張 亮，周鳳星，丁 磊

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢430081）

在現(xiàn)今工業(yè)控制和軍事應(yīng)用中，如火控系統(tǒng)、天線跟蹤、伺服控制等方面，經(jīng)常要求對(duì)設(shè)備的角度信息進(jìn)行采集、顯示和調(diào)整[1]，本自整角機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器檢測臺(tái)正是基于此種要求實(shí)現(xiàn)的。

本設(shè)計(jì)采用自整角機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電源轉(zhuǎn)換器（SAC）將設(shè)備的角度信號(hào) （0°～360°）轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)AD976模數(shù)轉(zhuǎn)換及單片機(jī)C8051的控制后可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)storage、波形回顯waveform display及波形打印等功能。

1 系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram

2 自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器-直流電壓轉(zhuǎn)換器

2.1 SAC簡介

自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器－直流電源轉(zhuǎn)換器（SAC）等效于一個(gè)自整角機(jī)/旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字轉(zhuǎn)換器加上一個(gè)精密的數(shù)字－模擬轉(zhuǎn)換器[2]。它的輸入信號(hào)是自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)變電壓。輸出信號(hào)正比于自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角?？蓱?yīng)用于圖形記錄器、X－Y繪圖儀、圖像記錄儀等記錄儀器測量和記錄自整角機(jī)或旋轉(zhuǎn)變壓器信息，可廣泛應(yīng)用于火控系統(tǒng)，天線跟蹤，伺服控制和位置控制回路等方面。

2.2 工作原理

轉(zhuǎn)換器工作原理如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)換器原理框圖Fig.2 Commutator principle block diagram

如果轉(zhuǎn)換器是自整角機(jī)－數(shù)字轉(zhuǎn)換器，則自整角機(jī)的三線輸出應(yīng)連接到轉(zhuǎn)換器的S1，S2和S3引腳。有下列等式：

這里，θ是自整角機(jī)軸角。

如果轉(zhuǎn)換器是旋轉(zhuǎn)變壓器－數(shù)字化轉(zhuǎn)換器，則旋轉(zhuǎn)變壓器四線輸出應(yīng)連接模塊上的S1，S2，S3和S4引腳，則有下面公式：

±15 V、+5 V電源應(yīng)分別接在相應(yīng)引腳上。電源對(duì)地公共端接 GND腳，±15 V 與 GND 之間以及“－15 V”與“GND”之間應(yīng)并聯(lián)容值 0.1 μF和 6.8 μF的兩個(gè)電容。 S4腳只對(duì)旋轉(zhuǎn)變壓器/直流電壓轉(zhuǎn)換器才有效。

“VEL腳”和“GND”腳之間輸出的模擬電壓正比于輸入角速度。輸入數(shù)字（角度）增大時(shí)，輸出負(fù)電壓；輸入數(shù)字（角度）減少時(shí)，輸出正電壓。不同型號(hào)的SAC轉(zhuǎn)換器相應(yīng)與各自的最大角速度時(shí)的額定輸出電壓都是±10 V。

表示數(shù)字角度的模擬輸出電壓都由“OUT”和“GND”腳輸出。對(duì)應(yīng)于±180°的輸出電壓為±10 V，最大輸出電流5 mA。在輸入信號(hào)為同步機(jī)形式的信號(hào)時(shí)，只要把原來的“S1”腳接線和“S3”腳接線對(duì)換一下即可。

SAC轉(zhuǎn)換器的輸入端可以串接標(biāo)定電阻。當(dāng)自整角機(jī)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)電壓超過額定參考電壓時(shí)，需要分別與S1、S2、S3腳串接電阻。信號(hào)電壓每高1 V（與額定信號(hào)電壓相比）阻值增加1.11 kΩ ；同樣，在參考電壓高于額定參考電壓時(shí)，在R腳串入一電阻，參考電壓每升高1 V，電阻增加2.2 kΩ。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)電壓數(shù)字轉(zhuǎn)換器來說，應(yīng)在S1和S2腳分別串入標(biāo)定電阻。與額定電壓相比，信號(hào)每增加1 V，阻值增加2.22 kΩ；參考電壓高于額定值時(shí)。每增加1 V。阻值增加2.2 kΩ。

信號(hào)輸入端串接的電阻與計(jì)算值相比，其絕對(duì)誤差輸出精度影響較小，但應(yīng)盡量一致。一般來說，阻值相對(duì)誤差為1%時(shí)，會(huì)引起附加轉(zhuǎn)換17角分；阻值相對(duì)誤差為0.1%時(shí)，引起的附加轉(zhuǎn)換減小1.7角分。參考電壓輸入端串接的電阻R，其阻值絕對(duì)誤差精度影響較小。

3 AD976模塊

3.1 AD976簡介

在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和各類由微處理器（或單片機(jī)）構(gòu)成的智能儀器中，外部輸入的模擬信號(hào)都必須經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器的采樣、量化后，才能被微處理器所接受。與8位和12位的AD轉(zhuǎn)換器（ADC）相比，16位ADC在精度要求較高的場合顯然更勝一籌。數(shù)據(jù)采集的精度及速度，很大程度上取決于AD轉(zhuǎn)換芯片。為了配合單片機(jī)實(shí)現(xiàn)100 kHz以下的高速數(shù)據(jù)采集，通過多方比較選用了AD976芯片[3]。

AD976是一個(gè)+5 V單電源供電的高速、低功耗16位逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度為100 kSPS，功耗為100 mW。AD976的集成性好，內(nèi)部包含2.5 V參考電壓源、高速并行接口和時(shí)鐘。出廠前芯片的所有線性誤差都得到了補(bǔ)償，并且諸SNR（信噪比）和THD（總諧波失真）等的交流參數(shù)及失調(diào)、增益和線性度都得到全面測試。

3.2 AD976的主要特點(diǎn)

AD976的主要特點(diǎn)為：1）帶有高速并行接口；2）采樣速率可達(dá)100 kSPS；3）功耗低，采用單5 V電源供電，最大功耗為100 mW；4）精度高，具有16位分辨率，其最大積分非線性誤差僅為LsB/2，并可做到16位不失調(diào)；5）可選內(nèi)部或外部的 2.5 V 參考電源；6）±10 V 量程。

3.3 AD976的轉(zhuǎn)換控制和時(shí)序

1）AD976/AD976A是具有 100 kSPs/200 kSPs高通過率的并行輸出ADC；2）需+5 V單電源供電，且具有100 mW的低功耗；3）片上集成有ADC、參考電源和時(shí)鐘；4）采用開關(guān)電容/電荷重分布結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的自動(dòng)校正邏輯可以校正內(nèi)部的非線性，從而使其性能總體上得到了優(yōu)化。

3.4 AD976/AD976A的管腳及功能

AD976/AD976A管腳如圖3所示。

圖3 AD976管腳示意圖Fig.3 Pin configuration

1號(hào)腳（VIN）為模擬信號(hào)輸入端，模擬信號(hào)輸入范圍為－10～+10 V，一般需在與15 V模擬信號(hào)源之間接一個(gè)200 Ω的電阻。2號(hào)腳（AGN）為模擬地，作為REF的地參考點(diǎn)；3號(hào)腳（REF）為輸入／輸出參考端，此端連接內(nèi)部+2.5 V參考電源。4號(hào)腳（CAP）為緩沖輸出參考端，與AGND2之間需連接一個(gè) 2.2 μF 電容；5 號(hào)腳 （AGND2）為模擬地，6 至 13 號(hào)腳（D15－D8）為數(shù)字輸出高 8 位，14 號(hào)腳（DGND）為數(shù)字地，15至22號(hào)腳（D7－D0）為數(shù)字輸出低8位。23號(hào)腳（BYTE）為位選擇端，BYTE 為 0時(shí)，D15－D8自引腳 6－13輸出，D7－D0自引腳 15－22輸出；BYTE為 1時(shí)，D15－D8自引腳 15－22輸出，D7 DO自引腳6－13輸出。24號(hào)腳（R/C）為讀數(shù)／轉(zhuǎn)換控制端，R/C端信號(hào)的負(fù)跳變在CS為低電平時(shí)，模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部采樣保持器為保持狀態(tài)，并開始進(jìn)行轉(zhuǎn)換；R/C端信號(hào)的上跳沿CS為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)可被讀出。25號(hào)腳CS為片選端，R/C為低時(shí)，CS的下降沿將觸發(fā)模數(shù)轉(zhuǎn)換；R/C為高時(shí)，CS的下降沿將使轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出；而CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)的輸出將被禁止。26號(hào)腳（BUSY）為指示端，模數(shù)轉(zhuǎn)換開始后，此端持續(xù)為低直到轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，并將輸出數(shù)據(jù)鎖存在輸出寄存器中，所以BUSY端的上升沿可用來作為外部數(shù)據(jù)鎖存器的CLK信號(hào)。BUSY信號(hào)同時(shí)可作為單片機(jī)中斷信號(hào)，CS為低，R/C為高時(shí)，通知單片機(jī)讀數(shù)據(jù)結(jié)果。27號(hào)腳VANA為模擬電壓輸出端，額定值為+5 V；28號(hào)腳VDIG為數(shù)字電壓輸出端，額定值為+5 V。

4 單片機(jī)C8051

4.1 單片機(jī)外圍電路

本設(shè)計(jì)采用雙單片機(jī)系統(tǒng)，一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)的接受，另一單片機(jī)負(fù)責(zé)按鍵的輸入及液顯的輸出。

圖4為負(fù)責(zé)數(shù)字信號(hào)接收的單片機(jī)外圍電路。D1～D8外接AD轉(zhuǎn)換器，是數(shù)字信號(hào)的接入口；T1～T16為兩個(gè)單片機(jī)對(duì)應(yīng)相連口，起到數(shù)據(jù)傳輸和共享的作用；T17～T24外接鎖存器，用于數(shù)字信號(hào)控制（DSC）模塊[4]。

圖5為負(fù)責(zé)相關(guān)功能按鍵輸出與液顯輸出控制的單片機(jī)外圍電路[5]。K1～K24為相關(guān)功能按鍵口，其中P2.7為LED負(fù)極接口，外接10 kΩ電阻和NPN三極管與LED負(fù)極相接；LED正極串聯(lián)電阻后接+5 V電壓。

圖4 數(shù)字信號(hào)接收功能單片機(jī)外圍電路Fig.4 Peripheral circuit of single chip for digital signal inception

圖5 按鍵、液顯功能單片機(jī)外圍Fig.5 Peripheral circuit of single chip for buttons and LED

4.2 AD976及雙CPU外圍電路

圖6為一個(gè)典型的AD976A與51單片機(jī)的接口電路[6]，單片機(jī)的 P2.7與 WR（寫信號(hào)）相或后產(chǎn)生 R/C 信號(hào)；P2.7與RD（讀信號(hào)）相或后再與R/C相與得到CS；BYTE直接與單片機(jī)的 P2.0 相接；BUSY 信號(hào)接到 P1.0；AD976A 的 D0～D7接到單片機(jī)的 P0.0～P0.7。 當(dāng) P2.7 變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，無論讀、寫信號(hào)中哪一個(gè)都有效（低電平有效）?；蜷T輸出都為低，從而CS信號(hào)有效。當(dāng)單片機(jī)對(duì)外寫時(shí)，W 變?yōu)榈?，R/C產(chǎn)生一個(gè)下降沿，開始一次轉(zhuǎn)換，然后R/C又變?yōu)楦唠娖健纹瑱C(jī)檢測P1.0口變?yōu)楦邥r(shí)，說明一次轉(zhuǎn)換結(jié)束，數(shù)據(jù)可用。當(dāng)P2.0（即BYTE）為低時(shí)，單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上為低8位數(shù)據(jù)，反之則為高8位。

4.3 AD976驅(qū)動(dòng)程序

圖6 外圍電路Fig.6 The peripheral circuit

5 結(jié)束語

文中從硬件設(shè)計(jì)角度出發(fā)，采用兩片單片機(jī)配合AD976實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的測頻、采集以及上位機(jī)的控制等功能，確保了數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[7]。另外，CPU通過頻率分段自動(dòng)選擇實(shí)時(shí)采樣和等效采樣，保證了AD976的最大信號(hào)采集頻率[8]。AD976為16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不僅分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快[9]，而且可以很方便地與不同位數(shù)的微處理器接口，電路簡單，應(yīng)用靈活，因而具有很廣泛的應(yīng)用前景。

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