实验一：《过程接口板设计》上机报告
一、设计内容
设计一个32路的数据采集系统
二、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 软件画出该数据采集板的原理线路图。
三、设计过程
1、设计原理
系统总框图如图所示：
系统原理框图 根据系统原理框图得到设计的主要组成如下： （1）多路数据输入单元。
（2）采样保持电路的A/D 转换单元。
（3）硬件和单片机的连接电路。
（4）单片机输出的数据锁存和D/A 转换单元。
其中设计包括： ① 模拟多路开关电路 ② 运算放大电路 ③ 采样保持电路 ④ 模数转换电路
⑤ 硬件和单片机的连接电路 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：分为多路数据输入部分、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）多路开关的选择
多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作，即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路中。
切换过程可在CPU 或数字电路的控制下完成。
常用的模拟开关大都采用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。
本实验要实现32路数据采集，则选择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 模拟开关电路三部分组成。
开关部分的供电电压为V EE （低端）和V DD （高端），因此需要的控制电压为 V EE ～V DD ，电平转换电路
将输入的逻辑控制电压（A、B、C、INH端）从V
SS ～V
DD
转换到V
EE
～V
DD
以满足开关控制的
需要。
2）前置放大电路
传感器检测出的信号一般是微弱的，不能直接用于显示、记录、控制或进行A/D转换。
因此，在进行非电量到电量转换之后，需要将信号放大。
由于前置放大器要求输入阻抗高，漂移低、共模抑制比大，所以选用高阻抗、低漂移的运算放大器AD521作为前置放大器。
AD521的外部接线图
3）采样/保持电路
当输入信号为缓慢变化的信号时，在A/D转换期间的变化量小于A/D转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样/保持电路。
当控制信号U
C
为采样电平时，开
关S 导通，模拟信号通过开关S向保持电容C
H 充电，这时输出电压U
o
跟踪输入电压U
I
的变化。
当控制信号U
C 为保持电平时，开关S断开，此时输出电压U
o
保持模拟开关S断开时
的瞬时值。
为使保持阶段C
H 上的电荷不被负载放掉，在保持电容C
H
与负载之间需加一个
高输入阻抗缓冲放大器A。
采样/保持器原理图
采样/保持器的选择，是以速度和精度作为最主要的因素。
因为影响采样/保持器的
误差源比较多，所以关键在于误差的分析。
AD582它由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成。
它采用14脚双列直插式封装，其管脚及结构示意图所示，其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容C
H
在脚6和脚8之间，脚10和脚5是正负电源；脚11和脚12是逻辑控制端；脚3和脚4接
直流调零电位器；脚2，7，13，14为空脚(N
C
)。
AD582管脚图
由于AD582的以上特征，所以选择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转换器时，要根据系统采集对象的
性质来选择其类型。
多通道共享采样/保持器与A/D转换器图
A/D转换器的选择
模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。
模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。
地址译码器由一片74LS138（3-8 译码器）以及门电路组成。
AD574的工作方式
双极性模拟输入有两种量程：-5V～+5V量程从13引脚输入；-10V～+10V量程从引脚14输入。
此实验中的AD574采用双极性工作方式，连接方法如图所示。
双极性偏移调节端BPLRof通过电位器W
2
接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压，参考电压输
入端REF IN通过电位器W
1接至参考电压输出端REF OUT。
W
1
和W
2
均为100欧姆电位器，
用来调整零位和满量程。
5）AD574与单片机的接口电路
AD574的内部具有三态输出缓冲器，因此可以与单片机直接接口。
AD574与单片机的接口电路如图所示。
AD574与单片机的接口
该电路采用双极性输入方式，可对-5V～+5v或-10V～+10V模拟信号进行转换。
双极性偏移调节端BIP OFF接至参考电压输出端REF OUT以取得10V的偏移电压。
均为100欧姆电位器，用来调整零位和满量程。
AD574的状态信号STS与AT89S51的P
1.0
端相连，采用查询判断A/D转换是否结束。
AT89S51的控制线RD和WR通过与非门接AD574的CE端。
AT89S51的P
0.0
通过锁存器
74LS373和非门接AD574的A
0。
AT89S51的P
0.1
通过锁存器74LS373接AD574的R/C端来
控制AD574的转换状态和读取转换结果。
AD574片选端CS端由译码器74LS138的译码信号来控制。
AD574的12/8接数字地。
设A/D全12位转换，要求启动转换时，A
0=0，即P
0.0
=0；R/C=0，即P
0.1
=0。
故可确定
启动转换时的端口地址为0F9H 。
因为12/8接地，所以A/D 转换结果分两次读出，高8位从D 11～D 4读出，低4位从D 3～D 0读出。
读高8位结果时，要求A 0=0，R/C=1；读低4位结果时，要求A 0=1，R/C=1。
两次读出结果的端口地址分别为0FBH 和0FAH 。
6）、D/A 转换器接口电路设计
若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，由写信号控制数据的锁存，1WR 和2WR 相连，接单片机的WR ，数据同时写入两个寄存器。
传送允许信号XFER 与CS 片选相连，选中DAC0832后，写入数据立即启动转换。
四、设计结果
单片机有4个并行I/O 口。
本设计采用P0口作为AD574和DAC0832的数据输入口。
P1.0接AD574的STS 用来指示AD574是否转换完成，89S51的RD 和WR 通过与非门接AD574的CE 端，用来使能AD574的数据输出。
74LS138的Y5端接两片DAC0832的XFER 作为传送控制信号，89S51的WR 接两块DAC0832的WE1，WE2。
74LS138的片选接74LS373的LE ，AD574的片选，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。