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了成本。利用虛擬儀器技術(shù)只需配備必要的數(shù)據(jù)采集硬件,不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)示波器的各項(xiàng)功能,而且還具有存儲(chǔ)、回放等特點(diǎn)。 鑒于虛擬示波器的各種優(yōu)點(diǎn)和廣泛用途,研制出性能優(yōu)越的虛擬示波器具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是整個(gè)虛擬示波器的重要組成部分,其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì),所以需要專門為其設(shè)計(jì)高速、高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)cd4051選通后進(jìn)入信號(hào)調(diào)理電路,先經(jīng)過(guò)兩片放大倍數(shù)可自動(dòng)設(shè)定的ad526適當(dāng)放大,然后進(jìn)入采樣保持模塊。采樣保持電路由lf398芯片完成,它的邏輯輸入引腳與ad574的狀態(tài)轉(zhuǎn)換引腳通過(guò)一個(gè)非門進(jìn)行連接,這樣就實(shí)現(xiàn)了采樣狀態(tài)與保持狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換,無(wú)需單片機(jī)進(jìn)行控制。信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣保持電路后進(jìn)入ad574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存放到高速緩存芯片idt7202中,單片機(jī)通過(guò)查詢緩存器的標(biāo)志位,執(zhí)行向其寫(xiě)入數(shù)據(jù)或者從中讀出數(shù)據(jù)命令。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿時(shí),從idt7202中讀出數(shù)據(jù)并將它寫(xiě)入ch372,再通過(guò)usb將數(shù)據(jù)上傳至pc機(jī)進(jìn)行相關(guān)調(diào)理與顯示。 1.1 信號(hào)
場(chǎng)信號(hào)中的共模干擾信號(hào)和高頻干擾信號(hào)。系統(tǒng)通過(guò)485總線與上位機(jī)進(jìn)行通訊,使用約定的協(xié)議交換數(shù)據(jù)。 2.1 模擬電路設(shè)計(jì)模擬電路框圖如圖3所示,其中vinl、vin2、iinl、i-in2為從防腐電源現(xiàn)場(chǎng)采集的信號(hào)。由于待測(cè)信號(hào)比較微弱,現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境又比較惡劣,待測(cè)信號(hào)中疊加了很多干擾信號(hào),為了從噪聲中提取出有用的信號(hào),采用差模調(diào)理電路和有源濾波電路相結(jié)合的調(diào)理電路對(duì)輸入信號(hào)去干擾,然后通過(guò)電壓分檔電路估算信號(hào)的范圍,提供給單片機(jī)。單片機(jī)根據(jù)給定的信號(hào)計(jì)算出合適的放大倍數(shù),進(jìn)而控制可編程放大器ad526的放大倍數(shù),將已調(diào)理的信號(hào)放大到有效范圍,輸入到數(shù)字板上的ad574進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。 2.1.1 信號(hào)調(diào)理設(shè)計(jì)通過(guò)試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)干擾信號(hào)主要來(lái)自電源線的耦合干擾、電源的瞬態(tài)電壓干擾和外部電磁輻射干擾。因此,這部分電路的作用有兩個(gè):一是根據(jù)干擾信號(hào)的頻率特點(diǎn)設(shè)計(jì)濾波電路,有效地濾除干擾信號(hào);二是對(duì)輸入信號(hào)適當(dāng)放大,完成阻抗轉(zhuǎn)換。2.1.2 自動(dòng)增益調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)調(diào)理好的信號(hào)通過(guò)多路模擬開(kāi)關(guān)進(jìn)行逐一選定和處理。信號(hào)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)后,一路進(jìn)入分檔電路測(cè)定范圍,另一路進(jìn)入放大單元放大到
技術(shù)為依托的mimu 也相應(yīng)的產(chǎn)生,由于mimu 動(dòng)態(tài)范圍大、精度高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn),傳統(tǒng)的壓頻轉(zhuǎn)換法(v/f)和流頻轉(zhuǎn)換法(i/f)以 不能適應(yīng)mimu 的這些特點(diǎn),而且代價(jià)昂貴,電路設(shè)計(jì)復(fù)雜。本文設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)據(jù)采 集方法,具有精度高、量程寬、速度快的優(yōu)點(diǎn)。 1 系統(tǒng)概述 由于微型慣性測(cè)量組合采用的是電壓輸出量,本系統(tǒng)采集過(guò)程如下:陀螺儀和加速度計(jì) 信號(hào)經(jīng)過(guò)采樣預(yù)處理后等待進(jìn)行轉(zhuǎn)換,開(kāi)始先進(jìn)行初始化,其中可編程放大器增益預(yù)設(shè)為1, 現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)經(jīng)lf398 采樣保持放大器送由ad526 構(gòu)成的可編程增益放大器,放大后信號(hào)經(jīng) a/d 轉(zhuǎn)換先不送存儲(chǔ)器而是經(jīng)總線送導(dǎo)航計(jì)算機(jī)。由導(dǎo)航計(jì)算機(jī)在軟件中判斷此信號(hào)是否 應(yīng)該調(diào)整,若不需調(diào)整增益則將此信號(hào)值存入存儲(chǔ)器中,否則根據(jù)計(jì)算得到的合適增益控制 字,送ad526 調(diào)整增益,再進(jìn)行a/d 轉(zhuǎn)換井緩存。最后系統(tǒng)通過(guò)中斷、dma 傳輸數(shù)據(jù)給導(dǎo) 航計(jì)算機(jī)進(jìn)行姿態(tài)解算,到系統(tǒng)的姿態(tài)信息。采集系統(tǒng)的方框圖如圖1 所示其詳細(xì)電路原理 將分模塊介紹。 1.1 采樣信號(hào)預(yù)處理 在慣性姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)中,陀螺儀和加速度計(jì)的輸出信號(hào)具有信號(hào)
鍵問(wèn)題。 3.1 硬件相關(guān) 整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ),下面僅對(duì)部分關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行討論,隨后描述控制單元的實(shí)現(xiàn)。 3.1.1 動(dòng)態(tài)放大技術(shù) 由于反射波幅值變化范圍大,為了使小信號(hào)也有較高分辨率,采用硬件自動(dòng)實(shí)時(shí)選擇信號(hào)的放大倍數(shù),增加系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。在最大量程下,進(jìn)行一次低精度a/d轉(zhuǎn)換,控制單元cpld(復(fù)雜可編程邏輯器件)讀取轉(zhuǎn)換值,編碼存儲(chǔ)進(jìn)16位sram(2個(gè)is62c256級(jí)聯(lián)),并給放大器送出當(dāng)前信號(hào)的增益系數(shù)。由于設(shè)計(jì)中采用二個(gè)可編程放大器ad526串接,增益為1、2、4、8、16、32、64、128、256九種,所以對(duì)于雙極性信號(hào),低精度adc必須采用10位以上的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器才能滿足所有增益的放大。選用maxl426型10位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為低精度adc,ad1674型12位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器作為高精度adc,以降低開(kāi)發(fā)成本。動(dòng)態(tài)放大的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。 利用cpld的硬件可編程特性,將數(shù)據(jù)的采樣放大與模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)序設(shè)定為流水線方式,高精度adc轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時(shí),浮點(diǎn)放大電路同步放大下一級(jí)信號(hào)。 后級(jí)12位adc進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí),前級(jí)
ol用quartusⅱ提供的graphic editor編輯連接起來(lái)。進(jìn)行整體模塊仿真,其結(jié)果如圖4所示。從仿真結(jié)果看,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 3.2 信號(hào)調(diào)理電路 信號(hào)調(diào)理器是測(cè)試系統(tǒng)的重要部分,它在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之前對(duì)傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,從而提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能和可靠性。常用的調(diào)理內(nèi)容主要有放大、隔離、濾波、通道切換和直接傳感器調(diào)理等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本信號(hào)調(diào)理電路主要是將ccd傳感器的信號(hào)進(jìn)行放大,隔離和濾波,考慮到工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)中采集的信號(hào)弱、干擾大,頻率低等特點(diǎn),放大電路采用由兩片ad526構(gòu)成的程控放大電路(pga)和美國(guó)bb公司生產(chǎn)的is0130隔離放大電路兩部分組成,具有良好的暫態(tài)抗擾性和優(yōu)良的抗離頻噪聲性能等優(yōu)點(diǎn),能有效地抑制共模干擾電壓,fp-ga通過(guò)對(duì)swo、swl和sw2的控制,改變放大器的放大倍數(shù),提高測(cè)量的靈敏度;a/d轉(zhuǎn)換器則選用ad770l,ad7701是單片16位a/d轉(zhuǎn)換電路,僅為0.001 5%的線性誤差,采用lc2工藝技術(shù)制造,內(nèi)置自校準(zhǔn)電路,串行輸出接口,可方便地與單片機(jī)配接。同時(shí)具有功耗低、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),適合于在要求精度較高的儀器儀表
個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)精度影響程度的不同和實(shí)際的可能,對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)提出不同的精度要求和恰當(dāng)?shù)木确峙洹榱吮WC信號(hào)的傳輸效率,必須保證適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ涑潭取D1是電參數(shù)測(cè)試儀硬件整體結(jié)構(gòu)圖。 根據(jù)分析,傳感器誤差和信號(hào)放大電路的誤差之和不大于1%。對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)指標(biāo),前向數(shù)據(jù)通道各個(gè)環(huán)節(jié)精度須進(jìn)行限制和必要的分配。若采用霍爾傳感器lv25-p,它的精度<0.6%,線性度<0.2%(25℃)。放大器op07的精度<0.01%(輸入失調(diào)電壓10μv,失調(diào)電流0.3na)。模擬開(kāi)關(guān)的內(nèi)阻125歐姆。可編程放大器ad526的精度<0.02%,tms320f240 ad轉(zhuǎn)換精度0.5lsb=0.00049。故誤差分配滿足性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求,且最大誤差來(lái)自傳感器。3 電氣參數(shù)測(cè)試儀程序流程 圖2與圖3是電參數(shù)測(cè)量?jī)x程序流程圖。因定時(shí)中斷優(yōu)先級(jí)高于通訊中斷的優(yōu)先級(jí),一個(gè)通訊中斷程序可能需要數(shù)十個(gè)定時(shí)中斷程序間隔才能完成,故通訊中斷不應(yīng)該保存現(xiàn)場(chǎng)。 采樣可軟件啟動(dòng)也可硬件啟動(dòng),如定時(shí)器。tms320f240通用定時(shí)器包括:一個(gè)可以讀寫(xiě)的16位增加和增/減計(jì)數(shù)器;一個(gè)可以讀寫(xiě)的16位定時(shí)器比較寄存器;一個(gè)
該方式是直接采用現(xiàn)有的可編程增益放大器集成電路來(lái)實(shí)現(xiàn)增益控制,其電路原理框圖如圖4 所示. 這方面的ic 有: pga103 、pga204 、ad526 、ad620 、ths7001 等,其增益控制都只有固定的幾檔. 有的放大倍數(shù)是1 、2 、4 、8 、16 倍;有的放大倍數(shù)是1 、10 、100 、1000 倍. 增益設(shè)置方式有:電阻設(shè)置法、引腳設(shè)置法、軟件設(shè)置法. cpld的作用和編程思想與前面介紹的兩種增益控制電路相同. 歡迎轉(zhuǎn)載,信息來(lái)自維庫(kù)電子市場(chǎng)網(wǎng)(www.udpf.com.cn) 來(lái)源:與你同行
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