《现代测量技术与误差分析》作业.doc

《现代测量技术与误差分析《现代测量技术与误差分析》设计作业 【摘要】根据系统设计的要求，分别选用了ADG1419和SMP04来实现两个通道的数据采集电路和两个通道的输出控制电路，且选用的器件均符合测试系统的工作温度范围；在设计时，充分考虑了各器件输入输出电流电压的转换和匹配、器件精度和工作时序；做到了滤除高频扰动，并在电路设计时注意了抗干扰。文章给出了数据采集电路和输出控制电路的总体结构、设计过程，以及最终的电路设计和驱动程序。 1　数据采集电路设计 1.1　总体设计 数据采集电路的设计要求如下： 1、两个通道，压力传感器的量程为0~100Kg，测试系统工作量程为0~50Kg，传感器灵敏度为0.01Kg，分辨率为0.01Kg，输出频率1000Hz，传感器采用4-20mA标准电流输出； 2、ADC采用AD976，各通道采样周期5ms； 3、测试过程中具有高频扰动，测试系统的工作温度范围为-40℃~60℃。 AD976是一款高速、高精度的A/D转换器，模拟信号输入范围为-10~+10V，因此首先要将传感器输出的电流信号转换为符合ADC输入要求的电压信号；由于测试过程中具有高频扰动，在信号输入给ADC之前，还需要添加高频滤波电路；AD976采用单通道输入，两个通道的传感器信号需要通过一个多路选择开关，分时输入给ADC；由于AD976的电容网络直接使用电荷作为转换参量，这些电容已经达到了采样电容的作用，因此不必另外添加采样保持器。综上所述，数据采集电路设计的整体结构如图1.1所示： 图1.1　数据采集电路设计的整体结构 1.2　信号调理电路 信号调理电路包括两部分，I/V转换电路和滤波电路。 理论上实现4~20mA电流转换成0~10V电压只需下拉一个500Ω的电阻，但在信号为0时，会有一个零点电流流过电阻转换成2V的电压，其精度往往难以满足系统的要求。这里增加了一个运算放大器来对零点电压进行处理，在运放的反相输入端加入一个调整电压，其值为输入4mA时在RA0上的压降，这样就可以消除零点电压，提高转换的精度。 图1.2　I/V转换电路 由于测试过程中存在高频扰动，因此调理电路中还应该包括低通滤波电路。各通道采样周期5ms，采样频率= 200Hz，则根据奈奎斯特采样定理，应当将高于fs / 2 = 100Hz的频率分量滤掉。设计一个fh fs / 2的低通滤波器，其中，若选择R = 20KΩ，则C 79.5pF即可。 图1.3　低通滤波电路 滤波电路中的电压跟随器用于过滤和缓冲，经过滤波后的电压作为一路信号输入到多路选择开关，每一路的信号调理电路都可同理设计。 1.3　ADC电路 要将两路传感器信号输入到单通道输入的AD976，首先需要设置多路选择开关。这里选用了ADG1419作为多路复用开关。ADG1419是一款可选择±15V / +12V /±5V供电的SPDT开关，其输入信号范围可扩展至电源电压范围，由于本测试系统的工作量程为0~50Kg，即传感器输出电流经转换后在0~5V之间，因此该多路选择开关是适用的；其开关状态转换时间在0.1us级，满足本系统的要求；此外，ADG1419还具有低导通阻抗、低功耗、线性度良好、极低失真等特性，适合在数据采集系统中使用。 图1.4　ADG1419（SOP封装）引脚图 供电电压 ±15V , ±5V , +12V 最大模拟信号范围 Vss ~ Vdd 导通阻抗 2.1Ohm 转换时间 130ns -3dB带宽 135MHz 工作温度范围 -40 to +125 功率消耗 2mW 封装形式 CSP, SOP 表1.1　ADG1419的主要性能参数 D 漏极，可作为输入或输出 SA 源极，可作为输入或输出 GND 参考地 VDD 正电源 NC 无连接 IN 逻辑控制信号输入 VSS 负电源 SB 源极，可作为输入或输出 表1.2　ADG1419（SOP封装）各引脚定义根据表1.2的ADG1419引脚定义，当用作二选一复用开关时，SA和SB作为输入，D端作为输出，另外在输出端需要分别下拉300Ω的电阻和35pF的电容；IN端输入来自CPU的逻辑控制信号；连接电源时，需要下拉一个0.1uF的电容。 图1.5　多路转换开关电路 本次设计中采用的ADC为AD976。AD976是一款快速16位ADC，采用5V单电源供电，输入范围在±10V，可选择外部或内部2.5V基准电压源，吞吐量可达100kSPS，最大功耗为100mW。AD976的各引脚定义见表1.3。 1 VIN 模拟量输入，最大范围为±10V。用一个200Ω的电阻与信号源相连。 2 AGND1 模拟地，当使用REF时作为参考地。 3 REF 参考电压输入/输出。可连接+2.5V外部参考电压。作为内部参考源时用