MAX1300在伺服功率驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用

伺服功率驅(qū)動系統(tǒng)是液壓伺服控制器的重要組成部分，該部分的設(shè)計(jì)不僅要為伺服系統(tǒng)提供足夠的驅(qū)動能力，同時(shí)也要完成對電流反饋信號、電壓反饋信號以及門限電壓的實(shí)時(shí)采集、轉(zhuǎn)換與顯示。此外，為了保證整個(gè)系統(tǒng)在控制器工作過程中的良好表現(xiàn)，需要同時(shí)完成對兩路信號的采集和轉(zhuǎn)換。這對該系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集的速度、精度以及時(shí)序控制的準(zhǔn)確度提出了較高的要求。

使用常見的8位、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片(如ADC0809、MAX197等)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)簡單且成本較低，但無法滿足高精度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本文提出了一種基于C8051F120單片機(jī)為核心控制器件，使用16位A／D轉(zhuǎn)換器MAX1300的雙通道信號采集、處理方案，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試和理論分析，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的采集精度和速度。

1 硬件設(shè)計(jì)
該伺服功率驅(qū)動板中完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集檢測系統(tǒng)選用C8051F120作為核心控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，主要由單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換、LED液晶顯示和報(bào)警電路等組成。

本系統(tǒng)中選用22．118 MHz的外部晶振時(shí)鐘以保證電路的穩(wěn)定可靠。為滿足系統(tǒng)中各設(shè)備的供電要求，采用5 V的輸入電源供電。上位機(jī)與采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信利用串口完成，通過MAX232完成電平轉(zhuǎn)換。液晶顯示采用LCD5110模塊完成，模擬量采集部分的A／D轉(zhuǎn)換使用MAX1300實(shí)現(xiàn)。
硬件電路部分的設(shè)計(jì)中使用MAX1300內(nèi)部4．096 V的電壓基準(zhǔn)。為了提升系統(tǒng)性能，在設(shè)計(jì)電路時(shí)加入了獨(dú)立的模擬地和數(shù)字地、模擬電源和數(shù)字電源。同時(shí)，由于供電電源
的高頻噪聲也會對ADC中的高速比較器的工作性能，在每一個(gè)模擬電源和數(shù)字電源上都使用一個(gè)0．1μF的陶瓷電容旁路到最近的地。CH0～CH7分別為采集模擬量的輸入通道。在每個(gè)通道前，加入了RC濾波電路。采集電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
A／D采集部分的程序主要使用的開發(fā)軟件為KeiluVision2。程序主要包括初始化程序、配置輸入方式和輸入量程的字節(jié)、配置芯片的工作模式、寫入啟動信號0x80、等待8
個(gè)時(shí)鐘、讀出AD轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)位等部分。軟件流程圖如圖3所示。

MAX1300有3種可供選擇的轉(zhuǎn)換模式，分別為外部時(shí)鐘模式、外部采集模式和內(nèi)部時(shí)鐘模式。本文中選擇外部時(shí)鐘模式，在該模式下，SCLK在控制模擬信號采集的同時(shí)，也控制著模擬信號的轉(zhuǎn)換，便于精確的控制采集模擬信號的時(shí)間，并且這種模式可獲得最高的吞吐率。此外，MAX1300具有7種單端輸入范圍和3種差分輸入范圍，能夠滿足本系統(tǒng)采集正負(fù)電壓的需要。
依照圖4中模式控制字節(jié)的寫入方式完成MAX1300芯片的單極性或雙極性輸入范圍、單端或差分輸入通道配置、采集工作模式的配置。

在Keil下進(jìn)行編程并在線調(diào)試。在連接好電路之后，單片機(jī)啟動AD轉(zhuǎn)換程序并將采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到PC機(jī)。驅(qū)動程序如下：
SPI_Write_Cmd(0x89)； ／／配置CH0和CH1為差分輸入方式
SPI_Write_Cmd(Ox88)； ／／0x88為外部模式0
SPI_Write_Start(0x80)； ／／啟動轉(zhuǎn)換信號
MAX_DATA=SPI_Read()；／／讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
在采集精度測試中，使用信號源輸入不同的電壓值，將A／D轉(zhuǎn)換后液晶顯示的電壓值與采樣電阻兩端的實(shí)際輸出電壓值進(jìn)行比較，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該單片機(jī)設(shè)計(jì)的AD采集板具有較高的精度，但仍存在著一定的誤差。在高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC的誤差在很大程度上影響著系統(tǒng)的精度。因此需要對AD轉(zhuǎn)換器件MAX1300的各主要誤差源進(jìn)行分析計(jì)算。
MAX1300的差分非線性(DNL)為(-1LSB，+2LSB)，其DNL誤差值存在偏移，也就是說ADC的轉(zhuǎn)換函數(shù)會發(fā)生變化，但是在以-1LSB為底限的情況下在理論上仍然可以保證不丟碼。
INL是DNL誤差的積分，在實(shí)際計(jì)算ADC的精度過程中，通常選用INL誤差。INL誤差可通過公式(1)得到
ERR=LSB／2N (1)
MAX1300的INL誤差為±1LSB，聲明為無丟碼(16位精度)，則它的分辨率誤差是0．001 526％。
MAX1300雙極性輸入的增益誤差為±0．3％FSR，意味著在其最大輸出時(shí)，會帶來8位(197)的誤差，其增益誤差0．012 2％。一般情況下，在采用片內(nèi)基準(zhǔn)時(shí)將會產(chǎn)生更大的增益誤差，可以通過采用片外基準(zhǔn)的方式減小增益誤差。
ENOB(有效位數(shù))可由公式(2)計(jì)算得出，

假設(shè)系統(tǒng)允許0．1％的誤差，ADC允許0．075％的誤差。我們在設(shè)計(jì)中選擇的MAX1300，其具有(-1LSB，+2ISB)的DNL，INL誤差為±1LSB(0．001 526％)，增益誤差0．012 2％，0．01％的失調(diào)誤差，1 ppm／℃的溫漂系數(shù)，在50℃范圍內(nèi)產(chǎn)生0．001％的誤差，共計(jì)0．027 4％的誤差。還有0．047 6％的誤差供基準(zhǔn)電壓源使用，在這種情況下，有較多的選擇余地。可以采取校正失調(diào)誤差和增益誤差，并選擇低噪聲的電壓基準(zhǔn)，以達(dá)到提高系統(tǒng)精度的目的。

4 結(jié)論
本文主要介紹了使用高精度16位A／D轉(zhuǎn)換器MAX1300完成雙通道信號的采集處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程。給出了系統(tǒng)硬件及軟件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，通過實(shí)驗(yàn)測試和對A／D轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生的誤差的進(jìn)行量化分析，得出本系統(tǒng)具有高精度、較快的轉(zhuǎn)換速度、較低的CPU占用率等特點(diǎn)，能夠很好地滿足使用要求。