1、現代測量技術與誤差分析（作業） 摘要：本文根據作業要求設計數據采集及輸出控制電路，經過分析選用常用的8位處理器89C51作為處理器。由于設計任務要求采集兩路壓力傳感器信號，并且輸出端同樣要求控制兩路電機，而設計要求的ADC和DAC芯片僅提供單路，因此需要加上多路控制開關，實現分時采集及控制，以減小設計成本。另外本設計增加濾波放大電路等提高實驗精度。1. 實驗任務及要求輸入端：兩個通道 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、傳感器信號輸出頻率：<1000Hz; 5、測試系統工作量程：050Kg; 6、測試過程中具有高

2、頻擾動； 7、測試系統工作溫度范圍：4060 。 8、傳感器輸出采用電流輸出：4-20mA標準電流輸出輸出端：兩個通道 9、電機所需驅動電壓：10V10V; 10、電機所需驅動電流：<100mA; 11、測試系統工作溫度范圍：4060 ；要求： 1、設計完整的數據采集及輸出控制電路，ADC采用AD976；DAC采用AD669 2、各通道測控周期<5ms; 3、詳細說明采集電路的設計依據； 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；1 / 12 5、給出采集電路所有用到的元器件的具體型號、參數，主要考慮的指標； 6、提供主要元器件的說明書； 7、給出ADC、DA

3、C的驅動程序。2.總體設計本設計任務要求有信號采集和輸出控制兩部分。其中數據采集傳感器輸出信號為帶有高頻噪聲干擾的420mA的電流信號。 圖1 總體設計框圖3.數據采集電路根據實驗任務要求，需要采集兩路壓力傳感器輸出的電流信號，同時采集的信號帶有高頻噪聲干擾。根據設計需要，應對傳感器輸出的電流信號就行信號調理放大濾波等操作，然后進行AD轉換存進CPU中。1. 信號調理模塊設計要求采集兩路壓力傳感器輸出的電流信號，而所提供的的AD976芯片只提供單通道輸入，為節約設計成本，在滿足設計任務要求的情況下采用多路模擬開關CD4066控制輸入和輸出的選擇。CD4066 是一種雙向模擬開關，在集成電路內有

4、個獨立的能控制數字及模擬信號傳送的模擬開關。每個開關有一個輸人端和一個輸出端，它們可以互換使用，還有一個選通端（又稱控制端），當選通端為高電平時，開關導通；當選通端為低電平時，開關截止。使用時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控制四路開關的導通與否，該設計數據采集部分需要兩路通道，選擇SWA,SWB用于數據采集，兩路傳感器輸出信號分別接至1、4引腳，2、3引腳相連接至后續處理電路，通過CONTROL A,CONTROL B引腳控制采集哪路信號。剩余兩路控制開關SWC,SWD可用于輸出控制模塊。根據提供的信息，傳感器信號輸出頻率：<1000Hz，且測試過程中

5、存在高頻噪聲干擾，因此需要對傳感器采集到的信號進行低通濾波，截止頻率為1000Hz。此外，壓力傳感器的量程：0100Kg; 而測試系統工作量程：050Kg，為了充分利用AD轉換器的轉換量程，提高轉換精度，需要將傳感器輸出信號放大兩倍。因此本設計需要設計一個低通濾波電路，截止頻率fc=1KHz,通帶電壓放大倍數Auo=2，設計電路如圖3所示 。 圖3 低通濾波及放大電路傳輸函數為 AuS=Auoc2s2+cQ*s+c2 (1)通帶內電壓放大倍數 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為品質因數，同時為了減小輸入偏置電流及其漂移對電路的影

6、響，應使 R1+R2=R3/R4 (4)我們取品質因數Q=0.707，截止頻率fc=1kHz，C1=0.01F，電壓放大倍數為Auo=2,可計算求得R1=5.63k，R2=11.25k，R3=R4=33.76k，C1=C2=0.01F。信號經過濾波放大后輸出的為420mA的電流信號，需要將其轉換成電壓信號以便后續處理。在該模塊我們直接采用ISO EM系列直流（電壓/電流）信號隔離放大器，型號為ISO EM-A4-P1-O10，信號輸入：4-20mA ； 信號輸出：0-±10V； 輔助電源：24V。結構如圖4所示： 圖4 電流/電壓轉換芯片2 AD轉換模塊 壓力傳感器輸出信號經過調理濾

7、波放大并轉換成0-±10V的電壓信號，需要進行AD轉換送到處理器中進行數據處理，根據設計要求采用AD976模塊。AD976/AD976A為16位逐次逼近式ADC ，AD976/AD976A與8位和12位的AD轉換器相比16位ADC在精度要求較高的場合更能符合設計要求。AD976/AD976A是美國模擬器件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,足夠滿足設計要求的測控周期要求。此芯片滿幅為±4 VREF(VREF=2.5V)時,±1

8、0V范圍輸入。傳輸特性如下： 輸入量+FSR - 1LSB 輸出量 7FFF Midscale + 1LSB 0001 Midscale 0000 Midscale - 1LSB 0001 -FSR + 1LSB 8001 -FSR 8000AD976 有兩種轉換模式, 第一種轉換模式中, CS引腳固定為低電平, 轉換時序由R/C 信號的負跳變控制, 該信號脈沖寬度至少應為50nS。當R/C 變為低電平并延遲t3后, BUSY 信號將變為低電平直到轉換完成。轉換結束后, 移位寄存器中的數據將被新的二進制補碼數據所更新。該模式下的采樣速率可由R/C 信號的負脈沖間隔來決定。第二種轉換模式通過CS

9、信號來控制轉換及輸出數據的讀出過程。在這一模式中, R/C 信號的下降沿必須比CS脈沖( 脈沖寬寬40ns) 至少提前10nS 送到模數轉換器的輸入引腳, 一旦這兩個負脈沖到來, 并延遲t3后,BUSY 信號將變為低電平直到轉換完成, 同時將在最多8uS( 100kSPS 時) 后將BUSY 信號返回高電平, 這時, 轉換結果在D0 D15 上的數據有效 。我們采用模式2進行AD轉換。AD976AD976A 要開始一次轉換首先需要將 /CS信號置低，之后RC信號的下降沿使得內部采樣保持單元進入保持狀態并開始一次轉換，信號在開始一次轉換時變為低，且在轉換結束前保持為低。/BUSY信號變高時說明轉

10、換已經結束， 的上升沿可以用來鎖存輸出數據。此時，將RC置高，即可把轉換結果輸出到數據總線上，數據有效可用。BYTE為低時高八位從D15D8輸出，低八位從D7D0輸出，為高時相反；高八位從D7DO輸出，低八位從D15D8輸出。本實驗設計采用AT89C51單片機作為CPU，為節約成本減少端口擴展芯片的使用，僅采用P0口作為數據的輸出。因此本設計將單片機的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位數據，再采集低8位數據，再將兩組數據組合成16位數據。數據采集模塊的總體設計如圖5所示： 圖5 數據采集模塊設計單片機通過P15，P16口控制采集信號屬于哪一路通道，

11、正常工作情況下，只允許一路通道打開，采集完成后需將對應引腳置零，P1.0引腳用于接收AD976的反饋信號，當該引腳收到低電平信號，表示AD轉換結束，單片機片通過P0口接收數據，P2.0引腳連接至AD芯片的BETY端，控制接收的是高8位數據還是低8位數據。4 輸出控制電路單片機輸出數字信號，經過DA轉換成模擬信號后經過電壓放大等操作后驅動后續電路，而本實驗要求電機所需驅動電壓：10V10V，而DA模塊AD669輸出電壓可以選擇為10V10V，剛好滿足電機驅動。AD669是一款完整的16位單芯片數模轉換器，內置一個片內基準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

12、上實現高精度雙極性線性電路與低功耗CMOS邏輯功能。AD669芯片內置電流開關、解碼邏輯、一個輸出放大器、一個嵌入式齊納基準電壓源以及多個雙緩沖鎖存器。該器件的架構可在整個溫度范圍內確保15位單調性。積分非線性保持在±0.003%，微分非線性最大值為±0.003%。片內輸出放大器可以使電壓輸出在10 s達到1/2 LSB以內的精度（滿量程步進）。數據以并行16位格式載入AD669。雙緩沖鎖存結構不僅可以消除數據偏斜誤差，還能夠在多DAC系統中同時更新各DAC。三個TTL/LSTTL/5 V CMOS兼容型信號控制下列鎖存：CS、L1和LDAC。AD669的輸出范圍通過引腳編

13、程，可以設置為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。由于AD669需要16位輸出，為此我們增加一個8位的數據鎖存器74LS373，先通過P0口輸出低8位放在鎖存器中在輸出高8位同時打開鎖存器輸出，16位信號送至AD669模塊中進行DA轉換。電路圖如圖6所示： 圖6 輸出控制電路5 ADC、DAC的驅動程序數據采集模塊驅動程序：#include <reg51.h>#include <absacc.h>Sbit IN976=P1.0;/用于判斷是否轉換結束Sbit T0=P1.5;/轉換第1路通道Sbit T

14、1=P1.6;/轉換第2路通道#define HDATA XBYTE0x7E00/數據高8位讀取地址#define LDATA XBYTE0x7F00/數據低8位讀取地址#define ADCOM XBYTE0x7F00/開始轉換控制字int READ AD976(void) int ad; T0=1;T1=0;/獲取第1路壓力傳感器輸出信號 Unsigned char hdata,ldata; ADCOM=0;/開始轉換 while(!IN976);/當轉換結束 hdata=HDATA;/保存高8位數據 ldata=LDATA;/保存低8位數據 ad=(hdata<<8)+lda

15、ta;/轉換成16位數據 return(ad);輸出控制電路DAC驅動程序：#include <reg51.h>#include <absacc.h>#define DAC669 XBYTE0Xbf00/DA轉換地址Sbit clock P1.7/控制鎖存int hdata,ldata;/高低8位數據int WRITE AD669(int HDATA, int LDATA) P0=HDATA;/高8位數據送到P0口 CLOCK=1;/74LS373鎖存高八位數據，并送到AD668高八位 DAC669=LDATA;/送低八位數據并開始轉換參考文獻1 張國雄.測控電路（第三版）.北京：機械工業出版社，2007.2 顧振國.  數據采集器技術的發展動態J. 中國設備