【文章內(nèi)容簡介】 2 V 圖 22 信號(hào)調(diào)理電路圖 詳細(xì)的電路圖可以參考附錄 2。 測(cè)量過程中，除了待測(cè)量的信號(hào)外，各種不可見的、隨機(jī)的信號(hào)可能出現(xiàn)在測(cè)量系統(tǒng)中。這些信號(hào)與有用信號(hào)疊加在一起，可能會(huì)嚴(yán)重扭曲測(cè)量結(jié)果。因此不僅僅是將信號(hào)放大就可以了，還需要對(duì)放大的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。 其中電和磁都可以通過電路和磁路對(duì)檢測(cè)系統(tǒng) 產(chǎn)生干擾作用。電場和磁場的變化也會(huì)在有關(guān)電路中感應(yīng)出干擾電壓。電磁干擾對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)來說是最為普遍和影響最嚴(yán)重的干擾 [5]。 電源線是電磁干擾傳入設(shè)備和傳出設(shè)備主要途徑。通過電源線，電網(wǎng)上的干擾可以傳入設(shè)備，干擾設(shè)備的正常工作。同樣，設(shè)備的干擾也可以通過電源線傳到電網(wǎng)上，對(duì)網(wǎng)上其它設(shè)備造成干擾，因此必須進(jìn)行電源的去耦，可以用一個(gè) 10uf 和 的電容連接成電源去耦電路。另外，調(diào)理電路中有時(shí)輸出的信號(hào)會(huì)有漂移，可以用 OP07 進(jìn)行調(diào)零，具體調(diào)零電路和去耦電路見附錄 2. A/D 轉(zhuǎn)換及其接口方法 A/D 轉(zhuǎn)換器的選取 (1)轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇 轉(zhuǎn)換速度是指完成一次 A/D 轉(zhuǎn)換所需時(shí)間的倒數(shù)，是一個(gè)很重要的指標(biāo)。 A/D 轉(zhuǎn)換器型號(hào)不同，轉(zhuǎn)換速度差別很大。通常， 8 位逐次比較式 ADC 的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 128us 左右。由于本系統(tǒng)的控制時(shí)間允許，可選 8位逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器。 (2)ADC 位數(shù)的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)決定著信號(hào)采集的精度和分辨率。 基于 LabVIEW 的材料測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測(cè)量 7 8位 A/D 轉(zhuǎn)換器，其精度為 ： 8 %2? ? () 輸入為 0～ 5V 時(shí)，分辨率為 ： 85 0 . 0 1 9 6 1 9 . 6 m v1122FsN Vv ? ? ??? () Fsv— A/D 轉(zhuǎn)換器的滿量程值 ； N — ADC 的二進(jìn)制位數(shù) 量化誤差為 ： 8 5 0 . 0 0 9 8 9 . 8 m v( 1 ) 2 ( 1 ) 222FsNQVv? ? ? ?? ? ? ? () ADC0809 是 TI 公司生產(chǎn)的 8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器，包括一個(gè) 8位的逼近型的 ADC部 分，并提供一個(gè) 8通道的模擬多路開關(guān)和聯(lián)合尋址邏輯，為模擬通道的設(shè)計(jì)提供了很大的方便 [7]。 用它可直接將 8個(gè)單端模擬信號(hào)輸入，分時(shí)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，在多點(diǎn)巡回監(jiān)測(cè)、過程控制等領(lǐng)域中使用非常廣泛 ,所以本設(shè)計(jì)中選用該芯片作為 A/D 轉(zhuǎn)換電路的核心。 (3)采樣 定理 為了能不失真的恢復(fù)原模擬信號(hào)，采樣頻率應(yīng)不小于輸入模擬信號(hào)的頻譜中最高頻率的兩倍，這就是采樣定理，即 s Imax2ff? () 由于 A/D 轉(zhuǎn)換需要一定的時(shí)間，所以在每次采樣結(jié)束后，應(yīng)保持采樣電壓在一段時(shí)間內(nèi)不變，直到下一次采樣的開始。實(shí)際中采樣 保持是做成一個(gè)電路。 (4)量化與編碼 模擬信號(hào)經(jīng)采樣 保持電路后，得到了連續(xù)模擬信號(hào)的樣值脈沖，他們是連續(xù)模擬信號(hào)在給定時(shí)刻上的瞬時(shí)值，并不是數(shù)字信號(hào)。還要把每個(gè)樣值脈沖轉(zhuǎn)換成與它幅值成正比的數(shù)字量。 以上為 A/D轉(zhuǎn)換的一般步驟，在本電路中由 ADC0809 芯片完成。 ADC0809 內(nèi)部功能與引腳介紹 分辨率和精度在第一 部分 中已作了相應(yīng)的計(jì)算和分析。 ADC0809 八 位逐次逼近式 A／ D 轉(zhuǎn)換器是一種單片 CMOS 器件，包括 8 位模擬轉(zhuǎn)換器、8 通道轉(zhuǎn)換開關(guān)和與微處理器兼容的控制邏輯。 8 路轉(zhuǎn)換開關(guān)能直接連通 8 個(gè)單端模擬信號(hào)中的任何一個(gè)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 23所示 ： 福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 23 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu) ① .ADC0809 主要性能 ? 逐次比較型 ? CMOS 工藝制造 ? 單電源供電 ? 無需零點(diǎn)和滿刻度調(diào)整 ? 具有三態(tài)鎖存輸出緩沖器，輸出與 TTL 兼容 ? 易與各種微控制器接口 ? 具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān) ? 分辨率： 8位 ? 功耗： 15mW ? 最大不可調(diào)誤差小于 177。1LSB （最 低有效位） ? 轉(zhuǎn)換時(shí)間（ 500CLKf KHz? ） 128us ? 轉(zhuǎn)換精度： %? ? ADC0809 沒有內(nèi)部時(shí)鐘，必須由外部提供，其范圍為 10～ 1280kHz。典型時(shí)鐘頻率為 640kHz ② 引腳排列及各引腳的功能，引腳排列如圖 24 所示。 基于 LabVIEW 的材料測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測(cè)量 9 圖 24 ADC0809引腳圖 各引腳的功能如下： IN0～ IN7： 8 個(gè)通道的模擬量輸入端。可輸入 0～ 5V待轉(zhuǎn)換的模擬電壓。 D0～ D7： 8位轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端。三態(tài)輸出， D7 是最高位， D0 是最低位 。 A、 B、 C：通道選擇端。當(dāng) CBA=000 時(shí)， IN0輸入；當(dāng) CBA=111 時(shí)， IN7 輸入。 ALE：地址鎖存信號(hào)輸入端。該信號(hào)在上升沿處把 A、 B、 C 的狀態(tài)鎖存到內(nèi)部的多路開關(guān)的地址鎖存器中，從而選通 8路模擬信號(hào)中的某一路。 START：啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)輸入端。從 START 端輸入一個(gè)正脈沖，其下降沿啟動(dòng) ADC0809 開始轉(zhuǎn)換。脈沖寬度應(yīng)不小于 100～ 200ns。 EOC：轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端。啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)它自動(dòng)變?yōu)榈碗娖健? OE：輸出允許端。 CLK：時(shí)鐘輸入端。 ADC0809 的典型時(shí)鐘頻率為 640kHz，轉(zhuǎn) 換時(shí)間約為 100μs 。 REF()、 REF(+)：參考電壓輸入端。 ADC0809 的參考電壓為＋ 5V。 VCC、 GND：供電電源端。 ADC0809 使用＋ 5V單一電源供電。 當(dāng) ALE為高電平時(shí)，通道地址輸入到地址鎖存器中，下降沿將地址鎖存，并譯碼。在START 上升沿時(shí)，所有的內(nèi)部寄存器清零，在下降沿時(shí)，開始進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，此期間 START應(yīng)保持低電平。在 START 下降沿后 10us 左右，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)變?yōu)榈碗娖剑?EOC 為低電平時(shí)，表示正在轉(zhuǎn)換，為高電平時(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束。 OE 為低電平時(shí)， D0～ D7 為高阻狀態(tài)， OE 為高電平時(shí)，允許轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出。 ADC0809 芯片的轉(zhuǎn)換速度在最高時(shí)鐘頻率下為 100us 左右，速度低，故可以在和 CPU接口時(shí)要求采用查詢方式或中斷方式。 A/D 轉(zhuǎn)換器一般總是和取樣保持電路一起使用，如 LF398 采樣保持器：單片的模擬集福州大學(xué)本 科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 成電路。采樣所得的模擬信號(hào)也在同一芯片中保存。也是暫存，所以 A/D 轉(zhuǎn)換器一般不需要數(shù)據(jù)鎖存器了。 系統(tǒng)中 CPU對(duì) A/D 轉(zhuǎn)換板的主要操作為：多通道選擇命令、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換命令、判斷A/D 轉(zhuǎn)換是否完成、讀 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。這些操作是靠執(zhí)行對(duì)不同端口地址的讀 /寫命令來完成的。 選定通道后 ，模擬量即為通過采樣 /保持器 AD582 的 +LOGIC IN 端，使 AD582 處于采樣狀態(tài)，其保持電容器 CH上的電壓隨輸入的模擬信號(hào)的變化而變化，即處于跟隨狀態(tài)。 轉(zhuǎn)換的啟動(dòng)：進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，要由外部發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。 逐次比較寄存器和比較器是 ADC0809 的核心。 ADC0809 的時(shí)序邏輯 圖 25 ADC0809時(shí)序邏輯 如圖 25所示，啟動(dòng)脈沖 START 和地址鎖存允許脈沖 ALE 的上升沿將地址送上地址總線，模擬量經(jīng) C、 B、 A選擇開關(guān)所指定的通道送到 A/D 轉(zhuǎn)換器。在 START 信號(hào)下降沿的作用下，逐次逼近過程開始，在時(shí)鐘的控制下，一位一位地逼近。此時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC呈低電平狀態(tài)。由于逐次逼近需要一定的過程，所以，在次期間內(nèi)，模擬輸入值應(yīng)維持不變，比較器要一次次進(jìn)行比較，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時(shí)，如果計(jì)算機(jī)發(fā)出一輸入允許命令（ OE呈高電平），則可讀出數(shù)據(jù)。 ADC0809 具有較高的轉(zhuǎn)換速度和精度，受溫度影響較小，能較長時(shí)間保證精度，重現(xiàn)性好，功能較低，且?guī)в?8路模擬開關(guān)，可以直接與微機(jī)系統(tǒng)相連，而不需要另加接口邏輯。也可以單獨(dú)使用。所以用于過程控制是比較理想的器件 。 基于 LabVIEW 的材料測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì) —— 載荷測(cè)量 11 ADC0809 與單片機(jī)的接口和工作 ADC0809 的工作過程是：首先輸入 3 位地址，并使 ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼器選通 8 路模擬信號(hào)之一到比較器。 START 上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位，下降沿啟動(dòng) A/D轉(zhuǎn)換，之后 EOC 輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到 A/D 轉(zhuǎn)換完成，EOC 變?yōu)楦唠娖剑甘?A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器中。這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng) OE 輸入高電平時(shí)，打開三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上，完成模擬量到數(shù)字量的變化。 下圖是 ADC0809 與單片機(jī)的接口方法： X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 . 01P 1 . 12P 1 . 23P 1 . 34P 1 . 45P 1 . 56P 1 . 67P 1 . 78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 / R D17P 3 . 6 / W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 / A 821P 2 .1 / A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427A T 8 9 C5 1A1B2C3E16E24E35Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y777 4 L S 1 3 82317 4 L S 0 25647 4 L S 0 22 1 M S B21A DD B24A DD A25A DD C23V RE F ( + )12V RE F ( )16I N31I N42I N53I N64I N75S T A RT62 58E O C7O UT P UT E NA B L E9CLO C K10V C C112 220G ND132 7142 6152 8 L S B172 4182 319I N228I N127I N026A L E22A DC 0 8 0 9127 4 L S 0 4D2Q5CL K3Q6S4R17 4 L S 7 41uF5 1 k3 0 p F3 0 p F1 2 M H z1k 圖 26 ADC0809 與單片機(jī)接法 設(shè)計(jì) ADC0809 與單片機(jī)的接口時(shí)，主要解決一下幾個(gè)問題： (1)8路模擬信號(hào)通道選擇 A、 B、 C 分別接地，以提供的低 3 位地址，如使 ALE=1，并將三位地址寫入 ADC0809的通道地址鎖存器并譯碼，就實(shí)現(xiàn)了模擬通道的選擇。為將這三位地址寫入通道地址鎖存器中，就要使 ADC0809 的 ALE 信號(hào)有效。如上圖中所示， ALE 的信號(hào)是通過單片機(jī)的 、 經(jīng)過 3— 8 譯碼器 74LS138 的輸 出 3Y 與 WR 的信號(hào)相“或”后再經(jīng)過反相器產(chǎn)生。因此 ADC0809 的 8 路通道地址可以確定為： 6000H 6007H（ 、 、 = 001）。 (2） 提供有效的 START 信號(hào) 上圖中 ADC0809 的 START 引腳是和 ALE 引腳接在一起的。因此只要 WR 非核 Y3 非都為0，反相器的輸出信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)高電平。在這個(gè)高電平的上升沿，將 A、Ｂ、Ｃ地 址狀態(tài)送人地址鎖存器中；在下降沿時(shí)，啟動(dòng) ADC0809 轉(zhuǎn)換。因此啟動(dòng)上圖中的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換只需執(zhí)行下面的幾條指令（以通道０為例）： MOV A, 00H