多路数据实时监控系统

多路数据实时监控系统

一、实验目的

1．学会一种小型电子系统—多路数据巡回检测、实时监控与显示电路的一般设计方法。

2．掌握模拟、数字、A/D、D/A等电路的综合应用技巧。

3．熟悉并掌握相关集成器件的性能参数及应用。

二、设计原理

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，经常需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）实时的巡回检测、监视并报警，以确保系统的稳定可靠性。

（一）电路组成与框图

本课题介绍的多路数据实时监控系统要求不间断地分别对温度、电压输入实时地进行检测、监控并实现报警等功能，并对输入的温度、电压通过A/D转换显示。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），交流电压（V AC）。

电路分为温度测量与显示，温度传感比较报警，电压比较报警，多路数据检测，A/D转换、译码显示等几部分组成。

图5-8-1 多路数据实时监控系统框图

（二）原理分析与设计

1．A/D转换

A/D转换器是将模拟电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借口。A/D转换的实现方法有多种，常用的有：积分式、逐次比较式、并行比较式和二进制胁迫式（又称为计数式）、量化反馈式等。在该电路中使用的是3-1/2位双积分式A/D转换器MC14433。

MC14433采用双积分原理完成A/D转换，全部转换电路用CMOS大规模集成电路技术设计，具有功耗低、精度高、功能完整、使用简单及与微机或其他数字电路兼容等优点。

特性

转换精度：读数的±0.05%±1字

电压量程：1.999V和199.9mV两档。量程的扩展通过外加控制电路实现。

转换速率：4~10Hz,相应时钟频率变化范围为50~150kHz。

输入阻抗：大于100MΩ。

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志信号输出，配上控制电路可以完成自动量程切换。

片内提供时钟脉冲发生电路，使用时只需外接一电阻，也可以使用外部输入时钟。时钟频率范围为50~150kHz。

外接单一正电压基准，基准电压值和量程有关。当量称为1.999V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。

V V

V

S

1-4

图5-8-2

在时序逻辑电路控制下，10余个开关协调工作，构成了6个轮流工作阶段。这6个阶段的作用分别对应图5-8-3中的6种波形：

启动

正电压输入

负电压输入

图5-8-3

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——对参考电压回积。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，使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用数据轮流扫描输出的方式，因而只需一块7段译码期限是3-1/2位十进制数，大大节省了外部电路的数量和显示电路功耗，这对LED显示的数字表特别有利。这里要注意的是，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直接连接到数据总线上去，而要通过I/C芯片接口。

11

转换完成

显示数据刷新

图5-8-4

V 4 R C 3 2 1

R

10

1

2

3

图 5-8-5

MC14433的引脚功能为：

1端：V AG，模拟地，为高阻抗输入端，作为输入被测电压V x和基准电压V R的地。

2端：V R，基准电压，为外接基准电压输入端，若此端加一个大于5个时钟周期的负脉冲（V EE 电平）；则系统复位到转换周期的起点。

3端：V x，输入被测电压，为被测电压输入端。

4端：R1，外接积分电阻端。

5端：R1/C1,外接积分元件端。

6端：C1，外接积分元件端，积分波形输出端。

7端：C01，外接失调补偿电容端。

8端：C02，外接失调补偿电容端。

9端：DU，实时输出控制端，主要控制转换结果的输出，若在双积分放电周期

（即阶段5）开始前DU端输入一正脉冲，则该转换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，否则输出端就继续输出锁存器原来的转换结果。在使用中，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：CLKI、CLKO，时钟信号输入、输出端。

12端：V EE，负电源端。V EE是整个电路的电源负端，主要作为内部模拟部分的电源，所有输出驱动电路的电流不流过该端，而是流向V SS端。

13端：V SS，数字地。

14端：EOC，转换周期结束标志输出。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,溢出标志输出。当|V x|>V R时，OR时输出低电平，平时OR位高电平。

16、17、18、19端：DS4、DS3、DS2、DS1，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：Q0、Q1、Q2、Q3，A/D转换结果输出信号（BCD码），Q0为MSB 位。

24端：V DD ,正电源端。

主要参数选择

（1） 参考电压V R ：应根据输入电压范围来选择，可用下式计算；

22000

R i

V V N

式中，N 2为BCD 输出数据。

（2） 时钟频率f CK 和振荡器定时电阻R CK ：f CK 应该按下式得出：

f CK =200/m (kHz)

式中，m 位整数，m=1,2,3……。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 由下式决定：

DUR=16400/f CK （次/s ）

在选定f CK 后，一般可先用查表方法粗选，再用实测方法来确定R CK ，查表法粗选R CK 的图表如下图所示

100k

10k

10k

100k

1M

f cx

(Hz)

cx ()

图5-8-6

（3） 积分电容C 1和积分电阻R 1：积分电容C 1通常可选用0.1μF 。如果采样阶段时间超

过100ms ，可适当增加C 1容量，如取0.22μF 。在选定C 1之后，R 1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，具体公式如下：

1

1110.5

1

4000

xMAX DD xMAX CK

V T R C V

V V V T f =

=--=

式中，T 1是采样阶段时间；ΔV 是为了保证线性工作取得安全条件。若C 1=0.1μF ，V DD =5.0V , f CK =66kHz,则当V xmax =2.0V 时，R 1=480k Ω;当V xmax =200mV 时，R 1=28 k Ω。

MC14433转换的结果采用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DS 4、DS 3 、DS 2 、DS 1输出高电平是相对应。输出数据除了在选通信号DS 4、DS 3 、DS 2 对应位上，Q 0 、Q 1 、Q 2 、Q 3输出BCD 码之外，还在选通信号DS 1对应位上输出了“千”位数和别的信号（欠，过量程标志，正，负极性标志等）。例如：DS 1为“1”时，Q 0 、Q 1 、Q 2 、Q 3各位代码的作用真值表。表中Q 3表示1/2位，输出低电平对应“1”，输出高电平对应“0”；Q 2表示极性，输出“1表示正极性，输出“0”表示负极性；Q 0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V X 超出量程范围，当与Q 3一起使用时，就可以指示出过量程或欠量程。过量程时Q 3为“0”，Q 0为“1”；欠量程时Q 3 与Q 0均为“1”。 2、温度传感比较

在自动控制系统中，控制的对象是某些物理量，如光、热、温度、湿度等等。为此，首先要把这些物理量转换为便于处理的电信号或其他信号，而实现这个变换的部件称为传感器。通常所说的放大器的输入信号，从某种意义上讲，取决于传感器的质量。

传感器的种类很多，最常用的有光传感器，温度传感器和压力传感器等。在此介绍一种温度传感器AD590.

（1）集成电路温度传感器AD590电路简介

AD590是电流型（即产生一个与绝对温度成正比的电流输出）集成温度传感器的代表产品，他跟传统的热电阻、热点偶、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：+4~+30V 测温范围： -50℃~+150℃ 温度系数： 1μA/K

25℃电流输出（298.20K ） 298.2μA 输出阻抗： 〉10M Ω

由于AD590是个温控的恒流源器件，因而使用时往往转换为电压信号，图1为一最简单的测温电路。他仅对某一温度进行调整，至于这一点选至什么温度值，要看使用范围而定。举个例子，若选在25℃，通过调节R P ,使（R+R P ）I=298.2mV,则在此温度下的温度系数能满足1μA/K 的精确度要求。图2位温差测量电路，若T 1=T 2,I=0,则V T =0,若V +=│V -│=5V,则调节范围是±1μA （相当于±1℃），由于R f =10K Ω,故电路输出v T =(T-T)·10mV/℃.这种电路通常把T 视为参考温度，而T 用于监视的被测温度。图5-10-7为AD590测温电路。 经过传感器转换后的电信号与某一给定值（基准电压V R ）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）。

T

V +AD590

(a) 一点条政测温

T

V +

(b) 温差测量

AD590

V -

图5-8-7

（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V R ）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——电、光——电转换电路为桥式电路，与比较器相连，构成热动（光动）开关，如图5-8-8所示。比较器基准电压根据需要可任意调节。当输入信号大于V 1或小于V 2基准电压，发光二极管工作，表示电路工作在不正常的状态。这里将V 1、V 2设为基准电压。比较器输出也可接报警电路，当输入信号超出规定的工作范围，直接驱动报警器工作，报警器的设计可参看555的应用章节。

运算放大器这里用的是MOSFET CA3140。

图5.10.8转换与比较电路

3、模拟开关

除了CMOS四双向模拟开关外，另一类CMOS模拟门就是常见的多路模拟开关。

典型的多路模拟开关有四选一，双四选一，八选一，双八选一，，十六选一和三十二选一等多种，这些模拟开关除了外部引线排列，通道数不同外，其工作原理和主要应用方法基本相同。

在本电路中使用的为八选一模拟开关（CD4051）

CD4051是常用的八选一模拟开关，具有双向传输性能。CD4051的逻辑与引脚、功能如图所示：

在本电路中使用的为八选一模拟开关（CD4051）

CD4051是常用的八选一模拟开关，具有双向传输性能。CD4051的逻辑与引脚、功能如图

5-8-9所示。

0X

A

A

A

2

图5-8-9 CD4051模拟开关管脚图

4、取样/保持（S/H）电路

在A/D转换前需要将模拟信号变换成能直接满足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，对于快速变化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变化。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，转换电路中是否一定要使用取样保持器，这完全取决于输入信号的频率，对于快速变化的信号，必须在A/D前加S/H电路；对于一般非快速变化的输入信号可以不使用S/H器。在此不作详细讨论，读者可自行参阅有关文献资料。

目前取样/保持电路大多为集成芯片，最常用的有LF198/LF298/LF398和AD 582。图5-8-10为LF398的内部原理图及管脚配置。由图可知，当8端逻辑控制为高电平时，输出处于跟随状态，有U O=U I；当8端为低电平时，处于保持状态。保持电容C H一般选用0.01——0.1μF的优质电容（如聚四氟乙烯电容）

(a) 内部原理电路

V V

C

H

v

I LF398

V

+

V

-

1

4

5

6

7

8

3v

O

C

H

(b) 管脚图

（c） S/H电路

图5-8-10 取样/保持电路

4.报警电路

当电路检测到温度或电压超过记住温度、电压时，将产生一个信号给报警电路。使报警电路报警从而提示工作人员检查电路，排除故障。

有很多种方法来制作报警电路，例如用555电路，或使用专业的报警器件。在这里我使用的是SGZ07多用报警电路。

SGZ07多用报警电路包括控制输入、调制振荡、扬声输出、闪光输出、电源稳压等七部分。不仅可以用作温度报警器、压力报警器、防盗报警器、失控报警器、险情报警器等各

}

}

V

CC 闪光输出{

{

扬声输出稳压观测

R

GND

音频振荡

0+

0-}

0+

0-

调制振荡控制输入图5-8-11

“0”

“1”

（2）应用电路

SGZ07的应用电路如图5-8-12所示，在SGZ07的①脚或②脚接上不同的传感器或控制信号，同时适当调试一下R 1或R 2，便可做不同的报警器。①脚、②脚是两个相位相反的控制端。

2~10k

R

2V

CC

图5-8-12

三、 设计任务

设计一多路数据实时监控、显示、报警系统。各路模拟参数的控制要求如下：

1． 正常工作温度：测试正常工作温度，T=27°C±3°C ，当T>30°C 时，报警（发光显示）；当T<24°C 时，报警 2． 正常直流电压：VDC=（1.5～3.5）V ，当VDC<1.5V 时，报警（可发光显示）。 3． 交流正弦电压：V AC=（1～2）V ，?=1KHZ ，观测D/A 转换后的电压波形。

4． 采样数据的巡回显示。

四、 实验内容与步骤

1． 根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°C 温度范围内测量AD590温度传感器的温度——电压变化曲线，确定T=27±3°C 所对应的电压值。 3． 根据步骤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。

调试提示：

1． 系统的采样速度。数据采集系统中，取样速度有模拟信号带宽，数据通道

数和取样频率（即每个周期的取样点数）决定。而取样频率至少为输入信

号最高有效频率的两倍，即每个信号周期内至少取样两次。实际使用时，

为了保证数据采集的精度，一般每周取样7～10次。

2．系统的同步，例如：S/H与A/D互连时，必须保持同步。为此，可将ADC0804的INTR信号作为控制电路的时钟输入信号，也可将INTR信号直接作为

S/H的控制信号。具体如何连接，须根据设计电路而定。

3．基准电压V REF

4．因为A/D转换的精度直接与基准源的质量有关。因此应选择精确、稳定的电压来作为基准电压V REF，应依据模拟输入信号的电压范围来选定。

5．A/D转换后，可利用GAL器件或其他显示器件，进行七段显示。

五、实验报告要求

1．原理电路的设计。（温度电压显示与转换、放大与比较电路、直流电压的欠压比较电路、控制电路。

2．画出总体原理电路图。

3．整理实验数据和记录观察到的波形，分析转换误差。

4．设计与调试过程中遇到的问题及解决方法。

六、思考题

1．实现控制电路方法有几种，各有何优缺点。

2．分析数显误差原因，如何改进。

七、主要元器件

CA3140（LM741、324）、LF398、CC4051（CC4052）、AD590、MC14433、DAC0808、74LS138、74LS74、ICL7136各一片

电阻、电容、发光二极管若干。

调试仪器自选。