數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計

1、數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬電壓或電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的器件或裝置。它是一個模擬系統(tǒng)和計算機之間的接口，它在數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。常用的A/D轉(zhuǎn)換方式有主次逼近式和雙斜積分是式，前者積分時間短，但是抗干擾能力較差；后者轉(zhuǎn)換時間長，抗干擾能力搶。在信號變化緩慢，現(xiàn)場干擾嚴(yán)重的場合，宜采用后者。A/D轉(zhuǎn)換的主要指標(biāo)有轉(zhuǎn)換時間、分辨率、線性誤差、量程、對基準(zhǔn)電源的要求等。在本章節(jié)主要介紹8位A/D轉(zhuǎn)換器ADS831、12位A/D轉(zhuǎn)換器AD574以及高速A/D轉(zhuǎn)換電路。第一節(jié)：8位AD電路的一般設(shè)計ADS831是TI公司推出的8位80MHz高速采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。本節(jié)主要介紹ADS

2、831的性能特點、內(nèi)部結(jié)構(gòu),給出處理器MSP430 x16x和ADS831構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計電路。ADS831是TI公司推出的一種高速8位CMOS工藝的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。該芯片采用單一+5V供電，內(nèi)部帶有取樣保持電路。與早期的ADC芯片相比,ADS831采用流水線結(jié)構(gòu),因而具有極高的采樣速率和轉(zhuǎn)換速度、采樣速率可高達(dá)80MHz。內(nèi)部包含時鐘電路、8位線性A/D核、校正邏輯單元、三態(tài)輸出單元以及其內(nèi)部參考源。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-所1示：輸入調(diào)理電路設(shè)計該模塊由衰減網(wǎng)絡(luò)和三級不同增益的運放電路組成，通過繼電器切換，實現(xiàn)衰減、直通和小信號放大的功能。三級電路均采用精密儀表放大器構(gòu)成，該運放

3、具有輸入阻抗高、低噪聲、速度快等優(yōu)點，增益帶寬積達(dá)500。第一級運放構(gòu)成射級跟隨器，輸入阻抗G,第二級運放放大系數(shù)約為5倍,第三級運放當(dāng)放大系數(shù)約為10倍，級聯(lián)實現(xiàn)約50倍放大增益，最終將輸出電壓峰峰值保持在1左右。單元電路如圖22所示。采樣保持電路設(shè)計將/轉(zhuǎn)換器設(shè)計成單極性輸入，采用S內(nèi)部基準(zhǔn)源和運放26構(gòu)成25V亙壓源，從而使采樣電壓有效值保持在25。S最高采樣速率可達(dá)0。系統(tǒng)采用外部晶體振蕩器500h單元電路如圖2所示。VinROPA691-5VCLOCKIN圖C；+2.5VC514+52049484746VDRVGNDVinROPA691-5VCLOCKIN圖C；+2.5VC514+5

4、2049484746VDRVGND+VSSBit1(MSB)GNDBit2INBit3/INBit4CMBit5REFTBit6REFBBit7INTBit8(LSB)RSELCLK94012345-6rISR12345678數(shù)3據(jù)采集電路第二節(jié)：12位電路的一般設(shè)計5是美國模擬數(shù)字公司（）推出的單片高速12位逐次比較型/轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置雙極性電路構(gòu)成的混合集成轉(zhuǎn)換顯片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特點，并且具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容件即可構(gòu)成一個完整的/轉(zhuǎn)換器。各參數(shù)如下：分辨率：12位非線性誤差：小于1/2LBS或1LBS轉(zhuǎn)換速率：25模擬電壓輸入范圍：010V和0

5、20V,05V和010V兩檔四種電源電壓：15V和5V數(shù)據(jù)輸出格式：12位/8位芯片工作模式：全速工作模式和單一工作模式由三組電源供電，即和5由于它對從電源線引入的噪聲十分敏感，幾毫伏的電源噪聲就會引起轉(zhuǎn)換幾位的誤差，所以在應(yīng)用過程中應(yīng)特別注意電源的濾波和穩(wěn)壓，可以采用的抗干擾措施有：在芯片的腳和腳、腳和腳以及腳和腳之間接入由一個鉭電容和一個瓷片電容并聯(lián)而成的去耦網(wǎng)絡(luò)。在印制板設(shè)計時讓模擬量輸入電路與數(shù)字電路盡量分開。芯片的數(shù)字地（腳）和模擬地（腳）就近接在一起。在發(fā)熱量較大的應(yīng)用場合，還應(yīng)采取一定的散熱措施。的接口電路圖是單片機與的接口電路，其中還使用了三態(tài)鎖存器和與非門電路，邏輯控制信號由

6、、和有的數(shù)據(jù)口發(fā)出，并由三態(tài)鎖存器鎖存到輸出端、和上，用于控制的工作過程。轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)輸出也通過數(shù)據(jù)總線連至，由于只使用了位數(shù)據(jù)口，位數(shù)據(jù)分兩次讀進(jìn)，所以接地。當(dāng)?shù)牟樵兊蕉宿D(zhuǎn)換結(jié)束信號后，先將轉(zhuǎn)換后的位數(shù)據(jù)的高位讀進(jìn)，然后再將低位讀進(jìn)。這里不管是處在啟動、轉(zhuǎn)換和輸出結(jié)果，使能端都必須為，因此將的寫控制線和讀控制線通過與非門與的使能端相連。P00P01P02P03P04P05P06P07AT89C51VKRDEa/vp以上所P00P01P02P03P04P05P06P07AT89C51VKRDEa/vp以上所+5FR/CVCCAN-CND的全控狀態(tài)，如果需20spnREF-INREFOUTBPL

7、RofDB10MSB-11STATUS工作于單一模式，只需將、咖瘁土電和接至，僅用R端來控制轉(zhuǎn)換的啟動和數(shù)據(jù)輸出。當(dāng)時，啟動轉(zhuǎn)換器，經(jīng)后，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束，端接至此時將置1即可從數(shù)據(jù)端讀取數(shù)據(jù)。（3中）斷服務(wù)程序由圖所示的硬件接法，得到各操作對應(yīng)的口地址為：啟動變換：讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高位：讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低位：據(jù)此用單片機高級語言編寫的中斷服務(wù)程序為：voidad574（void）interrupt0charr1,r2;charxdata*p;intcaiyang1=0 x2100;intcaiyang2=0 x2200;p=0 x4fff;ACC=*p;r1=ACC;/讀轉(zhuǎn)換結(jié)果高8位p=0 x5fff;r

8、2=ACC;/讀轉(zhuǎn)換結(jié)果低4位XBYTEcaiyang1=r1;XBYTEcaiyang2=r2;/*將結(jié)果存入外部RAM絕對地址單元*/caiyang1+;caiyang2+;wancheng=1;/*讀數(shù)完畢，置轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位為1*/PX0=0;/關(guān)中斷優(yōu)先級第三節(jié)：高速轉(zhuǎn)換器與單片機接口電路設(shè)計AD7654是ADI公司推出的一種低功耗、四通道、電荷再分布式高速A/D轉(zhuǎn)換器，該A/D轉(zhuǎn)換器的主要特點是：16位分辨率且無漏失碼；OV5V模擬輸入范圍；SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容；兩個允許同步采樣的低噪音、高帶寬跟蹤/保持放大器；功耗典型值為120mW；可提供串行和并行兩種

9、輸出接口，給予用戶靈活的選擇。串行A/D轉(zhuǎn)換的速率很高，并且具有體積小、功耗低、占用單片機口線少的優(yōu)點，文中采用串行模式設(shè)計電路，有關(guān)引腳說明如下：A0：轉(zhuǎn)換通道選擇；A/B：高電平時，先輸出A通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)再輸出B通道轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，低電平反之；SER/PAR：串行/并行模式選擇。低電平為并行模式，高電平為串行模式；EXT/INT：高電平時選擇外部時鐘，低電平時選擇內(nèi)部時鐘；SDOUT:轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出位；SCLK：串行數(shù)據(jù)時鐘輸入或輸出（取決于EXT/INT的邏輯狀態(tài)）；CNVST：開始轉(zhuǎn)換。CNVST的下降沿使內(nèi)部采樣保持進(jìn)入保持狀態(tài)并開始轉(zhuǎn)換；BUSY：正在轉(zhuǎn)換標(biāo)志；EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志。AD76

10、54的轉(zhuǎn)換過程由CNVST下降沿啟動，轉(zhuǎn)換啟動與CS和RD信號狀態(tài)無關(guān)，A0引腳控制轉(zhuǎn)換通道的選擇。在轉(zhuǎn)換結(jié)束之前，即使掉電轉(zhuǎn)換也不會重新開始或終止。轉(zhuǎn)換進(jìn)行過程中，BUSY變?yōu)楦唠娖?，EOC也為高電平，EOC在每一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束后變?yōu)榈碗娖?，而BUSY線在兩個通道轉(zhuǎn)換全部結(jié)束后才變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換的32位數(shù)據(jù)可以從SDOUT上讀出。轉(zhuǎn)換時序圖如圖2-5所示。AD7654而BUSY線在兩個通道轉(zhuǎn)換全部結(jié)束后才變?yōu)榈碗娖?，轉(zhuǎn)換的32位數(shù)據(jù)可以從SDOUT上讀出。轉(zhuǎn)換時序圖如圖2-5所示。AD7654有串行和并行兩種接口方式，每種接口方式又有主從兩種模式，本文介紹其串行接口下從模式的硬件和軟件設(shè)計。

11、1基本轉(zhuǎn)換時序圖”CONVERTAXCONVERTBI路設(shè)計在本系統(tǒng)中，單片機的4系列單片機，具體的接口電路如工作在串行從模式下，因此其數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和讀取都需MODEACQUIREAD7654與單片機的接口圖所示。設(shè)計ACQUIRECOINIVIER-要微處理器的控制，所需的高精度基準(zhǔn)電壓由提供,上所有的電源和地之間都需連接去耦電容器。在實驗電路中，的和引腳直接由硬件置高電平,和引腳直接由硬件置高電平,由硬件置低電平，使以串口方式工作，同時使數(shù)據(jù)輸出由外部時鐘控制。由于是兩個通道同時采樣，所以需要給置位以控制數(shù)據(jù)的輸出順序。的引腳接至的V這樣只需要通過單片機控制使產(chǎn)生一個寬度大于的負(fù)脈沖，該負(fù)脈

12、沖的下降沿就可以啟動開始轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換的時間約為Ms當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束時，引腳上的信號就會變成低電平，從而通知單片機可以開始讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)，由于實際轉(zhuǎn)換速度很快，因此線可以不用，啟動轉(zhuǎn)換后可以直接讀取數(shù)據(jù)。在單片機讀取數(shù)據(jù)前，需要通過和口給讀選通和片選置零，以使上的數(shù)據(jù)有效，然后單片機通過引腳向發(fā)送個時鐘脈沖，與此同時單片機就可以通過口從上讀取位轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。串行從模式下讀數(shù)據(jù)時序圖如圖2-所7示。DVDDP2P2P2.5P2.3廠CNDAD7654MSP430 xl6xP2.2P3.4P2.0SER/PIIDVDDP2P2P2.5P2.3廠CNDAD7654MSP430 xl6xP2.2P3.4P2.0SER/PIIRDA/BCNVSTEXT/INTAOSMUTINVSCLKcsSCLK單片機連接電路EXTAKT=1INVSCLK=0RD=0AB=1BUSYSDINCHAD15XCHAD14一采用切串5行模式進(jìn)行VXCHBfEXTAKT=1INVSCLK=0RD=