基于∑-△技术高精度数据采集系统设计

基于∑一△技术高精度数据采集系统 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 刘九庆 基于∑一△技术高精度数据采集系统设计 Design of∑一ATechnology Based Data Acquisition System with High Accuracy 纠九度 (东北林业大学机电 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，哈尔滨 150040) 摘 要：数据采集是现代测量系统的戈键环节之一。研制了采用基于∑一△技术模数转换器(ADC)ADSI210的高精度数据采集系 统 并针对高精度模数转换的特点，对模数转换器外围电路进行了优化设计。采集系统南输入预处理电路、电压参考电路、时钟电路 和基准电压电路构成。实验表明，该数据采集系统对电压信号有效转换位数最高可达24位，转换精度可达20位。 关键词：技术 数据采集 高精度 设计 中国分类号：TP274+．2 文献标识码：A Abstract：Data acquisition is one of the key．sectors in modem measurement system．A data acquisition system based on∑一△technology A／D converter(ADC)ADS1210 with high accuracy is developed．In accordance with the features of high precise A／D conversion。the peripheral of the converter is designed with optimization．The acquisition system is composed of pre-processing circuit。voltage reference circuit-clock circuit and standard voltage circuit．The experiments show that the number of bits for effect conversion of this data acquisition system is up to 24 bits and the converting accuracy is up to 20 bits． Keywords：Technology Data acquisition High accuracy Design 0 引言 数据采集系统是精密测量控制等领域中的关键技 术之一。特别是在超精密测量中，数据采集要求在超 高精度量级上进行，采集数据的有效位数直接影响着 测量结果的精确度。测量要求的精度越高，相应系统 电路设计要求也越严格。本文介绍了一种高精度数据 采集系统的设计方法，在所设计的系统中，采用基于 ∑一△技术的模数转换器(ADS1210)，兼顾了转换速 度和转换精度，其接口电路框图如图 1所示。该系统 有效转换位数最高可达24位，转换精度可达20位。 输入预处理 电压参考 电 参考 采集处理电路 基准电源 时钟电路 图 l ADS1210接 口电路框 图 Fig．1 Interface circuit of ADS1210 1 基于∑一A技术的模数转换器 传统积分型、逐次比较型、闪烁型等 ADC在16 bits 以上分辨率时，需要复杂的高阶模拟抗混叠滤波器、定 时以及幅度误差都极小的采样 一保持电路等，存在实 现难度大及成本高等缺点。本设计中采用了美国 BURR—Brown公司生产的基于∑一△技术的24位模 《自动化仪表》第27卷第．1期 2006年1月 数转换器ADS1210，具有高精度、宽动态范围等优点。 ∑一△转换器利用过采样原理使噪声能量分散到一个 更宽的频率范围，然后采用数字滤波器滤除大部分噪 声，从而提高了转换精度和动态范围 。ADS1210 采用差动输入方式，内部集成有低噪声增益编程放大 器(PGA)，l一阶数字滤波器和微处理器，适用于低电平 电压信号输入系统，有利于动态范围的扩展，可得到 24位无差错编码 ，实现丫转换参数的可编程控制、 提高了分辨率并有效地抑制了电源波纹的干扰。其最 高有效分辨力可达24位，其结构如图2所示。 XIn Xou — Alw P +墨3．3 V 。 习 放大器I l调制器l l滤波嚣I l偏置寄存器 q一 5占 ’5占 ’4占 诱 C—S M0de D—R—DY 图2 ADS1210内部功 能框 图 Fig．2 internal function of ADSI210 2 模数转换电路设计 为保证数据采集结果的准确性与可靠性，本文设 计了ADS1210相应的外围电路，包括输入预处理电 路、电压参考电路、时钟电路和基准电源电路。 25 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于∑一△技术高精度数据采集系统设计 刘九庆 2．1 输入预处理电路 多数信号都含有噪声成分，如果不进行处理，噪声 信号将随着有效信号一起输出，必会严重的影响测量 结果的准确度。为了抑制 AD输入信号的噪声，需要 对输入信号进行预处理，预处理最主要的目的是为了 去除信号中的噪声，使被测电压范围和AD采样范围 相匹配 。 假设被测电压范围为(一V，V)，单路输出，为了与 ADS1210的差动输入方式及输入电压范围相匹配，需 将单路输入电压转换成差动的两路，并将输入的被测 电压范围(一V，+V)偏置到与 ADS1210的最大输入 电压范围(一5 V，5 V)相对应，以提高采样精度，具体 电路如图 3所示。 图 3 输入预 处理 电路 原理图 Fig．3 Principle of input pre-processing circuit 电压计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为： 击 志 (1) n+ ( ) =击 (2) 例如，设 Rl=R =10 kQ，R =R =30 kn， 分别 取 10 V、一10 V、0 V，则 ： 当 =10 V时， =5 V， =0 V， 扣一 =5 V； 当 =一l0 V时， = 0 V， 。 =5 V， 扣一 =5 V； 当 =0 V时， VA 2．5 V， =2．5 V， 一 = 0 V。 由推导过程可知，该电路符合输入电压范围及 ADS1210输入特性的要求。 2．2 参考电压与时钟电路 ADS1210内部自带一个2．5 V的基准电压，但通 过动态或可变负载调节内部基准电压来获取基准电 压的方法是不可靠的，因为随着负载的变化，基准电 压可能会产生微小的变化。当有效精度接近或超过 20位时，内部基准无法提供稳定的电压，所以，必须 使用外部低噪声基准电压。为此，采用了一款低噪 声精密电压参考芯片ADR291，输出电压为2．5 V，电 压可稳定到 1 mV。通常，串行输出的模数转换器需 要有外部时钟源触发数据的转换，不同频率的时钟 对应不同的有效转换位数。时钟频率越高，ADS1210 能达到的有效位数越高，ADS1210的最高工作时钟 频率为 10 MHz，因此选取 10 MHz晶体作为系统的时 钟源。 2．3 基准电源电路 实际测量系统中，电源是影响精确度的重要因 素之一。如果整个系统共用一套电源，即使进行电 容滤波，其它电路电源的噪声仍会对模数转换器的 供电电源造成干扰。并且，ADS1210属于数、模混合 器件，必须有模拟和数字电源同时供电。为了简化 电路设计，本系统采用一套电源供电，使用低噪声电 源芯片 AD586，输出电压5 V，电压噪声典型值4 V。 同时，为防止数字电源的高频噪声引入到模拟电源 中，采用如图4所示的供电电路。对模拟、数字电源 进行单独的电容滤波，降低了供电电源对采样精度 的影响。 D Ll Voo 3 采集系统组成及工作原理 图5为数据采集系统的框图，它的工作原理为：调 制解调后的直流电压信号通过 ADS1210转换成24位 的数字量，经微处理器采样控制，然后通过软件宴现数 字滤波，最后输出显示。同时，微处理器实现量程切换 的控制、完成与上位机通信。 键盘／液晶 ’r ADSI210 89C196KC 62256／28256 MAX232 图 5 数据 采集 系统框图 Fig．5 Block diagram of data acquisition system AD与单片机接口电路如6a所示。由单片机进行 控制的信号有：转换完成(DRDY)、片选(CS)、时钟信 号(SCLK)数据输入(SDI)、数据输出(SDO)。图6b 为采样控制时序 。 数据输出(SDO)通过高速输入口(HIS)控制，实 26 PROCESS AUTOMATION INSTRUMENTATION Vo1．27 No．1 January 2006 维普资讯 http://www.cqvip.com 基于∑一A技术高精度数据采集系统设计 刘九庆 DRDY CS SCLK SDI SDoUT 80C196KC — — _L{ — 地 寄存器数据的串行连续读出 0 7 l I’’ 1 0 】 0 b 图6 单片机与 ADS1210接口电路图 Fig．6 Interface circuit between single chip computer and ADS1210 现单片机对AD转换完后的串行数据的实时捕捉，提 高了数据的输出速率。 4 实验 为了验证本 系统 采用 的 24位模数转 换器 ADS1210的有效采样 位数，采 用 Agilent公 司 的 33120A型数字信号源给出基准信号，同时用 Datron公 司的1071型7÷位数字万用表进行监测。实验用信 号源给出0 V基准电压，每隔 1 min采样一次，万用表 监测电压与输出24位数据量关系如表 1所示。 裹 1 稳定性实验数据 Tab．1 Experimental data of stability 序号 监测电压 A／D 序号 监测电压 A／D (mV) (bit) (mV) (bit) l 0．70 7EFC89 6 0．70 7EFC7A 2 O．69 7EFC7E 7 0．69 7EFC7O 3 O．7O 7EFC86 8 0．70 7EFC78 4 0．69 7EFC8l 9 0．70 7EFC79 5 O．69 7EFC77 lO 0．69 7EFC7O 测试条件： ① 实验时间：2003．6．15：19：00～22：00 ② 温 度：26~C；湿 度：65％RH；天气：晴 ③ 所用设备：Aigilent公司33120A型数字信号 源；Datron公司1071型7击位数字万用表 相同环境下，信号源输人初始电压 100 mV，步进 0．08 mV，得出万用表监测电压与AD输出数字量关系 如表4—2所示。实验表明，其有效采用位数高于18 位。 表 2 灵敏度实验数据 Tab．2 Experimental data of sensibility 序号 监测电压 A／D 序号 监测电压 A／D (mV) (bit) (mV) (bit) l loo．07 804lEB 6 loo．47 8O4397 2 loo．15 8O422C 7 loo．56 804 3BI,’ 3 l00．23 8O427C 8 l00．63 8043FF 4 l00．3l 804 2D0 9 loo．7l 80443A 5 loo．38 804334 lO loo．79 80,148B 参考文献 1 Andress Dannenberg．模数转换器选择指南(1)[J]．世界电子元 器件，1996，(1O)：8一lO． 2 Andress Danncnbcrg．模数转换器选择指南(2)[J]．世界电子元 器件，1996，(11)：8—9． 3 周晓方，阔 吴，章倩苓．∑一△模数转换器在低过采样率时的噪 声 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 [N]．复旦大学学报(自然科学版)，1995，8(4)：465— 473． 4 李冬梅．用于过采样∑一△模数转换器的∑一△调制器[J]．微电 子学。2000，30(2)：72—76． 5 刘书明，金彦亮．新型 24位模数转换器 ADSI210[J]．国外电子 元器件，1998，(12)：l2—28． 6 刘桂秋，微机测控系统中的信号预处理技术[J]．电测与仪表， 1994，(5)：32—34． 收稿 日期：2004—08—04。 作者刘九庆，男，1971年生．2005年毕业于东北林业大学机械设计 厦理论专业，获得博士学位。~'lStgt；主要研究方向为机械电子工程。 (上接第24页) 其中一款扩展了512 M的 u盘的 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 仪能够同时记 录40路数据达一年以上，满足了化工等过程生产需长 时间记录数据场合的要求。 参考文献 1 杜春雷．ARM体系结构与编程[M]．北京 ：清华大学出版社， 2003． 2 Cypress semiconductor Corporation[S]．SLS I 1 HS Embedded USB 《自动化仪表》第27卷第1期 2O06年1月 HOSt／Slave Controller Data Sheet．2002． 3 USB Implementer’S F0mm．USB Specification Rev1．1[EB／OL] (1998)http：／／www．usb．org． 修改稿收到日期 ：2005—0g一25。 第一作者杨捷．男．1974年生。现为浙江工业大学在读博士研究 生．工程师；主要研究方向为化工过程装置 自动化技 术厦安全技 术。 27 维普资讯 http://www.cqvip.com