現(xiàn)代測(cè)量與誤差分析作業(yè)

1、現(xiàn)代測(cè)量與誤差分析作業(yè)摘要：本文介紹了由51單片機(jī)、AD7934-6轉(zhuǎn)換器、濾波電路及多路選擇開關(guān)組成的四通道數(shù)據(jù)采集電路，包括采集電路設(shè)計(jì)的依據(jù)和所用到的元器件的參數(shù)與型號(hào),并給出了ADC驅(qū)動(dòng)程序。一、整體的設(shè)計(jì)要求及總框圖已知： 1、壓力傳感器的量程：0100Kg; 2、傳感器靈敏度：0.01Kg; 3、傳感器分辨率：0.01 Kg; 4、傳感器信號(hào)輸出頻率：1000Hz; 5、測(cè)試系統(tǒng)工作量程：050Kg; 6、測(cè)試過程中具有高頻擾動(dòng)； 7、測(cè)試系統(tǒng)工作溫度范圍：4060 。 8、傳感器輸出采用電流輸出：4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出要求： 1、設(shè)計(jì)四通道數(shù)據(jù)采集電路,ADC采用AD7934-

2、6； 2、各通道采樣周期5ms; 3、詳細(xì)說明采集電路的設(shè)計(jì)依據(jù)； 4、CPU可不指定型號(hào)，采集電路與CPU的接口由示意圖形式表示； 5、給出采集電路所有用到的元器件的具體型號(hào)、參數(shù)，主要考慮的指標(biāo)； 6、提供主要元器件的說明書； 7、給出ADC的驅(qū)動(dòng)程序。總框圖：四通道數(shù)據(jù)采集電路如圖1所示。圖1 四通道數(shù)據(jù)采集電路總體設(shè)計(jì)原理圖四路傳感器同時(shí)采集信號(hào)，輸出四路模擬信號(hào)，經(jīng)過低通濾波調(diào)理電路濾除高頻干擾后，由多路選址開關(guān)選通其中一路輸入A/D轉(zhuǎn)換模塊，其中選通信號(hào)由CPU進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)換過的數(shù)字信號(hào)輸入CPU。二、主要元器件選擇2.1濾波電路測(cè)試過程中具有高頻擾動(dòng)，所以在AD轉(zhuǎn)換芯片前需要加一

3、個(gè)低通濾波器。因?yàn)楦魍ǖ啦蓸又芷?/0.005=200Hz。則根據(jù)奈奎斯特頻率在進(jìn)行模擬/數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)采樣頻率大于信號(hào)中最高頻率的2倍時(shí)，采樣之后的數(shù)字信號(hào)完整地保留了原始信號(hào)中的信息，一般實(shí)際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號(hào)最高頻率的510倍。因此fs/2=f/2=100Hz。為消除頻率混淆，在采樣前先用一個(gè)截止頻率ffs/2=100Hz的低通濾波器把高于fs/2的頻率分量濾掉，其中f=1/2RC,保證采樣時(shí)被采樣頻譜只包含低于fs/2的頻率分量，滿足奈奎斯特采樣定理。通道0的低通濾波電路如圖2所示。其他通道類似。圖2 低通濾波電路2.2AD7934-6轉(zhuǎn)換器AD7934-6轉(zhuǎn)換器芯片的

4、引腳如圖3所示。引腳的功能描述見表1。圖3 AD7934-6引腳分布表1 AD7934-6引腳功能描述引腳序列號(hào)符號(hào)說明1VDD提供輸入電壓，范圍為2.7V到5.25V。2字或字節(jié)輸入。當(dāng)輸入為高電平時(shí)，字傳輸模式啟動(dòng)，數(shù)據(jù)于引腳DB0至DB11之間傳輸；當(dāng)輸入低電平時(shí)，字節(jié)模式開啟。數(shù)據(jù)和通道在DB0至DB7之間傳輸，DB8為HBEN模式。3 至10DB0至DB7數(shù)據(jù)位0到7。三個(gè)并行數(shù)字I/O引腳提供轉(zhuǎn)換結(jié)果，允許控制寄存器可編程。DB0到DB7由、和三個(gè)引腳決定。11邏輯輸入電源。改電壓的大小決定了轉(zhuǎn)換器并行接口的電壓。改引腳需通過電容接地。該引腳電壓可以和VDD的電壓不同，但是比VDD

5、的電壓不能超過0.3V。12DGND數(shù)字地。13DB8/HBEN當(dāng)引腳為高電平時(shí)，此時(shí)DB8有效，為三態(tài)I/O口。當(dāng)引腳為低電平時(shí)，HBEN有效，為高字節(jié)引腳。當(dāng)HBEN為低電平時(shí)，低字節(jié)DB0至DB7可以讀寫；當(dāng)HBEN為高電平時(shí)，DB0至DB3可讀寫。當(dāng)讀時(shí)，DB4和DB5包含了轉(zhuǎn)換的信息，DB6和DB7總是為0。當(dāng)寫時(shí)，DB4至DB7必須為0。14至16D89至DB11數(shù)據(jù)位9至11。這些引腳為、和所控制。17BUSY輸出口。邏輯輸出反應(yīng)了轉(zhuǎn)換的狀態(tài)。在引腳下降沿時(shí)，該引腳跳變?yōu)楦唠娖健．?dāng)轉(zhuǎn)換完成，轉(zhuǎn)換結(jié)果保存在輸出輸出寄存器中，該引腳輸出變?yōu)榈碗娖健?8CLKIN時(shí)鐘輸入。時(shí)鐘頻率決定

6、了轉(zhuǎn)換時(shí)間。時(shí)鐘信號(hào)可以是連續(xù)的，也可以為斷續(xù)的。19轉(zhuǎn)換開始輸入。該引腳的下降沿用來初始化轉(zhuǎn)化。該引腳高低電平變化時(shí)，完成一次A/D轉(zhuǎn)換。20寫輸入。當(dāng)?shù)碗娖綍r(shí)，可以向寄存器寫入數(shù)據(jù)。21讀輸出。低電平時(shí)，可以訪問輸出結(jié)果。當(dāng)為低電平，并且為下降沿時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果位于數(shù)據(jù)線上。22芯片選擇。低電平輸入時(shí)，結(jié)合、引腳，讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。23AGND模擬地。24參考輸入或輸出電壓。25至28模擬輸入口。AD7934-6的連線圖見圖4所示。AD7934-6并行接口轉(zhuǎn)換和讀取的方式見圖5所示。圖4 AD7934-6的連線圖圖5 AD7934-6的轉(zhuǎn)換和讀取時(shí)序圖2.3CPU的選擇因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器的

7、轉(zhuǎn)換速率（tC轉(zhuǎn)換時(shí)間、t0休止時(shí)間，N為A/D轉(zhuǎn)換器通道數(shù)），應(yīng)大于傳感器采樣頻率，在考慮到成本的情況下，選擇AT98C51單片機(jī)。三、硬件電路設(shè)計(jì)及ADC驅(qū)動(dòng)程序電路根據(jù)功能分為單片機(jī)模塊和A/D模塊。圖6是A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)模塊原理圖，圖7是A/D轉(zhuǎn)換電路AD模塊原理圖。 圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路單片機(jī)模塊原理圖 圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路AD模塊原理圖單片機(jī)P1.0引腳和AD7934-6的引腳相連接，單片機(jī)通過查詢此引腳的高低電平檢測(cè)是否完成一次A/D轉(zhuǎn)換；P1.1腳和HBEN引腳相連，單片機(jī)通過設(shè)置此引腳可以讀取12為數(shù)據(jù)的高低位；P2.0腳的作用是通過反相器74LS04向AD7934-6提

8、供片選信號(hào)ADCS；START為外部控制腳，它通過觸發(fā)單片機(jī)的外部中斷0啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換；D0至D7為8位數(shù)據(jù)線和AD轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)位連接。74LS04為6輸入反相器，這里用到其中一路，它的作用是對(duì)單片P2.0引腳信號(hào)取反，從而提供給A/D芯片片選信號(hào)ADCS（低電平有效）。AD轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘信號(hào)由單片機(jī)的ALE引腳提供，讀、寫引腳/RD、/WR和單片機(jī)AT89C51的讀寫引腳分別相連；HBEN引腳由單片機(jī)控制輸入，可以得到12位轉(zhuǎn)換結(jié)果。A/D轉(zhuǎn)換電路涉及到摸擬和數(shù)字信號(hào)，為保證最佳的性能，在印制電路板設(shè)計(jì)時(shí)需要仔細(xì)考慮。為了減少噪聲，應(yīng)該讓模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)分開，盡量讓數(shù)字地線處于數(shù)字信號(hào)線之間

9、，“模擬地”和“數(shù)字地”分開處理，最終在電路板的 邊角處相連。ADC的驅(qū)動(dòng)程序如下所示。unsigned char CH0DataL,CH0DataH;#define ADCH0 XBYTE0X0100SBIT ADINT=P1.0;SBIT HBEN=P1.1;void main()EA=1;EX0=1;/打開外部中斷0While（1）;/等待外部中斷0啟動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換/*外部中斷0服務(wù)子程序*/void int0svr(void) interrupt 0 using 1EX0=0;/關(guān)閉外部中斷0adch0=0x40;/*查詢AD7934-6的中斷輸出ADINT,檢測(cè)是否完成了信號(hào)的一次模數(shù)轉(zhuǎn)換*/While(ADINT!=0)HBEN=0; /先讀低位CH0DataL=adch0;HBEN=1;/再讀高位C