多路数据实时监控系统

多路数据实时监控系统

多路数据实时监控系统常用于自动化工业生产或大型设备（如激光器）中,

常常须要对生产过程或运行状态的各种工作参数（如压力、温度、流量、电压、

电流等不）实时的巡回检测、监视并报警，以确保系统的稳定牢靠性。

一、设计任务

设计一个多路数据实时监控、显示、报警系统。各路模拟参数的限制要求如

下：

1.正常工作温度：测试正常工作温度，T=27℃±3℃,当T>30℃时，报警

（发光显示）：当T<24℃时，报警。

2.正常直流电压：Vdc=（L5~3.5）V,当Vdc〈l.5V时,报警（可发光显示）。

3.沟通正弦电IK：Vac=（T2）V,f=lKHZ,观测D/A转换后的电压波形。

二、调试步骤

1.依据设计任务设计并制作多路数据实时监控系统电路，并逐级调试。如：

多路模拟开关、采样/保持、A/D转换等。

2.在T=20℃〜30℃温度范围内测量AD590温度传感器的温度-电压改变曲

线，确定T=27C±3℃所对应的电压值。

3.依据步骤2所测电压值，设计并调试温度变量的转换与比较电路，并用

发光二极管显示不正常温度。

4.设计并调试模拟信号为直流电压时的比较电路，当输入电压Vdc<1.5V

时，发光二极管显示欠压状态。

三、设计原理

1.电路组成与框图

设计多路数据实时监控系统要求不间断地分别对温度、电压输入实时进行检

测、监控并实现报警等功能，并对输入的温度、电压通过A/D转换显不。框图如

5-8-1图所示。图中三路模拟信号分别为温度（T）、直流电压（Vdc）、沟通电压

（Vac）o

图5-8-1多路数据实时监控系统框图

电路分为温度测量与显示，温度传感比较报警，多路数据检测，A/D转换、

译码显示等几部分组成。

2.原理分析与系统设计

（1）温度传感

传感器的种类许多，最常用的有光传感器、温度传感器和压力传感器等。在

此设计中用的是温度传感器AD590o

AD590是电流型（即产牛一个与肯定温度成正比的电流输出）集成温度传感

器的代表产品，它跟传统的热电阻、热电偶半导体PN结等温度传感器相比较,

具有体积小、线性度好、稳定性好、输出信号大且规范化等优点。

AD590的主要电器参数为:

工作电压范围：+4V-+30V

测温范围：-50℃~+150℃

温度系数：1M/K

25c时的电流输出：298.2M

输出阻抗：＞10MQ

由于AD590是个温控的恒流源器件，因而运用时往注须要将其输出电流信号

转换为电压信号。图5-2-7为AD590测温电路，是一个最简洁的测温电路。它仅

对某一温度进行调整，至于这一点选至什么温度值，要看运用范围而定。例如,

若选在25C,通过调整Rw,使(R+Rw)・1=298.2mA,则在此温度下的温度系数

能满意1M/K的精确度要求。

图5-8-7AD590测量电路

（2）电压比较

经过传感器转换后的电信号与某一给定值（基准电压Vr）比较时，将产生

一个开关信号，此信号送到执行机构即可报警（或发光显示）。

基本的热一电、光一电转换电路为桥式电路，与比较器相连，可以构成热动

（光动）开关，如图5-8-8所示。比较器基准电压依据须要可以随意调整。当输

入信号大于VI或小于V2基准电压，发光二极管工作，表示电路工作在不正常状

态。这里将VI、V2设为基准电压。比较器输出也可以接报警电路，当输入的信

号超出规定的工作范围时，可干脆驱动报警器工作。比较器采纳MOSFET运算放

大器CA3140。此设计中要求Vl=3.03V,V2=2.97V,以满意测量温度设27c±3℃

的要求。

图5-8-8转换与比较电路

（3）模拟开关

本电路中运用的CD4051,是较常用的八选一模拟开关，具有双向传输性能。

CD4O51的逻辑与引脚、功能如图5-8-9所示。

图

5-8-9CD4051模拟开关引脚图

CD4051是单8通道数字限制模拟开关，有三个二进制限制输入端AO、Ak

A2和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。幅值为4.5~20V数字信

号可限制峰一峰值至20V的模拟信号。当输入端为“1”时，全部的通道截

止。三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

引出端符号:

A0〜A2地址端

IO/OO-I7/O7输入输出端

INH禁止端

0/T公共输出/输入端

Vdd正电源

Vee模拟信号地

Vss数字信号地

(4)采样/保持(S/H)电路

在A/D转换前须要将模拟信号变换成能干脆满意A/D变换要求的信号电平

及输入方式。而为了见效动态数据的测量误差，对于快速改变的输入信号往往设

置采样/保持电路以防止采样过程中的信号改变。因此，多路开关，S/H电路是数

据采集系统前向通道中的一个重要环节。

此外，转换电路中是否肯定要运用取样保持器，这完全取决于输入信号的频

率，对于快速改变的信号，必需在A/D前加S/H电路；

本课题设计采纳LF398芯片.如图5-8-10所示，图(a)为LF398的内部原理

图。LF398由输入缓冲级、输出驱动级和限制电路三部分组成。限制电路中A3

主要起到比较器的作用，其中引脚7为参考电压，当输入限制逻辑电平高于参考

电压时，输出一•个低电平信号驱动开关K闭合，此时输入信号经A1后跟随输出

到A2,再由A2的输出端跟随输出，同时向保持电容充电；而当限制逻辑电平低

于参考电压时，输出一个高电平信号使开关断开，以达到非采样时间内保持器仍

保持原来输入的目的，因此，Al、A2是跟随器，器主要作用是对保持电容输入

和输出端进行阻抗变换，以提高采样/保持放大器的性能。由图可知，当8端逻

辑限制为高电平常，输出处于跟随状态，有U°=Ui；当8端为低电平常，处于保

持状态。保持电容的一般选用0.01——0.1"的优质电容(如聚四氟乙烯电容)

图(b)(c)分别为其封装图及管脚图。

GND

(a)

Vcc8逻辑控制

调零27参考基准

输入36C

Vee45输出

(b)

VccoVee

4

Vo

Vi

J-

GND

(c)

图5-8-10取样/保持电路

（5）A/D转换电路

A/D转换器是将模拟弓压或电流转换成数字量的器件或设备，它是模拟系统

与数字系统或计算机之间的接口。A/D转换的实现方法有多种，在该电路中运用

的是3%位双积分式A/D转换器MC14433。

MC14433采纳双积分原理完成AD转换，全部转换电路用CMOS大规模集成

电路技术设计，具有低功耗、精度高、功能完整、运用简洁及与微机与其它数字

电路兼容等特点.

特性

转换精度：读数的±0.05%土1字

电压量程：1.999V和199.9mV两档。量程的扩展追过外加限制电路实现。

转换速率：4~10Hz,相应时钟频率改变范围为50~150kHz。

输入阻抗：大于100MC。

工作电压范围：±4.5~±8V或9~16V.

典型功耗：当电压为±5V时，功耗为8mW.

外型封装：24引脚双列直插式。

片内具有自动极性转换和自动调零功能。

有过量程和欠量程标记信号输出，配上限制电路可以完成自动量程切换。

片内供应时钟脉冲发生电路，运用时只需外接一电阻，也可以运用外部输入

时钟。时钟频率范围为50~150kHz。

外接单--正电压基准，基准电压值和量程有关。当量称为L999V时，基准

电压为2V;当量程为199.9mV时，基准电压为200mV。

转换结果输出形式为经过多路条值得BCD码,并有多路调制选通脉冲输出，

通过外接译码电路可实现LED动态扫描显示或LCD显示。

电路结构与引脚功能

MC14433组成中的模拟部分电路结构如图5-8-2所示。

1-4

图5-8-2MC14433组成中的模拟部分

在时序逻辑电路限制下，10余个开关协调工作，构成了6个轮番工作阶段。

这6个阶段的作用分别对应图5-8-3中的6种波形：

图5-8-3逻辑波形

1——模拟校零；2——数字晓玲（检测与存储比较器失调电压对应的数字）；

3——模拟校零；4——对输入信号采样积分；5——数字校零（补偿比较器失调

电压）；6-----对参考电压同积。

图5-8-4为MC14433的整个电路结构框图，图5-8-5是其引脚图。由图可知，

运用时只要外接两个合适的电阻和两个合适的电容就能进行3-1/2位的A/D转换。

为了适合电池供电,MC14433的二十进制转换码采纳数据轮番扫描输出的方式，

因而只需一块7段译码期限是3-1/2位十进制数，大大节约了外部电路的数量和

显示电路功耗，这对LED显示的数字表特殊有利。这里要留意的是，MC14433

的输出数据线和位扫线无三态特性，因此与微机接口时不能干脆连接到数据总线

上去，而要通过I/C芯片接口。

20-23

显示效羯9折轼*完成

图5-8-4MC14433电路结构框图

图5-8-5MC14433引脚

MC14433的引脚功能为：

1端：NAG，模拟地，为高阻抗输入端，作为输入被测电压Vx和基准电压VR

的地。

端：基准电压，为外接基准电压输入端，若此端加一个大于个时钟

2VR,5

周期的负脉冲（VEE电平）；则系统复位到转换周期的起点。

端：输入被测电压，为被测电压输入端。

3Vx,

4端：Ri，外接积分电阻端。

5端：L/C】,外接积分元件端。

6端：外接积分元件端，积分波形输出端。

7端：Coi，外接失调补偿电容端。

端：外接失调补偿电容端。

8C02,

9端：DU,实时输出限制端，主要限制转换结果的输出，若在双积分放电周

期

（即阶段5）起先前DU端输入一止脉冲，则该转来周期所得到的转换结果

将被送入输出锁存器经多路开关输出，否则输出端就接着输出锁存器原来的转换

结果。在运用中，若该端和14端（EOC）输出连接，则每一转换周期的结果都

将被输出。

10、11端：CLKKCLKO,时钟信号输入、输出端。

12端：VEE，负电源端。VEE是整个电路的电源负端，主要作为内部模拟部分

的电源，全部输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向Vss端。

13端:Vss，数字地。

14端：EOC,转换周期结束标记输出。每个A/D转换周期结束时，EOC端输

出一正脉冲，宽度为时钟信号周期的1/2。

15端：OR,溢出标记输出。当|VX|>VR时，OR时输出低电平，平常OR位高

电平。

16、17、18、19端：DS4、DS3、DS?、DSi，多路调制选通脉冲信号输出的

个位、十位、百位、千位。

20、21、22、23端：Qo、Qi、Q、Q,A/D转换结果输出信号（BCD码），

Qo为MSB位。

24端：VDD,正电源端。

主要参数选择

<1）参考电压VR：应依据输入电压范围来选择，可用下式计算；

2000

匕=匕

式中，N2为BCD输出数据。

<2）时钟频率fcK和振荡器定时电阻RCK：fo<应当按下式得出：

fcK=200/m（kHz）

式中，m位整数，m=l,2,3......。通常在选择时钟频率时，还要考虑到数据刷

新速率的要求。数据刷新速率DUR由下式确定：

DUR=16400/fcK（次/s）

在选定foe后，一般可先用杳表方•法粗选，再用实测方法来确定RCK，查表法

粗选RCK的图表如图5-8-6所示

图5-8-6表格

积分电容Ci和积分电阻Ri：积分电容Ci通常可选用0.1UF。假如采样阶段

时间超过100ms,可适当增加J容量，如取0.22UF。在选定Ci之后，Ri应以积

分放大器在最大输入电压下，采样阶段末不发生饱和位原则来选定，详细公式如

下：

R二VvMAxZ

1C^V

AV=%。—KMAX—0・5

T=4000—

fcK

式中，「是采样阶段时间：AV是为了保证线性工作取得平安条件。若C1=0.1

11F,VDD=5.0V,fcK=66kHz,贝I］当Vxmax=2.0V时，Ri=480kC;当Vxmax=200mV时，Ri=28

kQo

MC14433转换的结果采纳BCD码动态扫描输出，它的千位、百位、十位、个

位4个数位分别与DS4、DS3、DSz、DSi输出高电平是相对应。输出数据除了在

选通信号DS4、DS3、DS2对应位上，Qo、Qi、Q2、Q3输出BCD码之外，还

在选通信号DSi对应位上输出了“千”位数和别的信号（欠，过量程标记，正，

负极性标记等）。例如：DSi为“1”时，Qo、Ch、Cb、6各位代码的作用真

值表。表中Cb表示1/2位，输出低电平对应“1”，输出高电平对应“0”；Cb表

示极性，输出“1表示正极性，输出“0”表示负极性；Qo指示量程是否合适，

若输出为“0”，表示量程合适，若输出为“1"，说明Vx超出量程范围，当与必

一起运用时.，就可以指示出过量程或欠量程。过量程时Cb为“0”，Qo为“1”;

欠量程时6与Qo均为“1”。

（6）报警电路

当电路检测到温度或电压超过规定温度、电压时，将产生一个信号给报警电

路。使报警电路工作，从而提示工作人员检查电路，解除故障。有许多种方法来

制作报警电路，在这里采纳的是SGZ07多用报警电路。

Vcc闪光输出扬声输出R1稳压观测

010+0-0+0-GND

控制输入

调制振荡音频振荡