现代测量与误差分析作业

现代测量与误差分析作业

摘要：本文介绍了由51单片机、AD7934-6转换器、滤波电路及多路选择开关组成的四通道数据采集电路，包括采集电路设计的依据和所用到的元器件的参数与型号,并给出了ADC驱动程序。

一、整体的设计要求及总框图

已知：

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

要求：

1、设计四通道数据采集电路,ADC采用AD7934-6；

2、各通道采样周期<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的驱动程序。

总框图：

四通道数据采集电路如图1所示。

传感器

1低通滤波

M

U

X

ADC

C

P

U

传感器2传感器3传感器4

低通滤波

低通滤波

低通滤波

图1 四通道数据采集电路总体设计原理图

四路传感器同时采集信号，输出四路模拟信号，经过低通滤波调理电路滤除高频干扰后，由多路选址开关选通其中一路输入A/D转换模块，其中选通信号由CPU进行控制，转换过的数字信号输入CPU。

二、主要元器件选择

2.1．滤波电路

测试过程中具有高频扰动，所以在AD转换芯片前需要加一个低通滤波器。因为各通道采样周期<5ms，则采样频率f>1/0.005=200Hz。则根据奈奎斯特频率在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率大于信号中最高频率的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的5～10倍。因此fs/2=f/2=100Hz。为消除频率混淆，在采样前先用一个截止频率f

图2 低通滤波电路

2.2．AD7934-6转换器

AD7934-6转换器芯片的引脚如图3所示。引脚的功能描述见表1。

图3 AD7934-6引脚分布

引脚序列号 符号 说明

1

VDD 提供输入电压，范围为2.7V 到5.25V 。

2

/W B

字或字节输入。当输入为高电平时，字传输模式启动，数据

于引脚DB0至DB11之间传输；当输入低电平时，字节模式开启。数据和通道在DB0至DB7之间传输，DB8为HBEN 模式。

3

至10

DB0至DB7 数据位0到7。三个并行数字I/O 引脚提供转换结果，允许

控制寄存器可编程。DB0到DB7由CS 、RD 和WR 三个引脚

决定。

11

DRIVE V

逻辑输入电源。改电压的大小决定了转换器并行接口的电

压。改引脚需通过电容接地。该引脚电压可以和VDD 的电压不同，但是比VDD 的电压不能超过0.3V 。

12 DGND 数字地。

13

DB8/HBEN 当/W B 引脚为高电平时，此时DB8有效，为三态I/O 口。

当/W B 引脚为低电平时，HBEN 有效，为高字节引脚。当HBEN

为低电平时，低字节DB0至DB7可以读写；当HBEN 为高电

AD7934-6的连线图见图4所示。

AD7934-6并行接口转换和读取的方式见图5所示。

图4 AD7934-6的连线图

图5 AD7934-6的转换和读取时序图

2.3．CPU 的选择

因为A/D 转换器的转换速率01

()

C N t t =

+（t C 转换时间、t 0休止时间，N 为A/D

转换器通道数），应大于传感器采样频率，在考虑到成本的情况下，选择AT98C51单片机。

三、硬件电路设计及ADC 驱动程序

电路根据功能分为单片机模块和A/D 模块。图6是A/D 转换电路单片机模块原理图，图7是A/D 转换电路AD 模块原理图。

图6 A/D转换电路单片机模块原理图

图7 A/D转换电路AD模块原理图

单片机P1.0引脚和AD7934-6的CONVST引脚相连接，单片机通过查询此引脚的高低电平检测是否完成一次A/D转换；P1.1脚和HBEN引脚相连，单片机通过设置此引脚可以读取12为数据的高低位；P2.0脚的作用是通过反相器74LS04向AD7934-6提供片选信号ADCS；START为外部控制脚，它通过触发单片机的外部中断0启动A/D转换；D0至D7为8位数据线和AD转换器的响应位连接。

74LS04为6输入反相器，这里用到其中一路，它的作用是对单片P2.0引脚

信号取反，从而提供给A/D芯片片选信号ADCS（低电平有效）。

AD转换器的时钟信号由单片机的ALE引脚提供，读、写引脚/RD、/WR和单片机AT89C51的读写引脚分别相连；HBEN引脚由单片机控制输入，可以得到12位转换结果。

A/D转换电路涉及到摸拟和数字信号，为保证最佳的性能，在印制电路板设计时需要仔细考虑。为了减少噪声，应该让模拟信号和数字信号分开，尽量让数字地线处于数字信号线之间，“模拟地”和“数字地”分开处理，最终在电路板的边角处相连。

ADC的驱动程序如下所示。

unsigned char CH0DataL,CH0DataH;

#define ADCH0 XBYTE[0X0100]

SBIT ADINT=P1.0;

SBIT HBEN=P1.1;

void main()

{

EA=1;

EX0=1; //打开外部中断0

While（1）; //等待外部中断0启动模数转换

}

/*外部中断0服务子程序*/

void int0svr(void) interrupt 0 using 1

{

EX0=0; //关闭外部中断0

adch0=0x40;

/*查询AD7934-6的中断输出ADINT,检测是否完成了信号的一次模数转换*/ While(ADINT!=0)

{

HBEN=0; //先读低位

}