DXP课程设计报告 数据采集卡

一、数据采集卡设计的功能要求：

设计一块三通道的数据采集卡，该数据采集卡可以把外部速度、加速度或压力等传感器输出的电量信号转换成电压信号，并且采集储存到相应的三片数据存储器中，该数据采集卡留有与PC机通信的串行接口，PC可以通过串行口把储存在数据存储器中的数据读入到PC机中。

二、数据采集卡原理设计：

根据功能要求考虑数据采集卡系统设计方案，设计出系统原理图，并进行参数计算和原件器件算则，并且说明电路的工作原理。

Ⅰ.数据采集卡理论定义：

数据采集卡就是把模拟信号转换成数字信号的设备。

Ⅱ.数据采集卡数据采集原理：

利用数字信号处理（Digital Signal Processing,简称：DSP）中，将连续信号进行采样，得到一串离散的模拟信号，经过A/D,D/A，计算机（PC机）处理，得到最终结果。

举例：现在对一个模拟信号 x(t) 每隔Δ t 时间采样一次。时间间隔Δ t 被称为采样间隔或者采样周期。它的倒数 1/ Δ t 被称为采样频率，单位是采样数 / 每秒。 t=0, Δ t ,2 Δ t ,3 Δ t …… 等等， x(t) 的数值就被称为采样值。所有 x(0),x( Δ t),x(2 Δ t ) 都是采样值。这样信号 x(t) 可以用

一组分散的采样值来表示：下图显示了一个模拟信号和它采样后的采样值。采样间隔是Δt ，注意，采样点在时域上是分散的。

图 1 模拟信号和采样显示

如果对信号 x(t) 采集 N 个采样点，那么 x(t) 就可以用下面这个数列表

示：

这个数列被称为信号 x(t) 的数字化显示或者采样显示。注意这个数列中仅仅用下标变量编制索引，而不含有任何关于采样率（或Δt ）的信息。所以如果只知道该信号的采样值，并不能知道它的采样率，缺少了时间尺度，也不可能知道信号 x(t) 的频率。

根据采样定理，最低采样频率必须是信号频率的两倍。反过来说，如果给定了采样频率，那么能够正确显示信号而不发生畸变的最大频率叫做恩奎斯特频率，它是采样频率的一半。如果信号中包含频率高于奈奎斯特频率的成分，信号将在直流和恩奎斯特频率之间畸变。图２显示了一个信号分别用合适的采样率和过低的采样率进行采样的结果。

采样率过低的结果是还原的信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（ alias ）。出现的混频偏差（ alias frequency ）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。

图 2 不同采样率的采样结果

图３给出了一个例子。假设采样频率 fs 是 100HZ, ，信号中含有 25 、70 、 160 、和 510 Hz 的成分。

图３说明混叠的例子

采样的结果将会是低于奈奎斯特频率（fs/2=50 Hz ）的信号可以被正确采样。而频率高于50HZ 的信号成分采样时会发生畸变。分别产生了30 、40 和10 Hz 的畸变频率F2 、F3 和F4 。计算混频偏差的公式是：

混频偏差＝ ABS （采样频率的最近整数倍－输入频率）

其中 ABS 表示“绝对值”，例如：

混频偏差 F2 =|100 – 70| = 30 Hz

混频偏差F3 = |(2)100 – 160| = 40 Hz

混频偏差F4 = |(5)100 – 510| = 10 Hz

为了避免这种情况的发生，通常在信号被采集（A/D ）之前，经过一个低通滤波器，将信号中高于奈奎斯特频率的信号成分滤去。在图3的例子中，这个滤波器的截止频率自然是25HZ 。这个滤波器称为抗混叠滤波器

采样频率应当怎样设置呢？也许你可能会首先考虑用采集卡支持的最大频率。但是，较长时间使用很高的采样率可能会导致没有足够的内存或者硬盘存储数据太慢。理论上设置采样频率为被采集信号最高频率成分的2倍就够了，实际上工程中选用5～10倍，有时为了较好地还原波形，甚至更高一些。

通常，信号采集后都要去做适当的信号处理，例如FFT 等。这里对样本数又有一个要求，一般不能只提供一个信号周期的数据样本，希望有5～10个周期，甚至更多的样本。并且希望所提供的样本总数是整周期个数的。这里又发生一个困难，有时我们并不知道，或不确切知道被采信号的频率，因此不但采样率不一定是信号频率的整倍数，也不能保证提供整周期数的样本。我们所有的仅仅是一个时间序列的离散的函数x(n) 和采样频率。这是我们测量与分析的唯一依据。

Ⅲ.数据采集卡设计元件初始清单：

元件名称元件个数

序列元件名称元件个数序

列

1 电阻16 5 ADC0820芯片 1

2 电容14 6 74LS373芯片 1

3 放大器 3 7 74LS139芯片 1

4 87C51单片

1 8 DS1248Y芯片 3

机

三、数据采集卡电气CAD设计：

⑴数据采集卡原理图：

※备注：绘制原理图时，为了美观等方面考虑，使用大量的网络标号，省略了许多线路与总线。

⑵数据采集卡工作原理分部说明：

①U11、C4、R1等器件构成第一通道的电荷放大，如图3-2-1所示：

图3-2-1

②U12、C5、R6等器件构成了第二通道的电荷放大器，如图3-2-1所示：

图3-2-1

③U13、C3、R15等器件构成第三通道的电荷放大器，如图3-2-1所示：

※电荷放大器作用说明：电荷放大器的作用就是把外部传感器的电量信号转变成电压信号。

④信号的数据转换，如图3-2-1所示：

图3-2-1

信号经过1、2、3通道放大后再经过多路选择开关4051后分别进入A/D转换单元ADC0820芯片进行数据转换。

⑤单片机数据传送单元，如图3-2-1所示：