【文章內(nèi)容簡介】 。同時(shí)在查閱的過程中可以看出，LCF 型傳感器由于其動態(tài)性能好，精度高，因此在傾角測量中也得到廣泛的應(yīng)用。該型高精確度傳感器的功能： 177。 176。 to 177。90176。和177。 to 177。20g，滿量程； 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 11 ％非線性； 高水平電壓 5 伏輸出； 噪聲小于 伏； ％重復(fù)性和遲滯； u 度分辨率和直流響 應(yīng) [6]； 通過上述傳感器的簡單論述，結(jié)合本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，我選了 Jewell 公司的 LCF 型高精度傾角傳感器。 信號 處理單元電路設(shè)計(jì) 電路處理單元主要包括低通濾波、電壓跟隨器、分壓電路幾個(gè)處理單元 ，下面分別對幾個(gè)模塊的電路設(shè)計(jì)和芯片選擇做詳細(xì)介紹。 低通 濾波電路設(shè)計(jì) 圖 濾波電路原理圖 如圖所示 本設(shè)計(jì)采用以 MAX293 為核心的低通濾波電路。 MAX293 的 IN接 LCF 高精度傳感器的 4腳，接受傳感器測得的 5V傾角信號 ，因傳感器測得的信號含有很多的高頻和噪聲信號 ，因此使用 MAX293 低通濾波器， 容許低頻信號通過 , 但減弱 (或減少 )頻率高于截止頻率的信號的通過。 以便于以后的電路去處理傾角信號。 MAX293 具有自身功耗低、電壓增益可調(diào)整和總諧波失真小等優(yōu)點(diǎn)，它的直流 電源電壓范圍 412V，輸入阻抗 50KΩ 。通過2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 12 V+ 和 V_接 5V 的數(shù)字電壓，電壓放大器件 MAX293 的 LCK 接 C8 電容 56nF起到信號濾波的作用，濾掉了低頻和噪聲信號，穩(wěn)定電壓信號。 MAX293 通過并聯(lián)一個(gè) 的電容 R7 接地， OUT 為處理后的傾角信號輸出。外接電路極為簡單靈活，可接濾波電容，用以濾除電源中的干擾?？赏瑫r(shí)接電阻和電容作 為頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用以抵消揚(yáng)聲器音圈電感在高頻時(shí)產(chǎn)生的不良的影響，改善放大電路的高頻特性和防止高頻自激 震蕩。 電壓跟隨及分壓電路設(shè)計(jì) 圖 電壓跟隨及分壓電路 如圖所示 OP07 電壓跟隨器 OP07+IN 口接電壓放大器件的輸出，接受5V的傾角信號，管腳 TRIM 接穩(wěn)壓源 ADR421 的 TP 端口， NC 接 ADR421的 TRIM 端口， 12V的電壓源對 OP07 進(jìn)行供電， OUT 實(shí)現(xiàn)信號的輸出。在 OP07 輸出信號端串聯(lián)了兩個(gè) 10K 的電阻實(shí)現(xiàn)信號電壓的分壓作用，提供給下級處理電路標(biāo)準(zhǔn)電壓 電壓跟隨器，顧名思義 ，就是輸出電壓與輸入電壓是相同的，就是說，電壓跟隨器的電壓放大倍數(shù)恒小于且接近 1。 電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的 ， 減小對被測電路的影響。 輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。 在電路中，電壓跟隨器一般做緩沖級及隔離級。因?yàn)?，電壓放大器的輸出阻抗一般比較高，通常在幾千歐到幾十千歐，如果后級的輸入阻抗比較小，那么信號就會有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。在這個(gè)時(shí)候，就需要電壓跟隨器來從中進(jìn)行緩沖。起到承上啟下的作2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 13 用。應(yīng)用電壓跟 隨器的另外一個(gè)好處就是，提高了輸入阻抗，這樣，輸入電容的容量可以大幅度減小，為應(yīng)用高品質(zhì)的電容提供了前提保證。 電壓跟隨器的另外一個(gè)作用就是隔離，關(guān)于負(fù)反饋的爭議已經(jīng)很久了，其實(shí)，如果真的沒有負(fù)反饋的作用，相信絕大多數(shù)的放大電路是不能很好的工作的。但是由于引入了大環(huán)路負(fù)反饋電路，揚(yáng)聲器的反電動勢就會通過反饋電路，與輸入信號疊加。造成音質(zhì)模糊，清晰度下降，所以，有一部分功放的末級采用了無大環(huán)路負(fù)反饋的電路，試圖通過斷開負(fù)反饋回路來消除大環(huán)路負(fù)反饋的帶來的弊端。但是，由于放大器的末級的工作電流變化很大，其失真 度很難保證。 在這里，電壓跟隨器的作用正好達(dá)到應(yīng)用，把電路置于前級和功放之間，可以切斷 電壓信號 的反電動勢對前級的干擾作用，使 傾角信號精 度得到大幅度提高。 [10] A/D 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì) 圖 A/D 轉(zhuǎn)換模塊電路圖 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 14 AD7701 是一款采用Σ Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)的 16 位 ADC。模擬輸入由模擬調(diào)制器連續(xù)采樣，其平均輸出占空比正比于輸入信號。調(diào)制器輸出由具有一個(gè)六極高斯響應(yīng)的一個(gè)片上數(shù)字濾波器進(jìn)行處理，它更新輸出數(shù)據(jù)寄存器字率高達(dá) 4 千赫 16位二進(jìn)制字。采樣 速率、濾波器轉(zhuǎn)折頻率和輸出字速率通過可提供在外部的主時(shí)鐘輸入或通過控制芯片上的晶體振蕩器的時(shí)鐘進(jìn)行設(shè)置。該 ADC 固有的線性度非常好，端點(diǎn)精度通過零點(diǎn)和滿量程自校準(zhǔn)保證，可在任何時(shí)候啟動。在輸入通道自校準(zhǔn)方案還可以擴(kuò)展到系統(tǒng)零點(diǎn)偏置和增益誤差。 AD7701 的數(shù)字濾波器就像一個(gè) 只有 一些細(xì)微的差別 模擬濾波器 。 首先，由于數(shù)字濾波 出現(xiàn)在 模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換 之后 ，它可以消除在轉(zhuǎn)換過程中注入噪聲 影響 。 模擬濾波不能做到這一點(diǎn) 。 數(shù)位濾波器的截止頻率為fCLK/409600。在 兆赫 — 最大時(shí)鐘頻率 ， 該過濾器 的截止頻率 是 10赫茲，輸出速度為 4 kHz。 圖 10 顯示了濾波器的頻率響應(yīng)。 這是一個(gè) 六階高斯響應(yīng)， 為 10赫茲的 截止 頻率提供 60 赫茲 55 分貝 的抑制 。如果時(shí)鐘頻率減半 ，從而 讓一 5赫茲 截止 ， 那么 60 赫茲抑制 就 優(yōu)于 90分貝。 正常的s 域?yàn)V波器的零極點(diǎn)如圖 11 所示。 濾波器反應(yīng)定義如下： 圖 AD7701 濾波器的頻率響應(yīng) .圖 1 AD7701 濾波器歸一零極 點(diǎn) 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 15 輸出數(shù)據(jù)可以通過一個(gè)靈活的串行端口訪問，異步模式有一個(gè)帶有UART 和兩個(gè)兼容同步模式用于連接移位寄存器或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)微控制器的串行端口。 CMOS 構(gòu)造可確保低功耗，斷電空閑模式把功耗降低到了只有 10微瓦 。 AD7701 提供 16 位分辨率和超過 ％的準(zhǔn)確性。 不丟失編碼確保真實(shí)、可用、 16 位動態(tài)范圍、不需要可編程增益和電平設(shè)置電路 溫度漂移的影響通過芯片自校準(zhǔn)被消除，從而消除零誤差和增益誤差。外部電路也可以包含在校正 循環(huán)消去了系統(tǒng)偏差和增益誤差。 一個(gè)靈活的同步 /異步接口使 AD7701 能直接接到 UARTs 或串行端口行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微控制器界面。 低運(yùn)行功耗和超低功耗待機(jī)模式使 AD7701 對于回路供電遙感應(yīng)用或電池供電的便攜式儀器更理想。 CLKOUT 引腳為 時(shí)鐘輸出， 通過 CLKOUT 和 CLKIN之間 的連接生成晶體內(nèi)部主時(shí)鐘。如果使用外部時(shí)鐘時(shí)， CLKOUT 引腳沒有連接。 本設(shè)計(jì)使用 時(shí)鐘輸入外部時(shí)鐘 引腳 CLKIN和 LCKIN之間串連一個(gè) 的Y2 晶振，使用內(nèi)部時(shí)鐘， 給 芯片 正常工作提供穩(wěn) 定的時(shí)鐘信號。原理：在石英晶體的兩個(gè)極板上加一個(gè)電場，晶片會產(chǎn)生機(jī)械變形，對極板施加機(jī)械力使其變形，又會在極板上產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這叫壓電效應(yīng)。如果在兩個(gè)極板上加上交變的電壓，晶片便會產(chǎn)生機(jī)械變形震蕩，同時(shí)這種機(jī)械震蕩還會產(chǎn)生交變的電場（比較的微小），但是當(dāng)外加交變的電壓的頻率與晶片固有的頻率（由其形狀和尺寸決定）相等時(shí)，機(jī)械振動的幅度會加劇，產(chǎn)生交變電場也增大。叫做壓電諧波。 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 16 CS 為芯片選擇輸入接口，接著 ADUC845 單片機(jī)的 PWN1 端，接受單片機(jī)發(fā)出信號的控制， 數(shù)據(jù)傳輸是由 CS變低開始。如果 CS 為 低 SCLK下降沿時(shí)， AD7701 開始發(fā)送一個(gè)帶有一個(gè)起始位和兩個(gè)停止位的 8位數(shù)據(jù)字節(jié)（ DB8 至 DB15），如圖 12。 SDATA 輸出將會進(jìn)入三態(tài)。 通過將 CS 置低第二個(gè)字節(jié)被轉(zhuǎn)換 ， DB0 DB7 在與第一個(gè)字節(jié)格式相同被傳送。 圖 1 Timing Diagram for Asynchronous Communications Mode 相比 AD7701 的 4 kHz 輸出更新率 UART 的波特率是 非常 低。當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)字可用時(shí)，如果 CS 低但數(shù)據(jù)仍在傳輸，新數(shù)據(jù)將被忽略。但是，如果 CS 之間已經(jīng)采取高字節(jié)，當(dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)可用時(shí)， AD7701 可以在第二個(gè)字節(jié)傳輸之前 更新輸出寄存器。在這種情況下，將能收到新字的第一個(gè)字節(jié)而不是舊 的第二個(gè)字節(jié)。當(dāng)使用交流電模式，顯然必須謹(jǐn)慎，以確保這不會發(fā)生。 MODE 是 AD7701 選擇串行接口模式。 mode 至 5 V 時(shí)， AD7701 工作于異步通信（交流）模式， 提供一個(gè) UART 兼容接口，使 AD7701 數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)程位置異步方式傳輸。在 UART 兼容格式下外部 SCLK 的波特率和數(shù)據(jù)被傳輸兩個(gè)字節(jié) 。 SCLK 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備端，在數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)數(shù)據(jù) 準(zhǔn)備好時(shí)為低電平，而數(shù)據(jù)傳送完畢后為高電平。數(shù)據(jù)傳輸兩個(gè)字節(jié)，一個(gè)起始位和兩個(gè)停止位。 SC SC2 系統(tǒng)校準(zhǔn)選擇斷， CAL 為高電平時(shí)決定了校準(zhǔn)類型2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 17 為自校準(zhǔn)模式。 AIN為模擬電壓輸入端，接受上級電路分壓后的 電壓傾角信號。 VREF為參考電壓輸入端，決定了單極模式正滿量程和雙極模式正負(fù)滿量程電壓值。 ADR421 電壓源提供其高精度的標(biāo)準(zhǔn)電壓 作為標(biāo)準(zhǔn)。 BP/UP 休眠模式引腳接低電平時(shí)處于睡眠方式，此時(shí)功耗僅為10uW 。 SLEEP 單極性 /雙極性模式引腳接高電平選擇了雙極性輸入范圍177。 VREF。系統(tǒng)超過 四個(gè)使用周期 CAL 校準(zhǔn)模式引腳接通過 的電容C24 接高電平。 DRDY 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備輸出端口接著單片機(jī)的 PWMCLK 引腳，在輸出寄存器中當(dāng)信號有效時(shí) DRDY 為低電平，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸完畢后DRDY 將變?yōu)楦唠娖?。?dāng)一個(gè)新的數(shù)據(jù)字被裝載時(shí)， DRDY 將工作在四個(gè)時(shí)鐘周期，無論數(shù)據(jù)傳輸是否完成都表示不提供有效數(shù)據(jù)。 SDATA 串行數(shù)據(jù)輸出端接單片機(jī)的串行輸入端口， AD7701 輸出 16 位的串行字給單片機(jī)進(jìn)行處理。 SCLK 串行時(shí)鐘輸入 /輸出端口接 CD4040 的 Q8 引腳，AD7701 接受經(jīng)單片機(jī) 6 分之一分頻 CD4040 256 分之一分頻之后時(shí)鐘信號。 中心控制單元電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)型號的選擇 一個(gè)好的智能儀器儀表必須有好的硬件系統(tǒng)，才能夠現(xiàn)場完成信息的傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲。報(bào)站器系統(tǒng)硬件部分的總體設(shè)計(jì)首先應(yīng)選擇好性價(jià)比高的 CPU芯片，然后在其基礎(chǔ)上擴(kuò)展，選擇其他的元器件，設(shè)計(jì)出與其相配套的電路部分，經(jīng)調(diào)試后組成硬件系統(tǒng)。目前市場上單片機(jī)種類繁多，有很多單片機(jī)都適合 LCF100 高精度傾角傳感器信號的處理控制，經(jīng)查閱資料和老師的指導(dǎo)， ADUC845 單片機(jī)有功能多、穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，且價(jià) 格比較合適，很適合本設(shè)計(jì)，最 后選擇了這個(gè)芯片。 ADuC845 芯片 簡單 介紹如下 ： 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 18 美國模擬器件公司 (ADI)發(fā)布 的 一款 MicroConverter 數(shù)據(jù) 采 集 與 處 理 系 統(tǒng) 芯 片(SoC)ADuC845，其管腳圖如圖 6 所示。 該系統(tǒng)芯片集成了ADI 公司精密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、可編程微控制器 (MCU)和閃速存儲器 ,為需要精確測量寬動態(tài)范圍低頻信號的設(shè)計(jì)工程師提供了解決方案。 圖 13 、 ADuC845 芯片 由于 ADuC845 芯片功能較多，以備在設(shè)計(jì)過程中功能的擴(kuò)展等需要，ADI公司出品的最新型 ADuC845 系列單片 機(jī)具有高達(dá) 24位分辨率的高精度 ADC、 12 位 DAC 和獨(dú)一無二的在電路可調(diào)試、可下載的特點(diǎn)，特別適合于各種測控系統(tǒng)和儀器儀表中使用。可以斷言， ADuC845/847/848 是目前最容易掌握、開發(fā)和應(yīng)用的單片機(jī)。 4KB 片內(nèi)閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲器（可擦寫 10 萬次） 64k 字節(jié)片內(nèi)閃速 [12]。 主要性能參數(shù)： 4KB 片內(nèi)閃速 /電擦除數(shù)據(jù)存儲器（可擦寫 10 萬次） 64k 字節(jié)片內(nèi)閃速 /電擦除程序存儲器 兩級程序內(nèi)存保密 片內(nèi)可編程鎖相環(huán) PLL 最高時(shí)鐘頻率 2304 字節(jié)內(nèi)部 RAM 3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù) 器 USRT 12C 和 SPI 串行口 11 個(gè)中斷源 2 個(gè)優(yōu)先級 26 條可編程輸入輸出線 32KHZ 外部晶振 （ 1）高達(dá) 24 位分辨率的 ADC，對絕大多數(shù)低頻信號不需要放大和濾2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 19 波就能夠直接采樣。 （ 2） 只需一根 RS232 串口通信線，就能夠進(jìn)行在系統(tǒng)調(diào)試、下載程序（固化），特別適合開發(fā)新產(chǎn)品、在現(xiàn)場升級和修改，也特別方便單片機(jī)的學(xué)習(xí)。這個(gè)特點(diǎn)是其他任何一款單片機(jī)都不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。 （ 3）豐富的串口和其他外設(shè)，即同時(shí)具有 UART、 SPI、 I2C 串口。所以該芯片較適合高精度傳感器的設(shè)計(jì) [12]。 AT89C51 單片機(jī) AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，其管腳圖如圖 7 所示。該芯片 片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)