【文章內容簡介】 ?eS 現(xiàn)用式 和式 表示的方波對上述信號進行調制，得到的采樣信號表示如下：其一， 139。 SES?? 采樣信號為 ???????cosinsi39。439。339。239。eSeSAHE 其二， 239。 采樣信號為 ????????cosinsi39。439。339。239。1eSeSAHE 對這兩種信號分別進行采樣求和后取平均值（與模擬信號的積分類似），得到以下結果： )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 對采樣信號進行求和去均值運算，相當于對原信號進行以下處理： dtitIi????????????3039。S )/(E4/1 ???? ?????3039。S )/(/ 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算得到最終的結果： ????22QIIAHe ?? 地磁檢測裝置的主要功能三分量磁通門地磁場檢測裝置主要是通過檢測地磁場在三個互相垂直的方向上的分量來測量地磁場總場強度的。三分量磁通門式磁敏傳感器能檢測到地磁場的各個分量被調制后的信號，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 對這些信號進行 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，單片機在讀夠兩個周期的采樣數(shù)據(jù)（共三組，每組 16 個字節(jié)即 8 個 16 位數(shù)據(jù)）后，經(jīng) MAX232進行電平轉換通過串口發(fā)送的方式將數(shù)據(jù)送到計算機，有計算機完成最終的數(shù)據(jù)處理和分析。3 三分量磁通門地磁場檢測裝置的硬件電路設計 前置檢測電路的設計前置檢測電路的原理方框圖如下：212傳感器驅動電路16 位 A/D 四倍頻采樣振蕩 分頻器29 信號 轉換選頻 放大器圖 前置檢測電路原理框圖分頻電路采用 20MHz 晶振，分頻輸出用 212 倍分頻作為驅動電路的輸入信號，經(jīng)功率放大用作傳感器激勵信號；2 9 倍分頻經(jīng)信號轉換電路整形，用作 A/D 轉換的時鐘信號。下面具體介紹一下各部分電路： 分頻電路和信號轉換電路的設計：磁通門傳感器需要 5kHz 激勵信號，需要有振蕩電路為其提供頻率源。石英晶振振蕩器產(chǎn)生的信號頻率為 20MHz，需要進行 4000 倍（約2^12=4096 倍）分頻。同時，A/D 進行 4 倍頻采樣，需要 40kHz 的時鐘信號，并且要求占空比接近 100%（詳見 AD7656 工作時序） ，所以分頻器的29 倍分頻輸出需要接信號轉換電路。分頻器采用 14 位二進制計數(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成信號轉換電路，為 A/D 轉換電路提供啟動信號。74HC4060O12 2O13 3RTC10O3 7MR12RS11O4 5O5 4O6 6O7 14O8 13O9 15O11 1CTC920MHz2MΩ30pF30pF1nF 74HC00（ A（圖 分頻電路及信號轉換電路 驅動電路的設計：分頻器輸出帶載能力較弱，不能直接用作激勵因此需要驅動電路進行功率放大。理想的激勵信號應該是頻率為 5kHz、幅度為 3V 的正弦波，要求正弦波的幅度非常穩(wěn)定，所以實際激勵信號采用 5kHz 的方波，幅度為 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，需要進行變壓處理，電路設計如圖 ：圖中的隔離線圈是手工繞制成的，其中，初級線圈的計算匝數(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） ，實際繞了 50 匝，次級為 40 匝。V19 V V29 V 80508550100nF100nF100nF47uF圖 驅動電路 選頻放大電路的設計：測量需要傳感器輸出的二次諧波成分，因此，傳感器的輸出信號不能直接進行放大、采樣，必須經(jīng)過帶通濾波器濾出二次諧波，放大后在進行采樣處理。濾波器的設計采用壓控電壓源型二階帶通濾波器，其特點是輸入阻抗高，輸出阻抗低，而且電路結構簡單。濾波器要求的設計參數(shù)為：中心頻率為 10kHz， Q 值為 10，對中心頻率的放大倍數(shù)為 30 倍。實際電路形式如圖 所示。傳感器的輸出信號經(jīng)濾波處理后其幅度不足以進行采樣，故加一級放大。LM2581nF 16kΩ 9V9VXBP1IN OUTXFG11nF 33kΩ 16kΩ 3kΩ LM25816kΩ 100kΩ 9V9V16kΩ 圖 選頻放大電路仿真結果如下圖所示：圖 帶通濾波器伯德圖仿真結果從上圖可以看到，濾波器設計合理，而且仿真結果接近設計目標，實際仿真參數(shù)如下：中心頻率為 ，Q 值為 ，中心頻率出放大倍數(shù)為 （ 倍） ，對二次諧波（實際頻率為 ）的放大倍數(shù)為 （ 倍） ，符合設計要求。 16 位 A/D 轉換器 4 倍頻采樣的硬件設計 根據(jù) A/D 采集電路的設計要求選擇合適的 A/D：由于課題設計要求 A/D 實現(xiàn)對二次諧波的四倍頻采樣，所以，所選A/D 的轉換速率必須在 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 采樣率應該可變；由于是對交流信號采樣，故 A/D 應能進行正負采樣；課題要實現(xiàn)三分量測量，有三路信號輸入，要求同時對三路信號采樣，故要求 A/D 能實現(xiàn)三路以上同時采樣。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到 250kHz，屬于逐次逼近型，采樣頻率可變，通過轉換使能腳輸入啟動信號，控制六個通道同時進行數(shù)據(jù)轉換，這里我們只用其中三個通道。各通道的轉換結果在每次轉換結束后可通過16 位并行數(shù)據(jù)線依次傳送到單片機。圖 是 AD7656 的工作時序圖：圖 AD7656 的時序圖 A/D 采集電路的設計：圖 AD7656 內部結構框圖從 AD7656 的內部結構圖和時序圖可以看出，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，數(shù)據(jù)的傳輸可以以字節(jié)的形式，即進行 8 位數(shù)據(jù)的并行傳輸（詳見AD7656 資料翻譯中的管腳說明） ，此時的工作時序如圖 所示?？紤]到數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩覀冃枰?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（實際電路對模擬和數(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。圖 AD7656 采用字節(jié)傳送方式的工作時序圖 AD 采集電路另外，圖中單片機型號為 STC89C54RD+，內部集成了 MAX810 專用復位電路，所以 RESET 管教直接接地。單片機采用外部時鐘源，時鐘由40MHz 有源晶振提供。AD7656 的 BUSY 腳在轉換時為高電平，當轉換結束后轉為低電平，可用作中斷信號。 內部電源的設計整體電路采用177。12V 外部電源供電，因前置電路需要 177。9V 電源，而A/D 和單片機電路需要+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 內部電源電路4 三分量磁通門地磁場檢測裝置的的軟件設計 STC89C54RD+單片機介紹設計采用 STC89C54RD+單片機，該單片機具有以下顯著特點：? 超強抗干擾1 、高抗靜電（ESD 保護） ；2 、輕松過 4KV 快速脈沖干擾(EFT 測試） ；3 、寬電壓，不怕電源抖動；4 、寬溫度范圍, 40℃～85℃；5 、I/O 口經(jīng)過特殊處理；6 、單片機內部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理；7 、單片機內部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理；8 、單片機內部的復位電路經(jīng)過特殊處理；9 、單片機內部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理。? 1 個時鐘/機器周期，可用低頻晶振，大幅降低 EMI（電磁干擾，英文 Electromagic Interference 的簡稱）1 、禁止 ALE 輸出；2 、如選 6 時鐘/機器周期，外部時鐘頻率可降一半；3 、單片機時鐘振蕩器增益可設為 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、便攜設備等。? 可在線編程, 無需編程器, 可遠程升級；? 內部集成 MAX810 專用復位電路，原復位電路可以不用，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 的工作時序，轉換結束后 A/D 向 CPU 發(fā)送中斷請求，CPU 響應后送片選信號給 A/D 進行讀數(shù)據(jù)操作，每次讀一個通道，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。開機后經(jīng)過 1S 延時啟動 A/D 轉換器工作，等待 A/D 轉換。A/D 在轉換結束后向單片機發(fā)送中斷請求，單片機相應響應中斷，通過 16 位并口從 A/D 讀數(shù)。當單片機執(zhí)行 8 次中斷（讀到兩周器的轉換數(shù)據(jù)）后，關中斷，同時讓 A/D 停止轉換，單片機工作在查詢方式，通過串口將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)的處理。NYYN初始化開始轉換結束？進入中斷中斷 8 次？串口發(fā)送結束圖 程序流程圖 示例程序系統(tǒng)在開機后需要一個 1s 的延時來啟動 AD，下面以延時程序為例給出一段示例程序：include ……. //包含頭文件等define uint8 unsigned char…… //關鍵字的簡化及 AD 的控制連接void delay1ms(unsigned int K)。 …… //函數(shù)及變量聲明main(){RS=1。 //將 AD7656 復位 delay1ms(1000)。RS=0。 //開機 1s 延時后，啟動 AD……while(1){……}}void delay1ms(unsigned int K) { unsigned int i,j。 for(i=0。iK。i++) //多少個 1ms {for(j=0。j=240。j++) //延時約為 1ms {} }} 串口發(fā)送的硬件設計串口通信用到的主要芯片是 MAX232，它的低功耗關斷模式適合電池供電系統(tǒng)。外接電路簡單，很適合應用于面積有限的印刷電路板。它有雙路電荷泵 DCDC 電壓轉換器，RS232 驅動器、RS232 接收器，以及接收器與發(fā)送器使能控制輸入。MAX232 內部有兩個電荷泵，將＋5V 轉換為＋10V( 空載)，為 RS232 驅動器提供工作電壓，第一個轉換器利用電容C1 將＋ 5V 輸入加倍，得到 V＋輸出端 C3 上的＋10V ，第二個轉換器利用電容 C2 將＋ 10V 轉換為 V－輸出端 C4 上的－10V ?？梢詮模?0V（V＋）和－10V（V－）輸出端獲取少量的電源功率，為外部電路供電。串口連接電路如圖 所示：圖 串口連接電路如圖 13，當外部中斷執(zhí)行 8 次（A/D 采樣兩個周期）后，關外部中斷，這時 CPU 內部存儲器中存放有 3 個字符數(shù)組，每個數(shù)組中有 16 個字節(jié)的字符數(shù)據(jù)，CPU 工作在查詢方式下，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機。5 測試結果及分析