【文章內(nèi)容簡介】 本課題中對AD轉(zhuǎn)換器的選擇由于本課題設(shè)計的水平儀精度較高，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是美國國家半導(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8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。是目前國內(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路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近寄存器、邏輯控制和定時電路組成。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)換起停控制端。 3）轉(zhuǎn)換時間為100μs(時鐘為640kHz時)，130μs（時鐘為500kHz時）　 4）單個+5V電源供電 5）模擬輸入電壓范圍0～+5V，不需零點和滿刻度校準。 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。下面說明各引腳功能。 　　IN0～IN7：8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，輸入，高電平有效。 　　START： A/D轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。 　　EOC： A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 　　OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。 　　CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 　　REF（+）、REF（）：基準電壓。 　　Vcc：電源，單一+5V。 GND：地。4. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 傾角傳感器的設(shè)計 差動電容傳感器測角原理差動電容傳感器越來越廣泛地應(yīng)用于諸如壓力、加速度、直線位移、轉(zhuǎn)角等物理量的測量，其電路結(jié)構(gòu)依測量要求不同而不同，但其基本原理都是利用比例信號處理法以傳感器電容容量的變化來反映被測量的變化，電容變化可以是線性或非線性的。所謂比例信號處理法即用傳感器中兩電容之差與兩電容之和的比值來線性地反映被測量。因此需要專門的信號處理電路將傳感器電容變化轉(zhuǎn)換為易于檢測的電量，已經(jīng)出現(xiàn)的技術(shù)方法有開關(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法由于時鐘饋線的影響精度較低，C/F法可以達到很高的精度，但由于需要微處理器來進行比例運算而難以滿足時實、快速的要求。近年來，人們在提高精度和速度方面不斷探索，提出了各種提高精度和速度的方法，本設(shè)計采用A/D轉(zhuǎn)換法。 差動電容傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計采用傾角傳感器為專門設(shè)計定制的差動電容式傳感器,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖31所示。圖31差動電容傳感器結(jié)構(gòu)簡圖懸絲底座動極板固定極板固定極板與水平儀底座和測量平面固定在一起，動極板由懸絲懸掛，當(dāng)被測平面有一定傾角時，由于重力作用，動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，形成差動輸出。圖32測角模型圖由幾何關(guān)系可知: (31)由于所測傾角變化極小，可認為動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)計角度轉(zhuǎn)換模塊就是將傳感器敏感的角度信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后經(jīng)過調(diào)理、放大、濾波、運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量和電信號調(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角度傾角傳感器激 勵 源測量電橋第一級運算放大器整流濾波第二級運算放大器直流輸出 測量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動電容傳感器來組成阻容電橋，兩個精密電阻的參數(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為激勵源電壓；u2為電橋不平衡電壓輸出。令，則，則上式變?yōu)? (33)因為，所以上式簡化為 (34)式中為靈敏度。由式(34)可以看出，在激勵源不變的條件下，電橋不平衡輸出電壓u2與Δd成一簡單的線性關(guān)系，由式(31)可知與傾角θ也成一簡單的線性關(guān)系。對正弦波形輸出電壓及放大后的交流電橋輸出電壓同時采樣由式(34)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與激勵源電壓ul之比在△d一定的情況下為常數(shù)。設(shè)計中對ul及u2同時進行采樣，并將兩路信號與溫度信號(共三路信號)送人AD7706進行AD轉(zhuǎn)換。用u2與ul的比值作為最終的采樣值，再以此比值進行標(biāo)定，這樣就可以消除干擾信號產(chǎn)生的激勵源波形的失真。 第一級放大電路從電橋輸出的信號為交流信號，為便于后續(xù)處理先對其進行信號放大。在精度要求不是太高的情況下采用通用運放組成的信號放大電路是可行的，但是由于通用運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，會影響到檢測精度。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。美國AD公司開發(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)計中。由于AD620具有精度高、增益選擇范圍大和高性價比等特點，本課題采用該芯片作為放大器芯片，其主要特點見表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的輸入過載能力，兩個輸入端應(yīng)分別串聯(lián)一只400Ω的薄膜電阻，這樣可以安全地承受長達幾小時的輸入高達+15V或+6mA的過載，這種保護功能對所有增益均有效，當(dāng)信號源和放大器分別供電時更為重要。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。對屏蔽給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動，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