【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 )12(???kk 2/3/我們對(duì)信號(hào)進(jìn)行 4 倍頻采樣，采樣點(diǎn)設(shè)為 ， ， ， 。在1SE23S4E這里，我們假設(shè) 為初始采樣點(diǎn)的相位。那么，原信號(hào)可以表示為：? ）（ ???teAHES2sin ? ?cos2eS ??AHE ?eS現(xiàn)用式 和式 表示的方波對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，得到的采樣吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）11信號(hào)表示如下：其一， 39。 SES??采樣信號(hào)為 ???????cosinsi39。439。339。239。eSeSAHE其二， 39。采樣信號(hào)為 ????????cosinsi39。439。339。239。1eSeSAHE對(duì)這兩種信號(hào)分別進(jìn)行采樣求和后取平均值（與模擬信號(hào)的積分類似），得到以下結(jié)果： )cos(sin2/1)(4/14/1 39。439。339。239。130i39。 ?????????SSSi EEI )cos(sin2/1)(4/14/1 39。439。339。239。130i39。 ??? SSSiQ對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行求和去均值運(yùn)算，相當(dāng)于對(duì)原信號(hào)進(jìn)行以下處理： ????????????3039。S )/(E4/1 ???? ?????3039。S )/(/吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）12式中 為采樣周期，即 。????/2?經(jīng)過上述分析，我們可以通過下面的計(jì)算得到最終的結(jié)果： ????22QIIAHe ?? 地磁檢測(cè)裝置的主要功能三分量磁通門地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置主要是通過檢測(cè)地磁場(chǎng)在三個(gè)互相垂直的方向上的分量來測(cè)量地磁場(chǎng)總場(chǎng)強(qiáng)度的。三分量磁通門式磁敏傳感器能檢測(cè)到地磁場(chǎng)的各個(gè)分量被調(diào)制后的信號(hào)，經(jīng)選頻放大電路得到幅值與分量大小成正比的二次諧波，用 16 位 A/D 對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行 4 倍頻采樣，通過外部中斷的方式將采樣數(shù)據(jù)分別送入單片機(jī)，單片機(jī)在讀夠兩個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)（共三組，每組 16 個(gè)字節(jié)即 8 個(gè) 16 位數(shù)據(jù)）后，經(jīng) MAX232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換通過串口發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)，有計(jì)算機(jī)完成最終的數(shù)據(jù)處理和分析。3 三分量磁通門地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的硬件電路設(shè)計(jì) 前置檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)前置檢測(cè)電路的原理方框圖如下：212傳感器驅(qū)動(dòng)電路16 位 A/D 四倍頻采樣振蕩 分頻器29 信號(hào) 轉(zhuǎn)換選頻 放大器圖 前置檢測(cè)電路原理框圖吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）13分頻電路采用 20MHz 晶振，分頻輸出用 212 倍分頻作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)，經(jīng)功率放大用作傳感器激勵(lì)信號(hào)；2 9 倍分頻經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路整形，用作 A/D 轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘信號(hào)。下面具體介紹一下各部分電路： 分頻電路和信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)：磁通門傳感器需要 5kHz 激勵(lì)信號(hào)，需要有振蕩電路為其提供頻率源。石英晶振振蕩器產(chǎn)生的信號(hào)頻率為 20MHz，需要進(jìn)行 4000 倍（約2^12=4096 倍）分頻。同時(shí)，A/D 進(jìn)行 4 倍頻采樣，需要 40kHz 的時(shí)鐘信號(hào)，并且要求占空比接近 100%（詳見 AD7656 工作時(shí)序） ，所以分頻器的29 倍分頻輸出需要接信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。分頻器采用 14 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)\分頻器74HC4060，電路原理圖如圖 。圖中 13 腳為 29 倍分頻輸出，1nF 電容和 電阻形成微分電路，和與非門整形電路構(gòu)成信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，為 A/D 轉(zhuǎn)換電路提供啟動(dòng)信號(hào)。74HC4060O12 2O13 3RTC10O3 7MR12RS11O4 5O5 4O6 6O7 14O8 13O9 15O11 1CTC920MHz2MΩ30pF30pF1nF 74HC00（ A（圖 分頻電路及信號(hào)轉(zhuǎn)換電路 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)：分頻器輸出帶載能力較弱，不能直接用作激勵(lì)因此需要驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大。理想的激勵(lì)信號(hào)應(yīng)該是頻率為 5kHz、幅度為 3V 的正弦波，要求正弦波的幅度非常穩(wěn)定，所以實(shí)際激勵(lì)信號(hào)采用 5kHz 的方波，幅度吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）14為 3v。分頻器的輸出幅度約為 6V，經(jīng) 緩沖電阻減壓，功放電路輸出幅度約為 4V，需要進(jìn)行變壓處理，電路設(shè)計(jì)如圖 ：圖中的隔離線圈是手工繞制成的，其中，初級(jí)線圈的計(jì)算匝數(shù)為： fBAVNi4/?≈29 匝（式中 iV為線圈兩端交流電壓的幅度，取 4V； f為信號(hào)頻率，取 10^3Hz；B 為磁環(huán)磁通量，一般取 ，A 為磁環(huán)截面積，取 10^5 2m） ，實(shí)際繞了 50 匝，次級(jí)為 40 匝。V19 V V29 V 80508550100nF100nF100nF47uF圖 驅(qū)動(dòng)電路 選頻放大電路的設(shè)計(jì)：測(cè)量需要傳感器輸出的二次諧波成分，因此，傳感器的輸出信號(hào)不能直接進(jìn)行放大、采樣，必須經(jīng)過帶通濾波器濾出二次諧波，放大后在進(jìn)行采樣處理。濾波器的設(shè)計(jì)采用壓控電壓源型二階帶通濾波器，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。濾波器要求的設(shè)計(jì)參數(shù)為：中心頻率為 10kHz， Q 值為 10，對(duì)中心頻率的放大倍數(shù)為 30 倍。實(shí)際電路形式如圖 所示。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)濾波處理后其幅度不足以進(jìn)行采樣，故加一級(jí)放大。吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）15LM2581nF 16kΩ 9V9VXBP1IN OUTXFG11nF 33kΩ 16kΩ 3kΩ LM25816kΩ 100kΩ 9V9V16kΩ 圖 選頻放大電路仿真結(jié)果如下圖所示：圖 帶通濾波器伯德圖仿真結(jié)果從上圖可以看到，濾波器設(shè)計(jì)合理，而且仿真結(jié)果接近設(shè)計(jì)目標(biāo)，實(shí)吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）16際仿真參數(shù)如下：中心頻率為 ，Q 值為 ，中心頻率出放大倍數(shù)為 （ 倍） ，對(duì)二次諧波（實(shí)際頻率為 ）的放大倍數(shù)為 （ 倍） ，符合設(shè)計(jì)要求。 16 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 4 倍頻采樣的硬件設(shè)計(jì) 根據(jù) A/D 采集電路的設(shè)計(jì)要求選擇合適的 A/D：由于課題設(shè)計(jì)要求 A/D 實(shí)現(xiàn)對(duì)二次諧波的四倍頻采樣，所以，所選A/D 的轉(zhuǎn)換速率必須在 40kHz 以上；分辨率課題要求 16 位以上；由于采樣頻率必須精確為四倍頻，因此 A/D 采樣率應(yīng)該可變；由于是對(duì)交流信號(hào)采樣，故 A/D 應(yīng)能進(jìn)行正負(fù)采樣；課題要實(shí)現(xiàn)三分量測(cè)量，有三路信號(hào)輸入，要求同時(shí)對(duì)三路信號(hào)采樣，故要求 A/D 能實(shí)現(xiàn)三路以上同時(shí)采樣。根據(jù)以上要求，最終選擇逐次逼近型 16 位 A/D 數(shù)據(jù)采集電路AD7656。AD7656 的最高采樣頻率可達(dá)到 250kHz，屬于逐次逼近型，采樣頻率可變，通過轉(zhuǎn)換使能腳輸入啟動(dòng)信號(hào)，控制六個(gè)通道同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，這里我們只用其中三個(gè)通道。各通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后可通過16 位并行數(shù)據(jù)線依次傳送到單片機(jī)。圖 是 AD7656 的工作時(shí)序圖：圖 AD7656 的時(shí)序圖吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）17 A/D 采集電路的設(shè)計(jì)：圖 AD7656 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖從 AD7656 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和時(shí)序圖可以看出，AD7656 既可以用硬件電路控制，也可以通過軟件編程來操作，使用起來方便靈活。使用軟件操作時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸可以以字節(jié)的形式，即進(jìn)行 8 位數(shù)據(jù)的并行傳輸（詳見AD7656 資料翻譯中的管腳說明） ，此時(shí)的工作時(shí)序如圖 所示?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，我們需?16 位數(shù)據(jù)并行傳輸，采用硬件電路控制即可,數(shù)據(jù)的讀取采用硬件中斷的方法。具體的電路形式如圖 所示。在圖中，為保證電路看起來清楚、方便，電路中所有 AD7656 的電源引腳都沒有連接。在此加以說明：AVCC 和 DVCC 均接+5V 電源，AGND 和 DGND 分別接數(shù)字地和模擬地（實(shí)際電路對(duì)模擬和數(shù)字接地并沒有加以區(qū)分） ，VSS 接9V 電源， VDD 接 +9V 電源，其余管腳做懸空處理。吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）18圖 AD7656 采用字節(jié)傳送方式的工作時(shí)序圖 AD 采集電路另外，圖中單片機(jī)型號(hào)為 STC89C54RD+，內(nèi)部集成了 MAX810 專用復(fù)位電路，所以 RESET 管教直接接地。單片機(jī)采用外部時(shí)鐘源，時(shí)鐘由40MHz 有源晶振提供。AD7656 的 BUSY 腳在轉(zhuǎn)換時(shí)為高電平，當(dāng)轉(zhuǎn)換結(jié)束后轉(zhuǎn)為低電平，可用作中斷信號(hào)。 內(nèi)部電源的設(shè)計(jì)整體電路采用177。12V 外部電源供電，因前置電路需要 177。9V 電源，而吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）19A/D 和單片機(jī)電路需要+5V 電源，所以電源電路需要用到三端穩(wěn)壓管7807909 和 7805，具體電路如圖 所示：圖 內(nèi)部電源電路4 三分量磁通門地磁場(chǎng)檢測(cè)裝置的的軟件設(shè)計(jì) STC89C54RD+單片機(jī)介紹設(shè)計(jì)采用 STC89C54RD+單片機(jī)，該單片機(jī)具有以下顯著特點(diǎn)：? 超強(qiáng)抗干擾1 、高抗靜電（ESD 保護(hù)） ；2 、輕松過 4KV 快速脈沖干擾(EFT 測(cè)試） ；3 、寬電壓，不怕電源抖動(dòng)；4 、寬溫度范圍, 40℃～85℃；5 、I/O 口經(jīng)過特殊處理；6 、單片機(jī)內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理；7 、單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路經(jīng)過特殊處理；8 、單片機(jī)內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理；9 、單片機(jī)內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理。吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）20? 1 個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期，可用低頻晶振，大幅降低 EMI（電磁干擾，英文 Electromagic Interference 的簡(jiǎn)稱）1 、禁止 ALE 輸出；2 、如選 6 時(shí)鐘/機(jī)器周期，外部時(shí)鐘頻率可降一半；3 、單片機(jī)時(shí)鐘振蕩器增益可設(shè)為 1/2gain。? 超低功耗1 、掉電模式： 典型功耗 ；2 、空閑模式： 典型功耗 ；3 、正常工作模式： 典型功耗 ；4 、掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于電池供電系統(tǒng)，如水表、氣表、便攜設(shè)備等。? 可在線編程, 無需編程器, 可遠(yuǎn)程升級(jí)；? 內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以不用，RESET腳直接短到地。 A/D 的軟件控制AD7656 軟件控制的引腳連接（如圖 所示）如下：CS —— RD —— RESET—— DB0～7—— ~DB8~15—— ~BUSY —— INT0根據(jù)圖 所示 AD7656 的工作時(shí)序，轉(zhuǎn)換結(jié)束后 A/D 向 CPU 發(fā)送中吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）21斷請(qǐng)求，CPU 響應(yīng)后送片選信號(hào)給 A/D 進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，每次讀一個(gè)通道，執(zhí)行三次讀數(shù)操作后一次中斷完成。 程序流程圖程序流程圖如圖 所示。開機(jī)后經(jīng)過 1S 延時(shí)啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換器工作，等待 A/D 轉(zhuǎn)換。A/D 在轉(zhuǎn)換結(jié)束后向單片機(jī)發(fā)送中斷請(qǐng)求，單片機(jī)相應(yīng)響應(yīng)中斷，通過 16 位并口從 A/D 讀數(shù)。當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行 8 次中斷（讀到兩周器的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)）后，關(guān)中斷，同時(shí)讓 A/D 停止轉(zhuǎn)換，單片機(jī)工作在查詢方式，通過串口將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。NYYN初始化開始轉(zhuǎn)換結(jié)束？進(jìn)入中斷中斷 8 次？串口發(fā)送結(jié)束圖 程序流程圖吉林大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）22 示例程序系統(tǒng)在開機(jī)后需要一個(gè) 1s 的延時(shí)來啟動(dòng) AD，下面以延時(shí)程序?yàn)槔o出一段示例程序：include ……. //包含頭文件等define uint8 unsigned char…… //關(guān)鍵字的簡(jiǎn)化及 AD 的控制連接void delay1ms(unsigned int K)。 …… //函數(shù)及變量聲明main(){RS=1。 //將 AD7656 復(fù)位 delay1ms(1000)。RS=0。 //開機(jī) 1s 延時(shí)后，啟動(dòng) AD……while(1){……}}void delay1ms(unsigned int K) { unsigned int i,j。 for(i=0。iK。i++) //多少個(gè) 1ms {for(j=0。j=240。j++) //延時(shí)約為 1ms 吉林大學(xué)