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武汉工程大学电气信息学院CAD课程设计报告1、 数据采集卡设计的功能要求：设计一块三通道的数据采集卡，该数据采集卡可以把外部速度、加速度或压力等传感器输出的电量信号转换成电压信号，并且采集储存到相应的三片数据存储器中，该数据采集卡留有与PC机通信的串行接口，PC可以通过串行口把储存在数据存储器中的数据读入到PC机中。2、 数据采集卡原理设计：根据功能要求考虑数据采集卡系统设计方案，设计出系统原理图，并进行参数计算和原件器件算则，并且说明电路的工作原理。.数据采集卡理论定义：数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备。.数据采集卡数据采集原理：利用数字信号处理（Digital Signal Processing,简称：DSP）中，将连续信号进行采样，得到一串离散的模拟信号，经过A/D,D/A，计算机（PC机）处理，得到最终结果。举例：现在对一个模拟信号 x(t) 每隔 t 时间采样一次。时间间隔 t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/ t 被称为采样频率，单位是采样数 / 每秒。 t=0, t ,2 t ,3 t 等等， x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),x( t),x(2 t ) 都是采样值。这样信号 x(t) 可以用一组分散的采样值来表示： 下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是 t ，注意，采样点在时域上是分散的。图 1 模拟信号和采样显示如果对信号 x(t) 采集 N 个采样点，那么 x(t) 就可以用下面这个数列表示： 这个数列被称为信号 x(t) 的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或 t ）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号 x(t) 的频率。根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。 图显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（ alias ）。 出现的混频偏差（ alias frequency ）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。图 2 不同采样率的采样结果图给出了一个例子。假设采样频率 fs 是 100HZ, ，信号中含有 25 、 70 、 160 、和 510 Hz 的成分。图 说明混叠的例子采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（ fs/2=50 Hz ）的信号可以被正确采样。而频率高于 50HZ 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了 30 、 40 和 10 Hz 的畸变频率 F2 、 F3 和 F4 。计算混频偏差的公式是： 混频偏差 ABS （采样频率的最近整数倍输入频率）其中 ABS 表示“绝对值”，例如：混频偏差 F2 =|100 70| = 30 Hz混频偏差 F3 = |(2)100 160| = 40 Hz混频偏差 F4 = |(5)100 510| = 10 Hz为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（ A/D ）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图3的例子中，这个滤波器的截止频率自然是 25HZ 。这个滤波器称为 抗混叠滤波器采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数 据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用510倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如 FFT 等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有510个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数 的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们 所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数 x(n) 和采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。.数据采集卡设计元件初始清单：序列元件名称元件个数序列元件名称元件个数1电阻165ADC0820芯片12电容14674LS373芯片13放大器3774LS139芯片1487C51单片机18DS1248Y芯片33、 数据采集卡电气CAD设计：数据采集卡原理图：备注：绘制原理图时，为了美观等方面考虑，使用大量的网络标号，省略了许多线路与总线。数据采集卡工作原理分部说明：U11、C1、R13等器件构成第一通道的电荷放大，如图3-2-1所示：图3-2-1U12、C2、R14等器件构成了第二通道的电荷放大器，如图3-2-1所示：图3-2-1U13、C3、R15等器件构成第三通道的电荷放大器，如图3-2-1所示：电荷放大器作用说明：电荷放大器的作用就是把外部传感器的电量信号转变成电压信号。信号的数据转换，如图3-2-1所示：图3-2-1信号经过1、2、3通道放大后再经过多路选择开关4051后分别进入A/D转换单元ADC0820芯片进行数据转换。单片机数据传送单元，如图3-2-1所示：图3-2-1数据采集卡的微型处理芯片采用AT87C51单片机，单片机把A/D转换器转换后的数据通过数据总线送入数据存储器。AT87C51单元通过串行口与PC机相连。数据存储单元，如图3-2-1所示：图3-2-1数据存储单元，将单片机AT87C51传输的数据进行存储，三片数据储存器中的数可以分别通过串行口传输到PC上，然后在PC上进行信号处理以及分析。Protel DXP 2004对数据采集卡设计的绘制：一，DXP原理图绘制: 打开Protel DXP2004软件，进入编译环境新建项目，点击文件创建项目PCB项目，并保存为“数据采集卡”。具体操作如图1-1。 图1-1 创建项目 图1-2 创建原理图 创建原理图文件，点击文件创建原理图，并保存为“数据采集卡”，具体操作如图1-2。在左侧的浮动窗口Project中，右击：数据采集卡.PRJPCB追加新文件到项目中Schematic，找到刚刚保存的原理图文件加进去即可。2. 绘制原理图 根据所给的原理图，在DXP2004上画出图形。对于元件库里面没有的器件，需要自己先手动画出元件库，然后放在电子钟元件库中。画好原理图之后，所有的元器件的标号都没标号，因此需要统一注释，点击工具注释，会出现如下图形1-4。图1-4 原理图注释 然后点击更新变化表，会提示有多少个变化，点击OK即可。 点击接受变化(建立ECO)，会出现如图1-5所示。图1-5 工程变化订单(ECO) 然后点击是变化生效，以及执行变化，没有错误就点关闭。如果出现错误，根据提示检查并改正即可。然后生成网络表(设计工程网络表Protel)。 最后，画出的原理图如图1-6所示。图1-6 数据采集卡原理图二，印制电路板(PCB)设计1. 创建PCB文件 点击文件创建PCB文件，具体操作如图2-1所示。 图2-1 创建PCB文件 在左侧悬浮窗口中右击“电子钟.PRJPCB”添加新文件到项目中PCB，保存并命名为“电子钟PCB”。 绘制电气边界：在Keep-out Layers绘制电气边界，绘制的边界长宽为软件默认宽度以及长度。（但由后面布线发现，在软件默认条件下，无法完全将器件在PCB板中布局，所以选择手工规划PCB板长度以及宽度）2. 绘制印制电路板(PCB) 在PCB界面，点击设计Import Changes from数据采集卡.PRJPCB，出现如图2-2所示界面。图2-2 导入PCB工程变化订单(ECO) 依次点击是变化生效、执行变化，如果没有错误显示，就可以关闭了。若有错误出现，根据错误提示改正，然后重复操作导入步骤，直到没错误为止，最后关闭该窗口。 先自动布局，然后手工调整，尽可能按照原理图的元件安排对元件进行布局。 设置电气规则。将电源和地线最大宽度设为30mil ，最小宽度设为10mil，当前宽度设为20mil，其他导线宽度为默认。 首先建立两个网络类(自动布线网络类)：一个命名为power(包含VCC 与GND)，另一类命名为others(包含除VCC与GND的其他网络)。然后点击设计规则RoutingWidth，右击添加规则，按照网络类进行设置，设置图形如图2-3所示。图2-3 PCB设计规则 因为Res Pack4为表贴元件，其焊盘较小，为避免与导线宽度规则相矛盾，修改安全距离Clearance为5mm。 当手动布局完成之后，开始PCB自动布线。点击自动布线全部对象。如果觉得布线不是很理想，可以自己手动布线。 最后进行DRC检查。点击菜单栏工具设计规则检查，会自动弹出设计规则检查器，点击运行设计规则检查即可，出现如图2-4所示图形，说明没有错误。若有错误，根据错误提示查找并改正，直到没有错误为止。图2-4 DRC检查结果上述步骤无误后，最后得出的PCB图如图2-5所示图2-5 PCB图 4、 生成材料清单1. 材料清单的具体内容材料清单包含元件序号、元件库名、封装形式、参数值、元件库5个内容。2. 贴出清单的表格l 在电子钟原理图窗口，点击菜单栏报告Bill Of Materials，根据所要求的清单内容，勾选所需的内容，然后输出为EXCEL格式并保存，命名为“数据采集卡元器件清单”。l 元件清单如图2-6所示。（因为自身机子软件不兼容，无法导出，所以寻找另外一份图例代替）图2-6 元器件清单5、 总结电路设计的一般过程根据前面的学习和电子钟的设计，采用Protel DXP 2004进行电路设计的一般过程（详细）如下：1. 电路原理图的设计是整个电路设计的基础，因此电路原理图要设计好，以免影响后面的设计工作。电路原理图的设计一般有如下步骤：l 设置原理图设计环境l 放置元件：根据原理图，放置所需元件.l 原理图布线：依据原理图布线。l 编辑和调整：为了使参数一致，需要手动调整与编辑。l 检查原理图：对原理图进行编译，检查错误。l 生成网络表2. 印刷电路板设计是从电路原理图变成一个具体产品的必经之路,印刷电路板设计的具体步骤如下：n 规划电路板：根据要求，画出电路板物理边界和电气边界。n 设置参数：设置电气规则，如电源线宽等。n 装入网络表：导入网络表，生成PCB。n 元器件布局：根据原理图布局情况，对PCB进行手