多路数据采集电路课程设计说明书.docx
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多路数据采集电路课程设计说明书
中北大学
课程设计说明书
2010/2011学年第1学期
学院:
电子与计算机科学技术学院
专业:
电子科学与技术
学生姓名:
于超琪
学号:
0806044112
课程设计题目:
多路数据采集电路
起迄日期:
2011年1月3日至2011年1月14日
课程设计地点:
电子科学与技术专业实验室
指导教师:
李圣昆
系 主 任:
任勇峰
完成说明书日期:
2011年1月14日
1、课程设计目的……………………………………………2
2、设计内容和要求
2.1设计内容………………………………………………………2
2.2设计要求………………………………………………………2
3、设计方案
3.1信号产生电路…………………………………………………3
3.2模数转换电路…………………………………………………5
3.3信号选择并锁存电路…………………………………………8
3.4数字信号存储电路……………………………………………9
3.5数模转换电路…………………………………………………9
4、多路数据采集电路原理图………………………………12
5、多路数据采集电路PCB电路板图………………………12
6、多路数据采集电路3D图………………………………13
7、课程设计心得……………………………………………13
8、参考书目…………………………………………………15
一、设计目的
1掌握电子电路的一般设计方法和设计流程。
2学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图。
二、设计内容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求)
1能进行16路0~5V的模拟信号的采集、存储,路采样率不小于100Hz;
2熟练掌握应用Protel99设计原理图及制作PCB图的过程;
(一)、设计内容:
数据采集系统是一种通用测试系统,它可以对各种物理量(如温度、压力、转速、位移等)进行测量、存储、处理和结果输出。
先由电路产生一个模拟信号(0-5V)然后以16路送进A/D数模转换器,将模拟信号量转换为数字信号量。
A/D转换的数字信号送入EPROM储存,在数字处理完成后,将数字信号量输入D/A数模转换器,将数字信号量转换为模拟信号。
最后经过运算放大器滤波,输出到PC。
操作人员就可以看到所采集的信号了。
(二)、设计要求:
16路数据采集系统,由ICL8038、2片8路8位模数转换器ADC0809、1片脉冲发生器74121、1片74LS373数字信号锁存器、1片27512(EPROM)、1片uA741运算放大电路和若干74161组成。
在电路中先设计一个信号发生器,能产生一个模拟信号(0-5V),将这个模拟信号以16路输入给2片ADC0809模数转换器。
这两片模数转换器由一片74161做16进制计数器来控制这16路的模拟信号输入。
此时产生两个8位的数字信号,用74LS00进行选择,将输出的数字信号输入74LS373锁存器锁存。
74LS373输出的数字信号,一方面由选用的(27512)8路数字存储器来存储,另一方面用1片8位数模转换器DAC0832进行数模转换。
转换的模拟量通过运算放大器的滤波最后输出。
图116路数据采集存储系统组成框图
三、设计方案
(1)模拟信号产生电路
在此处我选用ICL8038芯片。
ICL8038的波形发生器是一个用最少的外部元件就能生产高精度正弦,方形,三角,锯齿波和脉冲波形彻底单片集成电路.频率(或重复频率)的选定从0.001hz到300khz可以选用电阻器或电容器来调节,调频及扫描可以由同一个外部电压完成.ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制成的单片集成电路芯片,输出由温度和电源变化范围广而决定.这个芯片和锁相回路作用,具有在发生温度变化时产生低的频率漂移,最大不超过250ppm/℃
特点:
1、具有在发生温度变化时产生低的频率漂移,最大不超过50ppm/℃。
2、正弦波输出具有低于1%的失真度。
3、三角波输出具有0.1%高线性度。
4、具有0.001Hz~1MHz的频率输出范围;工作变化周期宽。
5、2%~98%之间任意可调;高的电平输出范围。
6、从TTL电平至28V。
7、具有正弦波、三角波和方波等多种函数信号输出。
8、易于使用,只需要很少的外部条件。
图2ICL8038管脚图
这里我使用的电路图如下:
图3信号发生电路图
图4原理图中的信号发生电路
(2)模数转换电路:
在这里我选用的是ADC0809模数转换器。
ADC0809概述:
ADC0809是M美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道,8位逐次逼近式A/D转换器。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地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。
是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
图5ADC0809内部结构及其管脚图
1.主要特性
1)8路输入通道,8位A/D转换器,即分辨率为8位。
2)具有转换起停控制端。
3)转换时间为100μs(时钟为640kHz时),130μs(时钟为500kHz时)
4)单个+5V电源供电
5)模拟输入电压范围0~+5V,不需零点和满刻度校准。
6)工作温度范围为-40~+85摄氏度
7)低功耗,约15mW。
2.内部结构
ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,内部结构如图13.22所示,它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D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,如图13.23所示。
下面说明各引脚功能。
IN0~IN7:
8路模拟量输入端。
2-1~2-8:
8位数字量输出端。
ADDA、ADDB、ADDC:
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。
START:
A/D转换启动脉冲输入端,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/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A/D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。
要求时钟频率不高于640KHZ。
REF(+)、REF(-):
基准电压。
Vcc:
电源,单一+5V。
GND:
地。
4.ADC0809的工作过程
首先输入3位地址,并使ALE=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。
START上升沿将逐次逼近寄存器复位。
下降沿启动A/D转换,之后EOC输出信号变低,指示转换正在进行。
直到A/D转换完成,EOC变为高电平,指示A/D转换结束,结果数据已存入锁存器,这个信号可用作中断申请。
当OE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。
在这里,ADC0809的模拟信号输入端的电压范围为0~5V,所以不用电压转换电路,我使用两片ADC0809来实现16路AD转换。
由于我对单片机的知识不够了解,所以我选择用74161来控制ADDA,ADDB,ADDC以及ALE端口,并用74121来控制ADC0809的工作开始。
图7原理图中的ADC0809工作电路图
图8单脉冲输入电路
(3)信号选择并锁存电路
图7中输出两个8位数字信号,而我只需一个,这就需要一个信号二选一的选择电路,选用数电中最常用的74LS00芯片(这里不作介绍)。
为使数字信号能稳定输出,我选用74LS373锁存器做锁存电路。
74LS373为三态输出的八D透明锁存器
图974LS373锁存器引脚图
373的输出端O0~O7可直接与总线相连。
当三态允许控制端OE为低电平时,O0~O7为正常逻辑状态,可用来驱动负载或总线。
当OE为高电平时,O0~O7呈高阻态,即不驱动总线,也不为总线的负载,但锁存器内部的逻辑操作不受影响。
当锁存允许端LE为高电平时,O随数据D而变。
当LE为低电平时,O被锁存在已建立的数据电平。
当LE端施密特触发器的输入滞后作用,使交流和直流噪声抗扰度被改善400mV。
引出端符号:
D0~D7数据输入端
OE三态允许控制端(低电平有效)
LE锁存允许端
O0~O7输出端
图10原理图中的两个8位信号选择电路
图11原理图中的信号锁存电路
(4)数字信号存储电路
这里选用的的存储芯片是27512。
27512是64KB的EPROM,其引脚功能为
A0~A15:
地址输入端。
Q0~Q7:
数据输出端。
读出时是数据输出端;编程时为写入数据输入端。
CE:
片选输入端,低电平有效。
OE:
输出使能编程电压复用端。
A0~A15的地址输入端我选用四片74161来控制。
图12原理图中的信号存储电路
(5)数模转换电路
在数模转换电路中我选用的芯片是DAC0832。
DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位数/模转换器。
图13DAC0832数模转换器的内部结构和引脚图
D/A转换器DAC0832的引脚功能如下:
D0~D7:
数字信号输入端。
ILE:
输入寄存器允许,高电平有效。
CS:
片选信号,低电平有效。
WR1:
写信号1,低电平有效。
XFER:
传送控制信号,低电平有效。
WR2:
写信号2,低电平有效。
IOUT1、IOUT2:
DAC电流输出端。
Rfb:
是集成在片内的外接运放的反馈电阻。
Vref:
基准电压(-1010V)。
Vcc:
是源电压(+5~+15V)。
AGND:
模拟地NGND:
数字地,可与AGND接在一起使用。
DAC0832输出的是电流,一般要求输出是电压,所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。
运算放大器选用uA741
图14uA741的管脚图
图15数模转换电路图
图16原理图中的AD转换电路
四、多路数据采集电路原理图
图17多路数据采集电路原理图
五、多路数据采集电路PCB电路板图:
图18多路数据采集电路PCB电路板图
六、多路数据采集电路3D图
图19多路数据采集电路3D图
七、课程设计心得
这次课程设计我查找了一些资料,包括以前曾经做过的类似的题目的电路设计,我发现很多设计都用到了单片机,而我目前还不了解单片机,里面所涉及到的汇编语言我也不懂。
我就先从那些AD转换器的引脚功能和工作原理入手。
里面所涉及到的功能用目前我所学的数电和模电知识来解决,所以电路显得有些繁锁,前期选择AD转换器中,考虑到16路输入和0~5V的限制,我就选用了两片比较常用的ADC0809来实现模数转换。
在设计电路的过程中,发现很多地方繁琐。
这使我认识到科技在进步,如果使用单片机,我想我所设计的电路应该会比较简单,如果从应用的角度思考,使用单片机,电路的成本也会在很大程度上降低。
同时这次课程设计让我了解并掌握了protel99se的操作,在设计中遇到了很多问题,在学长和老师的指导下,迎刃而解。
在此,感谢老师和学长的细心指导和他同学的无私帮助!
八、主要参考书目
①童诗白.模拟电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2002
②张建华.数字电子技术.北京:
机械工业出版社,2004
③陈汝全.电子技术常用器件应用手册.北京:
机械工业出版社,2005
④毕满清.电子技术实验与课程设计.北京:
机械工业出版社,2005
⑤潘永雄.电子线路CAD实用教程.西安:
西安电子科技大学出版社,2002
⑥张亚华.电子电路计算机辅助分析和辅助设计.北京:
航空工业出版社,2004
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