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：0~100Kg;
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：0~50Kg;
6、测试过程中具有高频扰动；
7、测试系统工作温度范围：－40℃～60 ℃;
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：－10V~10V;
10、电机所需驱动电流：<100mA;
11、测试系统工作温度范围：－40℃～60 ℃；
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4——20mA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A\D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４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：0~100Kg; 而测试系统工作量程：0~50Kg,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f c=1KHz,通带电压放大倍数A uo=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Au(S)=A uoωc 2
s2+ωc
Q ∗s+ωc2
1
通带内电压放大倍数 A uo=1+R4
R3
2
其中ωc为滤波器的截止角频率ωc=2∗π∗f c 3
f c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=,截止频率f c=1kHz,C1=μF,电压放大倍数为A uo=2,可计算求得R1=,R2=,R3=R4=,C1=C2=μF;
信号经过滤波放大后输出的为4——20mA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 VREFVREF=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 8000
AD976 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;AD976／AD976A 要开始一次转换．首先需要将 /CS信号置低,之后R／C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R／C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D15～D8输出,低八位从D7～D0输出,为高时相反；高八位从D7～DO输出,低八位从D15～D8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,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,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：－10V~10V,而DA模块AD669输出电压可以选择为－10V~10V,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±%,微分非线性最大值为±%;片内输出放大器可以使电压输出在10 μs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
5 ADC、DAC的驱动程序
数据采集模块驱动程序：
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Sbit IN976=;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. 199403
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.201102
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2009
5 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.200912
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. 201003。