現(xiàn)代測量與誤差分析作業(yè)

1、現(xiàn)代測量與誤差分析作業(yè)現(xiàn)代測量與誤差分析作業(yè)摘要：本文介紹了由51單片機、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)計的依據(jù)和所用到的元器件的參數(shù)與型號,并給出了ADC驅(qū)動程序。一、整體的設(shè)計要求及總框圖已知： 1、壓力傳感器的量程：0100Kg; 2、傳感器靈敏度：; 3、傳感器分辨率： Kg; 4、傳感器信號輸出頻率：<1000Hz; 5、測試系統(tǒng)工作量程：050Kg; 6、測試過程中具有高頻擾動； 7、測試系統(tǒng)工作溫度范圍：4060 。 8、傳感器輸出采用電流輸出：4-20mA標準電流輸出要求： 1、設(shè)計四通道數(shù)據(jù)采集電路,ADC采用AD

2、7934-6； 2、各通道采樣周期<5ms; 3、詳細說明采集電路的設(shè)計依據(jù)； 4、CPU可不指定型號，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、參數(shù)，主要考慮的指標； 6、提供主要元器件的說明書； 7、給出ADC的驅(qū)動程序?？偪驁D：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)計原理圖四路傳感器同時采集信號，輸出四路模擬信號，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，其中選通信號由CPU進行控制，轉(zhuǎn)換過的數(shù)字信號輸入CPU。二、主要元器件選擇濾波電路測試過程中具有高頻擾動，所以在AD轉(zhuǎn)換芯

3、片前需要加一個低通濾波器。因為各通道采樣周期<5ms，則采樣頻率f>1/=200Hz。則根據(jù)奈奎斯特頻率在進行模擬/數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換過程中，當采樣頻率大于信號中最高頻率的2倍時，采樣之后的數(shù)字信號完整地保留了原始信號中的信息，一般實際應(yīng)用中保證采樣頻率為信號最高頻率的510倍。因此fs/2=f/2=100Hz。為消除頻率混淆，在采樣前先用一個截止頻率f<fs/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AD793

4、4-6轉(zhuǎn)換器AD7934-6轉(zhuǎn)換器芯片的引腳如圖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符號說明1VDD提供輸入電壓，范圍為到。2字或字節(jié)輸入。當輸入為高電平時，字傳輸模式啟動，數(shù)據(jù)于引腳DB0至DB11之間傳輸；當輸入低電平時，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

5、電壓不同，但是比VDD的電壓不能超過。12DGND數(shù)字地。13DB8/HBEN當引腳為高電平時，此時DB8有效，為三態(tài)I/O口。當引腳為低電平時，HBEN有效，為高字節(jié)引腳。當HBEN為低電平時，低字節(jié)DB0至DB7可以讀寫；當HBEN為高電平時，DB0至DB3可讀寫。當讀時，DB4和DB5包含了轉(zhuǎn)換的信息，DB6和DB7總是為0。當寫時，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，該引腳跳變?yōu)楦唠娖健．斵D(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時鐘輸入

6、。時鐘頻率決定了轉(zhuǎn)換時間。時鐘信號可以是連續(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，完成一次A/D轉(zhuǎn)換。20寫輸入。當?shù)碗娖綍r，可以向寄存器寫入數(shù)據(jù)。21讀輸出。低電平時，可以訪問輸出結(jié)果。當為低電平，并且為下降沿時，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，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)換和讀取時序圖CPU的選擇因為A/D

7、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率（tC轉(zhuǎn)換時間、t0休止時間，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。三、硬件電路設(shè)計及ADC驅(qū)動程序電路根據(jù)功能分為單片機模塊和A/D模塊。圖6是A/D轉(zhuǎn)換電路單片機模塊原理圖，圖7是A/D轉(zhuǎn)換電路AD模塊原理圖。 圖6 A/D轉(zhuǎn)換電路單片機模塊原理圖 圖7 A/D轉(zhuǎn)換電路AD模塊原理圖單片機引腳和AD7934-6的引腳相連接，單片機通過查詢此引腳的高低電平檢測是否完成一次A/D轉(zhuǎn)換；腳和HBEN引腳相連，單片機通過設(shè)置此引腳可以讀取12為數(shù)據(jù)的高低位；腳的作用是通過反相器74LS04向AD7934-6提供片選信號ADC

8、S；START為外部控制腳，它通過觸發(fā)單片機的外部中斷0啟動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，它的作用是對單片引腳信號取反，從而提供給A/D芯片片選信號ADCS（低電平有效）。AD轉(zhuǎn)換器的時鐘信號由單片機的ALE引腳提供，讀、寫引腳/RD、/WR和單片機AT89C51的讀寫引腳分別相連；HBEN引腳由單片機控制輸入，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，為保證最佳的性能，在印制電路板設(shè)計時需要仔細考慮。為了減少噪聲，應(yīng)該讓模擬信號和數(shù)字信號分開，盡量讓數(shù)字地線處于數(shù)字信號線之間，“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)動程序如下所示。unsigned char CH0DataL,CH0DataH;#define ADCH0 XBYTE0X0100SBIT