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多路数据实时监控系统

多路数据实时监控系统常用于自动化工业生产或大型设备（如激光器）中，经常需要对生产过程或运行状态的各种工作参数（如压力、温度、流量、电压、电流等不）实时的巡回检测、监视并报警，以确保系统的稳定可靠性。

一、设计任务

设计一个多路数据实时监控、显示、报警系统。

各路模拟参数的控制要求如下：

1.正常工作温度：

测试正常工作温度，T=27℃±3℃，当T＞30℃时，报警（发光显示）；当T<24℃时，报警。

2.正常直流电压：

Vdc=（1.5~3.5）V，当Vdc<1.5V时，报警（可发光显示）。

3.交流正弦电压：

Vac=（1~2）V，f=1KHz，观测D/A转换后的电压波形。

二、调试步骤

1.根据设计任务设计并制作多路数据实时监控系统电路，并逐级调试。

如：

多路模拟开关、采样/保持、A/D转换等。

2.在T=20℃～30℃温度范围内测量AD590温度传感器的温度﹣电压变化曲线，确定T=27℃±3℃所对应的电压值。

3.根据步骤2所测电压值，设计并调试温度变量的转换和比较电路，并用发光二极管显示不正常温度。

4.设计并调试模拟信号为直流电压时的比较电路，当输入电压Vdc<1.5V时，发光二极管显示欠压状态。

三、设计原理

1.电路组成和框图

设计多路数据实时监控系统要求不间断地分别对温度、电压输入实时进行检测、监控并实现报警等功能，并对输入的温度、电压通过A/D转换显示。

框图如5-8-1图所示。

图中三路模拟信号分别为温度（T）、直流电压（Vdc）、交流电压（Vac）。

图5-8-1多路数据实时监控系统框图

电路分为温度测量和显示，温度传感比较报警，多路数据检测，A/D转换、译码显示等几部分组成。

2.原理分析和系统设计

（1）温度传感

传感器的种类很多，最常用的有光传感器、温度传感器和压力传感器等。

在此设计中用的是温度传感器AD590。

AD590是电流型（即产生一个和绝对温度成正比的电流输出）集成温度传感器的代表产品，它跟传统的热电阻、热电偶半导体PN结等温度传感器相比较，具有体积小、线性度好、稳定性好、输出信号大且规范化等优点。

AD590的主要电器参数为：

工作电压范围：

+4V~+30V

测温范围：

-50℃~+150℃

温度系数：

1µA/K

25℃时的电流输出：

298.2µA

输出阻抗：

＞10MΩ

由于AD590是个温控的恒流源器件，因而使用时往往需要将其输出电流信号转换为电压信号。

图5-2-7为AD590测温电路，是一个最简单的测温电路。

它仅对某一温度进行调整，至于这一点选至什么温度值，要看使用范围而定。

例如，若选在25℃，通过调节Rw，使（R+Rw）·I=298.2mA，则在此温度下的温度系数能满足1µA/K的精确度要求。

图5-8-7AD590测量电路

（2）电压比较

经过传感器转换后的电信号和某一给定值（基准电压Vr）比较时，将产生一个开关信号，此信号送到执行机构即可报警（或发光显示）。

基本的热—电、光—电转换电路为桥式电路，和比较器相连，可以构成热动（光动）开关，如图5-8-8所示。

比较器基准电压根据需要可以任意调节。

当输入信号大于V1或小于V2基准电压，发光二极管工作，表示电路工作在不正常状态。

这里将V1、V2设为基准电压。

比较器输出也可以接报警电路，当输入的信号超出规定的工作范围时，可直接驱动报警器工作。

比较器采用MOSFET运算放大器CA3140。

此设计中要求V1=3.03V，V2=2.97V，以满足测量温度T=27℃±3℃的要求。

图5-8-8转换和比较电路

（3）模拟开关

本电路中使用的CD4051，是较常用的八选一模拟开关，具有双向传输性能。

CD4051的逻辑和引脚、功能如图5-8-9所示。

图5-8-9CD4051模拟开关引脚图

CD4051是单8通道数字控制模拟开关，有三个二进制控制输入端A0、A1、A2和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5~20V数字信号可控制峰—峰值至20V的模拟信号。

当INH输入端为“1”时，所有的通道截止。

三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

引出端符号：

A0～A2地址端

I0/O0～I7/O7输入输出端

INH禁止端

O/I公共输出/输入端

Vdd正电源

Vee模拟信号地

Vss数字信号地

（4）采样/保持（S/H）电路

在A/D转换前需要将模拟信号变换成能直接满足A/D变换要求的信号电平及输入方式。

而为了见效动态数据的测量误差，对于快速变化的输入信号往往设置采样/保持电路以防止采样过程中的信号变化。

因此，多路开关，S/H电路是数据采集系统前向通道中的一个重要环节。

此外，转换电路中是否一定要使用取样保持器，这完全取决于输入信号的频率，对于快速变化的信号，必须在A/D前加S/H电路；

本课题设计采用LF398芯片.如图5-8-10所示，图（a）为LF398的内部原理图。

LF398由输入缓冲级、输出驱动级和控制电路三部分组成。

控制电路中A3主要起到比较器的作用，其中引脚7为参考电压，当输入控制逻辑电平高于参考电压时，输出一个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号经A1后跟随输出到A2，再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容充电；而当控制逻辑电平低于参考电压时，输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍保持原来输入的目的，因此，A1、A2是跟随器，器主要作用是对保持电容输入和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。

由图可知，当8端逻辑控制为高电平时，输出处于跟随状态，有UO=UI；当8端为低电平时，处于保持状态。

保持电容CH一般选用0.01——0.1μF的优质电容（如聚四氟乙烯电容）图（b）（c）分别为其封装图及管脚图。

（a）

（b）

（c）

图5-8-10取样/保持电路

（5）A/D转换电路

A/D转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统和数字系统或计算机之间的接口。

A/D转换的实现方法有多种，在该电路中使用的是3½位双积分式A/D转换器MC14433。

MC14433采用双积分原理完成AD转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路技术设计，具有低功耗、精度高、功能完整、使用简单及和微机和其它数字电路兼容等特点。

特性

转换精度：

读数的±0.05%±1字

电压量程：

1.999V和199.9mV两档。

量程的扩展通过外加控制电路实现。

转换速率：

4~10Hz,相应时钟频率变化范围为50~150kHz。

输入阻抗：

大于100MΩ。

工作电压范围：

±4.5~±8V或9~16V.

典型功耗：

当电压为±5V时，功耗为8mW.

外型封装：

24引脚双列直插式。

片内具有自动极性转换和自动调零功能。

有过量程和欠量程标志信号输出，配上控制电路可以完成自动量程切换。

片内提供时钟脉冲发生电路，使用时只需外接一电阻，也可以使用外部输入时钟。

时钟频率范围为50~150kHz。

外接单一正电压基准，基准电压值和量程有关。

当量称为1.999V时，基准电压为2V;当量程为199.9mV时，基准电压为200mV。

转换结果输出形式为经过多路条值得BCD码，并有多路调制选通脉冲输出，通过外接译码电路可实现LED动态扫描显示或LCD显示。

电路结构和引脚功能

MC14433组成中的模拟部分电路结构如图5-8-2所示。

图5-8-2MC14433组成中的模拟部分

在时序逻辑电路控制下，10余个开关协调工作，构成了6个轮流工作阶段。

这6个阶段的作用分别对应图5-8-3中的6种波形：

图5-8-3逻辑波形

1——模拟校零；2——数字晓玲（检测和存储比较器失调电压对应的数字）；3——模拟校零；4——对输入信号采样积分；5——数字校零（补偿比较器失调电压）；6——对参考电压回积。

图5-8-4为MC14433的整个电路结构框图，图5-8-5是其引脚图。

由图可知，使用时只要外接两个合适的电阻和两个合适的电容就能进行3-1/2位的A/D转换。

为了适合电池供电，MC14433的二十进制转换码采用数据轮流扫描输出的方式，因而只需一块7段译码期限是3-1/2位十进制数，大大节省了外部电路的数量和显示电路功耗，这对LED显示的数字表特别有利。

这里要注意的是，MC14433的输出数据线和位扫线无三态特性，因此和微机接口时不能直接连接到数据总线上去，而要通过I/C芯片接口。

图5-8-4MC14433电路结构框图

图5-8-5MC14433引脚

MC14433的引脚功能为：

1端：

VAG，模拟地，为高阻抗输入端，作为输入被测电压Vx和基准电压VR的地。

2端：

VR，基准电压，为外接基准电压输入端，若此端加一个大于5个时钟周期的负脉冲（VEE电平）；则系统复位到转换周期的起点。

3端：

Vx，输入被测电压，为被测电压输入端。

4端：

R1，外接积分电阻端。

5端：

R1/C1,外接积分元件端。

6端：

C1，外接积分元件端，积分波形输出端。

7端：

C01，外接失调补偿电容端。

8端：

C02，外接失调补偿电容端。

9端：

DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期

（即阶段5）开始前DU端输入一正脉冲，则该转换周期所得到的转换结果将被送入输出锁存器经多路开关输出，否则输出端就继续输出锁存器原来的转换结果。

在使用中，若该端和14端（EOC）输出连接，则每一转换周期的结果都将被输出。

10、11端：

CLKI、CLKO，时钟信号输入、输出端。

12端：

VEE，负电源端。

VEE是整个电路的电源负端，主要作为内部模拟部分的电源，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向VSS端。

13端：

VSS，数字地。

14端：

EOC，转换周期结束标志输出。

每个A/D转换周期结束时，EOC端输出一正脉冲，宽度为时钟信号周期的1/2。

15端：

OR,溢出标志输出。

当|Vx|>VR时，OR时输出低电平，平时OR位高电平。

16、17、18、19端：

DS4、DS3、DS2、DS1，多路调制选通脉冲信号输出的个位、十位、百位、千位。

20、21、22、23端：

Q0、Q1、Q2、Q3，A/D转换结果输出信号（BCD码），Q0为MSB位。

24端：

VDD,正电源端。

主要参数选择

（1）参考电压VR：

应根据输入电压范围来选择，可用下式计算；

式中，N2为BCD输出数据。

（2）时钟频率fCK和振荡器定时电阻RCK：

fCK应该按下式得出：

fCK=200/m（kHz）

式中，m位整数，m=1,2,3……。

通常在选择时钟频率时，还要考虑到数据刷新速率的要求。

数据刷新速率DUR由下式决定：

DUR=16400/fCK（次/s）

在选定fCK后，一般可先用查表方法粗选，再用实测方法来确定RCK，查表法粗选RCK的图表如图5-8-6所示

图5-8-6表格

积分电容C1和积分电阻R1：

积分电容C1通常可选用0.1μF。

如果采样阶段时间超过100ms，可适当增加C1容量，如取0.22μF。

在选定C1之后，R1应以积分放大器在最大输入电压下，采样阶段末不发生饱和位原则来选定，具体公式如下：

式中，T1是采样阶段时间；ΔV是为了保证线性工作取得安全条件。

若C1=0.1μF，VDD=5.0V,fCK=66kHz,则当Vxmax=2.0V时，R1=480kΩ;当Vxmax=200mV时，R1=28kΩ。

MC14433转换的结果采用BCD码动态扫描输出，它的千位、百位、十位、个位4个数位分别和DS4、DS3、DS2、DS1输出高电平是相对应。

输出数据除了在选通信号DS4、DS3、DS2对应位上，Q0、Q1、Q2、Q3输出BCD码之外，还在选通信号DS1对应位上输出了“千”位数和别的信号（欠，过量程标志，正，负极性标志等）。

例如：

DS1为“1”时，Q0、Q1、Q2、Q3各位代码的作用真值表。

表中Q3表示1/2位，输出低电平对应“1”，输出高电平对应“0”；Q2表示极性，输出“1表示正极性，输出“0”表示负极性；Q0指示量程是否合适，若输出为“0”，表示量程合适，若输出为“1”，说明VX超出量程范围，当和Q3一起使用时，就可以指示出过量程或欠量程。

过量程时Q3为“0”，Q0为“1”；欠量程时Q3和Q0均为“1”。

（6）报警电路

当电路检测到温度或电压超过规定温度、电压时，将产生一个信号给报警电路。

使报警电路工作，从而提示工作人员检查电路，排除故障。

有很多种方法来制作报警电路，在这里采用的是SGZ07多用报警电路。

图5-8-11SGZ07内部原理图

SGZ07多用报警电路包括控制输入、调制振荡、扬声输出、闪光输出、电源稳压等七部分。

它可以用作温度报警器、压力报警器、防盗报警器、失控报警器、险情报警器等，图5-8-11为该器件的内部原理图，图5-8-12为该器件用于报警电路的典型使用。

，在SGZ07的①脚或②脚接上不同的传感器或控制信号，同时适当调试一下R1或R2，便可做不同的报警器。

①脚、②脚是两个相位相反的控制端。

图5-8-12报警电路

四、主要元器件

CA3104（或LM741、324）1片

LF3981片

CC4051（或CC4052）1片

AD5901片

MC144331片

MC14131片

MC14031片

74LS1381片

74LS741片

ICL71361片

电阻、电容、发光二极管若干

调试仪器自选。

吴晓涛

电科081

030831132