-.z多路數據實時監控系統實驗目的學會一種小型電子系統—多路數據巡回檢測、實時監控與顯示電路的一般設計方法。掌握模擬、數字、A/D、D/A等電路的綜合應用技巧。熟悉并掌握相關集成器件的性能參數及應用。二、設計原理多路數據實時監控系統常用于自動化工業生產或大型設備〔如激光器〕中，經常需要對生產過程或運行狀態的各種工作參數〔如壓力、溫度、流量、電壓、電流等〕實時的巡回檢測、監視并報警，以確保系統的穩定可靠性。〔一〕電路組成與框圖本課題介紹的多路數據實時監控系統要求不連續地分別對溫度、電壓輸入實時地進展檢測、監控并實現報警等功能，并對輸入的溫度、電壓通過A/D轉換顯示。框圖如5-8-1圖所示。圖中三路模擬信號分別為溫度〔T〕，直流電壓〔VDC〕，交流電壓〔VAC〕。電路分為溫度測量與顯示，溫度傳感比擬報警，電壓比擬報警，多路數據檢測，A/D轉換、譯碼顯示等幾局部組成。原理分析與設計A/D轉換A/D轉換器是將模擬電壓或電流轉換成數字量的器件或設備，它是模擬系統與數字系統或計算機之間的借口。A/D轉換的實現方法有多種，常用的有：積分式、逐次比擬式、并行比擬式和二進制脅迫式〔又稱為計數式〕、量化反應式等。在該電路中使用的是3-1/2位雙積分式A/D轉換器MC14433。MC14433采用雙積分原理完成A/D轉換，全部轉換電路用CMOS大規模集成電路技術設計，具有功耗低、精度高、功能完整、使用簡單及與微機或其他數字電路兼容等優點。特性轉換精度：讀數的±0.05%±1字電壓量程：1.999V和199.9mV兩檔。量程的擴展通過外加控制電路實現。轉換速率：4~10Hz,相應時鐘頻率變化*圍為50~150kHz。輸入阻抗：大于100MΩ。工作電壓*圍：±4.5~±8V或9~16V.典型功耗：當電壓為±5V時，功耗為8mW.外型封裝：24引腳雙列直插式。片內具有自動極性轉換和自動調零功能。有過量程和欠量程標志信號輸出，配上控制電路可以完成自動量程切換。片內提供時鐘脈沖發生電路，使用時只需外接一電阻，也可以使用外部輸入時鐘。時鐘頻率*圍為50~150kHz。外接單一正電壓基準，基準電壓值和量程有關。當量稱為1.999V時，基準電壓為2V;當量程為199.9mV時，基準電壓為200mV。轉換結果輸出形式為經過多路條值得BCD碼，并有多路調制選通脈沖輸出，通過外接譯碼電路可實現LED動態掃描顯示或LCD顯示。電路構造與引腳功能MC14433組成中的模擬局部電路構造如圖5-8-2所示。在時序邏輯電路控制下，10余個開關協調工作，構成了6個輪流工作階段。這6個階段的作用分別對應圖5-8-3中的6種波形：1——模擬校零；2——數字曉玲〔檢測與存儲比擬器失調電壓對應的數字〕；3——模擬校零；4——對輸入信號采樣積分；5——數字校零〔補償比擬器失調電壓〕；6——對參考電壓回積。圖5-8-4為MC14433的整個電路構造框圖，圖5-8-5是其引腳圖。由圖可知，使用時只要外接兩個適宜的電阻和兩個適宜的電容就能進展3-1/2位的A/D轉換。為了適合電池供電，MC14433的二十進制轉換碼采用數據輪流掃描輸出的方式，因而只需一塊7段譯碼期限是3-1/2位十進制數，大大節省了外部電路的數量和顯示電路功耗，這對LED顯示的數字表特別有利。這里要注意的是，MC14433的輸出數據線和位掃線無三態特性，因此與微機接口時不能直接連接到數據總線上去，而要通過I/C芯片接口。MC14433的引腳功能為：1端：VAG，模擬地，為高阻抗輸入端，作為輸入被測電壓V*和基準電壓VR的地。2端：VR，基準電壓，為外接基準電壓輸入端，假設此端加一個大于5個時鐘周期的負脈沖〔VEE電平〕；則系統復位到轉換周期的起點。3端：V*，輸入被測電壓，為被測電壓輸入端。4端：R1，外接積分電阻端。5端：R1/C1,外接積分元件端。6端：C1，外接積分元件端，積分波形輸出端。7端：C01，外接失調補償電容端。8端：C02，外接失調補償電容端。9端：DU，實時輸出控制端，主要控制轉換結果的輸出，假設在雙積分放電周期〔即階段5〕開場前DU端輸入一正脈沖，則該轉換周期所得到的轉換結果將被送入輸出鎖存器經多路開關輸出，否則輸出端就繼續輸出鎖存器原來的轉換結果。在使用中，假設該端和14端〔EOC〕輸出連接，則每一轉換周期的結果都將被輸出。10、11端：CLKI、CLKO，時鐘信號輸入、輸出端。12端：VEE，負電源端。VEE是整個電路的電源負端，主要作為內部模擬局部的電源，所有輸出驅動電路的電流不流過該端，而是流向VSS端。13端：VSS，數字地。14端：EOC，轉換周期完畢標志輸出。每個A/D轉換周期完畢時，EOC端輸出一正脈沖，寬度為時鐘信號周期的1/2。15端：OR,溢出標志輸出。當|V*|>VR時，OR時輸出低電平，平時OR位高電平。16、17、18、19端：DS4、DS3、DS2、DS1，多路調制選通脈沖信號輸出的個位、十位、百位、千位。20、21、22、23端：Q0、Q1、Q2、Q3，A/D轉換結果輸出信號〔BCD碼〕，Q0為MSB位。24端：VDD,正電源端。主要參數選擇參考電壓VR：應根據輸入電壓*圍來選擇，可用下式計算；式中，N2為BCD輸出數據。時鐘頻率fCK和振蕩器定時電阻RCK：fCK應該按下式得出：fCK=200/m(kHz)式中，m位整數，m=1,2,3……。通常在選擇時鐘頻率時，還要考慮到數據刷新速率的要求。數據刷新速率DUR由下式決定：DUR=16400/fCK〔次/s〕在選定fCK后，一般可先用查表方法粗選，再用實測方法來確定RCK，查表法粗選RCK的圖表如下列圖所示積分電容C1和積分電阻R1：積分電容C1通常可選用0.1μF。如果采樣階段時間超過100ms，可適當增加C1容量，如取0.22μF。在選定C1之后，R1應以積分放大器在最大輸入電壓下，采樣階段末不發生飽和位原則來選定，具體公式如下：式中，T1是采樣階段時間；ΔV是為了保證線性工作取得平安條件。假設C1=0.1μF，VDD=5.0V,fCK=66kHz,則當V*ma*=2.0V時，R1=480kΩ;當V*ma*=200mV時，R1=28kΩ。MC14433轉換的結果采用BCD碼動態掃描輸出，它的千位、百位、十位、個位4個數位分別與DS4、DS3、DS2、DS1輸出高電平是相對應。輸出數據除了在選通信號DS4、DS3、DS2對應位上，Q0、Q1、Q2、Q3輸出BCD碼之外，還在選通信號DS1對應位上輸出了“千〞位數和別的信號〔欠，過量程標志，正，負極性標志等〕。例如：DS1為“1〞時，Q0、Q1、Q2、Q3各位代碼的作用真值表。表中Q3表示1/2位，輸出低電平對應“1〞，輸出高電平對應“0〞；Q2表示極性，輸出“1表示正極性，輸出“0〞表示負極性；Q0指示量程是否適宜，假設輸出為“0〞，表示量程適宜，假設輸出為“1〞，說明V*超出量程*圍，當與Q3一起使用時，就可以指示出過量程或欠量程。過量程時Q3為“0〞，Q0為“1〞；欠量程時Q3與Q0均為“1〞。2、溫度傳感比擬在自動控制系統中，控制的對象是*些物理量，如光、熱、溫度、濕度等等。為此，首先要把這些物理量轉換為便于處理的電信號或其他信號，而實現這個變換的部件稱為傳感器。通常所說的放大器的輸入信號，從*種意義上講，取決于傳感器的質量。傳感器的種類很多，最常用的有光傳感器，溫度傳感器和壓力傳感器等。在此介紹一種溫度傳感器AD590.〔1〕集成電路溫度傳感器AD590電路簡介AD590是電流型〔即產生一個與絕對溫度成正比的電流輸出〕集成溫度傳感器的代表產品，他跟傳統的熱電阻、熱點偶、半導體PN結等溫度傳感器相比擬，具有體積小，線性度好，穩定性好，輸出信號大且規*化等優點。AD590的主要電器參數為：工作電壓*圍：+4~+30V測溫*圍：-50℃~+150℃溫度系數：1μA/K25℃電流輸出〔298.20K〕298.2μA輸出阻抗：〉10MΩ由于AD590是個溫控的恒流源器件，因而使用時往往轉換為電壓信號，圖1為一最簡單的測溫電路。他僅對*一溫度進展調整，至于這一點選至什么溫度值，要看使用*圍而定。舉個例子，假設選在25℃，通過調節RP,使〔R+RP〕I=298.2mV,則在此溫度下的溫度系數能滿足1μA/K的準確度要求。圖2位溫差測量電路，假設T1=T2,I=0,則VT=0,假設V+=│V-│=5V,則調節*圍是±1μA〔相當于±1℃〕，由于Rf=10KΩ,故電路輸出vT=(T-T)·10mV/℃.這種電路通常把T視為參考溫度，而T用于監視的被測溫度。圖5-10-7為AD590測溫電路。經過傳感器轉換后的電信號與*一給定值〔基準電壓VR〕比擬時，將產生一個開關信號，此信號送到執行機構即可報警〔或發光顯示〕。〔2〕電壓比擬經過傳感器轉換后的電信號與*一給定值〔基準電壓VR〕比擬時，將產生一個開關信號，此信號送到執行機構即可報警〔或發光顯示〕。根本的熱——電、光——電轉換電路為橋式電路，與比擬器相連，構成熱動〔光動〕開關，如圖5-8-8所示。比擬器基準電壓根據需要可任意調節。當輸入信號大于V1或小于V2基準電壓，發光二極管工作，表示電路工作在不正常的狀態。這里將V1、V2設為基準電壓。比擬器輸出也可接報警電路，當輸入信號超出規定的工作*圍，直接驅動報警器工作，報警器的設計可參看555的應用章節。運算放大器這里用的是MOSFETCA3140。圖5.10.8轉換與比擬電路3、模擬開關除了CMOS四雙向模擬開關外，另一類CMOS模擬門就是常見的多路模擬開關。典型的多路模擬開關有四選一，雙四選一，八選一，雙八選一，，十六選一和三十二選一等多種，這些模擬開關除了外部引線排列，通道數不同外，其工作原理和主要應用方法根本一樣。在本電路中使用的為八選一模擬開關〔CD4051〕CD4051是常用的八選一模擬開關，具有雙向傳輸性能。CD4051的邏輯與引腳、功能如下圖：在本電路中使用的為八選一模擬開關〔CD4051〕CD4051是常用的八選一模擬開關，具有雙向傳輸性能。CD4051的邏輯與引腳、功能如圖5-8-9所示。4、取樣/保持〔S/H〕電路在A/D轉換前需要將模擬信號變換成能直接滿足A/D變換要求的信號電平及輸入方式。而為了見效動態數據的測量誤差，對于快速變化的輸入信號往往設置采樣/保持電路以防止采樣過程中的信號變化。因此，多路開關，S/H電路是數據采集系統前向通道中的一個重要環節。此外，轉換電路中是否一定要使用取樣保持器，這完全取決于輸入信號的頻率，對于快速變化的信號，必須在A/D前加S/H電路；對于一般非快速變化的輸入信號可以不使用S/H器。在此不作詳細討論，讀者可自行參閱有關文獻資料。目前取樣/保持電路大多為集成芯片，最常用的有LF198/LF298/LF398和AD582。圖5-8-10為LF398的內部原理圖及管腳配置。由圖可知，當8端邏輯控制為高電平時，輸出處于跟隨狀態，有UO=UI；當8端為低電平時，處于保持狀態。保持電容CH一般選用0.01——0.1μF的優質電容〔如聚四氟乙烯電容〕4.報警電路當電路檢測到溫度或電壓超過記住溫度、電壓時，將產生一個信號給報警電路。使報警電路報警從而提示工作人員檢查電路，排除故障。有很多種方法來制作報警電路，例如用555電路，或使用專業的報警器件。在這里我使用的是SGZ07多用報警電路。SGZ07多用報警電路包括控制輸入、調制振蕩、揚聲輸出、閃光輸出、電源穩壓等七局部。不僅可以用作溫度報警器、壓力報警器、防盜報警器、失控報警器、險情報警器等各〔2〕應用電路

SGZ07的應用電路如圖5-8-12所示，在SGZ07的①腳或②腳接上不同的傳感器或控制信號，同時適當調試一下R1或R2，便可做不同的報警器。①腳、②腳是兩個相位相反的控制端。設計任務設計一多路數據實時監控、顯示、報警系統。各路模擬參數的控制要求如下：正常工作溫度：測試正常工作溫度，T=27°C±3°C，當T>30°C時，報警〔發光顯示〕；當T<24°C時，報警正常直流電壓：VDC=〔1.5～3.5〕V，當VDC<1.5V時，報警〔可發光顯示〕。交流正弦電壓：VAC=〔1～2〕V，?=1KHZ，觀測D/A轉換后的電壓波形。采樣數據的巡回顯示。實驗內容與步驟根據設計任務設計并制作多路數據實時監控系統電路，并逐級調試。如：多路模擬開關、采樣/保持、A/D轉換等。在T=20～30°C溫度*圍內測量AD590溫度傳感器的溫度——電壓變化曲線，確定T=27±3°C所對應的電壓值。根據步驟2所測電壓值，設計并調試溫度變量的轉換與比擬電路，并用發光二極管顯示不正常溫度。設計并調試模擬信號為直流電壓時的比擬電路，當輸入電壓VDC<1.5V時，發光二極管顯示欠壓狀態。調試提示：系統的采樣速度。數據采集系統中，取樣速度有模擬信號帶寬，數據通道數和取樣頻率〔即每個周期的取樣點數〕決定。而取樣頻率至少為輸入信號最高有效頻率的兩倍，即每個信號周期內至少取樣兩次。實際使用時，為了保證數據采集的精度，一般每周取樣7～10次。系統的同步，例如：S/H與A/D互連時，必須保持同步。為此，可將ADC0804的INTR信號作為控制電路的時鐘輸入信號，也可將INTR信號直接作為S/H的控制信號。具體如何連接，須根據設計電路而定。基準電壓VREF因為A/D轉換的精度直接與基準源的質量有關。因此應選擇準確、穩定的電壓來作為基準電壓VREF，應依據