数据采集系统设计

8.2.4　数据采集系统设计

如图8.15所示是某数据采集接口板电路原理框图。该数据采集接口板可对16路模拟信号进行采集，A/D变换精度为5V/2¹²=1.22mV，接口板具有数据保持电路，可对变化的模拟信号进行实时采集。该接口板包含两个DAC模数变换通道，可对采集的模拟实时信号进行回放，以监视采集实时信号的情况，也可将计算机中的数字量数据变换为模拟信号输出，构成函数发生器或信号发生器。DAC变换精度采用12位，最小数字阶梯电压为1.22mV。

该接口板主要采用查询方式进行ADC数据采集（对电路作适当改变也可用中断方式），DAC采用程序直接控制输出。接口板的I/O地址范围为220H～227H，整个接口板工作均通过74LS136/74LS138地址译码器产生选通信号，下面将介绍各个部件的功能情况。

图8.15　数据采集系统电路原理框图

1．多路转换开关

16路模拟信号通过多路转换开关芯片AD7506进行切换，AD7506是一个16→1的模拟电子开关，用于切换16个被测模拟信号输入端，使16路模拟信号的采集共享一片ADC转换器。AD7506的S16～S1分别接入16路模拟信号，具体接入哪一路模拟信号，通过地址A3～A0来进行选择。当A3A2A1A0=0000时，将S0路模拟信号接入到输出OUT，并进行A/D转换；当A3A2A1A0=0001时，将S1路模拟信号接入到输出OUT……EN通道选择有效信号，当EN=1时表示芯片可以进行多路切换；EN=0则禁止通道切换。

AD7506多路模拟开关的导通电阻≤180Ω、通道间导通电阻差≤10Ω、传输延迟≤15ns、开关残差电压≤1mV，一般用作高精度的模拟电子开关。

2．采样/保持器

接口板的采样/保持器采用AD582芯片，采样/保持状态的控制由差分逻辑输入端+LogicIN和−LogicIN完成，模拟信号的输入通过IN+和IN−端输入。AD582芯片的采样时间为6μs，电路原理图如图8.16所示。若在+LogicIN端加入0，则AD582处于采样状态，加入1则为保持状态。

图8.16　AD582采样/保持原理框图

3．ADC与DAC转换器

接口板的A/D转换采用ADC574A芯片，DAC采用DAC1210芯片，这两个芯片均是12位的ADC和DAC转换芯片，可保证A/D的信号通过D/A转换器进行完全的回放。

4．地址译码器

接口板的地址译码器采用3片74LS136异或门芯片和一片74LS138译码器芯片构成，接口板采用跳线器K对I/O地址进行设置和改变，地址译码器控制如图8.17所示。

图8.17　接口板译码器原理框图

译码器的工作原理为：当某位地址线对应的开关K闭合时，若地址线An=1，则异或门输出为1；地址线An=0，则输出为0；当开关K打开，则地址线的逻辑关系相反。只有当所有的异或门输出为1时，译码器芯片74LS138才能工作（G1=1），否则就不能工作。因此适当设置各地址线对应的开关状态K，即可改变其I/O地址。

5．工作原理及程序控制

该接口板的主要操作有通道选择命令、启动ADC转换命令、查询ADC转换是否结束、读取ADC转换数据等A/D转换器方面的命令，以及发送DAC转换数据、启动DAC转换器等。

（1）ADC通道选择

在对模拟信号进行数据采集时，首先必须选择转换的模拟信号通道，通道地址由数据总线的D3～D0编码提供，它经过4D数据锁存器74LS175进行锁存后，送到AD7506多路转换开关的A3～A0进行通道选择，其控制程序如下：

选择通道后，模拟信号通过AD7506模拟开关送入采样/保持器AD582的输入端IN，由于ADC574A未启动，因此转换结束信号STS=0，使AD582的+LogicIN=0，AD582处于采样状态，保持电容C_H的充电电压随模拟信号变化。

（2）启动ADC转换器

进行A/D转换时，需要由主机发送ADC启动信号。在的情况下，AD574A的启动信号由控制，当时启动ADC574A，控制程序如下：

在A/D转换期间，STS=1控制AD582处于保持状态，这时C_H上的电压就是模拟电压的输入电压。

（3）读取ADC数据

当ADC转换结束，STS=0使AD582处于采样状态，为下一次A/D转换作准备，同时把ADC574A转换后的数字量送入74LS373锁存器，STS=0信号通过74LS125芯片送入数据总线，供读取数据时的查询用。数据读取程序如下：

（4）DAC控制

数据采集板是构成虚拟仪器的重要接口板，ADC可以实现虚拟示波器、虚拟电压表、虚拟温度仪等模拟量的测量设备，而DAC可构成虚拟信号发生器、虚拟控制信号发生器等。目前，数据采集接口板有基于ISA总线、STD总线、PCI总线的各种类型，在实际应用中可根据自己的需要选择相应的接口类型。