高精度多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理及設(shè)計(jì)

本文以TI公司的10位串行A／D芯片TLC1549為例，設(shè)計(jì)具有多通道高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
A/D轉(zhuǎn)換在電子測(cè)控系統(tǒng)中被廣泛使用，溫度、壓力等非電量的測(cè)量，電壓、電流等電量的測(cè)量，一般都是通過單片機(jī)(或其他控制芯片)控制A／D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。在轉(zhuǎn)換速度要求不是太高的情況下，一般都采用串行A／D芯片，占用單片機(jī)的口線資源少，串行擴(kuò)展式測(cè)控系統(tǒng)是當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。但串行A／D芯片的模擬通道少，不能滿足多路信號(hào)的測(cè)量.

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)的采集有兩種方法實(shí)現(xiàn)：A／D轉(zhuǎn)換和V／F轉(zhuǎn)換。從轉(zhuǎn)換方式上，A／D轉(zhuǎn)換又分為積分A／D轉(zhuǎn)換器和逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器等；從接口形式上又分為并行A／D和串行A／D。V／F轉(zhuǎn)換是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率信號(hào)，然后測(cè)出頻率再計(jì)算出物理量，它需要用計(jì)數(shù)器來測(cè)量頻率，只適合信號(hào)較少的場(chǎng)合。

目前在以單片機(jī)為核心的測(cè)量控制系統(tǒng)中，A／D，D／A、存儲(chǔ)器等功能部件流行串行接口，可供選擇串行接口芯片的種類也日益增多。本課題采用10位串行A／D芯片TLC1549，它是一款單通道逐次逼近A／D芯片，本課題通過提升它的測(cè)量分辨率，使之達(dá)到12位的精度，用電子開關(guān)擴(kuò)展輸入通道，使其能對(duì)八路信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1提升A／D分辨率方法

圖1是提升A／D分辨率的原理電路，其原理是通過調(diào)整其轉(zhuǎn)換的參考電壓，并將輸入信號(hào)分檔處理，從而提高測(cè)量轉(zhuǎn)換的分辨率。



如參考電壓設(shè)為5 V時(shí)，對(duì)5 V滿量程轉(zhuǎn)換，分辨率為：d=5／1 024；如果將參考電壓設(shè)置為2.5 V，對(duì)2.5 V滿量程轉(zhuǎn)換，分辨率為：d=2.5／1 024。顯然后一種情況A／D轉(zhuǎn)換的精度高，是前者的一倍，測(cè)量精度達(dá)到11位，即將10位的A／D芯片提升到11位A／D的分辨率。以此類推，10位的A／D芯片也可以設(shè)計(jì)成達(dá)到12位A／D分辨率。從圖1可以看出，只要能對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行分檔處理，使輸入到A／D芯片的電壓信號(hào)小于等于1.25 V，將A／D轉(zhuǎn)換的參考電壓也設(shè)置為1.25 V，則10位A／D轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到12位。

1.2八通道12位數(shù)據(jù)采集器原理圖

TLC1549只有一路模擬量輸入通道，為達(dá)到設(shè)計(jì)八個(gè)通道要求，通過八選一模擬電子開關(guān)擴(kuò)展其八路通道，本系統(tǒng)用TLC1549設(shè)計(jì)的八路數(shù)據(jù)采集器原理框圖如圖2所示，包括模擬電子開關(guān)、量程分檔處理、10位串行A／D、顯示電路、單片機(jī)系統(tǒng)五部分。



2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1電子開關(guān)電路設(shè)計(jì)

圖3為模擬電子開關(guān)設(shè)計(jì)的八路A／D輸入通道。模擬電子開關(guān)采用CD4051。CD4051是八選一電子開關(guān)，圖4為其引腳圖。A0～A7為八路輸入端，A為開關(guān)輸出端，E為芯片使能引腳，VEE是負(fù)電源，VCC為正電源，GND為電源地，S0～S2為八路開關(guān)選擇控制。由于CD4051的電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)有100 Ω左右的電阻，為消除開關(guān)電阻對(duì)輸入信號(hào)的影響，選通的信號(hào)通過跟隨器再送給后面的電路，同時(shí)提高輸入通道的輸入阻抗。820 kΩ電阻是為了消除通道懸空時(shí)跟隨器不穩(wěn)定輸出。本系統(tǒng)中采用AT89S51單片機(jī)，通道切換通過單片機(jī)P1.0～P1.2口分別控制CD4051的S0～S2引腳，選擇其中一路電子開關(guān)接通。



2.2 量程分檔處理電路設(shè)計(jì)

2.2.1量程切換電路

圖5為量程切換電路。將電子開關(guān)輸出的模擬電壓分別通過跟隨器和三個(gè)減法運(yùn)算電路，減法器的反向輸入端分別加固定電壓：1.25 V，2.5 V，3.75 V?？梢缘玫剿慕M電壓輸出信號(hào)：V，V-1.25，V-2.5，V-3.75的電壓，分別加到模擬電子開關(guān)的四個(gè)輸入端，電子開關(guān)仍然用CD4051，在輸入信號(hào)0～5 V變換過程中，上述四組信號(hào)中，必有一組信號(hào)在0～1.25 V間，通過對(duì)電子開關(guān)的控制，使該組信號(hào)通過電子開關(guān)，再經(jīng)過跟隨器送給A／D芯片進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。由于只有4路信號(hào)切換，將CD4051的S2接地，S0，S1分別用單片機(jī)P1.3，P1.4口控制。選擇哪路信號(hào)作為A／D轉(zhuǎn)換信號(hào)，可以通過圖6所示的量程判別電路，用單片機(jī)口檢測(cè)。



2.2.2 量程判別電路

圖6為量程判別電路。三個(gè)比較器的基準(zhǔn)分別取1.25 V，2.5 V，3.75 V，當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)時(shí)比較器輸出高電平，否則輸出低電平，將比較器的輸出分別送給單片機(jī)的P1.5，P1.6，P1.7口檢測(cè)。



2.3 顯示電路的設(shè)計(jì)

顯示電路采用LCM103，LCM103為10位多功能通用型八段式液晶顯示，模塊內(nèi)含看門狗(WDT)／時(shí)鐘發(fā)生器，內(nèi)置顯示RAM，其接口電路如圖7所示。CS，RD，WR，DATA分別用P2.0～P2.3口控制，最高位顯示通道號(hào)，后面4位顯示數(shù)字量，空一位，最低4位顯示電壓值，顯示每秒刷新一次。



2.4串行A／D接口電路的設(shè)計(jì)

串行A／D接口電路采用的TLC1549，它是一個(gè)10位的逐次逼近式A／D芯片，其接口電路如圖8所示。參考電壓接1.25 V，可以將1.25 V以下的模擬量轉(zhuǎn)換10位的數(shù)字量，轉(zhuǎn)換的分辨率與5 V轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字量的分辨率相同，實(shí)現(xiàn)了由低分辨率A／D進(jìn)行高分辨率的A／D轉(zhuǎn)換。實(shí)際的轉(zhuǎn)換結(jié)果與選擇的量程有關(guān)，設(shè)A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的結(jié)果為X，則四種狀況的實(shí)際結(jié)果分別為：

X，被測(cè)信號(hào)1.25 V，A0接通；
X+1 024，1.25 V≤被測(cè)信號(hào)2.5 V，A1接通；
X+2 048，2.50 V≤被測(cè)信號(hào)3.75 V，A2接通；
X+3 072，被測(cè)信號(hào)≥3.75 V，A3接通。

2.5單片機(jī)系統(tǒng)及電源電路的設(shè)計(jì)

單片機(jī)選擇AT89S51單片機(jī)，不采用擴(kuò)展電路，直接用單片機(jī)的輸入輸出口線控制外圍接口電路。取系統(tǒng)的晶振蕩頻率為12 MHz，機(jī)器周期為1μs。程序存儲(chǔ)器空間采用單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器。

電源電路由運(yùn)算放大器構(gòu)成的減法器等模擬信號(hào)處理電路組成，原理上有負(fù)電壓輸出，系統(tǒng)電源應(yīng)有正負(fù)電源，取±12 V，單片機(jī)系統(tǒng)需要的+5 V電源由+6 V經(jīng)LM7805穩(wěn)壓得到。采用初級(jí)是220 V次級(jí)輸出雙12 V的電源變壓器降壓，經(jīng)過橋式整流、濾波，通過LM7812，LM7912三端穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓，得到±12 V電源。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖9為設(shè)計(jì)的A／D轉(zhuǎn)換程序流程圖。


4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)通過利用10位的串行A／D芯片TLC1549，通過精度提升的方法實(shí)現(xiàn)12位A／D轉(zhuǎn)換；控制TLC1549的參考電壓和切換輸入模擬信號(hào)的幅度實(shí)現(xiàn)；用CD4051模擬電子開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)串行A／D芯片的輸入通道擴(kuò)展，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高精度多路數(shù)據(jù)采集。