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。

大电路模数转换电路数模转换电路

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=0.707，截止频率f c=1kHz，C1=0.01μF，电压放大倍数为A uo=2,可计算求得R1=5.63k，R2=11.25k，R3=R4=33.76k，C1=C2=0.01μF。

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 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 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：