测控专业综合课程设计-精密测试数据采集系统设计.doc

设计题目：精密测试数据采集系统设设计题目：精密测试数据采集系统设 计计 姓姓 名：名： 徐徐 斌斌 学学 号：号： 310804040325 专业班级：专业班级： 测测 控控 08-3 班班 指导教师：指导教师： 王红星老师王红星老师 河南理工大学河南理工大学 2011.12 测控 08 级综合课程 设计说明书 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 1 目录 精密测试数据采集系统设计精密测试数据采集系统设计 .2 设计任务书设计任务书 .3 1 1 数据采集系统概述数据采集系统概述 .4 1.11.1 数据采集系统的基本概念数据采集系统的基本概念.4 1.21.2 数据采集系统的组成数据采集系统的组成.4 1.31.3 数据采集系统的特点数据采集系统的特点.6 2 2 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 ad522ad522 7 2.12.1 测量放大器测量放大器.7 2.22.2 ad522ad522 型放大器型放大器.7 2.2.1 ad522 引脚说明.7 2.2.2 ad522 的器件特性.8 3 3 采样定理与抗混滤波采样定理与抗混滤波 .9 3.13.1 采样定理采样定理.9 3.1.1 采样定理.9 3.3.2 采样定理中的两个条件的物理意义10 3.23.2 频率混叠频率混叠.10 3.2.1 频混的产生10 3.2.2 频混的消除.11 3.43.4 有源滤波器有源滤波器.11 3.4.1 三种常用有源滤波器的比较.12 3.4.2 切比雪夫滤波器.13 3.53.5 低通切比雪夫滤波器的设计低通切比雪夫滤波器的设计.14 3.5.1 传递函数的计算14 3.5.2 电路设计.16 4 4 模模/ /数转换器数转换器 .20 4.14.1 a/da/d 转换器芯片转换器芯片 adc0809adc080920 4.24.2 at89c51at89c51 简介简介.22 4.3.4.3.硬件连接硬件连接24 4.3.4.3.软件实现软件实现25 5 5 利用利用 rs-232crs-232c 实现上位机与下位机的通信实现上位机与下位机的通信 .27 5.15.1 rs-232crs-232c 简介简介.27 5.25.2 max232max232 芯片芯片.28 5.35.3 串行通信的硬件连接串行通信的硬件连接29 5.45.4 软件实现软件实现29 设计总结设计总结 .34 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 2 参考文献参考文献 .35 精密测试数据采集系统设计精密测试数据采集系统设计 摘摘 要要 数据采集系统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 a/d0804 模数转换器件，使用四位 一体七段 led 数码管来进行显示，led 采用动态扫描显示，并且通过 rs232 协议将信息送 到 pc 上位机中进行显示。 关键字关键字 数据采集；切比雪夫低通滤波器；8051 单片机；adc0809；rs232； 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 3 设计任务书设计任务书 设计题目设计题目 精密测试数据采集系统设计 设计目标设计目标 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。 设计内容设计内容 1.利用运算电路把不同电压范围的信号处理到5v 范围。 2.根据采样定理，利用有源滤波器对信号进行抗混滤波设计。 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 语言上位机通信程序（采用 rs232 协议）实现对底层数据的采集与 处理。 设计要求设计要求 1.采用切比雪夫有源滤波器；通带增益 kp 为 1 信号电压范围：-1.5v 2.5v； 频率成分：信号频率 50300hz，干扰频率 550650hz；滤波器类型：切 比雪夫有源滤波器，通带增益 kp=1. 2.正确描述抗混滤波原理和采样定理； 3.要求列出详细的调理电路计算分析和元器件的选择过程。电路设计采用集 成仪器运算放大器。说明书中应写明所采用的器件、器件特性及工作原理。 4.系统描述滤波器设计和器件选择过程； 5.编写数据采集系统单片机工作原理及有关器件的选择原则和目的； 6.编写串口通信程序完成数据采集； 7.说明书中完整画部分电路图和程序描述。 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 4 1 1 数据采集系统概述数据采集系统概述 1.11.1 数据采集系统的基本概念数据采集系统的基本概念 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。 1.21.2 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 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 1-1 所示。 图 1-1 计算机数据采集系统的硬件基本组成 从图 1-1 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。 （1）传感器 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 5 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）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。 （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。 （4）多路模拟开关 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。 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2n 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。 （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。 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 6 （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。 （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。 （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。 1.31.3 数据采集系统的特点数据采集系统的特点 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 模板及软件都比较齐全，很容易构成系统，便 于使用和维修。 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 7 2 2 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 ad522ad522 2.12.1 测量放大器测量放大器 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 1-2 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 1 a 2 a 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 1-2 测量放大器原理电路 2.22.2 ad522ad522 型放大器型放大器 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。 2.2.1 ad522 引脚说明 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 1-3 及表 1-1 所示： 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 8 图 1-3 ad522 引脚 图 1-4 ad522 的基本连接 表 1-1 ad522 引脚功能 引脚名称功能引脚名称功能 1+input正输入端8v+正电源端 2r gain增益被偿端9gnd地参考端 3-input输入端10nc不接 4null空端11ref参考端 5v-负电源端12sense补偿端 6null空端13data guard数据保护端 7output输出端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ku 连接如上图 1-4 所示。 引脚 2 和 14 连接调整放大倍数的电阻。 g r 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。 2.2.2 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 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 9 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。 3 3 采样定理与抗混滤波采样定理与抗混滤波 在计算机数据采集系统中，信息总是用离散信号来表示的，而在生产和科 学研究中经常遇到的各种信号往往都是连续信号。而通过对信息的采样可以将 连续信息离散化。采样定理是数据采集系统的理论支持。采样过程可以看作为 脉冲调制过程，采样开关可看作调制器。 3.13.1 采样定理采样定理 采样定理决定了采样信号的质量和数量；太小，会使的数量剧 s t s t() s s nt x 增，占用大量的内存单元；太小，会使模拟信号的某些信息被丢失，若将采 s t 样后的信号恢复成原来的信号，就会出现失真问题，影响数据处理的精度。因 此，必须有一个的依据，以确保不失真地恢复原信号。这个依据 s t() s s nt x ( )x t 就是采样定理。 3.1.1 采样定理 设有连续信号，其频谱为，以采样周期采得的采样信号为( )x t( )x f st 。如果频谱和采样周期满足下列条件：() s s nt x ( )x f （1）频谱为有限频谱，即当时， ( )x f c ff( )0x f 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 10 （2） 或 1 2 s c t f 1 2 cs s ff t 则连续信号 （式 1- sin() ( )() () s s ss n s s tnt t x tx nt tnt t 1） 唯一确定。式中。就是在采样时间间隔内能辨认的信号最高频0, 1, 2,.n c f 率，称为截止频率，又称为奈奎斯特频率。 采样定理指出，对一个具有有限频谱的连续信号进行采样，当采( )x f( )x t 样频率为时，由采样后得到的采样信号能无失真地回复为原信2 sc ff() ss x nt 号。( )x t 3.3.2 采样定理中的两个条件的物理意义 条件（1）的物理意义是：连续模拟信号的频率范围是有限的，即信号( )x t 的频率在之间。f0 c ff 条件（2）的物理意义是：采样周期不能大于信号周期的一半。 s t c t 采样定理为数据采集系统确定采样频率提供了理论依据。只要遵守采样定 理，一般情况下是能够由采样信号不失真地恢复出原模拟信号。() s x nt( )x t 3.23.2 频率混叠频率混叠 3.2.1 频混的产生 一般来说，采样定理在时是不适用的。另外，当时，还容 1 2 c s f t 1 2 c s f t 易产生频率混淆现象（简称频混） 。 采样定理严格地规定了采样时间间隔的上限，即。如果取的 s t 1 2 s c t f s t 过大，使时，将会发生中的高频成分（）被叠加到低频成 1 2 s c t f ( )x t 1 2 s f t 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 11 分（）上去的现象，这种现象称为频混。 1 2 s f t 不产生频混现象的临界条件是。或者说，当采样间隔一定时， 1 2 sc ff ts 不发生频混的信号最高频率。 1 2 c s f t 信号中能相互频混的频率为 （） （式 1-2） 12s ffkf 1,2,3,k 式中，、为能相互混淆的频率。 1 f 2 f 3.2.2 频混的消除 为了使采样信号的频谱不失真，在采样时一定要满足采样定理的两个条件。 为了满足采样定理的两个条件，有两个方法：一是要提高采样频率；二是要对 连续信号进行低通滤波，以去除引起混频的高频成分。 实际上，由于信号频率都不是严格有限的，而且实际使用的滤波器也都不 具有理想滤波器在截止频率处的垂直截止特性，故不足以把稍高于截止频率的 频率成分衰减掉。所以，在信号分析中，常先经消除频混滤波器滤波，然后将 采样频率提高到，再对信号进行采样和处理。(3 5) sc ff 3.43.4 有源滤波器有源滤波器 有源滤波器是指用运算放大器作为电压源或电流源，配上 rc 网络构成的有 源网络。有源滤波器有能源补充，因而可以完全不顾及网络的损耗。有源低通 滤波器广泛应用于模数转换（a/d）与数模转换（/a）的过程中。为了避免信 号失真，输入到 a/d 转换器的信号频率必须小于，经 d/a 处理之后的输出/ 2 c f 信号必须是平滑的，这都需要由较理想的低通滤波器来实现。 有源滤波器具有：良好的反馈稳定性；较低的传输阻抗；较理想的频响； 较强的抗干扰能力；电路设计简单的优点。 一个理想滤波器的幅度响应在要求的通带内应具有均匀而稳定的增益，而 在通带以外则具有无穷大的衰减。这在物理上不可能实现。然而，可以采用各 种传递函数逼近理想滤波器的频率特性。一般，所需设计滤波器的传递函数表 示为： 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 12 1 110 1 110 ( ) ( ) ( ) mm mm nn nn a sasa sab s h s a sb sbsbsb （式 1-3） 121 12 1 () ()()() ()()() () m i mi n n j j sz szszsz kk spspsp sp 典型一阶、二阶低通滤波器传递函数的标准形式为： ， （式 1-4）( ) c c a h s s 2 22 ( ) c c c a h s ss q 其中，a 是电压增益；是截止角频率；q 是品质因数。任意的传递函数均 c 可由若干一阶滤波环节和二阶滤波环节构成，即滤波器的级联实现，其传递函 数为： （式 1-5） 12 ( )( )( )( ), k h sh s hshs km 所以可以利用典型的一阶和二阶滤波环节构建任意高阶的滤波器。 3.4.1 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 c f 器的复频响应曲线如下图 1-5 所示 图 1-5 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3db 不变，r 和 c 的数值的选择有较大的自由度。1/ rc 贝塞尔滤波器的增益和时间常数都是不同的，因为，是标准 1 2 nc rc f f n f 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 13 化系数，是转折频率。 c f 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。 3.4.2 切比雪夫滤波器 切比雪夫滤波器具有两种形式：振幅特性在通带内是等波纹的、在阻带内 是单调的切比雪夫型滤波器；振幅特性在通带内是单调的、在阻带内是等波 纹的切比雪夫型滤波器。采用何种形式切比雪夫滤波器取决于实际情况。 n 阶切比雪夫型滤波器的幅度平方函数用表示： 2( ) a （式 1- 2 2 22 1 ( )() 1() a n p ahj c 6） 式中，为小于 1 的正数，表示通带内幅度波动的程度，愈大，波动幅 度也愈大。称为通带截止频率。令，称为对的归一化频率。 p / p p 称为 n 阶切比雪夫多项式，定义为( ) n cx （式 1- cos(arccos ),1 ( ) (),1 n nxx cx ch narchxx 7） 当 n=0 时，；当 n=1 时，；当 n=2 时，； 0( ) 1cx 1( ) c xx 2 2( ) 21cxx 当 n=3 时，。 3 3( ) 43c xxx 由此可归纳出高阶切比雪夫多项式的递推公式为 （式 1- 11 ( )2( )( ) nnn cxxcxcx 8） 切比雪夫型滤波器的多项式特点： （1）切比雪夫多项式的过零点在的范围内；1x （2）当时，在范围内具有等波纹性；1x ( )1 n cx 1x （3）当时，是双曲线函数，随 x 单调上升。1x ( ) n cx 在不允许通带内有波纹的应用中，显然，巴特沃斯型比切比雪夫型更可取。 然而，当给定 n 值和通带内允许的偏差时，切比雪夫滤波器是所有全极型滤波 器中最好的，因为它由通带到阻带内给定衰减值所需的过渡带最小。 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 14 3.53.5 低通切比雪夫滤波器的设计低通切比雪夫滤波器的设计 3.5.1 传递函数的计算 在本次课程设计中，信号频率为 50300hz，干扰频率 550650hz。有用信号 频率与干扰信号频率之间的过渡带较窄，所以选用切比雪夫低通滤波器滤波器。 通带增益 p k =1。所以选用了切比雪夫型滤波器。 通带截止频率 300 p fhz ，通带最大衰减选 0.1 p db ，阻带截止频率 ，阻带最小衰减选。550 s fhz60 s db （1）该滤波器的技术要求： ， 0.1 p db22300/600/1884/ pp frad srad srad s ， 60 s db 22550/1100/3454/ ss frad srad srad s ， 1 p 555 1.833 300 s s p f f （2）阶数 n 和： （式 1- 1 1 () () s arch k n arch 9） （式 1- 0.1 1 10.1 101 6553 101 s p k 10） ，取 (6553)9.4808 7.8051 (1.833)1.2147 arch n arch 8n （式 1- 0.1 0.01 1011010.1526 p 11） （3）求归一化的传输函数：( ) a hp 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 15 （式 1- 8 1(8 1) 11 11 ( ) 2()0.1526 2() an n ii ii hp pppp 12） 由公式 （式 1- (21)(21) sincos 22 k kk pshjch nn 13） 求出时的归一化极点：8n i p （式 1- 1111 ( )()0.3224 80.1526 arsharsh n 14） 1 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.0640 1.0322 1616 pshjchj 2 33 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.18220.8751 1616 pshjchj 3 55 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.27270.5847 1616 pshjchj 4 77 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.32170.2053 1616 pshjchj 5 99 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.32170.2053 1616 pshjchj 6 1111 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.27270.5847 1616 pshjchj 7 1313 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.18220.8751 1616 pshjchj 8 1515 (0.3224)sin()(0.3224)cos()0.0640 1.0322 1616 pshjchj 将上述归一化极点带入，得到： i p 8 1(8 1) 11 11 ( ) 2()0.1526 2() an n ii ii hp pppp 22 1 19.5328(0.12801.0695)(0.36440.7989)pppp 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 16 （式 1- 22 1 (0.54540.4163)(0.64340.1457)pppp 15） 将去归一化后的传数函数为( ) a hp （式 1- 1 1 ( ) 2() n p an n ip i hs sp 16） 得到： / ( )( )| p aap s hshp 25 236236 0.8126 10 (0.2412 103.5495 10 )(0.6865 103.5495 10 )ssss 236236 1 (1.0275 103.5495 10 )(1.2122 103.5495 10 )ssss （式 1-17） 3.5.2 电路设计 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 8 阶低通滤波器，所以采用 4 个二阶低通滤波器来实现。 本次课设使用的二阶滤波器电路是萨伦基（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。如下图 1-6 所示。 u1 r1r2 r3 r4 c1 c2 + - + - vin vout 图 1-6 萨伦基电路 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 17 在二阶低通滤波器的情况下，传递函数可写为 （式 1- 0 2 10 out in vgb vsbsb 18） 这里运算放大器和电阻及构成压控电压源。高阶偶次滤波器可由两个 3 r 4 r 或多个二阶滤波器级联组成。传递函数必须被因式分解为式 1-16 所示的二阶函 数的乘积。 分析图 1-6 可见，得到式 1-16 的条件是 （式 1- 0 1212 1 b r r c c 19） （式 1- 1 22112 1111 (1) rr b r cc 20） （式 1- 4 3 1 r g r 21） 这里是压控电压源的增益，它也是滤波器的增益。 对于给定的增益和系数和，电容和 及电阻、和 g 0 b 1 b 1 c 2 c 1 r 2 r 3 r 实际值的选定一定要满足上式。 4 r 由于在本次课设中，通带增益为 1，所以各级滤波器的增益都为 1，由于 =1，所以，选择开路。 4 3 1 r g r 4 r0 3 r 由于传递函数中还有，所以需要先用一个比例运算放大电路，然后 1 1 2n 再用 4 级二阶压控电压源滤波器。 （1）比例运算放大电路（如下图 1-7 所示） 根据附表 1 中的标准电阻值，选， 1 19.6rk1 f rk 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 18 u1 vin v1 r2 1k r1 19.6k 图 1-7 比例运算放大器 分析上述电路图，可得： （式 1- 2 1 1 19.6 out in vr a vr 21） （1）第一级二阶滤波器 （式 1- 6 1 236 3.5495 10 ( ) 0.2412 103.5495 10 h s ss 22） （式 1- 6 10 11121112 1 3.5495 10b r r c c 23） 3 11 1212111112111112 1111111 (1)0.2412 10 rrrr b r ccc （式 1- 24） 由式 1-23、1-24 可得： 4 1 111212 0 ()0.68 10 b rrc b 选 1112 340rr 则 12 0.1cf 计算得 ， 选 e24 系列中的。 11 24.4cf24 f （3）第二级二阶滤波器 （式 1- 6 2 236 3.5495 10 ( ) 0.6865 103.5495 10 hs ss 25） 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 19 （式 1- 6 20 21222122 1 3.5495 10b r r c c 26） 3 21 2222212122212122 1111111 (1)0.6865 10 rrrr b r ccc （式 1- 27） 由式 1-26、1-27 可得： 4 21 212222 20 ()1.93 10 b rrc b 差附表 1 和附表 2，选， 21 1rk 22 931r 则 22 0.1cf 计算得 ， 选 e24 系列中的。 21 3cf3 f （4）第三级二阶滤波器 （式 1- 6 3 236 3.5495 10 ( ) 1.0275 103.5495 10 hs ss 28） （式 1- 6 30 31323132 1 3.5495 10b r r c c 29） 3 31 3232313132313132 1111111 (1)1.0275 10 rrrr b r ccc （式 1-30 ） 由式 1-29、1-30 可得： 4 31 313232 30 ()2.90 10 b rrc b 查附表 1 和附表 2，选 ， 31 1.43rk 32 1.47rk 则 32 0.1cf 计算得 ， 选 e24 系列中的。 11 1.3cf1.3 f 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 20 （5）第四级二阶滤波器 （式 1- 6 4 236 3.5495 10 ( ) 1.2122 103.5495 10 hs ss 31） （式 1- 6 40 41424142 1 3.5495 10b r r c c 32） 3 41 4242414142414142 1111111 (1)1.2122 10 rrrr b r ccc （式 1-33） 由式 1-32、1-33 可得： 4 41 414242 40 ()3.42 10 b rrc b 查附表 1 和附表 2，选 ， 41 1.6rk 42 1.82rk 则 42 0.1cf 计算得 ， 选 e96 系列中的。 41 0.97cf0.976 f （6）总的滤波器电路图如下图 1-8 所示： u0 u1r1 19.6k rf 1k vin r11 340 r12 340 r21 1k c11 24uf c12 0.1uf r22 931 u2 c21 3uf c22 0.1uf r31 1.43k r32 1.47k u3 c31 1.3uf c32 0.1uf r41 1.6k r42 1.82k u4 c41 0.976uf c42 0.1uf vout 图 1-8 8 阶切比雪夫有源低通滤波器整体电路图 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 21 4 4 模模/ /数转换器数转换器 模/数转换器是一种器件，它把采集到的采样模拟信号经量化和编码后，转 换成数字信号并输出。因此，在将模拟量转换成数字量的过程中，模/数转换器 是一核心器件，简称为 a/d 或 adc（analog to digital converter） 。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 adc0804。 4.14.1 a/da/d 转换器芯片转换器芯片 adc08adc080909 adc0804 是用 cmos 集成工艺制成的逐次比较型摸数转换芯片。分辨率 8 位， 转换时间 100s，输入电压范围为 05v，增加某些外部电路后，输入模拟电压 可为 5v。该芯片内有输出数据锁存器，当与计算机连接时，转换电路的输出可 以直接连接在 cpu 数据总线 上，无须附加逻辑接口电路。 信号引脚 adc0809 芯片为 28 引脚为双列直插式封装，其引脚排列见上图。 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 22 对 adc0809 主要信号引脚的功能说明如下： in7in0模拟量输入通道 ale地址锁存允许信号。对应 ale 上跳沿，a、b、c 地址状态送入地址锁存 器中。 start转换启动信号。start 上升沿时，复位 adc0809；start 下降沿时启 动芯片，开始进行 a/d 转换；在 a/d 转换期间，start 应保持 低电平。本信号 有时简写为 st. a、b、c地址线。 通道端口选择线，a 为低地址，c 为高地址，引脚图中为 adda，addb 和 addc。其地址状态与通道对应关系见表 9-1。 clk时钟信号。adc0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供， 因此有时钟信号引脚。通常使用频率为 500khz 的时钟信号 eoc转换结束信号。eoc=0,正在进行转换；eoc=1,转换结束。使用中该状态 信号即可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 d7d0数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接相 连。d0为最低位，d7为最高 oe输出允许信号。用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 。oe=0，输出数据线呈高阻；oe=1，输出转换得到的数据。 vcc +5v 电源。 vref参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的 基准。其典型值为+5v(vref(+)=+5v, vref(-)=-5v). 4.24.2 at89c51at89c51 简介简介 at89c51 是一种带 4k 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能 cmos8 位 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 23 xtal2 18 xtal1 19 ale 30 ea 31 psen 29 rst 9 p0.0/ad0 39 p0.1/ad1 38 p0.2/ad2 37 p0.3/ad3 36 p0.4/ad4 35 p0.5/ad5 34 p0.6/ad6 33 p0.7/ad7 32 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p3.0/rxd 10 p3.1/txd 11 p3.2/int0 12 p3.3/int1 13 p3.4/t0 14 p3.7/rd 17 p3.6/wr 16 p3.5/t1 15 p2.7/a15 28 p2.0/a8 21 p2.1/a9 22 p2.2/a10 23 p2.3/a11 24 p2.4/a12 25 p2.5/a13 26 p2.6/a14 27 u1 at89c51 微处理器，俗称单片机。at89c2051 是一种带 2k 字节闪烁可编程可擦除只读存 储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 mcs-51 指令集和输出 管脚相兼容。由于将多功能 8 位 cpu 和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel 的 at89c51 是一种高效微控制器，at89c2051 是它的一种精简版本。 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； at89c51 单片机的引脚 at89c51 引脚图如图 1-11 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 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 24 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 1-2 表示： 表 1-2 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器（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） 。 河南理工大学机械学院测控技术与仪器专业综合课程设计 25 （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。 4.3.4.3.硬件连接硬件