现代测量技术与误差分析报告

现代测量技术与误差分析（作业） 摘要：本文根据作业要求设计数据采集及输出控制电路，经过分析选用常用的8位处理器89C51作为处理器。由于设计任务要求采集两路压力传感器信号，并且输出端同样要求控制两路电机，而设计要求的ADC和DAC芯片仅提供单路，因此需要加上多路控制开关，实现分时采集及控制，以减小设计成本。另外本设计增加滤波放大电路等提高实验精度。实验任务及要求输入端：两个通道1、压力传感器的量程：0~100Kg;2、传感器灵敏度：0.01Kg;3、传感器分辨率：0.014、传感器信号输出频率：<1000Hz;5、测试系统工作量程：0~50Kg;6、测试过程中具有高频扰动；7、测试系统工作温度范围：－40℃～608、传感器输出采用电流输出：4-20mA标准电流输出输出端：两个通道9、电机所需驱动电压：－10V~10V;10、电机所需驱动电流：<100mA;11、测试系统工作温度范围：－40℃～60要求：1、设计完整的数据采集及输出控制电路，ADC采用AD976；DAC采用AD6692、各通道测控周期<5ms;3、详细说明采集电路的设计依据；4、CPU可不指定型号，采集电路与CPU的接口由示意图形式表示；5、给出采集电路所有用到的元器件的具体型号、参数，主要考虑的指标；6、提供主要元器件的说明书；7、给出ADC、DAC的驱动程序。2.总体设计本设计任务要求有信号采集和输出控制两部分。其中数据采集传感器输出信号为带有高频噪声干扰的4——20mA的电流信号。图1总体设计框图3.数据采集电路根据实验任务要求，需要采集两路压力传感器输出的电流信号，同时采集的信号带有高频噪声干扰。根据设计需要，应对传感器输出的电流信号就行信号调理放大滤波等操作，然后进行A\D转换存进CPU中。信号调理模块设计要求采集两路压力传感器输出的电流信号，而所提供的的AD976芯片只提供单通道输入，为节约设计成本，在满足设计任务要求的情况下采用多路模拟开关CD4066控制输入和输出的选择。CD4066是一种双向模拟开关，在集成电路内有４个独立的能控制数字及模拟信号传送的模拟开关。每个开关有一个输人端和一个输出端，它们可以互换使用，还有一个选通端（又称控制端），当选通端为高电平时，开关导通；当选通端为低电平时，开关截止。使用时选通端是不允许悬空的。此芯片满幅为±4VREF(VREF=2.5V)时,±10V范围输入。传输特性如下：

输入量+FSR-1LSB输出量7FFF

Midscale+1LSB0001

Midscale0000

Midscale-1LSB0001

-FSR+1LSB8001

-FSR8000AD976有两种转换模式,第一种转换模式中,CS引脚固定为低电平,转换时序由R/C信号的负跳变控制,该信号脉冲宽度至少应为50nS。当R/C变为低电平并延迟t3后,BUSY信号将变为低电平直到转换完成。转换结束后,移位寄存器中的数据将被新的二进制补码数据所更新。该模式下的采样速率可由R/C信号的负脉冲间隔来决定。第二种转换模式通过CS信号来控制转换及输出数据的读出过程。在这一模式中,R/C信号的下降沿必须比CS脉冲(脉冲宽宽40ns)至少提前10nS送到模数转换器的输入引脚,一旦这两个负脉冲到来,并延迟t3后,BUSY信号将变为低电平直到转换完成,同时将在最多8uS(100kSPS时)后将BUSY信号返回高电平,这时,转换结果在D0~D15上的数据有效。我们采用模式2进行AD转换。AD976／AD976A要开始一次转换．首先需要将/CS信号置低，之后R／C信号的下降沿使得内部采样／保持单元进入保持状态并开始一次转换，信号在开始一次转换时变为低，且在转换结束前保持为低。/BUSY信号变高时说明转换已经结束，的上升沿可以用来锁存输出数据。此时，将R／C置高，即可把转换结果输出到数据总线上，数据有效可用。BYTE为低时高八位从D15～D8输出，低八位从D7～D0输出，为高时相反；高八位从D7～DO输出，低八位从D15～D8输出。本实验设计采用AT89C51单片机作为CPU，为节约成本减少端口扩展芯片的使用，仅采用P0口作为数据的输出。因此本设计将单片机的P0口接至AD976的D7-D0端口，通过控制BYTE位的高低，控制先采集高8位数据，再采集低8位数据，再将两组数据组合成16位数据。数据采集模块的总体设计如图5所示：图5数据采集模块设计单片机通过P15，P16口控制采集信号属于哪一路通道，正常工作情况下，只允许一路通道打开，采集完成后需将对应引脚置零，P1.0引脚用于接收AD976的反馈信号，当该引脚收到低电平信号，表示AD转换结束，单片机片通过P0口接收数据，P2.0引脚连接至AD芯片的BETY端，控制接收的是高8位数据还是低8位数据。4输出控制电路单片机输出数字信号，经过DA转换成模拟信号后经过电压放大等操作后驱动后续电路，而本实验要求电机所需驱动电压：－10V~10V，而DA模块AD669输出电压可以选择为－10V~10V，刚好满足电机驱动。AD669是一款完整的16位单芯片数模转换器，内置一个片内基准电压源和输出放大器。它采用ADI公司BiMOSII工艺制造，可以在同一芯片上实现高精度双极性线性电路与低功耗CMOS逻辑功能。AD669芯片内置电流开关、解码逻辑、一个输出放大器、一个嵌入式齐纳基准电压源以及多个双缓冲锁存器。该器件的架构可在整个温度范围内确保15位单调性。积分非线性保持在±0.003%，微分非线性最大值为±0.003%。片内输出放大器可以使电压输出在10μs达到1/2LSB以内的精度（满量程步进）。数据以并行16位格式载入AD669。双缓冲锁存结构不仅可以消除数据偏斜误差，还能够在多DAC系统中同时更新各DAC。三个TTL/LSTTL/5VCMOS兼容型信号控制下列锁存：CS、L1和LDAC。AD669的输出范围通过引脚编程，可以设置为0V至10V单极性输出范围或-10V至+10V双极性输出范围，采用28引脚密封cerdip封装。由于AD669需要16位输出，为此我们增加一个8位的数据锁存器74LS373，先通过P0口输出低8位放在锁存器中在输出高8位同时打开锁存器输出，16位信号送至AD669模块中进行DA转换。电路图如图6所示：图6输出控制电路5ADC、DAC的驱动程序数据采集模块驱动程序：#include<reg51.h>#include<absacc.h>SbitIN976=P1.0;//用于判断是否转换结束SbitT0=P1.5;//转换第1路通道SbitT1=P1.6;//转换第2路通道#defineHDATAXBYTE[0x7E00]//数据高8位读取地址#defineLDATAXBYTE[0x7F00]//数据低8位读取地址#defineADCOMXBYTE[0x7F00]//开始转换控制字intREADAD976(void){intad;T0=1;T1=0;//获取第1路压力传感器输出信号Unsignedcharhdata,ldata;ADCOM=0;//开始转换while(!IN976);//当转换结束hdata=HDATA;//保存高8位数据ldata=LDATA;//保存低8位数据ad=(hdata<<8)+ldata;//转换成16位数据return(ad);}输出控制电路DAC驱动程序：#include<reg51.h>#include<absacc.h>#defineDAC669XBYTE[0Xbf00]//DA转换地址SbitclockP1.7//控制锁存inthdata,ldata;//高低8位数据intWRITEAD669(intHDATA,intLDATA){P0=HDATA;//高8位数据送到P0口CLOCK=1;//74LS373锁存高八位数据，并送到AD668高八位DAC669=LDATA;//送低八位数据并开始转换}参考文献[1]张国雄.测控电路（第三版）.北京：机械工业出版社，2007.[2]顾振国.

数据采集器技术的发展动态[J].中国设备管理.1994(03)[3]苗大龙,李果,张广明等.基于AT89C51