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高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2011-05-15 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文以TI公司的10位串行A/D芯片TLC1549為例,設(shè)計(jì)具有多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
A/D轉(zhuǎn)換在電子測(cè)控系統(tǒng)中被廣泛使用,溫度、壓力等非電量的測(cè)量,電壓、電流等電量的測(cè)量,一般都是通過(guò)單片機(jī)(或其他控制芯片)控制A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)換速度要求不是太高的情況下,一般都采用串行A/D芯片,占用單片機(jī)的口線資源少,串行擴(kuò)展式測(cè)控系統(tǒng)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。但串行A/D芯片的模擬通道少,不能滿足多路信號(hào)的測(cè)量.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集有兩種方法實(shí)現(xiàn):A/D轉(zhuǎn)換和V/F轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換方式上,A/D轉(zhuǎn)換又分為積分A/D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器等;從接口形式上又分為并行A/D和串行A/D。V/F轉(zhuǎn)換是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào),然后測(cè)出頻率再計(jì)算出物理量,它需要用計(jì)數(shù)器來(lái)測(cè)量頻率,只適合信號(hào)較少的場(chǎng)合。

目前在以單片機(jī)為核心的測(cè)量控制系統(tǒng)中,A/D,D/A、存儲(chǔ)器等功能部件流行串行接口,可供選擇串行接口芯片的種類(lèi)也日益增多。本課題采用10位串行A/D芯片TLC1549,它是一款單通道逐次逼近A/D芯片,本課題通過(guò)提升它的測(cè)量分辨率,使之達(dá)到12位的精度,用電子開(kāi)關(guān)擴(kuò)展輸入通道,使其能對(duì)八路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1提升A/D分辨率方法

圖1是提升A/D分辨率的原理電路,其原理是通過(guò)調(diào)整其轉(zhuǎn)換的參考電壓,并將輸入信號(hào)分檔處理,從而提高測(cè)量轉(zhuǎn)換的分辨率。



如參考電壓設(shè)為5 V時(shí),對(duì)5 V滿量程轉(zhuǎn)換,分辨率為:d=5/1 024;如果將參考電壓設(shè)置為2.5 V,對(duì)2.5 V滿量程轉(zhuǎn)換,分辨率為:d=2.5/1 024。顯然后一種情況A/D轉(zhuǎn)換的精度高,是前者的一倍,測(cè)量精度達(dá)到11位,即將10位的A/D芯片提升到11位A/D的分辨率。以此類(lèi)推,10位的A/D芯片也可以設(shè)計(jì)成達(dá)到12位A/D分辨率。從圖1可以看出,只要能對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分檔處理,使輸入到A/D芯片的電壓信號(hào)小于等于1.25 V,將A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓也設(shè)置為1.25 V,則10位A/D轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到12位。

1.2八通道12位數(shù)據(jù)采集器原理圖

TLC1549只有一路模擬量輸入通道,為達(dá)到設(shè)計(jì)八個(gè)通道要求,通過(guò)八選一開(kāi)關(guān)擴(kuò)展其八路通道,本系統(tǒng)用TLC1549設(shè)計(jì)的八路數(shù)據(jù)采集器原理框圖如圖2所示,包括開(kāi)關(guān)、量程分檔處理、10位串行A/D、顯示電路、單片機(jī)系統(tǒng)五部分。



2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電子開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)

圖3為開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的八路A/D輸入通道。模擬電子開(kāi)關(guān)采用CD4051。CD4051是八選一電子開(kāi)關(guān),圖4為其引腳圖。A0~A7為八路輸入端,A為開(kāi)關(guān)輸出端,E為芯片使能引腳,VEE是負(fù)電源,VCC為正電源,GND為電源地,S0~S2為八路開(kāi)關(guān)選擇控制。由于CD4051的電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)有100 Ω左右的電阻,為消除開(kāi)關(guān)電阻對(duì)輸入信號(hào)的影響,選通的信號(hào)通過(guò)跟隨器再送給后面的電路,同時(shí)提高輸入通道的輸入阻抗。820 kΩ電阻是為了消除通道懸空時(shí)跟隨器不穩(wěn)定輸出。本系統(tǒng)中采用AT89S51單片機(jī),通道切換通過(guò)單片機(jī)P1.0~P1.2口分別控制CD4051的S0~S2引腳,選擇其中一路電子開(kāi)關(guān)接通。



2.2 量程分檔處理電路設(shè)計(jì)

2.2.1量程切換電路

圖5為量程切換電路。將電子開(kāi)關(guān)輸出的模擬電壓分別通過(guò)跟隨器和三個(gè)減法運(yùn)算電路,減法器的反向輸入端分別加固定電壓:1.25 V,2.5 V,3.75 V??梢缘玫剿慕M電壓輸出信號(hào):V,V-1.25,V-2.5,V-3.75的電壓,分別加到模擬電子開(kāi)關(guān)的四個(gè)輸入端,電子開(kāi)關(guān)仍然用CD4051,在輸入信號(hào)0~5 V變換過(guò)程中,上述四組信號(hào)中,必有一組信號(hào)在0~1.25 V間,通過(guò)對(duì)電子開(kāi)關(guān)的控制,使該組信號(hào)通過(guò)電子開(kāi)關(guān),再經(jīng)過(guò)跟隨器送給A/D芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。由于只有4路信號(hào)切換,將CD4051的S2接地,S0,S1分別用單片機(jī)P1.3,P1.4口控制。選擇哪路信號(hào)作為A/D轉(zhuǎn)換信號(hào),可以通過(guò)圖6所示的量程判別電路,用單片機(jī)口檢測(cè)。



2.2.2 量程判別電路

圖6為量程判別電路。三個(gè)比較器的基準(zhǔn)分別取1.25 V,2.5 V,3.75 V,當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)時(shí)比較器輸出高電平,否則輸出低電平,將比較器的輸出分別送給單片機(jī)的P1.5,P1.6,P1.7口檢測(cè)。



2.3 顯示電路的設(shè)計(jì)

顯示電路采用LCM103,LCM103為10位多功能通用型八段式液晶顯示,模塊內(nèi)含看門(mén)狗(WDT)/時(shí)鐘發(fā)生器,內(nèi)置顯示RAM,其接口電路如圖7所示。CS,RD,WR,DATA分別用P2.0~P2.3口控制,最高位顯示通道號(hào),后面4位顯示數(shù)字量,空一位,最低4位顯示電壓值,顯示每秒刷新一次。



2.4串行A/D接口電路的設(shè)計(jì)

串行A/D接口電路采用的TLC1549,它是一個(gè)10位的逐次逼近式A/D芯片,其接口電路如圖8所示。參考電壓接1.25 V,可以將1.25 V以下的模擬量轉(zhuǎn)換10位的數(shù)字量,轉(zhuǎn)換的分辨率與5 V轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量的分辨率相同,實(shí)現(xiàn)了由低分辨率A/D進(jìn)行高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換。實(shí)際的轉(zhuǎn)換結(jié)果與選擇的量程有關(guān),設(shè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的結(jié)果為X,則四種狀況的實(shí)際結(jié)果分別為:

X,被測(cè)信號(hào)1.25 V,A0接通;
X+1 024,1.25 V≤被測(cè)信號(hào)2.5 V,A1接通;
X+2 048,2.50 V≤被測(cè)信號(hào)3.75 V,A2接通;
X+3 072,被測(cè)信號(hào)≥3.75 V,A3接通。

2.5單片機(jī)系統(tǒng)及電源電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)選擇AT89S51單片機(jī),不采用擴(kuò)展電路,直接用單片機(jī)的輸入輸出口線控制外圍接口電路。取系統(tǒng)的晶振蕩頻率為12 MHz,機(jī)器周期為1μs。程序存儲(chǔ)器空間采用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。

電源電路由運(yùn)算構(gòu)成的減法器等模擬信號(hào)處理電路組成,原理上有負(fù)電壓輸出,系統(tǒng)電源應(yīng)有正負(fù)電源,取±12 V,單片機(jī)系統(tǒng)需要的+5 V電源由+6 V經(jīng)LM7805穩(wěn)壓得到。采用初級(jí)是220 V次級(jí)輸出雙12 V的電源變壓器降壓,經(jīng)過(guò)橋式整流、濾波,通過(guò)LM7812,LM7912三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓,得到±12 V電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖9為設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖。


4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過(guò)利用10位的串行A/D芯片TLC1549,通過(guò)精度提升的方法實(shí)現(xiàn)12位A/D轉(zhuǎn)換;控制TLC1549的參考電壓和切換輸入模擬信號(hào)的幅度實(shí)現(xiàn);用CD4051模擬電子開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)串行A/D芯片的輸入通道擴(kuò)展,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高精度多路數(shù)據(jù)采集。



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