【正文】 CHANNELSANALOGINPUT時鐘電路∑Δ調(diào)制器數(shù)字濾波器多路模擬開關緩沖器PGAVDDREF IN()REF IN(+)電荷平衡型A/D轉(zhuǎn)換器串行接口 寄存器組SCLKDINDOUTRESETDRDYGNDA=1～12%CS(3) 外部特性（引腳功能）AD7706的引腳排列如圖318所示。內(nèi)部結構如圖317所示，其內(nèi)部由多路模擬開關、緩沖器、可編程增益放大器(PGA)、ΣΔ調(diào)制器、數(shù)字濾波器、基準電壓輸入、時鐘電路及串行接口組成。增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配置。還可以處理177。AD7706是3通道偽差分模擬輸入，有一個差分基準輸入。(2) 內(nèi)部結構該器件可以接受直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。這種器件帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。該模塊主要包括電源系統(tǒng)、單片機系統(tǒng)、數(shù)碼顯示和串口輸出電路以及與角度轉(zhuǎn)換模塊的接口等部分，可實現(xiàn)角度的LED數(shù)碼顯示、溫度補償、零點誤差補償和通過串口與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?5V。如圖316 ICL7650電路原理圖所示，RR5和CC4組成RC低通濾波電路，考慮到ICL7650內(nèi)部時鐘斬波頻率為200Hz，所以把第一階濾波截止頻率設計為160Hz，取R4=10KΩ，C3=；把第二階濾波截止頻率設計為200Hz，取R5=8KΩ，圖316 ICL7650電路原理圖C4=。3. 電路原理ICL7650內(nèi)部為交流放大，在對直流信號進行調(diào)制、放大、解調(diào)、輸出放大后的直流信號過程中，輸出端會出現(xiàn)由于ICL7650內(nèi)部時鐘斬波頻率所引起的一些微小尖峰脈沖的干擾。圖315 ICL7650的工作原理圖+ININOSCAABCCLKOUTEXT CLKININT/EXT+MAINNULL+AABCCAP RETURNCEXTACNCMCEXTBPOUTPUTCLAMPN內(nèi)部偏置由于ICL7650中的NULL運算放大器的增益AON一般設計在100dB左右，因此，即使主運放MAIN的失調(diào)電壓VOSN達到100mV，整個電路的失調(diào)電壓也僅為1μV。圖中，MAIN是主放大器，NULL是調(diào)零放大器。圖314 ICL7650的引腳排列圖2. 工作原理ICL7650利用動態(tài)校零技術消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移，從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛，克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點。這種運算放大器由一個時鐘控制，分節(jié)拍工作，前一節(jié)拍將輸入失調(diào)采集并存儲于一電容中，后一節(jié)拍采樣和放大信號，并將此刻的失調(diào)相抵消，所以電路總的失調(diào)很少，性能極為優(yōu)越、穩(wěn)定[16]。本文中選用了斬波穩(wěn)零運算放大器ICL7650。如圖313所示為MAX280電路原理圖：其中R=250KΩ，C=，Rclk=50KΩ，Cclk=6800pF。例如這里要得到lK的時鐘頻率，由式(36)初步計算得到Cclk為3900pF，將這個值增大，取值6800pF，并用50K的電位器。當用了電位器后，新的時鐘頻率總是高于未加電位器時的頻率。這個振蕩頻率能通過一個接在Cclk與地之間的電位器來調(diào)節(jié)，這個電位器就是Rclk。為了達到通帶內(nèi)最大平坦度的幅值響應，驅(qū)動時鐘應設置為轉(zhuǎn)折頻率的100倍，即第4腳分頻比fclk/fc編程端應接正電源，所以驅(qū)動時鐘頻率為1K．時鐘頻率可以由下式來確定 (36)因為處理誤差，fclk可能會有177。再次，由轉(zhuǎn)折頻率確定開關電容濾波器的驅(qū)動時鐘頻率，即確定Rclk、Cclk的值。該外部電阻電容是濾波器反饋網(wǎng)絡的一個部分，同時也構成了濾波器的一個極點。本應用系統(tǒng)有用信號頻率在10Hz以下的頻帶內(nèi)，所以選擇轉(zhuǎn)折頻率fc=10Hz。圖312 MAX280原理圖內(nèi)部開關電路網(wǎng)絡內(nèi)部時鐘電路CRCclkRclk33pF41785632+5V5V(外部緩沖放大器)由上述內(nèi)容可知基于MAX280集成濾波器的濾波器電路的設計，關鍵在于確定外接一階濾波電路的R、C的值和轉(zhuǎn)折頻率fc。元件可將驅(qū)動脈沖頻率調(diào)整到更低，也可外接其它時鐘發(fā)生器作外驅(qū)動。為減小失調(diào)電壓，也可以從第7腳直接輸出，但該端輸出阻抗較高，因此使用時應外接緩沖器后輸出。此外該RC低通網(wǎng)絡還起抗混疊濾波作用。如圖312MAX280原理圖所示，輸入信號經(jīng)外部一階RC網(wǎng)絡，由第1腳輸入芯片，該芯片要求電容C由第1腳與內(nèi)部開關電容網(wǎng)絡耦合。它是由內(nèi)部四階開關電容網(wǎng)絡與外接一組RC元件構成的五階巴特沃思低通濾波器，通帶增益為1，可以調(diào)節(jié)的最高轉(zhuǎn)折頻率fcmax=20KHz。所以這里選用有源集成濾波器巴特沃思類型的濾波器。滿足這一要求就是要選用高階濾波器。圖310 MAX536A的引腳圖圖311 MAX536A電路原理圖在本測量系統(tǒng)中，經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換后，信號是一個靜態(tài)的直流信號，可以肯定頻率在10Hz以下。MAX536A的轉(zhuǎn)換精度可以通過外圍的器件來改善，R4用以調(diào)整偏移量，通過調(diào)整R4保證當信號輸入端Vm輸入為零時信號輸出端Vout輸出也為零；通過調(diào)整R1可以對輸出信號進行校正。15V。如圖310所示為MAX536A引腳圖，圖311為MAX536A電路原理圖。25V之間，可以采用單電源供電和雙電源供電兩種工作模式，單電源供電時電源電壓最大值是+36V，雙電源供電時電源電壓最大值是177。它可以計算出包含交流和直流成分的任何復雜輸入波形的有效值，并能轉(zhuǎn)換成直流信號出口。美國MAXIM公司的產(chǎn)品MAX536A可以有效的實現(xiàn)交流/直流有效值的轉(zhuǎn)換。對屏蔽給予適當?shù)尿?qū)動，可減小電纜電容和雜散電容造成的差分相移，保證交流共模抑制比不下降，圖39為差分屏蔽驅(qū)動接法。圖38 AD620引腳圖12348765RcIN+INVsRc+VsOUTPUTREFTOP VIEWAD620+圖39 AD620電路原理圖只要在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。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，在使用中應該注意AD620的輸入過載能力，兩個輸入端應分別串聯(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，當信號源和放大器分別供電時更為重要。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。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。 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。設計中對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。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成一簡單的線性關系，由式(31)可知與傾角θ也成一簡單的線性關系。圖37 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。圖36中741的作用是為正弦輸出提供緩沖及可變增益，即改變輸出幅值的作用。4. 激勵源連接電路激勵源電路圖如圖36所示，為減小輸出正弦波波形失真，管腳11與管腳l2之間的82KΩ采用可變電阻。當兩個電流源CSCS2的電流分別設定為I、2I時，電容C上的充電、放電時間相等，則10腳三角波以及變換的正弦波就是對稱的，方波的占空比是50%。開關S導通，CS2把電流I2加到C上反充電，當I2I1時, 相當于C由一個凈電流I2I1放電，此時C上電壓逐漸下降, 當下降到比較器2的門限電壓13Vs時，R其輸出同時控制觸發(fā)器，使其一方面控制恒流源CS2的通斷，另一方面輸出方波經(jīng)集電極開路緩沖器，由9腳輸出方脈沖，而10腳經(jīng)緩沖器直接由3腳輸出三角波，另外還經(jīng)三角波—正弦波變換電路由2腳輸出低失真正弦波。兩個比較器分別被內(nèi)部基準電壓設定在23Vs與13Vs。2. 內(nèi)部結構由圖35可知，該芯片由三角波振蕩電路、比較器比較器觸發(fā)器、三角波—正弦波變換電路、恒流源CSCS2等組成。5V～177。1. ICL8038的主要特點:ICL8038波形發(fā)生器輸出頻率范圍廣(～300kHz)，輸出電平高(TTL～28V)，帶有自校準系統(tǒng)，輸出頻率在很寬的溫度范圍內(nèi)及不同供電電壓保持穩(wěn)定。 角度轉(zhuǎn)換模塊的設計角度轉(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。圖32測角模型圖由幾何關系可知: (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。 差動電容傳感器結構設計設計采用傾角傳感器為專門設計定制的差動電容式傳感器,其結構簡圖如圖31所示。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)的技術方法有開關電容(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。第3章 系統(tǒng)的硬件設計 第3章 系統(tǒng)的硬件設計 傾角傳感器的設計 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，其電路結構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。對測量系統(tǒng)所采用的傳感器進行了選擇，在選定采用電容式傳感器的基礎上，分析了三種不同類型的電容傳感器，選定了差動式變極距型電容傳感器作為本測量系統(tǒng)的位移傳感器。同時AT89C55WD內(nèi)置的看門狗電路也避免了再進行外圍擴展。AT89C55WD具有PLCC、PDIP和TQFP三種封裝形式， 以適應不同產(chǎn)品的需求，本測量系統(tǒng)采用的是PDIP封裝。片內(nèi)含20KB的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的RAM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準MCS5l指令系統(tǒng)，引腳兼容工業(yè)標準89C5l和89C52芯片，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微處理器可提供許多高性價比的解決方案，適用于多數(shù)嵌入式應用系統(tǒng)。單片機可分為通用機和專用機兩種，本測控系統(tǒng)應采用通用機，自己設計接口和程序。而且ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器的微分線性和積分線性性能優(yōu)秀，不像其他類型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器那樣需要修調(diào)。因此它是用高采樣率來換取高位量化的。一方面ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器采用了極低位(1bit)的量化器，非常適合MOS技術實現(xiàn)，制造簡單。ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)的LPCM型ADC不同，不是直接根據(jù)信號的幅度進行量化編碼，而是根據(jù)前一采樣值與后一采樣值之差(增量)進行量化編碼。AD7706受溫度的影響比較小，滿足水平儀工作環(huán)境溫度變化的要求，這種器件還具有高分辨率、寬動態(tài)范圍、自校準、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓、低功耗等特點，非常適合應用在儀表測量、工業(yè)控制等領域[15]。近年來ΣΔ模數(shù)轉(zhuǎn)換計數(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換分辨率可以高達24位，在各類模數(shù)轉(zhuǎn)換器中分辨率是最高的，因此在低成本、高分辨率的低頻信號處理場合得到了廣泛的應用，有取代雙積分型ADC的趨勢。專用的VF轉(zhuǎn)換芯片已非常成熟，再與計數(shù)器配合可以構成高分辨率、低成本的ADC。為了減小積分器的元件參數(shù)和參考電壓對積分精度的影響，通常要對輸入電壓和參考電壓各進行一次積分，因此又稱為雙積分型ADC。3．積分型從轉(zhuǎn)換型號的關系來說，積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型。2．跟蹤計數(shù)器跟蹤計數(shù)型與逐次逼近型有相似之處，但轉(zhuǎn)換器包含一個電壓比較器和一個n位DAC，一個可逆計數(shù)器代替了逐次逼近寄存器和控制邏輯，可逆計數(shù)器在時鐘脈沖作用下不停的計數(shù)，計數(shù)器的值作為DAC的輸出不停地跟蹤模擬輸入電壓，計數(shù)器的值即為ADC的數(shù)字輸出值。逐次逼近寄存器在轉(zhuǎn)換器的控制電路控制下，從高位到低位逐位被置1或清0，使DAC的輸出電壓逐步逼近模擬輸入電壓，經(jīng)過n次比較和逼近，最終逐次逼近寄存器中的數(shù)字(即DAC的輸入)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換的結果。 AD轉(zhuǎn)換器的分類及介紹 實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的方法有很多，常見的有逐次逼近法、計數(shù)法、積分法、電壓頻率轉(zhuǎn)換法、ΣΔ轉(zhuǎn)換法等。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法有很多，不同的電路結構的ADC的工作原理差異很大，性能上的差異也可能很大。然而，電容式傳感器的電容值十分微小，必須借助信號調(diào)理電路，將微小電容的變化轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓、電流或頻率的變化，這樣才可以顯示、記錄以及傳輸。 本課題所采用的傳感器類型針對本課題對傳感器測量傾角的要求，變介質(zhì)型傳感器并不適合角度測量，變面積型傳感器雖然可以用于角度的測量，但精度不高，