高分辨率的数据采集系统

第4卷第12期 2002年12月 电子元器件盔用 ElectronicComponent＆DeviceApplications V01．4No．12 December2002 高分辨率的数据采集系统 纪宗南 (南京航空航天大学自动化学院，江苏南京 210016) 摘 要：AD7716是一种片内具有数字滤波功能的4通道、22位A／D转换器。它包含4个∑一△ ADC，1个时钟振荡器和1个串行通信口。文中介绍该电路的特点、工作原理、系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 考虑的问 题和典型应用电路。 关键词：数据采集；模／数转换器；数字滤波器；信号处理 DataAcquiringSystemwithHigh·Resolution JIZ0ng_nan Abstract：TheAD7716isa4-channel，22．bitA／Dconverterwithon·chipdi百talfiltedng．Itcontainsfoursigma-deltaADCs， aclockoscillatorandaserialcommunicationsport．Thispaperintroducesitsfbature，opemtingprinciple，systemdescription andtypicalapplicationcircuits． Keywords：Dataacquisition；Analog—digitalconverter；Digital6lter；Signalprocessing 中图分类号：TN492文献标识码：B 文章编号：1563—4795(2002)12—0015—04 1 概述 AD7716是一种数据采集系统的信号处理模块， 也是一种片内具有数字滤波功能的4通道、22位A／ D转换器，它由4个∑一△ADC、1个时钟振荡器和1个 串行通信口组成。它能够处理带宽为584Hz的4通道 信号。分辨率为22位，它的有效动态范围从111dB (输入带宽为36．5Hz)到99dB(输入带宽为584Hz)。 馈人到AD7716的每一个模拟输入信号是以主 时钟cLKIN频率确定的速率进行连续地采样，4个 ∑．△调制器能够把采样信号转换为数字脉冲，尔后利 用数字滤波器处理调制的输出信号，并以2．2kHz的 最高速率修正输出寄存器。此时，输出数据能够从串 行口以任何速率读出。 3个地址引脚能够对器件地址编程，这样，允许 一个数据采集系统以简单 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 调节32个通道，从而 使器件输出的字具有32位数据。 具有22位相应模拟输入的数据，其中2位包含 通道地址，3位是器件地址。因此，32通道系统中的每 一个通道都具有5位地址。片内控制寄存器能够利用 收稿日期：2002—09—09 scLK、SDATA和TFs引脚进行编程，控制寄存器中的 3位可以设置器件的数字滤波器截止频率，可选择的 频率是584Hz、292Hz、146Hz、73Hz和36．5Hz。控制 寄存器中的2个输出Dout，和Do。t：能够用于前端控 制校正信号。 AD7716的特性如下： ——22位∑一△ADC ——动态范围宽：105dB(输入频率为146Hz) ——积分非线性小：±0．003％ ——片内具有低通数字滤波器 ——截止频率编程从584Hz到36．5Hz ——线性相位响应 ——5个串行I／O ——2的补码形成 ——极易与DSP和微计算机接口 ——滤波器截止频率用软件控制 ——±5V电源 ——功耗低：50mW 2 内部结构 AD7716的内部功能框图如图1所示。AD7716的 引脚排列如图2所示，引脚功能如表1所示。 万方数据 第4卷第12期 2002年12月 电子元嚣件羞用 ElectmnicComponent＆DeviceApplications V01．4No．12 December2002 AD7716 ±—r———————]lHJF『ⅨI自口I 觚-H摇H‘燃 觚：H热H，鼷 胁，}1墨Ht燃 h。H墨Ht燃 输出移位 寄存器 控制寄存器 VREFAGNDDGNDDINlDouTlDouT2 图1 AD7716的内部功能框图 2譬2主2墨善乏2{暑 《 《 《 《 《 (a)PQFP型封装 8譬8墨星墨星乏善i暑o o、o、oo、 《 《 《 《 《 (b) PLCC型封装 图2 AD7716的引脚排列 3 工作原理 1个三．△ADC框图如图3所示，包括：1个连续采 样积分器，1个差动放大器或减法器，1个l位A／D转 换器(比较器)、1个1位DAc、1个数字低通滤波器。 C 时钟 图3 1个∑一△ADC的框图 正常工作时，采样的模拟信号和l位DAc输出 一起馈入减法器。滤过的差动信号送人比较器，此时， 比较器输出采样某一频率的差动信号是模拟信号频 率(过采样)的许多倍。过采样技术是∑一△ADc工作 的基础，对于1个ADc来说，其量化噪声为： ．sJ7、假=(6．02×位数+1．76)dB 1位ADc或比较器产生的噪声为7．78dB。 当主时钟的工作频率为8kHz时，则AD7716能 对570kHz的输入信号进行采样，并能分离OkHz～ 285kHz的量化噪声。因为AD7716规定的模拟输入带 宽最大值为584Hz，在这个带宽里，噪声能量仅为总 量化噪声的1／488。相对于输入带宽很高的采样称为 过采样。而488：l的比率称为过采样比率。利用调制 器回路里的模拟滤波器能进一步降低噪声，而量化噪 声的频谱能把大部分噪声能量移到584Hz以上的频 率范围。用这种方法就能把0Hz～584Hz范围的S^恹 性能调制到99dB，当降低编程的带宽时，过采样比率 增加，而有用的动态范围也增加。例如，编程的带宽为 73Hz，过采样比率为3904：1，有用动态范围为108dB， 这相应于17位以上的分辨率。 比较器的输出能为l位DAC提供数字输入，这 样，系统就变成负反馈回路，从而使差动信号变得最 少。表示模拟输入电压的数字数据是以一定占空比的 脉冲序列出现在调制器的输出端，利用数字滤波器， 它能重新得到一个并行二进制数据字。 ∑一△ADC通常是以模拟低通滤波器的阶数来描 述的，l阶乏．△ADC的简单例子如图3所示，这里仅 包含l阶低通滤波器或比较器。 AD7116使用1个2阶∑一△调制器和1个数字滤 波器，它能提供1个采样输出的循环平均值。在上电 或1个步长改变输入电压后，并在获得有效数据前有 1个置位时间(建立时间)出现。 ，)强a∞ 队x 肼虻虻 §肌Ⅸ 吼腮鸺 两队钆 眦队队 |墓i 5}∞ 一Y|墓 丽 Ⅺ 。 q“ m≯巍豁篙羔一 №№l金竺哪胍m m‰‰ uu il嵩溢能加 w D C C 压等溉2慧麓一 C C n D C丐K T D叩Muu裟羔器能加 万方数据 高分辨率的数据采集系统 ⋯ 模拟正电源，正常值为+5V。它能为模拟调制器提供正电源，“”o Av。。帮Dv。。在外部必须连在一起。 。、， 数字正电源，正常值为+5V。它能为数字滤波器和输入／输出⋯” 寄存器提供正电源。 sDATA串行数据输入／输出引脚。 SCLK 肌豢?她氘正常值为。5K它能为模拟调制器提供她而 复位输入。高电平时能同步4个输人通道的采样点，在多通道 RESET系统中它能保证同时采样。另外，它也能使数字接口复位到 已知状态。 AO—A23个地址输入引脚，AO、A1和A2能给器件赋予唯一的地址。 cLKIN外时钟源的时钟输入。 ‘ ，．。r、．，，时钟输出。利用cLKOuT和cLKIN之间的晶振产生1个内部 。。“”“主机时钟。如不使用外时钟，则cLK0uT不连。 ．．，、T、。 接口模式引脚。如果它是低电平，则允许主机接口模式；如果“””o 它是高电平，则允许从机接口模式。 ，、．。，。电平触发数字输入引脚。高电平有效，它常来输出数据流。在 。“。“”多通道系统中，用来连接多个器件。 电平触发数字输出引脚。当1个完整的4通道数据转换结束 cASC0uT后，它变成高电平。在多通道系统中，它能连到下1个器件的 CAscIN，从而保证数据转换的控制。 ：= 串行输出数据流的接收帧同步信号。它是1种决定接口模式“～ 的输入或输出形式。 串行时钟输入／输出引脚。SCLK引脚能构成输入或输出，这 决定MODE引脚的状态。 数据准备好输出。1个下降沿表示新字发射有效。当4通道、 32位字发射完成，它返回高电平；当新字装到输出寄存器时， 在1个时钟同期里，它也能复位为高电平。但此时不能读数 据。 TFS片内控制寄存器编程用的发射帧同步输入。 Dm 数字数据输入。 。 。 数字数据输出。这两位数字输出能够在片内控制寄存器进行 啪”““”编程。它们能够用来控制前端的校准信号。 vner 参考输人，正常值为2．5V。 AGND模拟地，模拟电路的参考地。 DGND数字地，数字电路的参考地。 A。一A一模拟输入引脚。模拟输入范围是±2．5V。 4 系统设计考虑的问题 AD7716的工作不同于逐次逼近ADc或其他积 分型ADc，因为它采样的信号是连续的。它不需要启 动转换指令。输出寄存器更新速率决定可编程的截止 频率，并在任何时间里能够读出输出。 4．1 输出信号调理 AD7716的输入范围是±％EF，这里‰zr= 2．5v±0．25v。如果需要其他输入范围，则利用输入 信号调理就能完成。这可以用增益来增加最小信号范 围或无源衰减来降低大输入电压范围。 4．2 时钟形成 AD7716的时钟必须由1个晶振源或1个外部时 钟源提供。若使用晶振，它必须连到引脚cLKIN和引 脚CLKOUT之间，此时，在引脚CLKIN和引脚CLK． OUT上所需要的典型负载电容为5pF。若使用外部时 钟，则直接由引脚CLKIN输入驱动。此时，引脚 cLKOuT不连。该芯片的正常时钟频率为8MHz。 4．3 参考电压 把加到引脚v。。r上的电压定义为模拟输入范 围，规定的参考电压是2．5V±0．25V。 参考输入所呈现的动态负载恰好和模拟输入相 同。但在参考输人时，源电阻和长调节时间引入的失 调误差要比增益误差大。然而，绝大部分精密参考源 具有足够低的输出阻抗和足够宽的带宽，它能调节并 满足AD7716所需要的精度。 在选择参考时，应该使它在编程通带范围内具有 最小的噪声，根据模拟器件，推荐参考源是AD780或 REF43。这些低噪声参考源在600Hz时的典型噪声光 谱密度为100nv√瓦，在这个频率下的真有效值噪声 为2．5斗V，这个数值完全能满足AD7716的要求。 4．4 复位 AD7716具有一个硬件复位功能，它能够用于同步 多个器件。当RESET(复位)引脚由高到低(至少维持4 个cLKIN周期)时，调制器的采样点和数字滤波的启 动点均能实现同步。当接收到RESET脉冲后，就能够 同步所有器件，并允许对所有通道进行采样。这样，它 并不影响控制寄存器，但会影响接口的再启动。 4．5 数据输出接口模式 AD7716具有两种接口模式：一种是主机模式，此 时，AD7716在系统中是主机，而通信用的处理器是从 机；另1种是从机模式，这里，AD7716是从机，而处理 器是系统中的主机。 4．5．1 主机模式接口 使MODE引脚为低电平，器件为主机模式。在此 万方数据 第4卷第12期 2002年12月 电子元器件主用 ElectronicComponent＆DeviceApplications V01．4No．12 December2002 模式下，利用内部产生的串行时钟和帧同步脉冲就能 够 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 AD7716输出的数据。两个信号是输入cASIN 和内部产生的DRDY信号，它们能启动传送。当cAsIN 为高电平时，则器件能检查出DRDY的状态。若 DRDY是低电平，则为3态输出。RFs在下一个cLKIN 上升沿时变为高电平，并维持一个cLKIN周期。在相 同的上升沿时，3态SCLK输出也变得有效，此时，能 以8位字节形式发送数据。当记录到A。。。的DBo时， scLK回到3态状态而cAsouT变为高电平，并维持 1个主机时钟，DRDY在这点上也变成高电平。 主机模式时序图如图4所示。主机模式接口非常 适用把数据装载到串．并移位寄存器或能存取8位 字节的连续数据流的DSP。 CLKIN(I) DRDY(O) SCLK(0) RFS(O) SDATA(O) CASCOUT(0) 式，这就意味着ADSP一2101是系统中的主机，并为 AD7716s提供必需的帧同步和SCLK信号(当进行写 复 图5 AD7716的典型应用电路 图4 主机模式时序图 4．5．2 从机模式接口 使引脚MODE为高电平，则器件为从机接口模 式。在这个模式里，主处理器能够控制来自信号处理 模块的传送数据。把1个帧同步脉冲和串行时钟发送 给AD7716，它就能启动传递。如果器件检测到cAsIN 上的1个高电平或下1个scLK的上升沿，它就开始 发送数据。当所有数据位被记录后，cASOuT引脚变 高，并维持1个CLKIN周期，而DRDY也变高。 从机模式接口适用两类芯片：1类是8051和 68Hcll的微计算机；另1类是TMs320c25、AD． SP．2101系列和DSP56000系列的DSP。 5 典型应用电路 AD7716的典型应用电路如图5所示。这是1种 8通道数据采集系统，呈现出两片AD7716s和ADSP一 2101DsP的SPORTO间的硬件接口电路。该电路能够 产生1个非常有效的8通道数据采集系统。当引脚 MODE变成高电平时，则AD7716进入从机接口模 和读操作时)。 上电后，用户把设 置的滤波器截止频率写 入AD7716控制寄存 器，调节适合sPORTO 控制的寄存器 (Ox3FF6)使之为 “7EC7”。这样就使发射 部分设置为8位字长的 交流反相帧，然后把两 个8位字写到每个 AD7716，并对截止频率进行编程。 当写操作完成时，则复位脉冲应该加到两个器件 上，这样就能保证器件的采样和接口时序严格同步。 由DsP控制复位，并使用标志输出。在复位后，处理 器应跳到读程序。 在正常工作时，当DsP一2101接收到1个数据时， 则sPORT产生1个中断。此时，自动缓冲为接收或发 射1个完整的串行数据块提供1种机构，从而使服务 程序工作在完整的数据块。它要比工作在单字节更优 越，可明显降低开销。如果把“0001”装到自动缓冲控 制寄存器(Ox3FF3)，则能允许接收自动缓冲；如果把 最小值“000F”设置到sPORT0。RFsDIV寄存器 (Ox3FF4)，则最后允许IRQ2中断。 现在，DsP将等待来自AD7716的一个中断，这 个中断是由AD7716DRDY线变成低电平后产生 的。如果中断服务程序是设置在16字节长的自动缓 冲模式时，则DSP将从两片AD7716s中的256位中 读出一个连续数据流，然后停止。 万方数据 高分辨率的数据采集系统 作者： 纪宗南， JI Zong-nan 作者单位： 南京航空航天大学自动化学院,江苏,南京,210016 刊名： 电子元器件应用 英文刊名： ELECTRONIC COMPONENT & DEVICE APPLICATIONS 年，卷(期)： 2002，4(12) 被引用次数： 2次 相似文献(10条) 1.期刊论文 尹永新.YIN Yong-xin 12位差分输入小功率取样模/数转换器 -电子元器件应用2002,4(9) 介绍ADS7817原理、性能及其在数据采集和AC电机控制系统中的应用. 2.学位论文 吴龙发 牵引整流柜均流试验台及微机检测系统 2004 牵引整流柜是电传动内燃机车的主电路的的整流设备.它将同步主发电机发出的三相交流电整流转换成脉动直流电,供给机车牵引电动机使用.牵引整 流柜一般采用三相桥式全波整流电路.由于同型号、同规格的整流元件个体特性并非完全一致,所以在并联使用时,各元件所承担的电流大小会有所不同 ,这样就会出现电流分配不均匀的情况.这种电流不均匀度容易造成整流元件的损坏,影响机车的正常牵引运用.牵引整流柜均流试验正是为了检测其各个 桥臂并联支路整流元件的电流分配情况而设立的检验项目."均流系数"是用来验证各桥臂整流元件电流分配的均匀度的重要参数.以前国内铁路机车检修 企业的均流试验检测系统多采用普通分流器作为各桥臂并联支路及总电流的检测元件,使用指针式电流表,依靠人工读数计算均流系数的方法.此种结构生 产效率低、系统抗干扰性差,均流系数的准确性低,不能很好地保证牵引整流柜的可靠性.1997年以来,随着我国铁路机车技术的发展,特别是"高速重载"机 车的开发运用,牵引整流柜的型式和整流元件的规格出现多样化的发展趋势.牵引整流柜整流元件组合形式由传统的6臂×6并组合方式发展到6臂×4并、 6臂×2并等多种组合方式,形成了牵引整流装置的多元化发展.因而对牵引整流柜均流系数检测的准确性、可靠性提出了更高的要求.目前所采用的牵引整 流柜均流试验设备缺乏必要的兼容性,无法满足铁路跨越式发展的需要,给机车检修企业提出了新的课题.本课题提出了以高精度霍尔传感器作为支路电流 和总电流的检测元件,使用工业计算机为核心,利用处理分析软件构建一个实时数据采集处理系统,从而形成一个以提高系统准确性、抗干扰性和生产效率 的系统解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 .通过对目前铁路行业典型机车牵引整流柜的参数进行分析,归纳出一种合理的试验形式,运用模块化设计,突出柔性设备的特征,增强系统 灵活性,以解决多型式牵引整流柜均流试验的兼容性问题,在必要时只需适当更改软件即可实现对不同车型的功能扩展.本课题将微机自动控制和实时数据 采集应用到铁路行业的生产一线,解决了新时期机车检修企业面临的问题,为计算机技术向专业领域生产现场的普及进行了有益的实践,提高了行业科技含 量和市场竞争能力. 3.期刊论文 储明聚.周西峰.郭前岗.CHU Mingju.ZHOU Xifeng.GUO Qiangang 数字式超声波探伤仪中高速数据采集 模块设计 -现代电子技术2010,33(6) 为了满足数字式超声波探伤系统的需要,设计一种基于AD9446模/数转换器及FPGA的数据采集模块,实现了最高可达100 MS/s的采样速率.采用FPGA实 现数据采集控制、数据压缩、数据缓冲等功能,同时利用高精度A/D数据转换器保证了数据采集精度方面的需要.该A/D数据采集模块既满足数字式超声波 探伤系统对数据采集模块的速度要求和精度要求,也简化了硬件电路结构,提高了数据采集的可靠性和稳定性.因此为超声波探伤系统提供了一种实用的数 据采集模块. 4.期刊论文 过磊.李平 基于CAMAC 标准 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基于DSP的数据采集系统设计 -青海大学学报（自然科学版）2005,23(5) 在描述AD7865模数转换器的特性和其他外围电路的基础上,从软件和硬件方面介绍了该芯片与TMS320F206定点DSP接口的设计方法以及时序配合等问 题.并且按照定点DSP对数据处理的要求,完成了对数据采集的滤波程序设计.处理完成后的数据最终经CAMAC总线接口输送给计算机. 7.期刊论文 栗霄峰.高山.佟新鑫.LI Xiao-feng.GAO Shan.TONG Xin-xin 数据采集模板设计 -传感器与微系统 2006,25(11) 介绍一种将来自传感器模拟信号转换为12位数字量的数据采集模板.实验结果证明:该模板的精度和增益误差分别达到0.03 %和0.02 %,并且,可通过 跳线任意选择电压或电流档,又可通过跳线选择增益,大大提高了其使用范围.工作温度为-40～85 ℃,该模板可广泛应用于诸多恶劣环境下的数据采集系 统. 8.会议论文 王怀秀.朱国维 ADS1274及在新型数字三分量检波器中的应用研究 2009 为满足高分辨率地震数据采集的应用需要,在新型数字三分量检波器的设计中,通过实际应用需求分析和新器件的性能比较,确定选择ADS1274作为实 现三通道同步数据采集的模/数转换器,本文介绍ADS1274的性能特点、与微处理器的接口设计及数据采集软件的设计。 9.期刊论文 陶锐.周学军.李伟.TAO Rui.ZHOU Xue-jun.LI Wei 基于DSP的高精度数据采集与处理系统 -国外电子 元器件2005,""(11) 结合海底光缆无源探测技术设计了一种由TMS320VC5402型DSP和AD7714型A/D转换器组成的高精度数据采集系统,并由TMS320VC5402实现高性能IIR数 字滤波器. 10.期刊论文 徐凯.张卫宁 用TMS320F206定点DSPs实现数据采集及其原码到补码转换程序的设计 -山东工业大学学 报2002,32(1) 在描述MAX150 A/D转换器的特征及其5种工作模式的基础上,从软件和硬件的角度着重介绍了该芯片WR-RD模式与TMS320F206定点DSPs接口的设计方法 以及时序配合等问题.并且按照定点DSPs对数据处理的要求,完成了采集数据原码到补码转换程序的设计. 引证文献(2条) 1.贾胜文 基于ARM7CPU和FPGA的低成本小型捷联惯导系统的设计[学位论文]硕士 2006 2.翟建秦 基于DSP的小型捷联航姿系统的设计[学位论文]硕士 2005 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzyqjyy200212005.aspx 授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：6b5a21a9-a43f-4f55-b95d-9e3000eaf33a 下载时间：2010年11月16日