現(xiàn)代測量技術(shù)與誤差分析報告

現(xiàn)代測量技術(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)計任務(wù)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(shè)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(guān)，實現(xiàn)分時采集及控制，以減小設(shè)計成本。另外本設(shè)計增加濾波放大電路等提高實驗精度。實驗任務(wù)及要求輸入端：兩個通道1、壓力傳感器的量程：0~100Kg;2、傳感器靈敏度：0.01Kg;3、傳感器分辨率：0.014、傳感器信號輸出頻率：<1000Hz;5、測試系統(tǒng)工作量程：0~50Kg;6、測試過程中具有高頻擾動；7、測試系統(tǒng)工作溫度范圍：－40℃～608、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(qū)動電壓：－10V~10V;10、電機所需驅(qū)動電流：<100mA;11、測試系統(tǒng)工作溫度范圍：－40℃～60要求：1、設(shè)計完整的數(shù)據(jù)采集及輸出控制電路，ADC采用AD976；DAC采用AD6692、各通道測控周期<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、DAC的驅(qū)動程序。2.總體設(shè)計本設(shè)計任務(wù)要求有信號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為帶有高頻噪聲干擾的4——20mA的電流信號。圖1總體設(shè)計框圖3.數(shù)據(jù)采集電路根據(jù)實驗任務(wù)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(jù)設(shè)計需要，應(yīng)對傳感器輸出的電流信號就行信號調(diào)理放大濾波等操作，然后進行A\D轉(zhuǎn)換存進CPU中。信號調(diào)理模塊設(shè)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(jié)約設(shè)計成本，在滿足設(shè)計任務(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４個獨立的能控制數(shù)字及模擬信號傳送的模擬開關(guān)。每個開關(guān)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(guān)導(dǎo)通；當選通端為低電平時，開關(guān)截止。使用時選通端是不允許懸空的。此芯片滿幅為±4VREF(VREF=2.5V)時,±10V范圍輸入。傳輸特性如下：

輸入量+FSR-1LSB輸出量7FFF

Midscale+1LSB0001

Midscale0000

Midscale-1LSB0001

-FSR+1LSB8001

-FSR8000AD976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)換時序由R/C信號的負跳變控制,該信號脈沖寬度至少應(yīng)為50nS。當R/C變?yōu)榈碗娖讲⒀舆tt3后,BUSY信號將變?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)將被新的二進制補碼數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換模式通過CS信號來控制轉(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,一旦這兩個負脈沖到來,并延遲t3后,BUSY信號將變?yōu)榈碗娖街钡睫D(zhuǎn)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(zhuǎn)換結(jié)果在D0~D15上的數(shù)據(jù)有效。我們采用模式2進行AD轉(zhuǎn)換。AD976／AD976A要開始一次轉(zhuǎn)換．首先需要將/CS信號置低，之后R／C信號的下降沿使得內(nèi)部采樣／保持單元進入保持狀態(tài)并開始一次轉(zhuǎn)換，信號在開始一次轉(zhuǎn)換時變?yōu)榈?，且在轉(zhuǎn)換結(jié)束前保持為低。/BUSY信號變高時說明轉(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，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。BYTE為低時高八位從D15～D8輸出，低八位從D7～D0輸出，為高時相反；高八位從D7～DO輸出，低八位從D15～D8輸出。本實驗設(shè)計采用AT89C51單片機作為CPU，為節(jié)約成本減少端口擴展芯片的使用，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(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)計如圖5所示：圖5數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計單片機通過P15，P16口控制采集信號屬于哪一路通道，正常工作情況下，只允許一路通道打開，采集完成后需將對應(yīng)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(zhuǎn)換結(jié)束，單片機片通過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輸出數(shù)字信號，經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換成模擬信號后經(jīng)過電壓放大等操作后驅(qū)動后續(xù)電路，而本實驗要求電機所需驅(qū)動電壓：－10V~10V，而DA模塊AD669輸出電壓可以選擇為－10V~10V，剛好滿足電機驅(qū)動。AD669是一款完整的16位單芯片數(shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)置一個片內(nèi)基準電壓源和輸出放大器。它采用ADI公司BiMOSII工藝制造，可以在同一芯片上實現(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(gòu)可在整個溫度范圍內(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10μs達到1/2LSB以內(nèi)的精度（滿量程步進）。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)中同時更新各DAC。三個TTL/LSTTL/5VCMOS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程，可以設(shè)置為0V至10V單極性輸出范圍或-10V至+10V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(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位同時打開鎖存器輸出，16位信號送至AD669模塊中進行DA轉(zhuǎn)換。電路圖如圖6所示：圖6輸出控制電路5ADC、DAC的驅(qū)動程序數(shù)據(jù)采集模塊驅(qū)動程序：#include<reg51.h>#include<absacc.h>SbitIN976=P1.0;//用于判斷是否轉(zhuǎn)換結(jié)束SbitT0=P1.5;//轉(zhuǎn)換第1路通道SbitT1=P1.6;//轉(zhuǎn)換第2路通道#defineHDATAXBYTE[0x7E00]//數(shù)據(jù)高8位讀取地址#defineLDATAXBYTE[0x7F00]//數(shù)據(jù)低8位讀取地址#defineADCOMXBYTE[0x7F00]//開始轉(zhuǎn)換控制字intREADAD976(void){intad;T0=1;T1=0;//獲取第1路壓力傳感器輸出信號Unsignedcharhdata,ldata;ADCOM=0;//開始轉(zhuǎn)換while(!IN976);//當轉(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=(hdata<<8)+ldata;//轉(zhuǎn)換成16位數(shù)據(jù)return(ad);}輸出控制電路DAC驅(qū)動程序：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#defineDAC669XBYTE[0Xbf00]//DA轉(zhuǎn)換地址SbitclockP1.7//控制鎖存inthdata,ldata;//高低8位數(shù)據(jù)intWRITEAD669(intHDATA,intLDATA){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[1]張國雄.測控電路（第三版）.北京：機械工業(yè)出版社，2007.[2]顧振國.

數(shù)據(jù)采集器技術(shù)的發(fā)展動態(tài)[J].中國設(shè)備管理.1994(03)[3]苗大龍,李果,張廣明等.基于AT89C51