片及器件简单，成本低；整 个设计要有一定的使用价值和较广的使用范围；电路的实现及使用简单方便。 完成对稳定或似稳定直流电场信号的采集、存储硬件电路计，硬件电路处理核 心基于 AT89C52 控制器。 1.3.3 设计的特点 1、多通道采集和转换，具有高放大电路和防止抖动电路。 2、16 位 AD 转换和八位数据存储，数据采集处理快。 3、直流电源支持和电压转换电路。 4、采用C51 语言对单片机控制。 5、 与 传 统 的 电 阻 率 法 相 比 ， 成 本 低 、 效 率 高 ， 信 息 丰 富 ， 能 力 显 著 提 高 。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 4 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 1.3.4 系统设计总流程图 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 5 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 设计任务书下达 编写任务说明书 拟订总体设计方案 确定整机指标 选择机型，选择芯片，分配软硬件目标 编写软件，调试 选择，组合硬件 软硬件连接 硬件？ 软件？ 系统？ 拟订总体设计方案 N N N 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 6 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第二章 数据采集的基本理论 数据采集的基本理论包括采样定理、量化与量化误差、编码、数据采集的 有效位数等，下面分别加以讨论。 2.1 数据采集过程 连续的模拟信号X(t)，按一定时间间隔T采样得到离散时间信号x s(nTs)， 再经过量化变为量化信号x s(nTs),最后编码转换为数字信号x(n)。以上转换过 程可以用图2.1表示。 图 2.1 数据采集过程 对于实际的高速A/D,采样过程并不是理想的，保持电路可能会存在孔径效 应，而影响编码，最终影响数据的原始性，在选用高速A/D时，一般选模拟带宽 较宽的A/D比较好。 2.2 采样定理 采样可以看作是一个脉冲调幅的过程，可以用图 2.2 表示。 其中：x p(t)=xa(t)．P(t) 当 P(t)的脉冲宽度 ﹤﹤T 时，就接近理想采 样： P（t）变为 M（t） 脉冲就接近 函数 采样调幅过程 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 7 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （2.1） xnTttM)()( （2.2）)()(tta 将(2.1)式代入上式 （2.3） xa nTtt )())( 图2.2 采样调幅过程 当然实际情况可以将P（t）近似看作M（t）以便于分析模拟信号经采样后， 频谱会发生周期延拓 （2.4） x tjmseanTtt)()( 其中 也就是采样角频率ssT, 2 由傅氏级数理论可得 Tam 1 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 8 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （2.5） xtjmseTtM1)( 图 2.3 M（t）的傅氏变换 M（t）的傅氏变换幅度谱如图 2.3 所示。 对于采样信号频谱:   )(1)( )()()()(sata tjatjaajmxTdet detxxjxs （2.6） 因此，从频域上看，采样信号频谱会发生周期延拓。 由图2.4可知，信号基带的最高频率 ，将发生频谱混叠，这2sH 将使信号不能恢复。 因而常要求采样频率 ，即 。这就是著名的奈奎s2maxcsff 斯特采样定理。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 9 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图 2.4 当信号采样后，要能恢复为原来所包含的信息，在保证频谱不发生混叠的 情况下，我们可以将采样信号Xa(t)通过一个理想低通滤波器，这个理想低通只 让基带频谱通过，因而滤波器的带宽应等于折叠频率，滤波器的特性如图2.5所 示。 图2.5 滤波器特性图 （2.7）)()()()( jXjGjXjYaa 从频域上看，由(2.7)式可知，能通过低通滤波恢复x(t)。下面我们从时 域来看其恢复的过程。 理想 的冲激相应)(jG （2.8）t deTdtejGtgTtj jssin2)(122 其输出 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 10 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （2.9） )()( )()]()[)())(nTtgnx dtgdtgxtya  （2.10）ntTtg T)(si)( （2.10）式称为内插函数，其波形如图2.6所示。 （a） （b） 图2.6内插函数波形 将(2.10)式代入(2.9)式有: （2.11）)( sin)()()( TtTxtxtyaa  式 (2.11 )即为采样内插公式，在每个采样点nT上，只有该采样值不为0, 所以其能保证各采样点上信号不变，对于在不为nT的这些时刻，即为各采样函 数延伸叠加而成。这从时域上解释满足采样定理的信息恢复。当然，实践中不 可能通过计算内插公式恢复信息，这样各点计算量太大。实际工程中常通过一 个D/A变换器加低通滤波器恢复原来信息，如图2.7所示。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 11 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 图2.7数模转换模型 2.3 量化与量化误差 2.3.1 量化 量化就是把采样信号的幅值与量化单位比较。 量化单位定义为量化器满量程电压 FSR( Full Scale Range)与 的比值，2n 用 q 表示，因此有 (2.12)n FSRq2 2.3.2 量化方法 1.“只舍不入”的量化 所谓只舍不入的量化，是指把信号中幅度小于量化单位的部分一律舍去。 如图2.8所示。 当 时， ；当 时，qnTxs)(00)(sqnTx qnTxqss2)( ；当 时， ；……等等。nxsq)( s32s)( 图2.8 “只舍不入“量化过程 2.“有舍有入”的量化 “有舍有入”量化是指将采样信号幅值与量化电平相比较，离幅值最近的 量化电平作为信号在该时刻的量化值。其过程如图2.8所示。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 12 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 当 时， ；当 时，2)(0qsqnTx0)(sqnTx qnTxsq)(2 ；……nTxsq)( 图2.9“有舍有入“的量化过程 2.3.4 量化误差 由量化引起的误差称为量化误差(也称为量化噪声)，记为e。 （2.13）)()(sqssnTxnTxe 式中： --信号采样 , )(ssnTx -- 量化信号，sq 量化误差的大小与所用的量化方法有关。 1.“只舍不入”法引起的量化误差 量化特性曲线与量化误差如图2.10所示，量化误差只能是正误差，它可 以取0-q之间的任何值，而且机会均等，因而是在[0,q]刻上均匀分布的随机变 量。误差的数学期望为: （2.14）  qqeddepe012)( 上式中，P(e)为概率密度函数，分布见图2.12(a )。由于平均误差e不等 于零，故称这种误差是有偏的。最大量化误差为 (2.15)qemax 量化误差的方差为 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 13 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ (2.16)  qqqe deedpe012122)()(( 图2.10 “只舍不入”量化特性曲线与量化误差 2.“有舍有入”法引起的量化误差 量化特性曲线与量化误差如图2.11所示，量化误差e有正有负，它可以取 之间的任意值，而且机会均等，因而是在 上的均匀分布的随2q 2,q 机变量。 误差的数学期望为 （2.17） 220)(1qqeddepe 式中，p(e)为概率密度函数，分布见图2.12 ( b)。由于平均误差e等于 零，故称这种误差是无偏的。最大量化误差的方差为 （2.18）2max q 量化误差的方差为 （2.19）  2222 112)((qqqe dedepe 由以上分析可知，量化误差是一种原理性误差，只能减小而无法完全消 除。由图 2.10 和图2.11可知，量化特性曲线具有非线性的性质，因此，量化 过程是一个非线性的变换过程。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 14 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 比较两种量化方法，毫无疑问，“有舍有入”的量化方法较“只舍不入” 的量化为佳。因为它的最大量化误差只是后者的1/2。目前大部分A/D器件都采 用 前者的量化方法。 图2.11 “有舍有入”量化特性曲线与量化误差 图2.12量化误差概率分布图 3.量化误差(噪声)与A/D变换器有效位数的关系 当量化单位与模拟信号幅值相比足够小时，量化信号的每个台阶都很小， 因而采样值非常接近该时刻的模拟信号幅值。作为一次近似，量化噪声的静态 分布可以认为是均匀的。量化误差可按一系列在 之间的斜率不同的线形段2q 处理，如图2.11 (b)所示。下面分析均匀量化方式下，有效位数与信噪比的关 系。 采样的最大幅度为V 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 15 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ （2.20）N Vi2 N为量化阶梯数， 。信号落在某一量化间隔 内的量n 11~iiu 化噪声平均功率为 （2.21）  iiqiqi pdupun 212)()( 其中 为量化间隔， 为信号落在该间隔的概率。ii 由以上(2.20)与(2.21)可得非过载量化噪声功率 （2.22） Ni NiiViVq pp1 1322 2)( 其中，  Niip1 当信号未过载且峰峰值恰为2V时， （2.23） 232NqNVNS （2.24)nLogdB S 02.67.1102310 以上即为信噪比与有效位数的关系式。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 16 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 第三章 硬件设计 3.1 数据采集系统的框图及其特点 一个完整的数据采集工作大致可分为三步。 1、数据采集 被测信号经过放大，滤波，A/D 转换，并将转换后的数字量送入计算机。 这里要考虑干扰抑制，带通选择，采样/保持及与计算机接口等问题。 2、数据处理 由计算机系统根据不同的要求对采集的原始数据进行各种数学运算。 3、处理结果的复现与保存 上述这些过程都是在计算机的主导下用软件通过 DAS 来完成的。 按照功能规划和设计要求，可确定一个数据系统的硬件框架如图 3.1。 系 统 电 源 RS-485 AT89C52 单片机 显示电路 外部电路 AD 转换电路 放大滤波电路 多路模拟输入 图 3.1 数据采集系统的基本结构框图 该数据采集系统微处理器选用的是 AT89C52，AD 转换采用的是 AD976， 采用 CD4051 输入多路模拟输入信号，放大及滤波利用 PGA204 来完成。 它的工作过程为：多路模拟输入信号经过多路模拟输入开关 CD4051 依次 接通并顺序输入，再经过放大器 PGA204 的放大及滤波后，再输入到 A/D 转换 器 AD976 中，然后将转换后的数字量经过三态门送入数据总线。整个过程的完 成由 AT89C52 控制器进行控制。 高精度数据采集系统设计 共 45 页 第 17 页 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 装 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 订 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 线 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 3.2 AT89C52 的介绍 AT89C52