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AD7713 80
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MTBF 195
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MTBF 204
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TVS 299
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