高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理及設(shè)計
本文以TI公司的10位串行A/D芯片TLC1549為例,設(shè)計具有多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
A/D轉(zhuǎn)換在電子測控系統(tǒng)中被廣泛使用,溫度、壓力等非電量的測量,電壓、電流等電量的測量,一般都是通過單片機(jī)(或其他控制芯片)控制A/D轉(zhuǎn)換實現(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)展式測控系統(tǒng)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢。但串行A/D芯片的模擬通道少,不能滿足多路信號的測量.
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
數(shù)據(jù)的采集有兩種方法實現(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)換是將電壓信號轉(zhuǎn)換為頻率信號,然后測出頻率再計算出物理量,它需要用計數(shù)器來測量頻率,只適合信號較少的場合。
目前在以單片機(jī)為核心的測量控制系統(tǒng)中,A/D,D/A、存儲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,本課題通過提升它的測量分辨率,使之達(dá)到12位的精度,用電子開關(guān)擴(kuò)展輸入通道,使其能對八路信號進(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,其原理是通過調(diào)整其轉(zhuǎn)換的參考電壓,并將輸入信號分檔處理,從而提高測量轉(zhuǎn)換的分辨率。
如參考電壓設(shè)為5 V時,對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。以此類推,10位的A/D芯片也可以設(shè)計成達(dá)到12位A/D分辨率。從圖1可以看出,只要能對輸入的信號進(jìn)行分檔處理,使輸入到A/D芯片的電壓信號小于等于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)計八個通道要求,通過八選一模擬電子開關(guān)擴(kuò)展其八路通道,本系統(tǒng)用TLC1549設(shè)計的八路數(shù)據(jù)采集器原理框圖如圖2所示,包括模擬電子開關(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
2.1電子開關(guān)電路設(shè)計
圖3為模擬電子開關(guān)設(shè)計的八路A/D輸入通道。模擬電子開關(guān)采用CD4051。CD4051是八選一電子開關(guān),圖4為其引腳圖。A0~A7為八路輸入端,A為開關(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為八路開關(guān)選擇控制。由于CD4051的電子開關(guān)導(dǎo)通時有100 Ω左右的電阻,為消除開關(guān)電阻對輸入信號的影響,選通的信號通過跟隨器再送給后面的電路,同時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關(guān)接通。
2.2 量程分檔處理電路設(shè)計
2.2.1量程切換電路
圖5為量程切換電路。將電子開關(guān)輸出的模擬電壓分別通過跟隨器和三個減法運算電路,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:V,V-1.25,V-2.5,V-3.75的電壓,分別加到模擬電子開關(guān)的四個輸入端,電子開關(guān)仍然用CD4051,在輸入信號0~5 V變換過程中,上述四組信號中,必有一組信號在0~1.25 V間,通過對電子開關(guān)的控制,使該組信號通過電子開關(guān),再經(jīng)過跟隨器送給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。選擇哪路信號作為A/D轉(zhuǎn)換信號,可以通過圖6所示的量程判別電路,用單片機(jī)口檢測。
2.2.2 量程判別電路
圖6為量程判別電路。三個比較器的基準(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。
2.3 顯示電路的設(shè)計
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)含看門狗(WDT)/時鐘發(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,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
串行A/D接口電路采用的TLC1549,它是一個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,實現(xiàn)了由低分辨率A/D進(jìn)行高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換。實際的轉(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,則四種狀況的實際結(jié)果分別為:
X,被測信號1.25 V,A0接通;
X+1 024,1.25 V≤被測信號2.5 V,A1接通;
X+2 048,2.50 V≤被測信號3.75 V,A2接通;
X+3 072,被測信號≥3.75 V,A3接通。
2.5單片機(jī)系統(tǒng)及電源電路的設(shè)計
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。程序存儲器空間采用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲器。
電源電路由運算放大器構(gòu)成的減法器等模擬信號處理電路組成,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。采用初級是220 V次級輸出雙12 V的電源變壓器降壓,經(jīng)過橋式整流、濾波,通過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
圖9為設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖。
4 結(jié)語
本設(shè)計通過利用10位的串行A/D芯片TLC1549,通過精度提升的方法實現(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的幅度實現(xiàn);用CD4051模擬電子開關(guān)實現(xiàn)了對串行A/D芯片的輸入通道擴(kuò)展,進(jìn)而實現(xiàn)了高精度多路數(shù)據(jù)采集。
評論