测控专业综合课程设计(精密测试系统,人机交互,精密丝杆加工).doc

第一部分 精密测试数据采集系统第一章 绪论1.1数据采集系统简介 数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。数据采集系统是结合基于计算机（或微处理器）的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。本次设计的精密测试数据采集系统，是用于将模拟信号转换成计算机可以识别的数字信号，将传感器测得的微弱电信号经过放大、滤波，以8051单片机为核心，配以adc0809模数转换器件，并且通过rs232协议将信息送到pc上位机中进行显示。1.2应用背景及意义在计算机广泛应用的今天，数据采集在多个领域有着十分重要的应用。它是计算机与外部物理世界连接的桥梁。利用串行或红外通信方式，实现对移动数据采集器的应用软件升级，通过制订上位机(pc)与移动数据采集器的通信协议,实现两者之间阻塞式通信交互过程。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如：在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用pc或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等；卫星数据采集系统是利用航天遥测、遥控、遥监等技术，对航天器远地点进行各种监测，并根据需求进行自动采集，经过卫星传输到数据中心处理后，送给用户使用的应用系统。随着时代的发展，数据采集系统在各领域的应用将越来重要，发挥举足轻重的作用。第二章 设计安排2.1设计目标针对国际电工电压标准（+、-）5v的规定。要求能根据信号源电压的范围进行调理和计算，并能根据采样定理设计满足要求的滤波器，然后针对处理后的电压值进行a/d转换、数据标定以及数码显示。2.2设计内容1利用运算电路把不同电压范围的信号处理到0至5v之间。2根据采样定理，利用有源滤波器对信号进行抗混滤波。3利用adc0809等器件对数据进行a/d转换，采用c语言编写a/d转换过程。4编写c语言上位机通讯程序（采用rs232协议）实现对底层数据的采集与处理。5已知数据 信号电压范围：-0.5v2.5v；频率成分：信号频率50100hz，干扰频率650750hz；滤波器类型:巴特沃思有源滤波器，通带增益kp=1。2.3设计分析数据采集（data acquisition）就是将要获取的信息通过传感器转换为信号，并经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，最后送到计算机系统中进行处理、分析、存储和显示。相应的系统称为数据采集系统。一个数据采集系统通常是由传感器（sensor）、信号调理电路（signal conditioning circuit）、a/d转换器（analog-digital converter，adc）及微型计算机等4个主要部分组成。信号调理电路包括信号放大、隔离、模拟滤波、多路转换等。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。同时，将计算机得到的数据进行显示或打印，以便实现对某些物理量的见识，其中一部分数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。数据采集系统性能的好坏，主要取决于它的精度和速度。在保证精度的条件下，应有尽可能高的采样速度，以满足实时采集、实时处理和实时控制对速度的要求。2.4设计结构数据采集系统主要有硬件和软件两部分组成，其中硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。计算机数据采集系统的硬件基本组成如下图2-1所示。图2-1 计算机数据采集系统的硬件基本组成 从图1可以看出，计算机数据采集系统一般有传感器、前置放大器、滤波器、多路模拟开关、采样/保持（/）器、模数（/）转换器和计算机系统组成。以下介绍各个组成部分的功能。2.4.1传感器传感器的作用是把非电的物理量（如速度、温度、压力等）转变成模拟电量（如电压、电流、电阻或频率）。2.4.2前置放大器前置放大器用来放大和缓冲输入信号。由于传感器输出的信号较小（如：常用热电偶的输出变化往往在几毫伏到几十毫伏之间，电阻应变片输出电压的变化只有几个毫伏），因此需要加以放大以满足大多数/转换器的慢量程输入的要求。此外，某些传感器内阻比较大，输出功率较小，这样放大器还起到阻抗变换器的作用来缓冲输入信号。由于各类传感器输出信号的情况各不相同，因此放大器的种类也较多。例如，为了减少输入信号的共模分量，就产生了各种差分放大器、仪用放大器和隔离放大器；为了减少放大器输出的漂移，就产生了斩波稳零和激光修正的精密放大器。2.4.3滤波器传感器以及后续处理电路中的器件常会产生噪声，人为的发射源也可以通过各种耦合渠道使信号通道感染上噪声。例如，工频信号可以成为一种人为的干扰源。为了提高模拟输入信号的信噪比，常常需要使用滤波器对噪声信号进行一定的衰减。2.4.4多路模拟开关在数据采集系统中，往往要对多个物理量进行采集，即所谓多路巡回检测，这可以通过多路模拟开关来实现，这样可以简化设计，降低成本。多路模拟开关可以分时选通来自多个输入通道中的某一路通道。因此，在多路模拟开关后的单元电路，如采样/保持电路、模/数转换电路以及处理器电路等，只需要一套即可，这样可以节省成本和体积，但这仅适用于物理量变化比较缓慢、变化周期在数十至数百毫秒之间的情况下。因为这时可以使用普通的微秒级/转换器从容地分时处理这些信号。但当分时通道较多时，必须注意泄露及逻辑安排等问题，当信号频率较高时，使用多路分路开关后，对a/d的转换速率要求也随之上升。在数据通过虑超过4050khz时，一般不宜使用分时的多路开关技术。模拟多路开关有时也可以安排在放大器之前，但当输入的信号电平较低时，需注意选择多路模拟开关的类型；若选用集成电路的模拟多路开关，由于它比干簧或继电器组成的多路模拟开关导通电阻大、泄露电流大，因而有较大的误差产生。所以要根据具体情况来选择多路模拟开关。一般模拟多路开关有个模拟输入端，n个通道选择器，由n个选通信号控制选择其中一个开关闭合，使对应的模拟输入端与多路开关的输出端接通，让该路模拟信号通过。有规律地周期性改变n个选通信号，可以按固定的序列周期性闭合各个开关，构成一个周期性分组的分时复用输出信号，由后面的a/d转换器分时复用对个通道模拟信号进行周期性转换。2.4.5采样/保持器多路模拟开关之后是模拟通道的转换部分，它包括采样/保持电路和a/d转换电路。采样/保持电路的作用是快速拾取多路模拟开关输出的子样脉冲，并保持幅值恒定，以提高a/d转换器的转换精度，如果把采样/保持电路放在模拟多路开关之前（毎道一个），还可实现对瞬时信号同时进行采样。a/d转换器完成一次转换需要一定的时间，在这段时间内希望a/d转换器输入端的模拟信号电压保持不变，以保证有较高的转换精度。这可以利用采样/保持器来实现，采样/保持器的加入，大大提高了数据采集系统的采样频率。2.4.6模/数转换器采样/保持电路输出的信号送至a/d转换器，a/d转换器是模拟输入通道的关键电路。由于输入信号变化的速度不同，系统对分辨率、精度、转换速率及成本的要求也不同，因此/转换器的种类也较多。目前，采样/保持电路和/转换电路普遍采用单片集成电路，有的单片a/d转换器内部还包含有采样/保持电路、基准电源和接口电路。a/d转换器的结果输出给计算机，有的采用并行输出，有的则采用串行输出。使用串行输出结果的方式对长距离传输和需要光电隔离的场合较为有利。2.4.7计算机系统计算机系统是整个计算机数据采集系统的核心。计算机控制整个计算机数据采集系统的正常工作，并且把a/d转换器输出的结果读入到内存，进行必要的数据分析和数据处理。计算机系统包括计算机硬件和计算机软件，其中计算机硬件是计算机系统的基础，而计算机软件是计算机系统的灵魂。2.4.8定时与逻辑控制电路定时电路就是按照各个器件的工作次序产生各种时钟信号，而逻辑控制电路是依据时序信号产生各种逻辑控制信号。数据采集系统个器件的定时关系是比较严格的，如果定时不合适就会严重影响系统的精度。微型计算机数据采集系统的特点是：（1）系统结构简单，技术上容易实现，能够满足中、小规模数据采集的要求。（2）微型计算机对环境的要求不是很高，能够在比较恶劣的环境下工作。（3）微型计算机的价格低廉，降低了数据采集的成本。（4）微型计算机数据采集系统可作为集散型数据采集系统的一个基本组成部分。（5）微型计算机的各种i/o模板及软件比较齐全，很容易构成系统，便于使用和维护第三章 信号调理电路的设计3.1测量放大器的介绍和选用在数据采集系统中，被检测的物理量经过传感器变换成模拟电信号，往往是很微弱的毫伏级信号，需要用放大器加以放大。而通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压和毎度数的温漂，因此通用运算放大器不能直接用于发达微弱信号，而测量放大器则能较好地实现此功能。测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，由于它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。测量放大器的电路原理如下图3-1 所示。由图可见，测量放大器由三个运放构成，并分为二级：第一级是两个同相放大器、，因此输入阻抗高；第二级是普通的差动放大器，把双端输入变成对地的单端输出。图3-1测量放大器电路原理图在此次课程设计中，选用了美国analog devices公司提供的ad522型放大器。该放大器就是按照上述原理设计的单片集成测量放大器。ad522集成数据采集放大器可以在环境恶劣的工作条件下进行高精度的数据采集。它线性好，并具有高共模抑制比、低电压漂移和低噪声的优点，适用于大多数12位数据采集系统。ad522通常用于电阻传感器（电热调节器、应变仪等）构成的桥式传感器放大器以及过程控制、仪器仪表、信息处理和医疗仪器等方面。ad522是集成精密测量放大器，它的非线性度为0.005%（g=100时），在0.1hz100hz频带内噪声的峰-峰值为1.5mv，共模抑制比mrr100db(g=100)。ad522采用14脚双列直插式封装，它的引脚功能如下图及表1所示：图3-2 ad522引脚表1 引脚功能说明引 脚名 称功 能1+input正输入端2r gain增益被偿端3-input输入端4null空端5v-负电源端6null空端7output输出端8v+正电源端9gnd地参考端10nc不接11ref参考端12sense补偿端13data guard数据保护端14r gain增益补偿端引脚offset（4，6）用于调整放大器零点，调整线路是芯片4、6端接到10电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源（脚5），ad522的基本连接如下图所示。图3-3 ad522的基本连接引脚2和14连接调整放大倍数的电阻。引脚13用于连接信号传输导线的屏蔽网，以减少外电场对输入信号的干扰。ad522具有如下特性：低漂移：2.0v/(ad522b)；非线性低：0.005%（g=100）；高共模抑制比：110db(g=1000)；低噪声：1.5vp-p(0.1100hz)；单电阻可编程增益：1g1000；具有输出参考端及远程补偿端；可进行内部补偿；除增益电阻外，不需其它外围器件；可调整偏移、增益和共模抑制比。ad522的器件特性ad522可以提供高精度的信号调理，它的输出失调电压漂移小于1v/，输入失调电压漂移低于2.0v/,共模抑制比高于80db(在g=1000时为110db)，g=1时的最大非线性增益为0.001%，典型输入阻抗为10 9。ad522使用了自动激光调整的薄膜电阻，因而公差小、损耗低、体积小、性能可靠。同时，ad522还具有单片电路和标准组件放大器的最好特性，是一种高性价比的放大器。为适应不同的精确度要求和工作温度范围，ad522提供有三种级别。其中“a”和“b”为工业级，可用于-25+85。“s”为军事级，用于-55+125。ad522可以提供四种漂移选择。输出失调电压的最大漂移随着增益的增加而增加。失调电流漂移所引起的电压误差等于失调电流漂移和不对称源电阻的乘积。另外，ad522的非线性增益将随关闭环增益的降低而增加。ad522放大器的共模抑制比的测量环境条件为10v,使用阻值为1k的不对称电阻。在低增益情况下，共模抑制比主要取决于薄膜电阻的稳定性，但由于增益带宽的影响，ad522在60hz以下频率时相对比较恒定。但在有限的带宽中，ad522的相移将随着直流共模抑制比的升高而增加。在动态性能方面，ad522的稳定时间、单位增益带宽和增益成正比。第四章 信号的滤波4.频率混叠和采样定理模拟信号经过 a/d 变换转换为数字信号的过程称之为采样，信号采样后其频谱产生了周期延拓，每隔一个采样频率s，重复出现一次。1. 频混现象频混现象又称为频谱混叠效应，它是由于采样信号频谱发生变化，而出现高、低频成分发生混淆的一种现象，如图1所示。信号x(t)的傅里叶变换为x()，其频带范围为-m+m；采样信号x(t)的傅里叶变换是一个周期谱图，其周期为s，并且：s=2tsts为时域采样周期当采样周期ts较小时，s2m，周期谱图相互分离如图1-5中（b）所示；当ts较大时，s2m，周期谱图相互重叠，即谱图之间高频与低频部分发生重叠，如图1-6中(c)所示，此即为频混现象，这将使信号复原时丢失原始信号中的高频信息。图4-1 采样信号的频混现象下面从时域信号波形来看这种情况。图1-6(a)是频率正确的情况，以及其复原信号；(b)是采样频率过低的情况，复原的是一个虚假的低频信号。图4-2 发生频混现象的时域信号波形当采样信号的频率低于被采样信号的最高频率时，采样所得的信号中混入了虚假的低频分量，这种现象叫做频率混叠。2. 采样定理上述情况表明，如果s2m，就不发生频混现象，因此对采样脉冲序列的间隔ts须加以限制，即采样频率s（2ts）或 fs(1ts)必须大于或等于信号x(t)中的最高频率m的两倍，即：s2m，或 fs2fm。为了保证采样后的信号能真实地保留原始模拟信号的信息，采样信号的频率必须至少为原信号中最高频率成分的2倍。这是采样的基本法则，称为采样定理。需要注意的是，在对信号进行采样时，满足了采样定理，只能保证不发生频率混叠，对信号的频谱作逆傅立叶变换时，可以完全变换为原时域采样信号，而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到5倍。4.2滤波器滤波器是一种用来消除干扰杂讯的器件，是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。4.2.1滤波器的类型1、按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。2、按所通过信号的频段按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。3、按所采用的元器件按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。 3.1、无源滤波器： 仅由无源元件(r、l 和c)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感l较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。 3.2、有源滤波器：由无源元件(一般用r和c)和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。4.2.2三种常用有源滤波器的比较巴特沃斯（butterworth）、切比雪夫（chebyshev）和贝塞尔（bessel），具有相同的基本组成，即电阻r、电容c和运算放大器，但通过各器件的信号和输出量是有区别的，关键在于转折频率及运算放大器的增益。此三种滤波器的复频响应曲线如下图4-3所示图4-3复频响应曲线巴特沃斯滤波器是最简单的一种，只要保证处的转折频率不变，即不变，r和c的数值的选择有较大的自由度。贝塞尔滤波器的增益和时间常数都是不同的，因为，是标准化系数，是转折频率。切比雪夫是复杂的一种，因为传递函数的极点分布要复杂得多。4.2.3巴特沃思低通滤波器的设计1.1 巴特沃斯低通滤波器简介:巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种，特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬巴特沃斯（stephen butterworth）在1930年发表在英国无线电工程期刊的一篇论文中提出的，可以构成低通、高通、带通和带阻四种组态，是目前最为流行的一类数字滤波器 ,经过离散化可以作为数字巴特沃思滤波器 ,较模拟滤波器具有精度高、稳定、灵活、不要求阻抗匹配等众多优点 ,因而在自动控制、语音、图像、通信、雷达等众多领域得到了广泛的应用，是一种具有最大平坦幅度响应的低通滤波器。1.2巴特沃斯低通滤波器的设计原理:巴特沃斯低通滤波器的幅度平方函数用下式表示：其中 n为滤波器的阶数。当=0时，=1；=时，=1/,是3db截止频率。=时，逐渐增大，幅度下降非常迅速。、n同幅度特性关系如图1.1所示。n决定了幅度下降速度，n越大，通带就越平坦，过渡带也随之变窄，阻带幅度同过渡带下降的速度越迅速，总体频响特性同理想低通滤波器的实际误差 图4-4 、n同幅度特性关系用s代替，把幅度平方函数变成s的函数： s=，此公式说明了幅度平方函数有2n个极点，极点可以用下面的公式来表达： k=0,1,2，2n-1。2n个极点等间隔分布在半径为的圆上，间隔是/n rad。如图4-5所示：图4-5三阶巴特沃斯滤波器极点分布为形成稳定的滤波器，2n个极点中只取s平面左半平面的n个极点构成，而右半平面的n个极点构成。的表示式为 例如n=3,通过下式可以计算出6个极点，当n=3时，6个极点中位于左半平面的三个分别为:，取s平面左半平面的极点组成： 将对3db截止频率c 归一化后的表示为： 令，p称为归一化拉氏复变量。 ，称为归一化频率。经过归一化后巴特沃斯滤波器的传输函数为： (1.1)式中，为归一化极点，为位于左半平面的极点用下式表示： 将极点表示式代入(1.1)式，得到的的分母是p的n阶多项式，用下式表示： 下面来确定n：由技术指标， 和确定。在定义 (1.2) (1.3) (1.4) 中，将=和=分别代入(1.4)式中，得到和，再将和代入(1.2)和(1.3)式中，得到： 整理得： (1.5) (1.6)由(1.5)和(1.6)式得到： 令 (1.7) 则n由下式表示： (1.8) 取大于等于n的最小整数。关于3db截止频率，如果技术指标中没有给出，可以按照(1.7)式或(1.8)式求出， (1.9) (1.10) 由(1.9)式得到： 由(1.10)式得到： 1.3传递函数的计算在本次课程设计中，信号频率为50100hz，干扰频率650750hz。通带增益kp=1，fp=100hz，p= 0.1db；fs=650hz，s=50db，取截止频率fc=600hz.1.该滤波器的技术要求：p=0.1db，p=2fp=2100rad/s=200rad/s=628rad/ss=50db，s=2fs=2650rad/s=1300rad/s=4082rad/s2.确定阶数nksp=0.00048sp=sp=26502100=6.5n= -lgksplgsp=4.08，取n=5 (实际应用中，根据具体要求也可能取n=4，指标稍微差一点，但阶数低一阶，使系统是实现电路得到简化。)3.按照数字信号处理156页公式，pk归一化极点，）（k=0,1,2,3,4）故其极点为p0= ，p1= ，p2= ， p3= ， p4=按照课本（6.2.12）式，归一化低通原型系统函数为 上式分母可以展开成五阶多项式，或者将共轭极点放在一起，形成因式分解式，这里不如直接查表课本157页表6.2.1简单，由n=5，直接查表得到：极点：，-1.0000归一化低通原型函数为 式中b0=1.0000， b1=3.2361， b2=5.2361， b3=5.2361， b4=3.2361分母因式分解形式为以上公式中的数据均取小数点后四位。4.为将ga(p)去归一化，先求3db截止频率，按照课本（6.2.19）式，得到： =将代入课本（6.2.20）式=得： 此时算出的比题目中给的小，因此，过渡带小于指标要求。或者说，在时衰减大于50db，所以说阻带指标有富余量。将代入中得到：1.4 matlab仿真matlab的信号处理工具箱提供了滤波器的函数 buttap、buttord、butter。由z,p,k = buttap(n)函数可设计出n阶巴特沃斯低通滤波器原型,其传递函数为 所以事实上z为空阵。上述零极点形式可以化为： 其中，令，得到巴特沃斯滤波器归一化结果,如表所示。表 阶的巴特沃斯滤波器系数n b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b01 1.00002 1.4142 1.0000 3 2.0000 2.0000 1.0000 4 2.6131 3.4142 2.6131 1.0000 5 3.2361 5.2361 5.2361 3.2361 1.0000 6 3.8637 7.4641 9.1416 7.4641 3.8637 1.0000 7 4.4940 10.0978 14.5918 14.5918 10.0978 4.4940 1.0000 8 5.1258 13.1371 21.8462 25.8462 21.8462 13.1371 5.1258 1.0000buttord函数可在给定滤波器性能的情况下 ,选巴特沃斯滤波器的阶数 n 和截止频率,从而可用butter函数设计巴特沃斯滤波器的传递函数。9n , = buttord (,s) 可得到足性能的模拟巴特沃斯滤波器的最小阶数 n及截止频率 ,其中为通带的拐角频率, 为阻带的拐角频率, 和的单位均为rad/s; 为通带区的最大波动系数,为阻带区的最小衰减系数, 和的单位都为db。b,a = butter (n,s) 可设计截止频率为的n 阶低通模拟巴特沃斯滤波器,其传递函数为: 10具体设计步骤经过总结，巴特沃斯低通滤波器的设计步骤大致为：（1）通过,和的值，用公式算出滤波器的阶数（2）根据公式，求出归一化极点，将代入 中，得出归一化传输函数。（3）将去归一化。将p=s/c代入之中，从而得到实际的滤波器传输函数。matlab程序matlab 程序如下:（1）.输入信号的时域波形和频谱的设计：n=256;t=linspace(0,1,n);dt=t(2)-t(1);xt=cos(2*pi*4*t)+cos(2*pi*10*t)+cos(2*pi*20*t);f=(0:(n/2-1)/(dt*n);xt=fft(xt,n);subplot(2,1,1),plot(t(1:128),xt(1:128),subplot(2,1,2),plot(f(1:64),abs(xt(1:64),xlabel(f(khz)（2）输出的巴特沃斯低通滤波器的波特图的设计qc=5.2775;b0=1;b1=3.2361;b2=5.2361;b3=b2;b4=b1;q=f%q=linspace(0,25,n);ha=qc5./(j*q).5+b4*qc*(j*q).4+b3*qc2*(j*q).3+b2*qc3*(j*q).2+b1*qc4*(j*q)+b0*qc5);l=length(ha)has=20*log10(abs(ha);figure,plot(q(1:64),has(1:64),q,-30,r*,12,has,*,5,has,*),axis(0 30 -70 2),xlabel(f(khz),ylabel(20lg(abs(h_a(jomega)(db);（3）巴特沃斯低通滤波后的时域波形和频谱的设计yt=xt(1:l).*ha ;yt=ifft(yt);figure,subplot(2,1,1),plot(t(1:128),abs(yt(1:128),subplot(2,1,2),plot(f(1:64),abs(yt(1:64);xlabel(f(khz)图形结果显示：图4-6输入信号的时域波形和频谱图4-7 输出的巴特沃斯低通滤波器的波特图图4-8 进行巴特沃斯低通滤波后的时域波形和频谱1.5电路设计1. 在电路设计中，高阶滤波器通常采用一阶或二阶滤波器级联来完成。本次课程设计中，是5阶低通滤波器，所以采用2个二阶低通滤波器和1个一阶低通滤波器来实现。本次课程设计使用的二阶滤波器电路时萨伦基（sallen-key）电路。萨伦基电路看作是压控电压源低通滤波器，因为它是用一个运算放大器和适当连接的两个电阻构成一个压控电压源。如图4-9所示：图4-9巴特沃斯滤波器电路图在二阶低通滤波器的情况下，传递函数为，滤波器参数：，r0=0. 第一级二阶滤波器：由以上两式可得：由实验法得到：，取 第二级二阶滤波器： 由以上两式可得：由实验法得到：，取 第三级一阶滤波器：时一阶滤波器传递函数形式为 由实验法得到：， 表4-1 截止频率fc,电容c2.由于本次课程设计电压范围为-0.5v-2.5v，首先利用加法电路变成单级为0-3v采用图4-10同相加法电路 图4-10同相加法电路其中1是输入信号电压范围-0.5v-2.5v，ui2是固定电压0.5v，u0是输出电压0-3v,电阻r2=r3=r=10，rf=2r=400，r1=2003.电压放大到0-3v后必须经过同相比例放大电路，电路图如4-11图：图4-11同相比例放大电路此ui为上级加法电路输出0-3v,放大后输出u0为0-5v。由此确定放大倍数，故可得到r1=300，r2=10，rf=200综上所述，可得到总的滤波器电路图如图4-12所示：图4-12滤波器总电路图第五章 模数转换a/d转换器是将时间上连续的模拟信号(通常是电压信号)转换为n位二进制数字信号，以便于计算机进行处理，是计算机应用系统的重要接口，a/d 转换器常用于数据采集系统。现在，a/d转换电路已集成在一块芯片上，所以应用比较方便。在本次课设中，选用了adc0809。 5.1adc0809与cpu的接口设计adc0809是逐次逼近型8位单片a/d 转换芯片，转换时间100s。片内含8路模拟开关，可允许8 个模拟量输入。另外片内带有三态输出缓冲器，因此可直接与系统总线相连。adc0809 的转换精度和转换时间都不是很高，但其性能价格比有较明显的优势，是应用较广泛的芯片之一。1.adc0809的引脚及功能adc0809 的外部引脚如图5-1所示。图5-1 adc0809引脚图它是28个引脚的双列直插式芯片，其引脚功能如下：(1) d0d7 输出数据线。(2) in0in7 8 路模拟电压输入端，可连接8 路模拟量输入。(3) adda、addb、addc 3 个引脚组合起来选择8路模拟量输入中的一路输入。addc为最高位，adda为最低位。如表所示模拟输入通道的选择情况，比如要选择通道in0，使addc=0、addb=0、adda=0即可。表5-1 模拟输入通道的选择模拟通道addcaddbaddain000in001in010in011in100in101in110in111(4) start 启动信号输入端，下降沿有效。在启动信号的下降沿，启动转换。(5) ale 模拟通道地址锁存信号，用来锁存adda、addb、addc端的地址输入，上升沿有效。(6) eoc a/d 转换结束状态信号。当该引脚输出低电平时表示正在转换，输出高电平时表示一次转换已结束。(7) oe 读允许信号，高电平有效。当eoc=1 且oe=1 时，cpu 可将转换后的数字量读入。(8) clk 时钟输入端，作为adc0809进行转换的时间基准，可输入频率范围10khz1.2mhz，一般可取500khz。(9) vcc 电源端，接+5v。(10) gnd 电源地，也是模拟地和数字地。(11) vref(+)，vref(-) 参考电压输入端。一般vref(+)接+5v 电源，vref(-)接地2.adc0809的内部结构adc0809 的内部结构框图如图所示，它由模拟电压输入选择部分、转换器部分和输出部分组成。图5-2 adc0809内部结构框图模拟电压输入选择部分包括一个8路模拟选择部分、地址锁存与译码电路。输入的3位通道地址信号由锁存器锁存，经译码电路译码后控制模拟开关选择相应的模拟输入。转换器部分主要包括比较器、8位d/a 转换器、逐次逼近数码寄存器以及时序控制逻辑电路等。输出部分包括一个8 位三态输出锁存器。3.adc0809的工作过程adc0809 的工作时序如图所示，由时序图可以看出adc0809的工作过程如下：图5-3 adc0809工作时序图(1) 首先cpu发出3位通道地址信号addc、addb、adda。(2) 在通道地址信号有效期间，使ale 引脚上产生一个由低到高的电平变化，即脉冲上升沿，它将输入的3 位通道地址addc、addb、adda锁存到内部地址锁存器。ale的下降沿不影响地址锁存器原来锁存的数据。(3) 然后给start引脚加上一个由高到低变化的电平，即脉冲下降沿，启动a/d 转换；(4) a/d 转换期间，输出引脚eoc呈现低电平，一旦转换结束，eoc变为高电平；(5) cpu在检测到eoc变为高电平后，输出一个正脉冲到oe端，然后读取转换后的8位数字量。另外，如果只用0809 的一个模拟输入通道，addc、addb、adda 均直接接地(即接低电平)，固定使用通道0(in0)。一般情况下ale和start 可短接使用，短接后先使该引脚为低电平，当通道地址addc、addb、adda信号输出后，cpu 往该引脚发送一个正脉冲，其上升沿锁存地址，下降沿启动转换。根据实际情况cpu 可选择延时、查询、中断和dma 方式读取转换后的数字量，延时方式就是在启动a/d 转换后等待一段时间(大于a/d转换时间)后，使oe=1，然后直接读取转换后的数字量；查询方式就是在启动a/d 转换后检测到eoc变为高电平后，使oe=1，然后读取转换后的数字量；中断方式就是在启动a/d 转换后由eoc由低电平变为高电平引起cpu 的一个外部中断，然后由cpu 的中断服务子程序来读取转换后的数字量。5.2 at89c51单片机的主要特性与mcs-51兼容；4k字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0hz-24hz；三级程序存储器锁定；1288位内部ram；32可编程i/o线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路。5.3at89c51单片机的引脚 图5-4 at89c51引脚图at89c51引脚图如图1-20所示。各引脚定义：（1）vcc：供电电压。（2）gnd：接地。（3）p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0口作为原码输入口，当fiash进行校验时， p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。 （4）p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电 流。 p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用图1-11 at89c51引脚作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。（5）p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。（6）p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51的一些特殊功能口，如下表示：p3口引脚的特殊功能引脚名称功能引脚名称功能10p3.0/rxd串行输入口14p3.4/t0记时器0外部输入11p3.1/txd串行输出口15p3.5/t1记时器1外部输入12p3.2/int0外部中断016p3.6/wr外部数据存储器写选通13p3.3/int1外部中断117p3.7/rd外部数据存储器读选通p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。（7）rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。（8）ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时，ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。（9）/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。（10）/ea/vpp：当/ea保持低电平时，在此期间外部程序存储（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。（11）xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。（12）xtal2：来自反向振荡器的输出。5.4 at89c51串行异步通讯的波特率因为我们使用标准串行口进行rs-232串行通讯，因此，串行口应工作于方式1或方式3（波特率可变的模式）,定时器 t1 应工作于方式2（8位定时器，自动重载模式，用作波特率发生器）。在这里，对于cmos工艺的微处理器，根据smod位是否被设置，所有的公式均可提供2个时间除数的选择。对于nmos工艺的器件，总是使用默认值（smod1）。定时器重载值的基本公式规定如下：例如当晶振频率为11.0592mhz时，如果需要获得9600波特率的通讯速率，则定时器重载值为：（十六进制的0xfd）也可以根据公式，从其他一直条件求出波特率和晶振频率，如下式：所需的最小晶振频率=设定的波特率 38（4若smod = 1则乘数为192）按上述公式，对于smod1的cm