張振宇，段曉宇，段廣居

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.河南大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 開(kāi)封 475004；3.中電科信息產(chǎn)業(yè)有限公司 河南 鄭州 450047）

在自動(dòng)控制、測(cè)量及儀器儀表系統(tǒng)中，A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、測(cè)量精度及穩(wěn)定性是影響系統(tǒng)整體性能的重要因素。對(duì)于批量生產(chǎn)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)采集及測(cè)量環(huán)節(jié)的一致性問(wèn)題對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)調(diào)試速度的影響更是不可低估。在電子產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈的今天，產(chǎn)品的成本是市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決定性因素之一。因此，低成本、大動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、高精度、高穩(wěn)定性、一致性好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是值得研究的課題。

1 STC系列單片機(jī)嵌入資源

STC系列單片機(jī)是近年來(lái)發(fā)展比較快的低成本高性能單片機(jī)之一，在國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)占有率在很快地提高，STC系列新產(chǎn)品主要性能指標(biāo)如下：

1）大容量2048字節(jié)片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

2）高速：1時(shí)鐘/機(jī)器周期，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，速度比普通 8051快 7～12倍。

3）寬電壓：5.5～3.8 V，2.4～3.6 V。

4）低功耗設(shè)計(jì)。

5）內(nèi)部高精度 R/C 時(shí)鐘，±1%溫飄（－40～+85 ℃），常溫下溫飄5‰，內(nèi)部時(shí)鐘從5～35 MHz可選。

6）內(nèi)部高可靠復(fù)位，省掉外部復(fù)位電路。

7）工作頻率：5～35 MHz，相當(dāng)于普通 8051：60～420 MHz。

8）高速ADC，8通道10位，速度可達(dá)30萬(wàn)次/秒。

9）3路PWM可當(dāng)3路D/A使用。

10）硬件看門(mén)狗（WDT）。

11）SPI高速同步串行通信接口。

12）雙串口/UART，兩個(gè)完全獨(dú)立的高速異步串行通信端口，分時(shí)切換可當(dāng)5組串口使用。

STC系列單片機(jī)的關(guān)鍵之處在于其低廉的價(jià)格和豐富的片內(nèi)資源。利用其豐富的片內(nèi)資源可以實(shí)現(xiàn)一完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并且具有理想的性?xún)r(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的幾種方法

在自動(dòng)控制、測(cè)量及儀器儀表系統(tǒng)中，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)之一。動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍和系統(tǒng)測(cè)量分辨率，測(cè)量精度相互制約，動(dòng)態(tài)范圍大了，測(cè)量控制分辨率，測(cè)量精度就很難保證。測(cè)量控制分辨率，測(cè)量精度高了，動(dòng)態(tài)范圍就很難保證。常用的提高動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的幾種方法如下：

1）采用高分辨率高精度A/D轉(zhuǎn)換器，降低前級(jí)信號(hào)處理電路的放大倍數(shù)，增大動(dòng)態(tài)范圍。在保證前級(jí)信號(hào)處理電路在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)不飽和的前提下，用高分辨率高精度A/D轉(zhuǎn)換器提高系統(tǒng)的分辨率及測(cè)量精度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠。但高分辨率、高精度、高線性度的A/D轉(zhuǎn)換器價(jià)格很高。對(duì)于成本敏感的低價(jià)批量產(chǎn)品不適用。能滿(mǎn)足要求的A/D轉(zhuǎn)換器如Maxim公司的MAX1290等，性能指標(biāo)很好，但價(jià)格很高。

2）在前級(jí)信號(hào)處理電路中使用高精度可編程增益放大器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行變倍數(shù)放大。在弱信號(hào)時(shí)使用高放大倍數(shù)，在強(qiáng)信號(hào)高時(shí)使用低放大倍數(shù)。從而保證弱信號(hào)時(shí)的測(cè)量精度，強(qiáng)信號(hào)時(shí)的測(cè)量范圍。能實(shí)現(xiàn)此功能的集成電路有BURR BROWN公司的可編程增益放大器PGA204、PGA205等 。 PGA204 有 1、10、100、1000 四 級(jí) 不 同 的 放 大 倍 數(shù) ；PGA205有1、2、4、8四級(jí)不同的放大倍數(shù)。多級(jí)級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)更多級(jí)數(shù)的放大倍數(shù)。此方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但價(jià)格優(yōu)勢(shì)仍不明顯，且不同放大倍數(shù)下的線性度不是十分理想，大信號(hào)時(shí)分辨率降低。

3）用普通運(yùn)放和模擬開(kāi)關(guān)構(gòu)成的大動(dòng)態(tài)范圍前級(jí)信號(hào)處理電路。電路原理方框圖如下圖1。電路中放大電路1-4分別設(shè)計(jì)成不同增益的放大電路，當(dāng)弱輸入信號(hào)時(shí)由模擬開(kāi)關(guān)控制選用高增益放大電路工作，當(dāng)強(qiáng)輸入信號(hào)時(shí)由模擬開(kāi)關(guān)控制選用低增益放大電路工作。該電路的優(yōu)點(diǎn)是成本低；其缺點(diǎn)是由于不同放大電路所選用元器件參數(shù)的離散性導(dǎo)致系統(tǒng)在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)的線性度變差。測(cè)量精度降低。

圖1 用普通運(yùn)放構(gòu)成的可變?cè)鲆娣糯箅娐稦ig.1 Ordinary operational amplifier with variable gain amplifier circuit which

3 影響數(shù)據(jù)采集精度的因素

1）信號(hào)噪聲：信號(hào)噪聲是影響數(shù)據(jù)采集精度的重要因素，降低信號(hào)處理電路的噪聲干擾，提高信噪比是提高數(shù)據(jù)采集精度的有效途徑。

2）溫度變化對(duì)元件參數(shù)的影響。

3）電源電壓波動(dòng)。

4）信號(hào)處理電路所用運(yùn)算放大器失調(diào)電壓的影響。

5）信號(hào)處理電路所用運(yùn)算放大器非線性影響。

6）A/D轉(zhuǎn)換器本身非線性影響。

4 用單片機(jī)嵌入資源實(shí)現(xiàn)的大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

綜合上述分析，本方案利用STC單片機(jī)的嵌入式 A/D、PWM構(gòu)成一個(gè)二級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤放大器，實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集。主要電路原理圖如下圖2、圖3所示。

圖2 參考電壓及單片機(jī)電路Fig.2 Voltage reference circuit and single chip microcomputer

在圖2中，U1、U2：A構(gòu)成的電路產(chǎn)生0.35 V及2.5 V參考電壓，為圖3中的二級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤放大電路提供參考點(diǎn)電壓。圖2中R15、RT16和單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換通道4構(gòu)成溫度采集電路，為系統(tǒng)提供溫度補(bǔ)償。

圖3為二級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤信號(hào)處理放大電路。U2:D、R8、R10、R11、R13構(gòu)成第一級(jí)放大電路，其輸入信號(hào)可以是經(jīng)過(guò)前置放大處理過(guò)的模擬信號(hào)，也可以直接接入各種模擬傳感器。將R10和GND斷開(kāi)可以構(gòu)成差分輸入方式。R13所接的0.35 V參考電壓是為了在輸入信號(hào)為0時(shí)，使第一級(jí)放大器的輸出大于0 V。其主要目的是減小U2:D的失調(diào)電壓對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。U2:D的輸出接單片機(jī)A/D通道1。U2:B和R4-R6、C1-C3、及單片機(jī)的PWM通道1構(gòu)成高精度16位D/A電路。U2：C 及 R7、R9、R12、R14構(gòu)成第二級(jí)跟蹤放大電路。

4.1 兩級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤放大電路的工作原理

經(jīng)前置放大處理過(guò)的模擬信號(hào)輸入到第一級(jí)放大電路進(jìn)行第一次放大。其輸出信號(hào)送單片機(jī)的A/D通道1進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，獲得數(shù)據(jù)ADC1。設(shè)計(jì)第一級(jí)放大電路時(shí)要保證在最大測(cè)量量程時(shí)模擬信號(hào)不飽和并保留一定的余量。獲得數(shù)據(jù)ADC1后，根據(jù)ADC1值計(jì)算D/A電路的PWM值A(chǔ)DC2。由于STC單片機(jī)的A/D只有10位，與實(shí)際模擬信號(hào)之間有誤差。該10位數(shù)據(jù)經(jīng)16位D/A送到第二級(jí)放大器的反向輸入端，然后由第二級(jí)跟蹤放大電路對(duì)誤差信號(hào)放大。第二級(jí)跟蹤放大電路的輸出送單片機(jī)的A/D通道3，得到誤差數(shù)據(jù)ADC3。最終的AD數(shù)值A(chǔ)DC為：

圖3 二級(jí)動(dòng)態(tài)跟蹤放大信號(hào)處理電路Fig.3 Two level dynamic tracking amplifying signal processing circuit

ADC=ADC2 X A+ADC3。

其中A為第二級(jí)放大電路的放大倍數(shù)。根據(jù)A的不同大小，最終的AD數(shù)值A(chǔ)DC可達(dá)到14－16位精度。

4.2 減小本電路測(cè)量測(cè)量誤差的措施

1）精確調(diào)整兩級(jí)放大電路的零點(diǎn)減小失調(diào)電壓引起的誤差

將輸入信號(hào)設(shè)置為0，采集此時(shí)ADC1的值A(chǔ)DC1z，根據(jù)ADC1z精確調(diào)整PWM輸出，使第二級(jí)放大器的輸出為2.5V參考電壓值。此時(shí)ADC2的值A(chǔ)DC2z即為第一級(jí)放大器的零點(diǎn)值。此時(shí)ADC3的值A(chǔ)DC3z即為第二級(jí)放大器的零點(diǎn)值。這樣基本可將兩級(jí)放大器的失調(diào)電壓誤差消除。

2）將第一級(jí)放大器的參考電壓提高到0.3V以上并將測(cè)量量程保留一定的余量，使PWM構(gòu)成的D/A轉(zhuǎn)換器工作在最佳線性區(qū)。

3）使用STC單片機(jī)的A/D通道9實(shí)時(shí)測(cè)量電源電壓，然后修正由于電源電壓引起的測(cè)量誤差。

4）使用STC單片機(jī)的A/D通道4實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度，然后用查表法修正由于溫度變化引起的測(cè)量誤差。

5 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件分調(diào)試軟件和正式運(yùn)行軟件兩大部分，由外部開(kāi)關(guān)控制程序流程。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)后先初始化IO口、定時(shí)器、串行口、A/D及PWM。然后檢測(cè)外部開(kāi)關(guān)確定進(jìn)入調(diào)試程序或者是進(jìn)入正式工作程序。部分程序代碼如下：

6 結(jié) 論

通過(guò)在直流大電流數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的試驗(yàn)應(yīng)用，證實(shí)該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集精度高、動(dòng)態(tài)范圍大、穩(wěn)定性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)。避免了切換模擬通道帶來(lái)的線性度變化問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了低成本，大動(dòng)態(tài)范圍的精確數(shù)據(jù)采集。使用10位A/D[7－8]完成了14位的高精度數(shù)據(jù)采集。將數(shù)據(jù)采集精度提高了32倍。

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