实验1：过程接口板设计报告
1、 设计内容
设计32路数据采集系统
2、 设计要求
1.输入信号为正负5V；用查询法读取A/D的转换数；
2、用Protel该软件绘制了数据采集板的原理线路图。
3、 设计过程
1、设计原理
如图所示，系统总框图：
系统原理框图
设计的主要组成部分如下：
(1)多路数据输入单元。
(2)采样保持电路A/D转换单元。
(3)硬件与单片机的连接电路。
(4)单片机输出的数据锁定和D/A转换单元。
设计包括：
① 模拟多路开关电路
② 操作放大电路
③ 采样保持电路
④ 模数转换电路
⑤ 连接电路的硬件和单片机
⑥ 数模转换电路
⑦ 转换开关保护电路
2、设计步骤
32路数据采集系统的硬件部分：多路数据输入部分，采样保持部分，A/D转换部分、硬件和单片机的连接电路部分，D/A转换部分。
1)选择多路开关
多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路连接到后续电路过程可以在CPU或在数字电路的控制下完成。
常用的模拟开关大多采用CMOS工艺，如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。
为实现32路数据采集，选择4片8选1的模拟开关CD4051。
CD4051由电平转换电路、译码驱动电路和CMOS模拟开关电路由三部分组成。开关部分的电源电压为VEE(低端)和VDD(高端)所需的控制电压为 VEE～VDD，电平转换电路将输入逻辑控制电压(A、B、C、INH端)从VSS～VDD转换到VEE～VDD以满足开关控制的需要。
2)前置放大电路
传感器检测到的信号一般较弱，不能直接用于显示、记录、控制或执行A/D转换。因此，在转换非功率到功率后，需要放大信号。由于前放大器需要高输入阻抗、低漂移和大共模抑制比，因此选择高阻抗和低漂移的操作放大器AD521作为前置放大器。
AD外部接线图521
3)采样/保持电路
当输入信号变化缓慢时，在A/D转换期间的变化小于A/D如果转换器的误差不是多通道同步采样，则无需采样/保持电路。当控制信号时UC为采样电平时，开关S 模拟信号通过开关S保持电容CH此时输出电压充电Uo跟踪输入电压UI的变化。
当控制信号UC当输出电压保持电平时，开关S断开Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值。保持阶段CH保持电容时，上部电荷不会被负载释放CH高输入阻抗缓冲高输入阻抗缓冲放大器A。
UO
UC
CH
模拟输入信号
驱动信号
UI
A
采样/保持器原理图
以速度和精度为主要因素，选择采样/保持器。由于采样/保持器的误差源较多，关键在于误差分析。AD582由结型场效应管集成的高性能操作放大器、低漏电阻模拟开关和放大器组成。采用14脚双柱直插式包装，其管脚及结构图表示，其中脚1为同相输入端，脚9为反相输入端，保持电容CH脚6和脚8之间，脚10和脚5为正负电源；脚11和脚12为逻辑控制端；脚3和脚4与直流调零电位器相连；脚2、7、13、14为空脚(NC)。
AD582管脚图
由于AD所以选择582以上特征，AD582采样保持器。
下图为AD582的连接图。
4)模/数转换电路
A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D根据系统采集对象的性质选择转换器的类型。
模
拟
多
路
开
关
模数
转换
单
片
机
控 制 逻 辑
模
拟
输
入
信
号
放大器
采样
保持
多通道共享采样/保持器A/D转换器图
A/D转换器的选择
模数转换电路的作用是将模拟信号转换为数字信号。模数转换电路选择12位模数转换器AD574，74，8位D锁定器LS373构成系统控制寄存器进行数据采集。地址译码器由744组成LS138(3-8 由门电路组成的译码器)。
AD574的工作方式
双极模拟输入有两个量程：-5V～ 5V量程从13引脚输入-10V～ 10V从引脚14输入量程。
此实验中的AD574采用双极性工作方式，如图所示。双极性偏移调节端BPLRof通过电位器W2.参考电压输出端REF OUT以取得10V偏移电压参考电压输入端REF IN通过电位器W1.参考电压输出端REF OUT。W1和W均为100欧姆电位器，用于调整零位和满量程。
5)AD574与单片机接口电路
AD内部有三态输出缓冲器，可与单片机直接接口。AD574与单片机的接口电路如图所示。
AD574与单片机的接口
该电路采用双极输入法，可对-5V～ 5v或-10V～ 10V转换模拟信号。双极偏移调节端BIP OFF接收参考电压输出端REF OUT以取得10V偏移电压。用于调整零位和满量程的100欧姆电位器。
AD574的状态信号STS与AT89S51的P1.0端连接，采用查询判断A/D转换是否结束。AT89S51的控制线RD和WR与非门接AD574的CE端。AT89S51的P0.0通过锁存器74LS373和非门接AD574的A0。AT89S51的P0.1通过锁存器74LS373接AD574的R/C端来控制AD转换状态换状态和读取转换结果。AD574片选端CS端由译码器74LS控制138的译码信号。AD12/8接数字地574。
设A/D全12位转换，需要启动转换，A0=0，即P0.0=0；R/C=0，即P0.1=0。因此，启动转换时的端口地址可以确定为0F9H。由于12/8接地，A/D转换结果分两次读出，高8位从D11～D读出，低4位从D3～D0读出。读高8位结果时，要求A0=0，R/C=1.读低4位结果时，要求A0=1，R/C=1。两次读取结果的端口地址为0FBH和0FAH。
6)、D/A转换器接口电路设计
如果应用系统中只有一路D/A转换或虽然有多路转换，但并不要求同步输出时，则可以选择单缓冲接口方式。在单缓冲接口方式下，ILE接 5V始终保持有效，通过写信号控制数据的锁定、连接连接单片机WR，两个寄存器同时写入数据。发送允许信号连接到片选，选择DAC0832后，写入数据并立即启动转换。
4、 设计结果
四台并行单片机I/O口。本设计采用P0口作为AD574和DAC0832数据输入口。P1.0接AD574的STS用来指示AD574转换是否完成，89S51的RD和WR与非门接AD574的CE端，用于使能AD574的数据输出。74LS138的Y5端接两片DAC0832的XFER89S51的WR接两块DAC0832的WE1，WE2。
74LS138的片选接74LS373的LE，AD574片选，两片DAC0832的片选，用74LS139作为四片CD4051的片选。
单片机控制的多路数据采集系统硬件电路图如下页所示
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