【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 本課題中對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的選擇由于本課題設(shè)計(jì)的水平儀精度較高，所以需要選用高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，考慮轉(zhuǎn)換速度、成本等因素選用逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CMOS工藝8通道，8位逐次逼近式A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A/D芯片。ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它由8路模擬開(kāi)關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開(kāi)關(guān)樹(shù)型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時(shí)電路組成。1. ADC0809主要特性 1）8路輸入通道，8位A/D轉(zhuǎn)換器，即分辨率為8位。 2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100μs(時(shí)鐘為640kHz時(shí))，130μs（時(shí)鐘為500kHz時(shí)）　 4）單個(gè)+5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 6）工作溫度范圍為40～+85攝氏度 7）低功耗，約15mW。2. 外部特性（引腳功能）ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖所示。下面說(shuō)明各引腳功能。 　　IN0～I(xiàn)N7：8路模擬量輸入端。 　　21～28：8位數(shù)字量輸出端。 　　ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路 　　ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 　　START： A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)脈沖輸入端，輸入一個(gè)正脈沖（至少100ns寬）使其啟動(dòng)（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換）。 　　EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開(kāi)輸出三態(tài)門(mén)，輸出數(shù)字量。 　　CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 　　REF（+）、REF（）：基準(zhǔn)電壓。 　　Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。4. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 傾角傳感器的設(shè)計(jì) 差動(dòng)電容傳感器測(cè)角原理差動(dòng)電容傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于諸如壓力、加速度、直線位移、轉(zhuǎn)角等物理量的測(cè)量，其電路結(jié)構(gòu)依測(cè)量要求不同而不同，但其基本原理都是利用比例信號(hào)處理法以傳感器電容容量的變化來(lái)反映被測(cè)量的變化，電容變化可以是線性或非線性的。所謂比例信號(hào)處理法即用傳感器中兩電容之差與兩電容之和的比值來(lái)線性地反映被測(cè)量。因此需要專門(mén)的信號(hào)處理電路將傳感器電容變化轉(zhuǎn)換為易于檢測(cè)的電量，已經(jīng)出現(xiàn)的技術(shù)方法有開(kāi)關(guān)電容(S/C)法，模數(shù)轉(zhuǎn)換(A/D)法、電容/頻率轉(zhuǎn)換法、電容/相位轉(zhuǎn)換法等，其中適用于CMOS集成電路的S/C法由于時(shí)鐘饋線的影響精度較低，C/F法可以達(dá)到很高的精度，但由于需要微處理器來(lái)進(jìn)行比例運(yùn)算而難以滿足時(shí)實(shí)、快速的要求。近年來(lái)，人們?cè)谔岣呔群退俣确矫娌粩嗵剿鳎岢隽烁鞣N提高精度和速度的方法，本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換法。 差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)采用傾角傳感器為專門(mén)設(shè)計(jì)定制的差動(dòng)電容式傳感器,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖31所示。圖31差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖懸絲底座動(dòng)極板固定極板固定極板與水平儀底座和測(cè)量平面固定在一起，動(dòng)極板由懸絲懸掛，當(dāng)被測(cè)平面有一定傾角時(shí)，由于重力作用，動(dòng)極板始終保持豎直狀態(tài)，與一固定極板的極距減小，而與另一極板極距增大，形成差動(dòng)輸出。圖32測(cè)角模型圖由幾何關(guān)系可知: (31)由于所測(cè)傾角變化極小，可認(rèn)為動(dòng)極板與固定極板始終平行。由式(31)可以看出θ與Δd之間成線性關(guān)系。 角度轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)角度轉(zhuǎn)換模塊就是將傳感器敏感的角度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、濾波、運(yùn)算分析等的加工處理， 以抑制有害干擾噪聲、提高信噪比，便于進(jìn)一步的傳輸和后續(xù)處理。電路結(jié)構(gòu)主要由傳感器角度測(cè)量和電信號(hào)調(diào)理2部分組成，其工作原理如圖43所示：圖43 角度轉(zhuǎn)換模塊工作原理框圖待測(cè)角度傾角傳感器激 勵(lì) 源測(cè)量電橋第一級(jí)運(yùn)算放大器整流濾波第二級(jí)運(yùn)算放大器直流輸出 測(cè)量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動(dòng)電容傳感器來(lái)組成阻容電橋，兩個(gè)精密電阻的參數(shù)選擇盡量完全匹配，如圖47所示。圖47 電橋電路圖電橋的不平衡輸出電壓u2與激勵(lì)源電壓u1之間的關(guān)系為 (32)其中R為橋臂電阻；d為電容兩極板之間的距離；Δd為電容兩極板間距離的變化量；ω為激勵(lì)源角頻率；ε為電介質(zhì)常數(shù)；s為電容極板面積； u1為激勵(lì)源電壓；u2為電橋不平衡電壓輸出。令，則，則上式變?yōu)? (33)因?yàn)?，所以上式?jiǎn)化為 (34)式中為靈敏度。由式(34)可以看出，在激勵(lì)源不變的條件下，電橋不平衡輸出電壓u2與Δd成一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，由式(31)可知與傾角θ也成一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。對(duì)正弦波形輸出電壓及放大后的交流電橋輸出電壓同時(shí)采樣由式(34)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與激勵(lì)源電壓ul之比在△d一定的情況下為常數(shù)。設(shè)計(jì)中對(duì)ul及u2同時(shí)進(jìn)行采樣，并將兩路信號(hào)與溫度信號(hào)(共三路信號(hào))送人AD7706進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。用u2與ul的比值作為最終的采樣值，再以此比值進(jìn)行標(biāo)定，這樣就可以消除干擾信號(hào)產(chǎn)生的激勵(lì)源波形的失真。 第一級(jí)放大電路從電橋輸出的信號(hào)為交流信號(hào)，為便于后續(xù)處理先對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大。在精度要求不是太高的情況下采用通用運(yùn)放組成的信號(hào)放大電路是可行的，但是由于通用運(yùn)放放大電路的外接電阻很難精密匹配，由分立原件組成的放大電路共模抑制比不高，會(huì)影響到檢測(cè)精度。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。美國(guó)AD公司開(kāi)發(fā)了許多性能優(yōu)良的儀表專用放大器芯片，如：AD52AD52AD6AD624等，這些芯片現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種電路設(shè)計(jì)中。由于AD620具有精度高、增益選擇范圍大和高性價(jià)比等特點(diǎn)，本課題采用該芯片作為放大器芯片，其主要特點(diǎn)見(jiàn)表31：表31 AD620的特性供電電源增益選擇增益范圍最大增益誤差%帶寬177?！?77。18V電阻編程1～10k%(G=1OOO)1MHz(G=1，小信號(hào)3dB)功耗輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)漂移輸入偏置電流最小共模抑制比最大650mW最大125μV最大1μV/℃(G=10)為了正確地使用AD620，發(fā)揮其固有的性能，在使用中應(yīng)該注意AD620的輸入過(guò)載能力，兩個(gè)輸入端應(yīng)分別串聯(lián)一只400Ω的薄膜電阻，這樣可以安全地承受長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的輸入高達(dá)+15V或+6mA的過(guò)載，這種保護(hù)功能對(duì)所有增益均有效，當(dāng)信號(hào)源和放大器分別供電時(shí)更為重要。如圖48所示為AD620引腳圖，圖49為AD620電路原理圖。圖48 AD620引腳圖12348765RcIN+INVsRc+VsOUTPUTREFTOP VIEWAD620+只要在l、8針腳之間加入一個(gè)外部增益控制電阻RG，就可以靈活的調(diào)節(jié)增益，增益方程式為，由此可以得出，對(duì)于所需要的增益，則外部控制增益電阻值為。為了減小輸人端的噪聲干擾采用屏蔽電纜方法。對(duì)屏蔽給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)，可減小電纜電容和雜散電容造成的差分相移，保證交流共模抑制