現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與誤差分析報(bào)告

1、現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與誤差分析（作業(yè)） 摘要：本文根據(jù)作業(yè)要求設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集及輸出控制電路，經(jīng)過分析選用常用的8位處理器89C51作為處理器。由于設(shè)計(jì)任務(wù)要求采集兩路壓力傳感器信號(hào)，并且輸出端同樣要求控制兩路電機(jī)，而設(shè)計(jì)要求的ADC和DAC芯片僅提供單路，因此需要加上多路控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)分時(shí)采集及控制，以減小設(shè)計(jì)成本。另外本設(shè)計(jì)增加濾波放大電路等提高實(shí)驗(yàn)精度。1. 實(shí)驗(yàn)任務(wù)及要求輸入端：兩個(gè)通道 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)；

2、 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)電流輸出輸出端：兩個(gè)通道 9、電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電壓：10V10V; 10、電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電流：100mA; 11、測(cè)試系統(tǒng)工作溫度范圍：4060 ；要求： 1、設(shè)計(jì)完整的數(shù)據(jù)采集及輸出控制電路，ADC采用AD976；DAC采用AD669 2、各通道測(cè)控周期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、DAC的驅(qū)動(dòng)程序。2.總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)任務(wù)

3、要求有信號(hào)采集和輸出控制兩部分。其中數(shù)據(jù)采集傳感器輸出信號(hào)為帶有高頻噪聲干擾的420mA的電流信號(hào)。 圖1 總體設(shè)計(jì)框圖3.數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)實(shí)驗(yàn)任務(wù)要求，需要采集兩路壓力傳感器輸出的電流信號(hào)，同時(shí)采集的信號(hào)帶有高頻噪聲干擾。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，應(yīng)對(duì)傳感器輸出的電流信號(hào)就行信號(hào)調(diào)理放大濾波等操作，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換存進(jìn)CPU中。1. 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)要求采集兩路壓力傳感器輸出的電流信號(hào)，而所提供的的AD976芯片只提供單通道輸入，為節(jié)約設(shè)計(jì)成本，在滿足設(shè)計(jì)任務(wù)要求的情況下采用多路模擬開關(guān)CD4066控制輸入和輸出的選擇。CD4066 是一種雙向模擬開關(guān)，在集成電路內(nèi)有個(gè)獨(dú)立的能控制數(shù)字及模擬信號(hào)傳送的模

4、擬開關(guān)。每個(gè)開關(guān)有一個(gè)輸人端和一個(gè)輸出端，它們可以互換使用，還有一個(gè)選通端（又稱控制端），當(dāng)選通端為高電平時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)選通端為低電平時(shí)，開關(guān)截止。使用時(shí)選通端是不允許懸空的。 圖2 CD4066引腳接線通過四路控制信號(hào)控制四路開關(guān)的導(dǎo)通與否，該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集部分需要兩路通道，選擇SWA,SWB用于數(shù)據(jù)采集，兩路傳感器輸出信號(hào)分別接至1、4引腳，2、3引腳相連接至后續(xù)處理電路，通過CONTROL A,CONTROL B引腳控制采集哪路信號(hào)。剩余兩路控制開關(guān)SWC,SWD可用于輸出控制模塊。根據(jù)提供的信息，傳感器信號(hào)輸出頻率：1000Hz，且測(cè)試過程中存在高頻噪聲干擾，因此需要對(duì)傳感器采集到的信

5、號(hào)進(jìn)行低通濾波，截止頻率為1000Hz。此外，壓力傳感器的量程：0100Kg; 而測(cè)試系統(tǒng)工作量程：050Kg，為了充分利用AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換量程，提高轉(zhuǎn)換精度，需要將傳感器輸出信號(hào)放大兩倍。因此本設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波電路，截止頻率fc=1KHz,通帶電壓放大倍數(shù)Auo=2，設(shè)計(jì)電路如圖3所示 。 圖3 低通濾波及放大電路傳輸函數(shù)為 AuS=Auoc2s2+cQ*s+c2 (1)通帶內(nèi)電壓放大倍數(shù) Auo=1+R4R3 (2)其中c為濾波器的截止角頻率 c=2*fc (3)fc為通帶截止頻率，Q為品質(zhì)因數(shù)，同時(shí)為了減小輸入偏置電流及其漂移對(duì)電路的影響，應(yīng)使 R1+R2=R3/R4 (4)我們

6、取品質(zhì)因數(shù)Q=0.707，截止頻率fc=1kHz，C1=0.01F，電壓放大倍數(shù)為Auo=2,可計(jì)算求得R1=5.63k，R2=11.25k，R3=R4=33.76k，C1=C2=0.01F。信號(hào)經(jīng)過濾波放大后輸出的為420mA的電流信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)以便后續(xù)處理。在該模塊我們直接采用ISO EM系列直流（電壓/電流）信號(hào)隔離放大器，型號(hào)為ISO EM-A4-P1-O10，信號(hào)輸入：4-20mA ； 信號(hào)輸出：0-10V； 輔助電源：24V。結(jié)構(gòu)如圖4所示： 圖4 電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片2 AD轉(zhuǎn)換模塊 壓力傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過調(diào)理濾波放大并轉(zhuǎn)換成0-10V的電壓信號(hào)，需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換送到

7、處理器中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用AD976模塊。AD976/AD976A為16位逐次逼近式ADC ，AD976/AD976A與8位和12位的AD轉(zhuǎn)換器相比16位ADC在精度要求較高的場(chǎng)合更能符合設(shè)計(jì)要求。AD976/AD976A是美國(guó)模擬器件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單一+5V供電；單通道輸入；輸入電壓范圍+/-10V；采樣速率為100KSPS,足夠滿足設(shè)計(jì)要求的測(cè)控周期要求。此芯片滿幅為4 VREF(VREF=2.5V)時(shí),10V范圍輸入。傳輸特性如下： 輸入量+FSR - 1LSB 輸出量 7FFF Midscal

8、e + 1LSB 0001 Midscale 0000 Midscale - 1LSB 0001 -FSR + 1LSB 8001 -FSR 8000AD976 有兩種轉(zhuǎn)換模式, 第一種轉(zhuǎn)換模式中, CS引腳固定為低電平, 轉(zhuǎn)換時(shí)序由R/C 信號(hào)的負(fù)跳變控制, 該信號(hào)脈沖寬度至少應(yīng)為50nS。當(dāng)R/C 變?yōu)榈碗娖讲⒀舆tt3后, BUSY 信號(hào)將變?yōu)榈碗娖街钡睫D(zhuǎn)換完成。轉(zhuǎn)換結(jié)束后, 移位寄存器中的數(shù)據(jù)將被新的二進(jìn)制補(bǔ)碼數(shù)據(jù)所更新。該模式下的采樣速率可由R/C 信號(hào)的負(fù)脈沖間隔來決定。第二種轉(zhuǎn)換模式通過CS信號(hào)來控制轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)的讀出過程。在這一模式中, R/C 信號(hào)的下降沿必須比CS脈沖( 脈

9、沖寬寬40ns) 至少提前10nS 送到模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入引腳, 一旦這兩個(gè)負(fù)脈沖到來, 并延遲t3后,BUSY 信號(hào)將變?yōu)榈碗娖街钡睫D(zhuǎn)換完成, 同時(shí)將在最多8uS( 100kSPS 時(shí)) 后將BUSY 信號(hào)返回高電平, 這時(shí), 轉(zhuǎn)換結(jié)果在D0 D15 上的數(shù)據(jù)有效 。我們采用模式2進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。AD976AD976A 要開始一次轉(zhuǎn)換首先需要將 /CS信號(hào)置低，之后RC信號(hào)的下降沿使得內(nèi)部采樣保持單元進(jìn)入保持狀態(tài)并開始一次轉(zhuǎn)換，信號(hào)在開始一次轉(zhuǎn)換時(shí)變?yōu)榈停以谵D(zhuǎn)換結(jié)束前保持為低。/BUSY信號(hào)變高時(shí)說明轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束， 的上升沿可以用來鎖存輸出數(shù)據(jù)。此時(shí)，將RC置高，即可把轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線上

10、，數(shù)據(jù)有效可用。BYTE為低時(shí)高八位從D15D8輸出，低八位從D7D0輸出，為高時(shí)相反；高八位從D7DO輸出，低八位從D15D8輸出。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)作為CPU，為節(jié)約成本減少端口擴(kuò)展芯片的使用，僅采用P0口作為數(shù)據(jù)的輸出。因此本設(shè)計(jì)將單片機(jī)的P0口接至AD976的D7-D0端口，通過控制BYTE位的高低，控制先采集高8位數(shù)據(jù)，再采集低8位數(shù)據(jù)，再將兩組數(shù)據(jù)組合成16位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊的總體設(shè)計(jì)如圖5所示： 圖5 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)單片機(jī)通過P15，P16口控制采集信號(hào)屬于哪一路通道，正常工作情況下，只允許一路通道打開，采集完成后需將對(duì)應(yīng)引腳置零，P1.0引腳用于接收AD97

11、6的反饋信號(hào)，當(dāng)該引腳收到低電平信號(hào)，表示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，單片機(jī)片通過P0口接收數(shù)據(jù)，P2.0引腳連接至AD芯片的BETY端，控制接收的是高8位數(shù)據(jù)還是低8位數(shù)據(jù)。4 輸出控制電路單片機(jī)輸出數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后經(jīng)過電壓放大等操作后驅(qū)動(dòng)后續(xù)電路，而本實(shí)驗(yàn)要求電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電壓：10V10V，而DA模塊AD669輸出電壓可以選擇為10V10V，剛好滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)。AD669是一款完整的16位單芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個(gè)片內(nèi)基準(zhǔn)電壓源和輸出放大器。它采用ADI公司BiMOS II工藝制造，可以在同一芯片上實(shí)現(xiàn)高精度雙極性線性電路與低功耗CMOS邏輯功能。AD669芯片內(nèi)置電流開關(guān)、解碼邏輯、一

12、個(gè)輸出放大器、一個(gè)嵌入式齊納基準(zhǔn)電壓源以及多個(gè)雙緩沖鎖存器。該器件的架構(gòu)可在整個(gè)溫度范圍內(nèi)確保15位單調(diào)性。積分非線性保持在0.003%，微分非線性最大值為0.003%。片內(nèi)輸出放大器可以使電壓輸出在10 s達(dá)到1/2 LSB以內(nèi)的精度（滿量程步進(jìn)）。數(shù)據(jù)以并行16位格式載入AD669。雙緩沖鎖存結(jié)構(gòu)不僅可以消除數(shù)據(jù)偏斜誤差，還能夠在多DAC系統(tǒng)中同時(shí)更新各DAC。三個(gè)TTL/LSTTL/5 V CMOS兼容型信號(hào)控制下列鎖存：CS、L1和LDAC。AD669的輸出范圍通過引腳編程，可以設(shè)置為0 V至10 V單極性輸出范圍或-10 V至+10 V雙極性輸出范圍，采用28引腳密封cerdip封裝

13、。由于AD669需要16位輸出，為此我們?cè)黾右粋€(gè)8位的數(shù)據(jù)鎖存器74LS373，先通過P0口輸出低8位放在鎖存器中在輸出高8位同時(shí)打開鎖存器輸出，16位信號(hào)送至AD669模塊中進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換。電路圖如圖6所示： 圖6 輸出控制電路5 ADC、DAC的驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)采集模塊驅(qū)動(dòng)程序：#include #include Sbit IN976=P1.0;/用于判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束Sbit T0=P1.5;/轉(zhuǎn)換第1路通道Sbit T1=P1.6;/轉(zhuǎn)換第2路通道#define HDATA XBYTE0x7E00/數(shù)據(jù)高8位讀取地址#define LDATA XBYTE0x7F00/數(shù)據(jù)低8位讀取地址#def

14、ine ADCOM XBYTE0x7F00/開始轉(zhuǎn)換控制字int READ AD976(void) int ad; T0=1;T1=0;/獲取第1路壓力傳感器輸出信號(hào) Unsigned char hdata,ldata; ADCOM=0;/開始轉(zhuǎn)換 while(!IN976);/當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束 hdata=HDATA;/保存高8位數(shù)據(jù) ldata=LDATA;/保存低8位數(shù)據(jù) ad=(hdata8)+ldata;/轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù) return(ad);輸出控制電路DAC驅(qū)動(dòng)程序：#include #include #define DAC669 XBYTE0Xbf00/DA轉(zhuǎn)換地址Sbit clock P1.7/控制鎖存int hdata,ldata;/高低8位數(shù)據(jù)int WRITE AD669(int HDATA, int LDATA) P0=HDATA;/高8位數(shù)據(jù)送到P0口 CLOCK=1;/74LS373鎖存高八位數(shù)據(jù)，并送到AD668高八位 DAC669=LDATA;/送低八位數(shù)據(jù)并開始轉(zhuǎn)換參考文獻(xiàn)1 張國(guó)雄.測(cè)控電路（第三版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.2 顧振國(guó).數(shù)據(jù)采