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第一篇 原理设计3

第一章 模拟数字转换基本理论3

1.1 概述3

1.1.1 信号类型3

1.1.2 模数转换的必要性3

1.1.3 模数转换电路的基本构成4

1.1.4 模数转换器的发展趋势5

1.2 模数转换的基本理论5

1.2.1 采样过程5

1.2.2 采样定律与滤波器6

1.2.3 采样／保持器7

1.2.4 模拟开关和多路切换器9

1.2.5 量化与量化噪声11

1.3.1 数模（D/A）转换器基本原理14

1.3 逐次比较型模／数转换的基本原理14

1.3.2 逐次比较型模数转换器的基本原理15

1.3.3 逐次比较型A/D转换器的特点17

1.4 双积分型模／数转换器17

1.4.1 双积分型模／数转换的基本原理17

1.4.2 双积分型模数转换器的主要特点19

1.5 ∑-△型模／数转换的基本原理19

1.5.1 ∑-△型模数变换基本工作过程19

1.5.2 过采样20

1.5.3 ∑-△型A/D转换器的信噪比21

1.5.4 抽取滤波器26

1.5.5 ∑-△型A/D转换器的主要特点26

1.6 其他类型的模／数转换26

1.6.1 V/F型模数转换器原理26

1.6.2 流水线型A/D转换器29

1.6.3 算术型A/D转换器31

1.6.4 并行A/D转换器32

1.6.5 串／并行A/D转换器34

1.7 A/D转换器的主要技术参数及性能分析35

1.7.1 A/D转换器的主要技术参数35

1.7.2 模数转换器的静态特性分析37

1.7.3 动态特性分析42

1.7.4 模数转换器的接口特性42

1.7.5 几种A/D转换器的性能比较43

第二章 高精度数据采集模拟通道的设计45

2.1 概述45

2.1.1 数据采集系统的定义45

2.1.2 高精度数据采集系统的主要特点45

2.1.3 高精度数据采集系统设计的基本要点46

2.1.4 高精度数据采集系统实现的基本方案及设计思路47

2.2 信号调节及类型转换49

2.3 低通滤波50

2.3.2 无源LC低通滤波器51

2.3.1 无源RC低通滤波器51

2.3.3 有源低通滤波器52

2.4 多路转换开关设计53

2.4.1 多路转换开关的主要技术要求53

2.4.2 常用模拟电子开关简介54

2.4.3 机械触点式开关56

2.5 信号调节及程控放大57

2.5.1 信号调节的必要性57

2.5.2 程控放大器的构成58

第三章 模／数转换电路设计63

3.1 模数转换电路设计的几个相关问题63

3.1.1 技术指标63

3.1.2 电压基准源选择64

3.1.3 外围电路元器件选择67

3.2.1 ICL7135芯片简介69

3.2 4位半双积分型AD芯片ICL7135应用技术69

3.2.2 ICL7135芯片的接口控制70

3.2.3 接口举例71

3.2.4 使用注意事项72

3.3 ∑-△型模数转换器AD7703芯片介绍73

3.3.1 AD7703的主要特点73

3.3.2 AD7703模数芯片的主要构成及引脚定义73

3.3.3 AD7703模数器使用要点74

3.3.4 AD7703与单片机接口时序76

3.3.5 AD7703与CPU的几种接口方式77

3.3.6 使用注意事项79

3.4 24位分辨率的∑-△型模数转换器AD771380

3.4.1 AD7713的基本特点及引脚定义80

3.4.2 AD7713内部控制字的设定82

3.4.3 AD7713的基本连接电路84

3.4.4 AD7713的两种工作方式简介85

3.4.5 AD7713与CPU的接口88

3.4.6 注意事项91

3.5 LTC2440芯片应用简介91

3.5.1 主要性能特点简介91

3.5.2 引脚定义及内部功能框图92

3.5.3 接口技术及应用93

3.6 V/F转换器VFC32应用简介97

3.6.1 VFC32芯片概述97

3.6.2 VFC32工作原理及其应用98

第四章 数据采集系统的控制单元设计102

4.1 单片机概述102

4.1.1 单片机的发展简介102

4.2 标准8051内核8位单片机简介104

4.2.1 标准8051单片机外部引脚及内部结构104

4.2.2 标准8051单片机指令系统108

4.2.3 MCS-51系列单片机的应用111

4.3 8位单片机应用系统接口能力的扩展115

4.3.1 系统寻址能力的扩展116

4.3.2 I/O口的扩展117

4.3.3 显示器接口技术119

4.3.4 键盘接口技术125

4.4 数据采集系统的数据存储区设计132

4.4.1 存储器硬件设计的一般考虑132

4.4.2 几种存储器的工作原理简介133

4.4.3 常用数据存储器芯片应用举例137

4.5 系统日历时钟设计145

4.5.1 软件时钟的实现145

4.5.2 硬件时钟的实现147

4.6.1 电源电路概述154

4.6 数据采集系统的电源电路设计154

4.6.2 电源电路的基本工作原理及应用简介156

第五章 高性能SOC芯片的应用开发160

5.1 C8051FXXX系列单片机特点及开发环境简介160

5.1.1 C8051FXXX系列单片机的主要特点160

5.1.2 C8051FXXX单片机开发环境164

5.2 C8051F02X单片机外部引脚与内部结构原理简介166

5.2.1 C8051F02X单片机的外部引脚166

5.2.2 C8051F020单片机内部结构167

5.3 C8051F02X单片机的特殊功能寄存器及基本操作171

5.3.1 C8051F02X系列单片机的特殊功能寄存器171

5.3.2 中断源及其管理问题173

5.3.3 系统复位操作174

5.3.4 系统时钟及振荡问题175

5.3.5 看门狗功能178

5.3.6 系统资源配置问题179

5.3.7 存储器操作问题184

5.4.1 MSC1210简介187

5.4 MSC1210单片机应用简介187

5.4.2 与A/D相关的几个特殊功能寄存器描述及系统初始化问题188

5.4.3 使用注意事项191

5.4.4 用MSC121X单片机实现高精度数据采集的程序开发流程193

第六章 数据采集系统的可靠性设计技术194

6.1 可靠性设计基本概念194

6.1.1 可靠度R（t）194

6.1.2 失效率λ（t）194

6.1.3 平均无故障时间MTBF195

6.2 数据采集系统可靠性设计的基本技术措施195

6.2.1 常用元器件的选择及工作状态195

6.2.2 采用系统隔离技术提高系统抗干扰能力198

6.2.3 利用软件设计技术提高系统可靠性203

6.3.1 利用元器件的失效率来估算系统的MTBF204

6.3 数据采集系统可靠性技术指标的估算204

6.3.2 系统MTBF的试验测试方法205

6.3.3 DSC-2系列数采器的MTBF估算206

第七章 数据采集系统的通信功能设计207

7.1 数据通信及组网的基本概念207

7.1.1 数据通信的必要性207

7.1.2 数据通信的基本要素207

7.1.3 数据通信基本方式简介208

7.1.4 通信组网的基本概念209

7.2 RS-232接口通信原理211

7.2.1 RS-232接口概述211

7.2.2 异步通信传输格式212

7.2.3 错误检测213

7.2.4 接口信号定义215

7.2.5 RS-232口9芯、25芯及15芯引脚定义及相互间转换216

7.2.6 电平转换219

7.2.7 远程通信220

7.2.8 通信协议222

7.3 支持TCP/IP协议的通信接口及组网设计222

7.3.1 以太网通信结构222

7.3.2 RJ45接口信号定义223

7.3.3 TCP/IP协议简介224

第二篇 研发实践243

第八章 地震前兆公用数据采集器的硬件设计举例243

8.1 概述243

8.1.1 地震前兆观测要求的特殊性243

8.1.2 地震前兆数据采集器的指标与功能要求244

8.2 DSC-2A型地震前兆公用数据采集器控制电路分析247

8.2.1 控制电路基本功能框图248

8.2.2 系统总线设计248

8.2.3 译码电路设计250

8.2.4 地震前兆数据采集器中存储电路设计251

8.3 模拟量测量通道253

8.3.1 低通滤波器电路设计253

8.3.2 多路转换电路设计254

8.3.3 程控放大器电路设计254

8.3.4 A/D转换电路设计256

8.3.5 AD7703与单片机接口设计258

8.3.6 模拟量测量基本流程258

第九章 地震前兆公用数据采集器系统监控软件设计261

9.1 监控软件的总体设计261

9.1.1 系统监控软件的自适应功能及其实现261

9.1.2 系统监控软件的总体结构262

9.2 系统初始化263

9.2.1 系统初始化的主要内容263

9.2.2 部分初始化程序编写264

9.3.1 数据采集启动子程序框图270

9.3 数据采集处理软件设计框图270

9.3.2 ADC中断服务子程序271

9.3.3 量程切换子程序272

9.3.4 串口发送、接收服务子程序框图272

9.3.5 通信命令服务子程序框图273

9.4 数据结构及数据存储管理软件设计275

9.4.1 DSC2系列地震前兆数据采集器的数据存储格式275

9.4.2 数据存储及处理主要子程序结构设计277

第十章 网络化仪器的通信功能与组网技术280

10.1 地震前兆通信协议280

10.1.1 地震前兆通信协议的常用命令字280

10.2 地震前兆观测技术系统的组网技术284

10.2.1 地震前兆台网结构284

10.2.2 地震前兆台站组网技术285

10.3.1 网络化地震前兆仪器监控软件设计要求288

10.3 网络化地震前兆仪器的通信控制软件设计288

10.3.2 网络化地震前兆仪器对接口协议的支持能力及网络接口界面设计289

第十一章 数据采集系统的安全保护技术297

11.1 常用安全保护元器件简介297

11.1.1 压敏电阻297

11.1.2 瞬态二极管TVS299

11.1.3 自恢复保险管301

11.2 地震前兆数据采集器中采用的几种保护措施302

11.2.1 数据采集器的直流供电安全保护设计302

11.2.2 数据采集器的信号输入端的保护303

11.2.3 通信线路的保护设计303

第十二章 地震前兆数据采集器故障分析与维护305

12.1 数据采集系统故障判别的一般方法305

12.1.1 一般步骤305

12.2.1 地震前兆台站观测技术系统结构306

12.2 系统简化法及其在地震前兆观测技术系统中的应用306

12.1.2 数据采集系统故障分析处理的常用工具306

12.2.2 利用系统简化法处理地震前兆集成系统故障举例310

12.2.3 直观判别法和替换法313

12.2.4 利用数字万用表判别数据采集器电路故障313

12.2.5 信号跟踪法317

12.3 地震前兆数据采集器常见故障现象的分析及处理321

12.3.1 地震前兆数据采集器结构、布局及主要工作流程321

12.4 常见故障现象的分析及处理324

12.4.1 状态指示灯一直不闪烁324

12.4.2 状态指示灯闪烁，但不能进行数据通信324

12.4.3 刚开机时正常，延时一段时间后数据采集器死机325

12.4.4 接通电源瞬间状态指示灯闪亮一下，紧接着保持状态不变325

12.4.5 数据通信不正常325

12.4.6 采集的数据不正常326

12.5.1 几种常见外部干扰源分析328

12.4.7 电源电路故障的几种表现现象及处理办法328

12.5 引起地震前兆数据采集器产生故障的外部因素328

12.5.2 地震前兆数据采集器的外部连接通路330

12.5.3 由模拟信号输入通路引入干扰的分析处理330

12.5.4 由通信接口通路引入干扰的分析处理331

12.5.5 由供电通路引入干扰的分析处理331

12.6 DSC-2系列数据采集系统的典型故障综合分析举例333

12.6.1 山东长清台典型故障分析333

12.6.2 江苏徐州台典型故障分析334

12.7 地震前兆数据采集系统的运行维护335

12.7.1 数据采集系统的实验室标定335

12.7.2 数据采集系统的现场检测问题338

12.7.3 数据采集系统使用注意事项338

主要参考资料340

附图说明341