【正文】 7701 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。當(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)。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。 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。 ADR421 電壓源提供其高精度的標(biāo)準(zhǔn)電壓 作為標(biāo)準(zhǔn)。 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。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。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) 。 MODE 是 AD7701 選擇串行接口模式。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)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。 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。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。叫做壓電諧波。原理：在石英晶體的兩個(gè)極板上加一個(gè)電場，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，對極板施加機(jī)械力使其變形，又會(huì)在極板上產(chǎn)生相應(yīng)的電荷，這叫壓電效應(yīng)。如果使用外部時(shí)鐘時(shí)， CLKOUT 引腳沒有連接。 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。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。 AD7701 提供 16 位分辨率和超過 ％的準(zhǔn)確性。 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。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。 圖 10 顯示了濾波器的頻率響應(yīng)。 數(shù)位濾波器的截止頻率為fCLK/409600。 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 。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。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。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。 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(dòng)勢對前級的干擾作用，使 傾角信號精 度得到大幅度提高。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。 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。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。因?yàn)椋妷悍糯笃鞯妮敵鲎杩挂话惚容^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(huì)有相當(dāng)?shù)牟糠謸p耗在前級的輸出電阻中。 輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低。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?？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。 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。 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 。 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。 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。 to 177。90176。 176。同時(shí)在查閱的過程中可以看出，LCF 型傳感器由于其動(dòng)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。滿量程輸出滯后小于 且振動(dòng)小于 50μ G/G2時(shí)可用。 到177。他們連接到直流電源且完整的操作系統(tǒng)讀出或控制。的高水平裝置。 ?177。 The Jewell LCF 系列是應(yīng)用存在沖擊和振動(dòng)領(lǐng)域的傾角范圍為177。版本 ,可應(yīng)用于單軸傾角儀器和基于傾角的位置測量 。版本和一個(gè)微分敏感度為 16V /g的177。 . SCA103T系 列為 12腳塑封 SMD封裝 ,包含一個(gè)微分敏感度為 8 V /g的177。的長期穩(wěn)定性 ,在 25～ 85 ℃范圍內(nèi) ,能保證精度偏移小于177。 ( 20μg) ,數(shù)字信號分辨力為 0. 009176。 隨著科技的發(fā)展和產(chǎn)品的集成化，傳感器技術(shù)飛速的發(fā)展，在國內(nèi)外傳感器成為科技進(jìn)步的亮點(diǎn)，目前市場上應(yīng)用很多類型的傳感器，下面對兩種不同的高精度傳感器進(jìn)行分析選擇。 通過以上方案的對比，我認(rèn)為方案三 LCF100 高精度傾角傳感器的電路設(shè)計(jì) 更適合 用在 航空航天等需求測量精度高的領(lǐng)域 ， 因此，對于 LCF100傳感器電路設(shè)計(jì)我選擇 此 方案。 該 方案選擇具有177。特別是許多 A/D 轉(zhuǎn)換芯片本身就具有濾波等多種功能，不僅2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 9 簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性，同時(shí)降低了對單片機(jī)的要求。信號的傳輸單元主要是 422BUS 和MAX491 信號轉(zhuǎn)換器件 ， 將單片機(jī)處理后的 TTL 電平信號轉(zhuǎn)變?yōu)?422 總線信號，實(shí)現(xiàn)了信號的遠(yuǎn)距離傳輸。信號轉(zhuǎn)換 模塊主要是 AD7701， AD7701 工作在異步通信模式 ， 將分壓得到的 ， AD7701 由單片機(jī)和 CD4040 提供時(shí)鐘脈沖 。 信號處理單元主要 是 OPO7 電壓跟隨器。12V電壓供給高精度傾角傳感器， 5V電壓作為各個(gè)芯片的電源，另外，還用高精度的芯片 ADR421 提供給 AD7701 高精度的標(biāo)準(zhǔn) 的電壓。的信號 。 圖 電路 系統(tǒng)原理框圖 通過 LCF100高精度傾角傳感器實(shí)現(xiàn)航空航天領(lǐng)域儀器設(shè)備傾角的數(shù)據(jù)采集，能夠采集到 177?？傮w設(shè)計(jì)可分為數(shù)據(jù)采集、信號處理、 A/D 轉(zhuǎn)換、 中心控制 、信號傳輸 、電源 六 個(gè)基本單元模塊。 缺點(diǎn)：本設(shè)計(jì)相對于 1 來說正加了一個(gè)加法器 和方向放大器 ，同時(shí)增加了電路的復(fù)雜程度，同時(shí)也給測量結(jié)果帶來了較大的誤差，因此， 精度還不能滿足 航空航天等測量精度 需求 較 高的領(lǐng)域 。 該方案直接將 LCF100 傾角傳感器的信號經(jīng)過 RC 濾波器（過 濾掉噪聲和降低高頻信號干擾） 和電壓跟隨器 處理后 經(jīng)過加法器實(shí)現(xiàn)了 177。這一點(diǎn)對于大多數(shù)的單片機(jī)都是不適用的。二是要求該單片機(jī)具有177。以 ADuC845 型單片機(jī)為例，該單片機(jī)具有兩個(gè)獨(dú)立的 10通道、 24 位模數(shù) /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ ADC） , 主通道具有緩沖器和內(nèi)部 緩沖禁止功能，可以接受高內(nèi)阻信號源，它的兩個(gè) A/D 通道都采用了△ ∑轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn) 24 位無失碼的優(yōu)良性能。 缺點(diǎn)：由于該傳感器輸出的是177。基本原理圖如下： 圖 方案原理圖 優(yōu)點(diǎn) ： 該方案直接將 LCF100 傾角傳感器的信號經(jīng)過 RC 濾波器（過濾掉噪聲和降低高頻信號干擾）處理后送給單片機(jī)系統(tǒng)。 [7] 圖 3 ADXL213 傾角儀測量電路原理框圖 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 6 方案二 在 中已經(jīng)對 傾角測量的一種方式的 原理進(jìn)行了詳細(xì) 的介紹 ，由上述方案我們可以知道， 傾角傳感器測得的傾角信號要先轉(zhuǎn)化為便于存儲(chǔ)處理的電信號， 然后進(jìn)過單片機(jī)控制處理信號得到和傾角有確定關(guān)系的信號，實(shí)現(xiàn)了傾角的測量。 設(shè)計(jì) 缺點(diǎn)： 帶寬決定了測量信號的分辨率，提高分辨率 同時(shí)也降低了響應(yīng)的速度，提高測量的響應(yīng)頻率，采用過大的帶寬，將會(huì)給測量帶來更多噪聲，降低精確度。采用1gn 標(biāo)定和誤差補(bǔ)償?shù)姆椒?， 使測量精度達(dá)到 177。具有良好的溫度特性 ， 無需外部的溫度補(bǔ)償電路 ， 具有測量精度高、功耗低、價(jià)格低等特點(diǎn) ， 適合用于較高精度的測量系統(tǒng)。 ADXL213是 AD 公司推出的新一代雙軸加速度傳感器，其量程范圍 177。在單片機(jī)中預(yù)先存儲(chǔ)采樣參數(shù)和誤差校正參數(shù) ， 有利于提高測量的精準(zhǔn)度。 [6] 第二章 總體方案設(shè)計(jì) 預(yù)選方案 方案一 基于加速度傳感器的傾角儀設(shè)定 下面介紹利用新型單片雙軸 MEMS加速度傳感器 ADXL213設(shè)計(jì) 的 數(shù)字獲得傾角測量儀， 這種設(shè)計(jì)的原理是加速度傳感器測得的傾角 信號傳給單片機(jī)進(jìn)行處理控制，然后通過 LCD 顯示器顯示測得的信號 以及通過接口電路傳送給儀器，儀器根據(jù)傾角信號調(diào)整自己的狀態(tài)。 LCF 單元優(yōu)異性表現(xiàn)在具有重復(fù)開啟低疲勞和非常低的磁滯性。 20g， LCF加速度響應(yīng)速度變化小到 1ug。輸出是一個(gè)正比于加速度高水平的直流信號， 傾斜角度是177。 LCF 加速度是完全獨(dú)立的。 90176。 1176。質(zhì)量和可靠性被認(rèn)可， LCF 型傳感器可廣泛用于多種工業(yè)、商業(yè)和航空航天。 Cross Bow 公司 CXTA、美國數(shù)子公司 A2產(chǎn)品均屬于數(shù)字產(chǎn)品，可以通過接口板直接與計(jì)算機(jī)相連。就國外產(chǎn)品種類而言，其數(shù)量也較少，但從數(shù)字化、小型化、精度、重量、使用溫度范圍及線性度等指標(biāo)而言，具有較高的實(shí)用價(jià)值。就傳感器發(fā)展?fàn)顩r而言，從收集資料看， 北京信息工程學(xué)院的產(chǎn)品在小型化及產(chǎn)品精度等指標(biāo)方面較領(lǐng)先，如膜電位傾角傳感器。從反饋的信息可知，目前生產(chǎn)傾角傳感器的廠商較少，但就產(chǎn)品而言，單軸傾角傳感器居多，且分辨率較高。利用 MWMS 技術(shù)制成的傳感器完全符合傾角傳感器的發(fā)展趨勢。 如何將傾角儀便攜和微型化，就不能提到微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS） 。標(biāo)定中需要將其安裝于三維轉(zhuǎn)臺(tái)的工作臺(tái)上，如圖 2所示：由于標(biāo)定時(shí)需要將傾角傳感器的旋轉(zhuǎn)軸線與三維臺(tái)的旋轉(zhuǎn)軸線重合，才能獲得高精度標(biāo)定結(jié)果，很明顯，在此項(xiàng)標(biāo)定硬件條件下，無法兩軸線重合。 單軸傾角傳感器的分辨率較高，但其缺點(diǎn)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，使用中調(diào)整和安裝很不方便。 圖 1 條式氣泡水平儀（左）和框式水平儀（右） 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 3 大角度測量儀器通常稱為傾角傳感器。圖 1 所示分別為瑞士 WYLER 公司生產(chǎn)的條式氣泡水平儀和國內(nèi)山東濰坊量具廠生產(chǎn)的框式水平儀。 作為測量小角度常用量具的水平儀，經(jīng)歷了從傳統(tǒng)的氣泡式水平儀到現(xiàn)代先進(jìn)的光電式、電子式以及激光式水平儀的過程。隨著生產(chǎn)和科學(xué)的不斷發(fā)展，角度測量也來越廣泛的應(yīng)用于工業(yè)、科研等各領(lǐng)域，技術(shù)水平和測量準(zhǔn)確度也在不斷地提高。 國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 建國初期我國連一個(gè)簡單的多面棱鏡都要進(jìn)口。在設(shè)計(jì)過程中，此電路設(shè)計(jì)應(yīng)該具有 能夠精確測量正負(fù)傾角，同時(shí)通過單片機(jī)控制將測得的傾角信號遠(yuǎn)距離傳送出去，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備針對傾角的 調(diào)整 ，確保這些儀器設(shè)備正常的使用。 1 度， LCF100 型高精度 傳 感器以其精度高、抗干擾 強(qiáng) 、穩(wěn)定性好等優(yōu) 點(diǎn) 在很多 領(lǐng) 域 應(yīng) 得到 廣泛 的 應(yīng) 用。 [2] 隨著市場需求和科技的發(fā)展，人們對工程、機(jī)械、航空、航海設(shè)備的可靠性、精度和穩(wěn)定性提出了更高的要求， 現(xiàn) 使用的光 學(xué) 象 限 儀 、單軸、雙軸和三軸型傳感器等 儀器 由于精度低、防震性能差、操作 費(fèi)時(shí) 等因素 ,已不能 滿 足 設(shè)備 的快速精確 測 量要求。s requirements Keywords: LCF100 highprecision angle sensor, AD conversion, ADuC845 chip control, precision, 422 bus signals. 2021 屆測控技術(shù)與儀器專業(yè)畢業(yè)論文 3 目 錄 第一章 緒論 ................................................................................................ 1 課題的背景、意義 ................................................................... 1 課題的研究內(nèi)容 ....................................................................... 1 國內(nèi)外的研究狀況及發(fā)展趨勢 ............................................... 2 第二章 總體方案設(shè)計(jì) ......................................................