現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)與誤差分析報(bào)告報(bào)告材料

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(guò)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(kāi)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：v1000Hz;5、測(cè)試系統(tǒng)工作量程：050Kg;6測(cè)試過(guò)程中具有高頻擾動(dòng)；7、測(cè)試系

2、統(tǒng)工作溫度圍：一40 C60 C。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：一10V10V;10、電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)電流：100mA;11、測(cè)試系統(tǒng)工作溫度圍：一40C60 C；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AD6692、各通道測(cè)控周期5ms;3、詳細(xì)說(shuō)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)；&提供主要元器件的說(shuō)明書(shū)；7、給出ADC、DAC的驅(qū)動(dòng)程序。2. 總體設(shè)計(jì)低通濾波放

3、大電路4-20mA0- 土 10V轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路本設(shè)計(jì)任務(wù)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)。模擬 信號(hào) 多路 選擇 開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)CD

4、4066控制輸入和輸出的選擇。CD4066是一種雙向模擬開(kāi)關(guān)，在集成電路 有4個(gè)獨(dú)立的能控制數(shù)字及模擬信號(hào)傳送的模擬開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)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(chēng)控制端），當(dāng)選通端為 高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)選通端為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)截止。使用時(shí)選通端是不允許 懸空的。IN.'OiH(J j T/l NDUT/INIIM/OUTCOMTAQI BCONTROL CVss1rSW 014*- Vq)i3 k CaNTROL ACONTROL C一IN/OUT一 21 OUT/INgOUT/1M圖2CD4066引腳接線通過(guò)四路控制信號(hào)控制四路開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通與否，該設(shè)

5、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(guò) CONTROL A,CONTROL B引腳控制采 集哪路信號(hào)。剩余兩路控制開(kāi)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：vlOOOHz,且測(cè)試過(guò)程中存在高頻 噪聲干擾，因此需要對(duì)傳感器采集到的信號(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

6、頻率fc=1KH z,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Au=玄叭2傳輸函數(shù)為可“叫(1)A. = 1 + 通帶電壓放大倍數(shù)m歸(2)其中5為濾波器的截止角頻率叫(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；'(4)我們?nèi)∑焚|(zhì)因數(shù) Q=0.707,截止頻率fc=1kHz，Ci=0.01y F,電壓放大倍數(shù)為 Auo=2,可計(jì)算求得 Ri=5.63k, R2=11.25k, R3=R4=33.76k, Ci=C2=0.01 卩 F。信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波放大后輸出的為420mA勺電流信號(hào)，需要將其轉(zhuǎn)換成電壓11SO

7、EM-A4-P1-C4 58Z)41Sin+ GND PW+ PW- Vo- Vo+ 信號(hào)以便后續(xù)處理。在該模塊我們直接采用ISO EMS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(guò)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

8、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。此芯片滿幅為土 4 VREF(VREF=2.5V)時(shí),± 10V圍輸入。傳輸特性如下：輸入量 +FSR - 1LSB 輸出量 7FFFMidscale + 1LSB0001Midscale0000Midscale - 1LSB0001-FSR + 1LSB80018

9、000-FSRAD976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?平并延遲t3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(lái)決定。第二種轉(zhuǎn)換模式通過(guò) CS信號(hào)來(lái)控制轉(zhuǎn)換及輸出數(shù)據(jù)的讀出過(guò)程。在這一模式中,R/C信號(hào)的下降沿必須比CS脈沖(脈沖寬寬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(lái)，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

10、( 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。AD976/ AD976A要開(kāi)始一次轉(zhuǎn)換.首先需要將/CS信號(hào)置 低，之后R/ C信號(hào)的下降沿使得部采樣/保持單元進(jìn)入保持狀態(tài)并開(kāi)始一次轉(zhuǎn) 換，信號(hào)在開(kāi)始一次轉(zhuǎn)換時(shí)變?yōu)榈?，且在轉(zhuǎn)換結(jié)束前保持為低。/BUSY言號(hào)變高時(shí)說(shuō)明轉(zhuǎn)換已經(jīng)結(jié)束，的上升沿可以用來(lái)鎖存輸出數(shù)據(jù)。此時(shí)，將 R/ C置高，即可把轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)總線上，數(shù)據(jù)有效可用。BYT為低時(shí)高八位從D15-D8俞出，低八位從D7D0俞出，為高時(shí)相反；高八位從D7DC輸出，低八位從D15- D8俞出。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用AT8

11、9C5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勺 D7-D0端 口，通過(guò)控制BYT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：K-ZLAI*RZ-HAPl廣!*>_u.P4rzivK* f" P-2JM-C. 皆少"n1 T7圖5數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)土t-,亠004；ACjUu-biI-15(-£1*H的=nTH,l 14J -:宇U|£亠|T-專(zhuān)龍亠” ump。單片機(jī)通過(guò)P15, P16 口控制采

12、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(kāi)，采集完成后需將對(duì)應(yīng)引腳置零，P1.0引腳用于接收AD976 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(guò) 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(guò)DA轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)后經(jīng)過(guò)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一10V10V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，置一個(gè)片基準(zhǔn)電壓源和輸出放大器。它采用ADI公司BiMOS

13、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芯片置電流開(kāi)關(guān)、解碼邏輯、一個(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)溫度圍確 保15位單調(diào)性。積分非線性保持在 ±).003%，微分非線性最大值為±).003%。片 輸出放大器可以使電壓輸出在10卩達(dá)到1/2 LSB以的精度(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LDA

14、C。AD669的輸出圍通過(guò)引腳編程，可以設(shè)置為0 V至10 V單極性輸出圍或-10 V至+10 V雙極性輸出圍，采用28引腳密 封cerdip封裝。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(guò)P0 口輸出低8位放在鎖存器中在輸出高8位同時(shí)打開(kāi)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：輸出控制電路= TE：rtAVGCII比皿=D苗fflTTC二MMDZGA?心EtF.EFfB UBTAjONDIvanmVIIWDXTML1CTMS3OJ-31-?TEE |PSB'ASF2.1fABFZJTADP&EMI

15、FZ3TA11ALEFZ.rfAIZ0WN 口FZTAItpinpq rvHW nF1.1F3.imoP13EUNT*Pl.tPI號(hào)P3®T1plF1u710 TTU9：eT4LS3Z eTBCn*VLb-VCOVEEAAAW30112WTTWinRFF nitvW：cREE IN譏LPUOITuu&LbMout。口D 世wzU3PHDDISMFDISOBoDsrhe明5 ADC、DAC的驅(qū)動(dòng)程序數(shù)據(jù)采集模塊驅(qū)動(dòng)程序：#in elude <reg51.h>#in elude <absacc.h>Sbit IN976=P1.0;用于判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束Sbi

16、t T0=P1.5;轉(zhuǎn)換第1路通道Sbit T仁P1.6;/轉(zhuǎn)換第2路通道#define HDATAXBYTE0x7E00 數(shù)據(jù)高 8 位讀取地址#define LDATAXBYTE0x7F00 數(shù)據(jù)低 8 位讀取地址#define ADCOM XBYTE0x7F00/ 開(kāi)始轉(zhuǎn)換控制字int READ AD976(void) int ad;T0=1;T仁0;/獲取第1路壓力傳感器輸出信號(hào)Un sig ned char hdata,ldata;ADCOM=0;開(kāi)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=(hd

17、ata<<8)+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：#in clude <reg51.h>#in elude <absacc.h>#defi ne DAC669 XBYTEOXbfOO/DA 轉(zhuǎn)換地址Sbit clock P1.7/g 制鎖存int hdata,ldata;/高低 8 位數(shù)據(jù)int WRITE AD669(i nt HDATA, i nt 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(kāi)始轉(zhuǎn)換參考文獻(xiàn)1 國(guó)雄測(cè)控電路(第三版).：機(jī)械工業(yè)，2007.2 顧振國(guó).數(shù)據(jù)采集器技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)J.中國(guó)設(shè)備管理.1994(03)3 苗大龍，果,廣明等.基于AT89C51RC的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J. 機(jī)床與液壓.20