现代测量技术与误差分析报告

现代测量技术与误差分析（作业）摘要：本文根据作业要求设计数据采集及输出控制电路，经过分析选用常用的8位处理器89C51作为处理器。由于设计任务要求采集两路压力传感器信号，并且输出端同样要求控制两路电机，而设计要求的ADC和DAC芯片仅提供单路，因此需要加上多路控制开关，实现分时采集及控制，以减小设计成本。另外本设计增加滤波放大电路等提高实验精度。1. 实验任务及要求输入端：两个通道1、压力传感器的量程：0100Kg;2、传感器灵敏度：0.01Kg;3、传感器分辨率：0.01 Kg;4、传感器信号输出频率：1000Hz;5、测试系统工作量程：050Kg;6、测试过程中具有高频扰动；7、测试系统工作温度范围：4060 。8、传感器输出采用电流输出：4-20mA标准电流输出输出端：两个通道 9、电机所需驱动电压：10V10V; 10、电机所需驱动电流：100mA;11、测试系统工作温度范围：4060 ；要求： 1、设计完整的数据采集及输出控制电路，ADC采用AD976；DAC采用AD669 2、各通道测控周期5ms; 3、详细说明采集电路的设计依据； 4、CPU可不指定型号，采集电路与CPU的接口由示意图形式表示； 5、给出采集电路所有用到的元器件的具体型号、参数，主要考虑的指标； 6、提供主要元器件的说明书； 7、给出ADC、DAC的驱动程序。2.总体设计本设计任务要求有信号采集和输出控制两部分。其中数据采集传感器输出信号为带有高频噪声干扰的420mA的电流信号。图1 总体设计框图3.数据采集电路根据实验任务要求，需要采集两路压力传感器输出的电流信号，同时采集的信号带有高频噪声干扰。根据设计需要，应对传感器输出的电流信号就行信号调理放大滤波等操作，然后进行AD转换存进CPU中。1. 信号调理模块设计要求采集两路压力传感器输出的电流信号，而所提供的的AD976芯片只提供单通道输入，为节约设计成本，在满足设计任务要求的情况下采用多路模拟开关CD4066控制输入和输出的选择。CD4066 是一种双向模拟开关，在集成电路内有个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通端（又称控制端），当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。使用时选通端是不允许悬空的。图2 CD4066引脚接线通过四路控制信号控制四路开关的导通与否，该设计数据采集部分需要两路通道，选择SWA,SWB用于数据采集，两路传感器输出信号分别接至1、4引脚，2、3引脚相连接至后续处理电路，通过CONTROL A,CONTROL B引脚控制采集哪路信号。剩余两路控制开关SWC,SWD可用于输出控制模块。根据提供的信息，传感器信号输出频率：1000Hz，且测试过程中存在高频噪声干扰，因此需要对传感器采集到的信号进行低通滤波，截止频率为1000Hz。此外，压力传感器的量程：0100Kg;而测试系统工作量程：050Kg，为了充分利用AD转换器的转换量程，提高转换精度，需要将传感器输出信号放大两倍。因此本设计需要设计一个低通滤波电路，截止频率fc=1KHz,通带电压放大倍数Auo=2，设计电路如图3所示。图3 低通滤波及放大电路传输函数为AuS=Auoc2s2+cQ*s+c2 (1)通带内电压放大倍数 Auo=1+R4R3 (2)其中c为滤波器的截止角频率c=2*fc (3)fc为通带截止频率，Q为品质因数，同时为了减小输入偏置电流及其漂移对电路的影响，应使R1+R2=R3/R4 (4)我们取品质因数Q=0.707，截止频率fc=1kHz，C1=0.01F，电压放大倍数为Auo=2,可计算求得R1=5.63k，R2=11.25k，R3=R4=33.76k，C1=C2=0.01F。信号经过滤波放大后输出的为420mA的电流信号，需要将其转换成电压信号以便后续处理。在该模块我们直接采用ISO EM系列直流（电压/电流）信号隔离放大器，型号为ISO EM-A4-P1-O10，信号输入：4-20mA ；信号输出：0-10V；辅助电源：24V。结构如图4所示：图4 电流/电压转换芯片2 AD转换模块压力传感器输出信号经过调理滤波放大并转换成0-10V的电压信号，需要进行AD转换送到处理器中进行数据处理，根据设计要求采用AD976模块。AD976/AD976A为16位逐次逼近式ADC ，AD976/AD976A与8位和12位的AD转换器相比16位ADC在精度要求较高的场合更能符合设计要求。AD976/AD976A是美国模拟器件Analog Device公司推出的一款16位高精度、高速、低功耗ADC。采用逐次逼近式工作原理单一+5V供电；单通道输入；输入电压范围+/-10V；采样速率为100KSPS,足够满足设计要求的测控周期要求。此芯片满幅为4 VREF(VREF=2.5V)时,10V范围输入。传输特性如下：输入量+FSR - 1LSB 输出量 7FFF Midscale + 1LSB 0001 Midscale 0000 Midscale - 1LSB 0001 -FSR + 1LSB 8001 -FSR 8000AD976 有两种转换模式, 第一种转换模式中, CS引脚固定为低电平, 转换时序由R/C 信号的负跳变控制, 该信号脉冲宽度至少应为50nS。当R/C 变为低电平并延迟t3后, BUSY 信号将变为低电平直到转换完成。转换结束后, 移位寄存器中的数据将被新的二进制补码数据所更新。该模式下的采样速率可由R/C 信号的负脉冲间隔来决定。第二种转换模式通过CS信号来控制转换及输出数据的读出过程。在这一模式中, R/C 信号的下降沿必须比CS脉冲( 脉冲宽宽40ns) 至少提前10nS 送到模数转换器的输入引脚, 一旦这两个负脉冲到来, 并延迟t3后,BUSY 信号将变为低电平直到转换完成, 同时将在最多8uS( 100kSPS 时) 后将BUSY 信号返回高电平, 这时, 转换结果在D0 D15 上的数据有效。我们采用模式2进行AD转换。AD976AD976A 要开始一次转换首先需要将/CS信号置低，之后RC信号的下降沿使得内部采样保持单元进入保持状态并开始一次转换，信号在开始一次转换时变为低，且在转换结束前保持为低。/BUSY信号变高时说明转换已经结束，的上升沿可以用来锁存输出数据。此时，将RC置高，即可把转换结果输出到数据总线上，数据有效可用。BYTE为低时高八位从D15D8输出，低八位从D7D0输出，为高时相反；高八位从D7DO输出，低八位从D15D8输出。本实验设计采用AT89C51单片机作为CPU，为节约成本减少端口扩展芯片的使用，仅采用P0口作为数据的输出。因此本设计将单片机的P0口接至AD976的D7-D0端口，通过控制BYTE位的高低，控制先采集高8位数据，再采集低8位数据，再将两组数据组合成16位数据。数据采集模块的总体设计如图5所示：图5 数据采集模块设计单片机通过P15，P16口控制采集信号属于哪一路通道，正常工作情况下，只允许一路通道打开，采集完成后需将对应引脚置零，P1.0引脚用于接收AD976的反馈信号，当该引脚收到低电平信号，表示AD转换结束，单片机片通过P0口接收数据，P2.0引脚连接至AD芯片的BETY端，控制接收的是高8位数据还是低8位数据。4输出控制电路单片机输出数字信号，经过DA转换成模拟信号后经过电压放大等操作后驱动后续电路，而本实验要求电机所需驱动电压：10V10V，而DA模块AD669输出电压可以选择为10V10V，刚好满足电机驱动。AD669是一款完整的16位单芯片数模转换器，内置一个片内基准电压源和输出放大器。它采用ADI公司BiMOS II工艺制造，可以在同一芯片上实现高精度双极性线性电路与低功耗CMOS逻辑功能。AD669芯片内置电流开关、解码逻辑、一个输出放大器、一个嵌入式齐纳基准电压源以及多个双缓冲锁存器。该器件的架构可在整个温度范围内确保15位单调性。积分非线性保持在0.003%，微分非线性最大值为0.003%。片内输出放大器可以使电压输出在10 s达到1/2 LSB以内的精度（满量程步进）。数据以并行16位格式载入AD669。双缓冲锁存结构不仅可以消除数据偏斜误差，还能够在多DAC系统中同时更新各DAC。三个TTL/LSTTL/5 V CMOS兼容型信号控制下列锁存：CS、L1和LDAC。AD669的输出范围通过引脚编程，可以设置为0 V至10 V单极性输出范围或-10 V至+10 V双极性输出范围，采用28引脚密封cerdip封装。由于AD669需要16位输出，为此我们增加一个8位的数据锁存器74LS373，先通过P0口输出低8位放在锁存器中在输出高8位同时打开锁存器输出，16位信号送至AD669模块中进行DA转换。电路图如图6所示：图6 输出控制电路5ADC、DAC的驱动程序数据采集模块驱动程序：#include #include SbitIN976=P1.0;/用于判断是否转换结束Sbit T0=P1.5;/转换第1路通道Sbit T1=P1.6;/转换第2路通道#define HDATA XBYTE0x7E00/数据高8位读取地址#define LDATA XBYTE0x7F00/数据低8位读取地址#define ADCOM XBYTE0x7F00/开始转换控制字int READ AD976(void) int ad; T0=1;T1=0;/获取第1路压力传感器输出信号Unsigned char hdata,ldata; ADCOM=0;/开始转换while(!IN976);/当转换结束hdata=HDATA;/保存高8位数据ldata=LDATA;/保存低8位数据 ad=(hdata8)+ldata;/转换成16位数据 return(ad);输出控制电路DAC驱动程序：#include #include #define DAC669 XBYTE0Xbf00/DA转换地址Sbit clock P1.7/控制锁存inthdata,ldata;/高低8位数据int WRITE AD669(int HDATA, int LDATA) P0=HDATA;/高8位数据送到P0口 CLOCK=1;/74LS373锁存高八位数据，并送到AD668高八位 DAC669=LDATA;/送低八位数据并开始转换参考文献1 张国雄.测控电路（第三版）.北京：机械工业出版社，2007.2 顾振国.数据采集器技术的发展动态J. 中国设备管理. 1994(03)3 苗大龙,李果,张广明等.基于AT89C51RC的以太网数据采集器设计与实现J.机床与液压.2011(02)4 马青.高速数据采集信号调理电路的研究D. 哈尔滨理工大学 20095 熊志文,陈文龙,陈灵辉.基于可重构的高速并行数据采集系统的设计与实现J.计算机工程与科学.2009(12)6 张萍萍,傅越千.基于C8051F360和FPGA的高速数据采集系统设计J. 宁波工程学院学报. 2010(03)