一、论述高速数据采集系统的电磁兼容性（EMC）设计。
主要考虑因素：射频干扰问题，差模辐射，共模辐射，电源去耦，连线端接，接地技术，模拟/数字混合系统，PCB设计。可能产生的影响、问题解决方法、注意事项等。
答：电磁兼容（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁骚扰的能力。EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁骚扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁骚扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性(Electromagnetic Susceptibility，即EMS)。换句话说，即设备不会由于受到同一电磁环境中其他设备的电磁干扰而导致不允许的性能降低或失效；同时，设备也不会使同一电磁环境中其他设备因受其电磁干扰而导致不允许的性能降低或失效。 以下是从不同角度对电磁兼容性的讨论：
1.射频干扰就是电磁波所带来的干扰.防止射频干扰最佳的方法是保证层间布线尽量短，避免产生额外的谐振回路。短的连线能减小电感阻抗、缩短信号传输延时。
2.差模辐射：应减小电流幅度I，减小信号频率及其谐波，加大数字信号上升/下降沿 tr，减小环面积S ，将信号线紧挨接地线。
3.共模辐射：共模电流会产生很强的辐射，对周围的电路形成辐射性干扰，尽量减小激励此天线的源电压，即地电位；提供与电缆串联的高共模阻抗，即加共模扼流圈;；将共模电流旁路到地。
4.电源去耦：一个电路的各个单元共用同一电源供电，为了防止各单元之间的耦合，需加去耦电路。造成耦合的原因有：数字电路——在电平翻转时的瞬间会有较大的电流，且会在供电线路上产生自感电压。功率放大电路——因电流较大，此电流流过电源的内阻和公共地和电源线路时产 生电压，使得电源电压有波动。高频电路——电路中有高频部分因辐射和耦合在电源上产生干扰。应设计较小的电流回路具有更低辐射。
5.接地技术：数字和模拟地要采用单点星形连接且靠近电源。 6.对于模拟/数字混合系统，主要措施有抑制地线干扰，总原则是数字电路与模拟电路分开接地，对微弱模拟量电路实行全面覆盖的电磁屏蔽，采用直流隔离措施。
7.PCB设计：PCB板设计的开始阶段就是层的设置，层设置不合理可能产生诸多的噪声而形成电磁干扰和自身的EMC问题，所以合理的层布局对电磁兼容性而言是十分重要的。PCB板层由电源层、地线层和信号层组成。层的选择、层的相对位置以及电源、地平面的分割、PCB板的布线、信号质量、接口电路的处理等都对PCB板的EMC指标起着至关重要的作用,也直接影响到整台电子产品的电磁兼容性。根据电源、地的种类、信号线的密集程度、信号频率、特殊布线要求的信号数量、周边要素、成本价格等方面的综合因素来确定PCB板的层数。要满足EMC的严格指标并且考虑制造成本,适当增加地平面是PCB的EMC设计最好的方法之一。对电源层而言,一般通过内电层分割能满足多种电源的需要,但若需要多种电源供电,且互相交错,则必须考虑采用两层或两层以上的电源平面。对信号层而言,除了考虑信号线的走线密集度外,从EMC的角度,还需要考虑关键信号(如时钟、复位信号等)的屏蔽或隔离,以此确定是否增加相应层数。对PCB板进行空间分割的目的是为了降低PCB上不同类型的元器件之间互相干扰。空间分割的实施方法就是对元器件进行分组,可以根据电源电压高低、数字器件或模拟器件、高速器件或低速器件以及电流大小等特点,对电路板上的不同电气单元进行功能分组,每个功能组的元器件彼此被紧凑地放置在一起以便得到最短的线路长度和最佳的功能特性。高压、大功率器件时,与低压、小功率器件应保持一定间距,尽量分开布线。
三、选择一种专用的A/D转换器，介绍其机构、特点、应用场合、工作原理、基本工作模式、时序以及微机数据采集接口电路，设计应用实例与问题。
答：积分式A/D：ICL7135，它是4位双积分A/D转换芯片，以转换输出±20000个数字量，STB选通控制的BCD码输出，微机接口十分方便。
特点：ICL7135具有精度高(相当于14位A/D转换)，格低的优点.其转换速度与时钟频率相关,每个转换周期均有:自校准(调零),正向积分(被测模拟电压积分),反向积分(基准电压积分)和过零检测四个阶段组成,其中自校准时间为10001个脉冲,正向积分时间为10000个脉冲,反向积分直至电压到零为止(最大不超过20001个脉冲)。故设计者可以采用从正向积分开始计数脉冲个数,到反向积分为零时停止计数。将计数的脉冲个数减10000,即得到对应的模拟量。ICL7135为DIP28封装,芯片引脚排列如图1所示：
图1 ICL7135引脚
ICL7135引脚功能及含义如下： 与供电及电源相关的引脚(共7脚)：
① -V:ICL7135负电源引入端,典型值-5V,极限值-9V； ② +V:ICL7135正电源引入端,典型值+5V,极限值+6V； ③ DGND:数字地,ICL7135正,负电源的低电平基准；
④ REF:参考电压输入,REF的地为AGND引脚,典型值1V,输出数字量=10000ms；(VIN/VREF) ⑤ AC:模拟地,典型应用中,与DGND(数字地)“一点接地”； ⑥ INHI:模拟输入正；
⑦ INLO:模拟输入负,当模拟信号输入为单端对地时,直接与AC相连。
与控制和状态相关的引脚 (共12脚)：
① CLKIN:时钟信号输入.当T=80ms时,fcp=125kHz,对50Hz工频干扰有较大抑制能力,此时转换速度为3次/s.极限值fcp=1MHz时,转换速度为25次/s；
② REFC+:外接参考电容正,典型值1μF；
③ REFC-:外接参考电容负；
④ BUFFO:缓冲放大器输出端,典型外接积分电阻； ⑤ INTO:积分器输出端,典型外接积分电容； ⑥ AZIN:自校零端；
⑦ LOW: 欠量程信号输出端,当输入信号小于量程范围的10%时,该端输出高电平； ⑧ HIGH:过量程信号输出端,当输入信号超过计数范围(20001)时,该端输出高电平；
⑨ STOR:数据输出选通信号(负脉冲),宽度为时钟脉冲宽度的一半,每次A/D转换结束时,该端输出5个负脉冲,分别选通由高到低的BCD码数据(5位),该端用于将转换结果打到并行I/O接口；
⑩ R/H:自动转换/停顿控制输入.当输入高电平时;每隔40002个时钟脉冲自动启动下一次转换;当输入为低电平时,转换结束后需输入一个大于300ns的正脉冲,才能启动下一次转换；
11 POL:极性信号输出,高电平表示极性为正；
12 BUSY:忙信号输出,高电平有效.正向积分开始时自动变高,反向积分结束时自动变低。
与选通和数据输出相关的引脚(共9脚)：
① B8～B1:BCD码输出.B8为高位,对应BCD码； ② D5:万位选通；
③ D4～D1:千,百,十,个位选通。 时序图如图2：
图2 时序图
硬件接口电路：ICL7135仅通过两根I/O线与AT89C52相接, 仅占用AT89C52的T1、T2两个计数器及外部中断INT1。
图3 硬件电路图
工作原理：AT89C52的T2计数器通过编程设置工作于方波产生器模式时, P1. 0管脚输出连续方波信号。该信号一方面接至ICL7135的时钟输入管脚,为ICL7135提供时钟信号, 另一方面接至AT89C52的T1计数器的计数输入端, 以便对ICL7135时钟周期进行计数。根据前面的时序分析, 当模拟信号Vin接至ICL7135的模拟信号输入端, 启动ICL7135进行A/ D转换时, 1个完整的A/ D转换过程需要经历3个阶段:即AZ、SI、RI 阶段。只要控制T1 计数器仅在ICL7135的管脚为高电平时计数, 那么T1计数器在此段时间里所计的数减去10001, 就是模拟信号Vin经A/ D转换后所对应的数字码。BUSY信号接至AT89C52的外部中断INT1, 通过编程设置T1计数器工作于方式1、对外部脉冲计数、设置GATE使T1计数受INT1控制, 就实现了T1计数器仅在ICL7135的管脚为高电平时进行计数。BUSY信号接至AT89C52的外部中断INT1的另一个意图是: 当BUSY信号由高电平跳变为低电平瞬间, 以中断形式通知CPU, 以读出A/ D转换后的数字码。
应用实例：ICL7135与MCS51连接：
图4 ICL7135与MCS51连接
设MCS-51的外接晶振fosc=6MHz,则ALE输出约为1MHz,将ALE信号输入CD4040的CLK引脚.CD4040是由12个T型触发器组成的串行二进制计数器/分频器,有12个分频输出端,Q1～Q12,最大分频系数为212=4096,由于CD4040的所有输入,输出端都设有缓冲器,所以有较好的噪声容
限.CD4040的Q2输出是对ALE进行了22=4分频,故输入ICL7135的时钟为1MHz/4=250kHz,可得TCP=1/250ms=0.004ms,由于一次转换最多需(10001+10000+20001)=
40002个脉冲,故转换一次需0.004ms*40002≈160ms,因此ICL7135的转换速度为6.25次/s.选择这一频率,以牺牲ICL7135抗工频干扰为代价,使MCS-51的16位计数器能一次计数A/D转换的CP脉冲数。在满电压输入时,BUSY宽度为正向积分10000个CP脉冲,反向积分20001个CP脉冲(总计30001个CP脉冲)。
四、自选元器件，设计一台5 1/2位数字多用表，要求测量：直流电压、电流、交流电压、电流、电阻、电感、电容、温度（–20 — +150℃）。
答：数字多用表是目前应用最广泛发展最快的常规仪器随着科学技术的发展对数字多用表的不确定度和功能要求越来越高特别是现代控制中的自动测试系统逐渐普遍可程控的数字多用表是各类自动测试系统中必备的部件目前5 1/2位数字多用表正在逐渐替换4 1/2位数字多用表的位置5 1/2位数字多用表市场有很大空间。
数字多用表硬件电路结构如图 1所示分为内层模拟电路部分和外层数字电路部分.内层模拟电路部分由量程转换及自校准电路电流电压 （A/V）转换，频率信号整形分频电路，电阻电压转换，DC/AC缓冲器，量程放大电路，交流真有效值（AC/RMS）转换，模数转换器，浮置电源等組成，外层数字部分由SOC单片机组成的微控制器，键盘，显示器，RS232C组成。
1.内层电路分析
1.1模数（ADC）转换器及其数学模型
本设计中采用了HARRIS公司的 HI7159A模数转换器HI7159A是內含微处理机，采用多重积分转换，BCD码输出的仪表专用芯片。它采用积分转换摸式 ，具有较強的抗干扰能力。
数据采集与处理作业doc课案
