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数据采集系统设计的思考

       数据采集系统设计的思考

                  王佰营  徐丽红
         wbymcs51.blog.bokee.net

1. 芯片使用                             
  主 控 为: ADuC812;(封装形式?S-52电压?5V)-----82元
  数据保存: X5045;     10元
  时    钟: DS1302;    13元
  DS12C887;   25元
  显    示: MAX7219;   36元
  通    讯: AMD202;?
                MAX232;?
  辅    助:    NE555,      P521-1;
                6264?
  辅助电源: MAX253,MAX667; 25元
2. 模拟放大芯片选择
  1>.低价高精度仪器放大器:AD620; 23元;
   宽增益软件可编程放大器; AD625? ----30元;
  2>.巴特沃斯低通开关电容_4阶低通滤波器:TLC14;? 13元 
  3>.通用有源滤波器:  UAF42 和 FILTER42软件;
  4>.变压器偶合两端隔离放大器:AD202;? ----273元;
                             AD210;? ----298元
                             AD292;?
  5>.含电源电容隔离放大器:    ISO103;?
  6>.西门子线性光耦:      IL300;?   ----48元
    惠普线性光耦:                HCNR200;?----23元
               HCNR201;?----23元
    高速光耦:       6N137 ----4元
                             SN139 ----4.5元
  7>.低漂移运放:              OP07; ----1.7元
  8>.动态调零型斩波放大器:    AD8751/AD8752/AD8754
                             ICL7650? ----12元
  9>.高精度基准电源:          MC1403;?
  10>.模拟开关:
  COMS:      CD4066,CD4051-CD4053;?
  AD系列:      AD75XX;?
  MAXIM:       MAX301---309,351---359;?
  11 >.电容隔离放大器:      ISO124-----80元

  12>.电位器要求:
    多圈,低温度系数(100ppm/z)金属陶瓷电位器;
    金属膜多圈进口电位器;
  13 >.电容用漏电小,电感小的CBB电容;
  14>.高稳定金属钽电容;
3. 设计功能
 1>.数据采集:
  a:路数:   2;
  b:输入信号形式:
   0).信号幅度?  1-100mV?
   1).输入电压:  0---5V; 0---10V;
   2).输入电流:  4---20mA;
   3).单极性?双极性?
   4).调零?
   5).温漂?
   6).失调电压?
   7).增益如何控制?
  c:输入电路:
   1).50Hz/60Hz滤波电路;
   2).交流-->直流转换电路;
   3).电平移位电路;4-20mA=》1-5V=》0-5V;
   4).采样保持电路;
   5).保护电路;
 2>.设置保存;断电时钟继续运行;电池供电;
 3>.时钟更新,显示;
 4>.定时到,继电器动作;
 5>.上电处理:
   a:从零开始;
   b:从断点开始;
   c:区分上电复位和看门狗复位;
   d:区分冷启动和热启动;
   e:那种启动需要自检?自检哪些项目?
   f:是否需要自动定标?
 6>.掉电现场记忆;记忆哪些数据?
 7>.掉电快速检测电路;
 8>.采集数据;
   a:如何保存?
   b:如何处理?
   c:显示内容?
   d:测试精度?
   e:对速度有何要求?
   f:有无上限,下限报警?进一步采取什么动作?
 9>.与PC有无通讯?有无遥控?是否需要报表?
  
4. 三种基本方案
 1>.被测信号频率为:0----0.1Hz,如:热电偶测温;
   采用低数据速率采集系统,采用双积分式ADC;
 2>.被测信号频率为:0----1KHz,复杂谐波;
   采用高数据速率采集系统,采用逐次比较式ADC;
 3>.被测信号带宽为:1----20MHz;
   采用高数据速率采集系统,采用高速并行比较式ADC;
  #:减小较大项的误差,将明显提高系统的精度!!!
   方式一:
     放大=》多路开关=》隔离放大=》可控增益放大=》滤波=》AD转换;
   方式二:
     放大=》滤波=》多路开关=》可控增益放大=》S/H=》AD转换;
   方式三:
    隔离放大=》滤波=》多路开关=》可控增益放大=》S/H=》AD转换;
   方式四:
    隔离放大=》滤波=》多路开关=》可控增益放大=》AD转换;
   方式五:
   隔离放大=》滤波=》多路开关=》隔离放大=》可控增益放大=》S/H=》AD转换;

※ ■※:ADUC812内已经有采样保持(S/H)电路,是否外部还要S/H电路;???

5. 各环节的要求
   1>.对输入信号:
     1>.模拟量输入的个数;
     2>.双端输入还是单端输入;
     3>.单极性还是双极性;
     4>.信号的最小频带宽度;
     5>.信号的电平范围;
     6>.共模干扰电压的大小及共模抑制比;
     7>.对数字量码制的要求:BIN,BCD,补码....
    8>.系统环境:温度,湿度,电源的可靠性及稳定性,散热条件,震动等;
      ※ 信号调理电路:
      ※ 小信号放大;
      ※ 滤波;
      ※ 零点调正;
      ※ 线性化处理;
      ※ 温度补偿;
      ※ 误差修理;
      ※ 量程切换;
     金属壳聚丙烯电容;外壳用铜箔包起来单独接地;
  2>.对A/D转换电路:
    1>.模拟输入范围和分辨率是多少;
    2>.线性误差,相对精度及刻度的稳定性是什么;
    3>.完成一次转换需要的时间;
    4>.在环境温度变化时,各种误差限制在什么范围内,允许漏码否;
    5>.系统电源稳定性的要求是多少,由于电源引起的误差变化允许多大;
    6>.输入信号的特征是什么,是否为采样信号,是否经过滤波,信号频率是多
     少;
    7>.电源切断时,是否损害有源信号源精度.
  3>.对采样保持器
    1>.输入信号范围是多少;
    2>.多路通道的切换率是多少,期望捕获时间是多少;
    3>.所须精度(包括增益,线性度及偏置误差)是多少;
    4>.保持时间允许的电压降是多少;
    5>.通过多路开关及信号源的串联电阻的S/H旁路电流引起的偏差是多
     少;
  4>.滤波器
   1>.是否需要滤波器;
   2>.滤波器的位置放在那儿;
   3>.选用哪种滤波器;
     1).巴特沃思滤波器,在fc内有最大平坦的频率特性,专门用于高精度
       谐波信号修正; fc=1.6BW;
     2).贝塞尔滤波器,在带通内相位频率是线性变化的,信号的相位畸变
       不大,在高性能的系统中常常用它; fc=2.5BW;
     3). 贝塞尔_沃思滤波器,是以上两种滤波器的某种组合; fc=1.6BW;
   4>.滤波器的截止频率是多少;
   5>.滤波器的阶数选多少; 3-5;
   6>.是否串超前环节补偿滞后;
  5>.多路开关
   1>.是否需要多路开关;
   2>.多路开关的位置放在那儿;
   3>.开关的切换速度选多少;
   4>.寄生电容串扰是多少;
   5>.导通,关断电阻是多少;
   6>.导通时间,管断时间是多少;
6.可能用到各程序模块
  1>.初始化
   1>.参数初始化;
   2>.堆栈初始化;
   3>.器件初始化;
   4>.自诊断;
   5>.自恢复;
  2>.人机联系
   1>.键盘管理;
   2>.显示管理;
   3>.报表输出;
  3>.运算
   1>.多倍精度加减法;
   2>.多倍精度乘除法;
   3>.BCD-二进制转换;
   4>.BCD(加,减,乘,除)运算;
   5>.比较;
   6>.求极值;
   7>.搜索;
   8>.排序;
  4>.测量算法
   1>.软件抗干扰;
   2>.标度变换;
   3>.非线性校正;
  5>.控制算法
   1>.PID算法;
   2>.串级,比值,前馈,纯滞后算法;
   3>.上,下限比较及报警;
   4>.输出限幅;
   5>.自适应,自校正算法;
   6>.模糊控制算法;
   7>.专家控制算法;
   8>.溢出控制;
  6>.过程通道
   1>.采样A/D转换;
   2>.多通道切换;
   3>.D/A切换;
   4>.开关量输入输出;
   5>.运放增益控制程序;
  7>.器件驱动
   1>.X5045驱动程序;
   2>.MAX7219驱动程序;
   3>.DS1302驱动程序;
   4>.多路开关转换程序;
   5>.IC编程驱动程序;
   6>.PC通讯驱动程序;
附:资料:
1. 基本算法:
  热电偶在温度0---450度,输出0---25mV的慢变化电压,共模电压
  Vc=10V,分辨率为1度;
  因为分辨率为1度,所以应:
  1/2n ≤ 1/450 ==>n=9;
  29=512,字长为9;
  可分辨电压为:25mV/450=55μV;
  通道必须具有的精度为:1/450 x 100/100 =0.22℅;
  应具有的共模抑制比是,要使共模输入电压造成的误差小于
  即:25μV;λVc<1/2LSB;
  λ=25x10-6 /10=2.5x10-6;
  Kcmr =  20lg(1/λ)  = 112dB;
2. 基准
  为了提高精度,一般要将信号的最大幅值放大至系统的最大满度电
  压;一般为2.5V,5V或10V;
  AduC812的基准电压有两种选择:
 1》。内部基准:
  Vref=2.5V±25mV   40ppm/℃;Vin=0V---+Vref;
  由于片内基准高精度、低漂移且经工厂校准,并且当ADC使能
  时,在 VREF引脚会出现此基准电压。在实际应用中应当特别注意,
  内部VREF将保持掉电直到ADC外围设备模块之一被它们各自的使能位上电为止。
  与其它ADC芯片相比,ADμC812的ADC模块有一个缺点,就是ADC正常工作的
  模拟输入范围为0~+2.5 V,而允许输入的电压范围只能为正电压0-+5V。经实验
  证明,若输入的模拟电压超过 +2.5 V(最大值为+5 V),ADC的采样结果为最
  大值(0FFFH),虽然结果不对,但并没有影响 ADμC812正常工作;但是,
  一旦输入负的模拟电压,则会影响ADμC812正常工作,表现为ADC的基准电压
 (VREF = +2.5 V)消失和采样结果不正确,且若长时间输入负电压,将有可
  能损坏芯片;因此应加上负电压输入保护电路。
  一般情况下,ADC的输入缓冲放大器采用0-5 V的电源工作,这样,可以保证
  ADC的输入在ADμC812的A/D转换器的安全输入范围内。
  ADC的模拟输入范围是0V至VREF。在此范围内,设计的代码跳变发生在连续的
  整数LSB值的中间(即LSB,LSB,LSB,......FS-LSB)。当VREF=2.5V时,输出
  码是直接的二进制数,1LSB=FS/4096或2.5V/4096=0.61mV。
  A/D转换器的2.5V基准电压既可由片内提供,也可由外部基准经VREF引脚驱动。
  若使用内部基准,则在VREF和CREF引脚与AGND之间都应当连接100nF电容以便去耦。
  这些去耦电容应放在紧靠VREF和CREF引脚处。
 2》。外部基准:
  Vref=2.3-----AVDD;
  为了达到规定的性能,建议在使用外部基准时,该基准应当在2.3V和模拟电源AVDD之间。
3. 测量放大器
   为了提高精度,一般要将信号的最大幅值放大至系统的最大满度电压;
  1》。对共模抑制比要求不高时,可选用单运算放大器;如:
 AD521,AD542等;Kcmr=80-110dB;
  2》。当分辨率要求很高时,希望运算放大器误差远小于系统分辨
   误差,这时相应的要求很高的开环增益,单运算是达不到的,
   应选用三运算放大器或仪用放大器;如:AD522,AD620;
  3》。自动稳零放大器是低温漂放大器,dVot/dt=0.01μV/℃,开环
   增益为105,Kcmr=100dB,故只适应于0-10Hz带宽的信号
  的低漂移放大;如:ICL7065,ICL7650;
  4》。高性能运算放大器应用于要求高的场合,其开环增益为106
    ;当闭环差模增益为1000时,Kcmr=106;如:LH0038,AD624
  5》。隔离放大器用于信号源与处理系统之间有非常高的共模干扰而且要求必须电隔离的场合;
  6》。高速运算放大器的性能特点主要用于快速建立时间,转换率和宽带表征;
    快速建立时间对缓冲器和多路点子器件等快速变化或切换的模拟数据特别重要;
   高转换率与快速建立时间有关系,对处理大幅度交流信号特别重要;
   宽带宽对处理低电平宽带交流信号和预放大器特别重要;如:AD811;
  7》。精密运算放大器的性能特点主要用于高输入阻抗,低偏置电流,低失调,低漂移电压,
   高开环增益和高共模抑制比表征;主要用于高阻抗电路,积分器,对数函数发生器,
   电流电压转换器,高精度仪器仪表,高精度电压比较器,低电平传感器电路等;
   如:AD820;

  8》。低噪声运算放大器用于低电平信号运算的一个重要指标,是系统分辨率的限制因素,
   是引起系统误差的主要因素;如:AD743;
  9》。低输入偏置电流运算放大器是一项重要指标. 输入偏置电流的大小直接反映
   了输入差动对管的β值;输入偏置电流太大,在不同信号内阻的情况下,对整个
   电路的静态工作点的影响大,而且还较大地影响温漂和运算精度等性能指标;如:AD549;
  10》。低漂移运算放大器是一项重要指标.电压(电流)漂移的大小对电路的精度,
   灵敏度有着直接,重要的影响;通常,温度变化是产生漂移的主要原因;
   在许多高精度,高稳定度的应用场合低漂移运算放大器是较好的选择;如AD707;
4. 影响ADC的因素:
  1>.选择合适的ADC驱动放大器,放大器的直流和交流误差直接影响ADC;
    一般首先考虑交流特性,然后考虑直流特性;
    交流特性包括:
     带宽,建立时间,谐波失真,总谐波失真,噪声及总谐波加噪声失真;
    直流特性包括:
     增益,失调,温漂及增益线性误差;
    选择驱动放大器的原则是:
     放大器的性能指标应该优于ADC的性能指标;
     通常按照ADC的产品说明书中推荐的型号,选择合适的放大器;
  2>.ADC的基准;
     许多ADC都有内部基准,直接使用内部基准厂家已经将ADC的精度调节很高;
     在这种情况下准确的外部基准实际上会降低该ADC的直流精度;
     基准电压源很重要,因为它不仅决定ADC的满度范围,而且决定ADC的直流精度和稳定性不能优于基准;
     ADC的基准的噪声通常直接引起内部噪声的增加,从而降低了SNR.
    电压基准的主要技术指标包括以下几点:
    直流技术指标:
      输出电流,电源调整率,负载调整能力,输出电容容差,输出电压温漂;
    交流技术指标:
      导通建立时间,瞬态负载电流建立时间及噪声.
5. 传感器的选择:
  1>.满足介质和使用环境的特殊要求;
  2>.传感器的精度指标一般优于系统精度的十倍左右;所有元件的选择都应遵守这个原则;
  3>.转化速度符合整机要求;
  4>.稳定可靠,便于维修;
  5>.尽量选择大信号输出或数字信号输出传感器;可省去小信号放大和提高抗干扰能力;
6. 采样保持器:
  A/D转换器把模拟量转换为数据量需要一定的转换时间,在这个转换时间内,被转换的
  模拟量应基本维持不变,否则转换精度就没有保证,甚至失去转换的意义;
  如果ADC的转换时间为T,为保证±1LSB的转换精度,在转换时间T内, 被转换的模拟量
  的最大变化量不应超过一个量化单位Q:
 设:Ui=Umax*cosωt
 最大变化率为:dUi/dt|max=ωUmax=2πfUmax
  2πfUmax *T <=Q=Umax/2m
  因此,待转换信号的最高频率为:
  flax=1/T×π×2m+1
  例如:一个有一个12位ADC,T=25μS,用该ADC来直接转换一个正弦信号并要求精度优于1LSB,则:
  flax=1/25*10-6*3.14*212+1=1.5Hz
  可见:除了被转换信号是直流电压或者变化极其缓慢可用ADC直接转换而不必在ADC前加采样保持外,
   凡是频率不低于由上式确定的频率的信号,都必须设置采样保持器.
  选择导通电阻小,切换速度快的模拟开关,选择频带宽和压摆率高的运算放作采样保持器内部的
  输入和输出缓冲放大器,可以减小捕捉时间;
  为了减小串音,应选择接通电阻小,断开点阻大并且寄生电容小的模拟开关;
7.模拟开关-采样保持-AD转换时序:
 采样指令脉宽梢窄于通道地址指令脉宽,保持指令脉宽要大于A/D转换时间,
采样指令脉宽应大于S/H的捕捉时间,A/D转换启动时间应在S/H的保持建立时间结束之后;
关键词:数据采集 MCS51 系统 设计 方案

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评论 (3条) 发表评论

  • 小裴
    小裴 : 前辈 感谢 要是像报告那样就感激不尽了

    2009-05-16 17:50

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