数据采集的实现与存储.docx
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数据采集的实现与存储
科学技术学院
SCIENCE&TECHNOLOGYCOLLEGEOF
NANCHANGUNIVERSITY
《工程训练》报告
REPORTONENGINEERINGTRAINING
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：
电子信息工程121
学号：
7020912011
学生姓名：
指导教师：
起讫日期：
2015.01.02—2015.01.11
目录
第一章数据采集的实现与储存的概述3
1.1简介3
1.2基本原理及结构3
第二章设计方案的选择和确定4
2.1电路设计要求和指标4
2.2电路设计方案的确定4
第三章电路图的设计5
3.1各部分电路的设计5
3.1.1震荡电路5
3.1.20809主电路5
3.1.3DAC0832数模转换电路7
3.1.4八分频电路8
3.1.5LM358放大电路9
3.1.6译码电路10
3.1.7电源·指示灯·模拟电压·总开关电路11
3.2总电路原理图12
3.3PCB图及实物焊接图12
第四章性能测试与分析和实验总结13
4.1性能测试与分析13
4.1.1整体测试13
4.1.3误差分析14
4.2实验总结14
参考文献（References）15
第一章数据采集的实现与储存的概述
1.1简介
此电路的作用是采集外接模拟信号，把之转换为数字信号，又可将数字信号转换为模拟信号。
其利用ADC0809和DAC0832为本电路的核心元件，分别实现模数转换和数模转换。
用石英多谐晶体振荡器（经过分频）作为时钟脉冲以驱动ADC0809，还外接
脉冲以启动ADC0809，最终用示波器观测输出的信号并与原外接模拟信号相对比，以此两信号比较为相同波形和频率为测试成功标志。
1.2基本原理及结构
模拟信号经采样、保持、量化和编码，转化为数字信号，由此实现了模数转换部分；数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权。
为了将数字量转换成模拟量，必须将每1位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数模转换。
本实验电路的结构框图如下：
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cndm0832________________________________________________________________________________________________________________________）。
2、在模数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。
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。
6、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，故译码电路也是其中的一部分。
然而，也要恢复出模拟信号。
第三章电路图的设计
3.1各部分电路的设计
3.1.1震荡电路
震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。
右图所示的电路是对称式多谐振荡器的典型电路，
芯片用得是74ls00的四组TTL与非门中的两组组成两个非门对于74系列的门电路而言，R的阻值应取在0.5～1.9K
之间。
上面电路的优点是结构简单，调节频率方便，但频率稳定度不高。
为了提高振荡器的频率稳定度，往往使用石英晶体多谐振荡器。
石英晶体的固有谐振频率十分稳定，当频率为谐振频率f0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f0，而与电路中的R、C数值无关。
3.1.20809主电路
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接相接。
8路模拟量开关、8路A/D转换器、三态输出锁存器、地址锁存与译码器。
ADC0809芯片有28条引脚，如右图所示。
ADC0809芯片采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能。
IN0～IN7：
8路模拟量输入端。
D0～D7：
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IN0－IN7上的一路模拟量输入。
ALE：
地址锁存允许信号，高电平有效。
当ALE＝１时，锁存通道的地址选择信号才能选通相应的模拟通道。
START：
启动信号端。
当其上升沿来到时，使所有内部寄存器清零，下隆沿到来时ADC开始转换。
在START端给出的正脉冲信号至少需要有100ns宽度。
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），以通知其它设备（如微机）来取结果。
OE：
数据输出允许信号，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。
因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。
REF（+）、REF（-）：
基准电压的正负电源端，其范围为0～±
。
Vcc：
电源，单一＋5V。
GND：
地。
原理图工作介绍：
通过拨码开关控制选择哪个通道，一空有八个，其中一通道为同向放大十倍，二通道为反向放大九倍。
再外接电压输入通过D0~D7输出数字信号，其中ALE为转换结束的测试端口,clk4为500KHz脉冲输入端口，bigkey为第一次转换时给一个高电平进行转换时用。
3.1.3DAC0832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为模拟信号，它是一种将二进制数字量形式的离散信号转换成以标准量（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，数模转换器电路还用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几部分组成。
数字量以串行或并行方式输入、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。
DAC0832内部结构资料:
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（如要求多路D/A异步输入、同步转换等）。
D/A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供功能。
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：
DI0~DI7：
数据输入线，TLL电平。
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。
CS：
片选信号输入线，低电平有效。
WR1：
为输入寄存器的写选通信号。
XFER：
数据传送控制信号输入线，低电平有效。
WR2：
为DAC寄存器写选通输入线。
Iout1:
电流输出线。
当输入全为1时Iout1最大。
Iout2:
电流输出线。
其值与Iout1之和为一常数。
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.
原理图工作介绍：
P6接口连接上面的模数转换后的数据接口P7（注意通道的对接，解决办法是用带锁插槽）P11的作用是当有数据输出时，P11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，P3为模拟输出的电压，其中LM358的作用是将模拟输出的电流转换为电压输出。
3.1.4八分频电路
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。
本电路是利用74163（4位二进制同步计数器）实现8分频，时序波形如下图
简单介绍74163芯片的结构和功能表，
原理图工作介绍：
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。
3.1.5LM358放大电路
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。
它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。
LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性（Features）:
·内部频率补偿
·直流电压增益高（约100dB）
·单位增益频带宽（约1MHz）
·电源电压范围宽：
单电源（3—30V）；
双电源（±1.5一±15V）
·低功耗电流，适合于电池供电
·低输入偏流
·低输入失调电压和失调电流
·共模输入电压范围宽，包括接地
·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围
·输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）
原理图工作介绍：
反向放大：
IN0B=-R6/R4*IN0A;结果为INB=-9IN0A.
同向放大：
IN1B=（R7+R5）/R5*IN1A;结果为IN1B=10IN1A.
3.1.6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74247译码芯片来驱动此数码管。
其结构和一般使用电路如下：
4线——七段译码器/驱动器（BCD输入，OC,15V）
简要说明：
247为集电极开路输出的BCD——七段译码器/驱动器，输出端（a~g）为低电平有效，可直接驱动指示灯或共阳极LED。
当要求输入0～15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。
当BI为低电电平，不管其它输入端状态如何，a～g均为截止态。
当/RBI和地址端（A~D）均为低电平，并且灯测试（/LT）为高电平时，a~g均为截止
态，脉冲消隐输出（/RBO）为低电平。
当BI为高电平开路时，/LT的低电平可使a～g为低电平。
引出段符号：
A,B,C,D译码地址输入端
/BI，/RBO消隐输入（低电平有效）
脉冲消隐输出（低电平有效）
/LT灯测试输入端（低电平有效）
/RBI脉冲消隐输入端（低电平有效）
a~g段输出（低电平有效）
原理图工作介绍：
D0~D7对应ADC0809的数字输出，用的是共阳数码管
3.1.7电源·指示灯·模拟电压·总开关电路
A:
电源接口为外部对板上供电,这里需要三种
电压，分别为+5V，+9V，-9V,其中P2多
引出地是为了方便以后测试用
B:
指示灯LED5V为红色，-9V为
黄色，+9V为绿色。
这里用到的是10k电位器，主要作用是为了输出0~5V
变化的电压值，为后面的提供不同的电压输入值
主要是控制5V电压的输入，这里要特别注意带锁
按键和封装的对应，最好是先用万用表测
试下，再自己画封装。
3.2总电路原理图
总上述的各个部分电路，可以绘制完整的数据采集的实现与存储的总电路图
3.3PCB图及实物焊接图
利用Protel软件将原理图导入PCBDocument中，按要求进行排线，绘制成PCB图。
PCB图
实物图
第四章性能测试与分析和实验总结
4.1性能测试与分析
4.1.1整体测试
通电后三个灯都亮，且没有芯片发热，烧焦，爆炸等现象，还有数码管显示00，说明电路整体无太大的错误.
4.1.2各部分电路测试
（1）多谐振荡器的测试端口有示波器测得频率为3.9996MHz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4.9995KHZ的类似方波信号；
（3）由IN0A口输入小的模拟信号，经过LM358芯片后幅度放大10倍左右；
（4）由IN1A口输入小的模拟信号，经过LM358芯片后幅度放大9倍左右；
（5）输入模拟信号后，数码管显示数字，并随模拟信号的波形和幅度变化而变化；
（6）DAC芯片输出端输出与ADC芯片输入端输入的模拟信号基本一致。
4.1.3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，所以经过模数转换和数模转换后，信号都能很好的输出，即最终恢复了模拟信号。
然而，有些误差还是存在的，如电阻器的阻值色环读数与其实际阻值间的误差，时钟脉冲不是很完好的方波脉冲。
这些误差是不可避免的，但是瑕不掩玉，只要在实验的过程保持严谨、认真的态度，都能圆满的完成这次工程训练的任务。
下面对几点重要部分进行分析：
一：
数码管显示误差分析：
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。
公式和对应的数字代号如下：
电压值=（十位*16+个位）*19.6mv
数码管显示
对应的16进制
数码管显示
对应的16进制
0
0
8
8
1
1
9
9
2
2
10
3
3
11
4
4
12
5
5
少右下角一笔
13
6
6
倒F
14
7
7
不显
15
二：
数模，模数转换后的误差分析如下表：
输入电压值（V）
模数转换后电压值（V）
数模转换后电压值（V）
0
0
0
1
0.9996
0.96
2
1.9600
1.98
3
3.075
2.92
4
4.017
3.95
5
5.0166
4.80
误差：
4.2实验总结
工程实训至大一到大三以来，每次两个星期的工程训练的学习让我受益匪浅。
下面对这两个星期的学习进行总结下，总结这两个星期的收获与不足。
取之长、补之短，在今后的学习和工作中有所受用。
一、在实训的过程中，让我更加明白动手的重要性，实验就是为了让你动手做，去探索一些你未知的或是你尚不是深刻理解的东西。
二、自我动手能力，以前都是老师叫你干嘛就干嘛，跟着老师走，这次工程训练给了我们很大的发挥空间，可以自己设计电路，自己做板子，自己测试，发现以后做东西不能老靠别人，要能够自己解决的就自己解决，这样提高自学能力很有必要。
三、知识巩固及拓展，之前总以为学这个没有用，那个没有用，现在做实验就发现其实我们所上的课程几乎都用的上，做实验需要建立在理论知识的基础上，这样才不会脱离实际，也更加的有目的，以后上课要认真听讲。
在工程训练的过程中，会出现好多问题。
特别是在热转印及腐蚀的过程中，必须格外小心，稍有不慎就会出现差错。
其次是在焊接的时候要注意焊接的质量，不然在实物做出来之后会出现很多细节问题。
还有就是在测试的时候一定要耐心，很可能就是一步之差，或者一个小问题造成整个作品的成败关键。
附录:
元件清单
名称
数量
名称
数量
单排针
40
LM358（底座）
2
带锁底座
2
74LS00（底座）
1
16x16cm按键
1
ADC0809（底座）
1
8线数据线带插头
2
DAC0832（底座）
1
石英晶振4MHz
1
74LS247（底座）
2
电容103
2
共阳极数码管
2
1K电阻
5
10K电阻
5
电阻
2
电阻
2
带锁按键
1
三位拨码开关
1
74LS163（底座）
1
Led
红黄绿各一个
外接设备仪器
电源：
+5V，+9V，－9V，地线。
双踪示波器。
参考文献（References）
[1]阊石．数字电子技术基础．高等教育出版社．2006.5
[2]王港元．电工电子实践指导．江西科学技术出版社．2006.2
[3]周选昌．高频电子线路．浙江大学出版社．2006．7
[4]王连英．基于Ｍultisim10的电子仿真实验与设计．2009.8
工程训练成绩评定表
专业：
电子信息工程班级：
学号：
姓名：
项目名称
数据采集的实现与存储
设计任务与要求
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cndm0832________________________________________________________________________________________________________________________）。
2：
在模数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。
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。
6：
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：
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