数据采集电路的设计

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1、数据采集电路的设计A/D 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或装置。它是一个模拟 系统和计算机之间的接口，它在数据采集和控制系统中得到了广泛的应用。常用 的 A/D 转换方式有主次逼近式和双斜积分是式，前者积分时间短，但是抗干扰能 力较差；后者转换时间长，抗干扰能力抢。在信号变化缓慢，现场干扰严重的场 合，宜采用后者。A/D 转换的主要指标有转换时间、分辨率、线性误差、量程、对基准电源的 要求等。在本章节主要介绍8位A/D转换器ADS831、12位A/D转换器AD574以及 高速A/D转换电路。第一节：8 位 AD 电路的一般设计ADS831是TI公司推出的8位80MHz高速采样模数转

2、换芯片。本节主要介 绍ADS831的性能特点、内部结构，给出处理器MSP430x16x和ADS831构成的数 据采集系统的硬件设计电路。ADS831是TI公司推出的一种高速8位CMOS工艺的模数转换器(ADC)。该芯 片采用单一+5V供电，内部带有取样保持电路。与早期的ADC芯片相比,ADS831采 用流水线结构,因而具有极高的采样速率和转换速度、采样速率可高达 80MHz。 内部包含时钟电路、8位线性A/D核、校正逻辑单元、三态输出单元以及其内部 参考源。内部结构如图 2-1 所示：图 2-1 ADS831 的逻辑框图ADS831 硬件电路设计 输入调理电路设计 该模块由衰减网络和三级不同增

3、益的运放电路组成，通过继电器切换，实 现衰减、直通和小信号放大的功能。三级电路均采用 OPA690 精密仪表放大器构成，该运放具有输入阻抗高、低噪声、速度快等优点，增益带宽积达500MHz。 第一级运放构成射级跟随器，输入阻抗3.5MQ，第二级运放放大系数约为5倍, 第三级运放当放大系数约为10倍，级联实现约50倍放大增益，最终将输出电压 峰-峰值保持在1.6V左右。单元电路如图2-2所示。100+568742O5-5-2106531514R841M-5卜-5R9-R114.7K5卜100I-40PF4BN20pFSW- 6WAYOPA690R6 4K7-R720K4K74.7uFOPA69

4、0910KR1447K4K72 -+OPA690图 2-2 输入调理电路设计采样保持电路设计将A/D转换器设计成单极性输入，采用ADS831内部基准源REFT(+3V)和运放 OPA2652构成2.5V恒压源，从而使采样电压有效值保持在+2.5 V。ADS831最高 采样速率可达80MHz，系统采用外部晶体振荡器50.0 MHz。单元电路如图2-3 所示。+551-5V3.3 1古1 | 47+5-4R-|51卜2.5VC514+51K201816ADS831VDRVGND+VSSBitl(MSB)GNDBit2INBit3/INBit4CMBit5REFTBit6REFBBit7INTBit

5、8(LSB)RSELCLK1-89-105234l| ISR1234:5:67一 8CLOCK IN图 2-3 数据采集电路第二节：12位AD电路的一般设计AD574A是美国模拟数字公司(Analog)推出的单片高速12位逐次比较型 A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗 低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻 容件即可构成一个完整的A/D转换器。各参数如下：分辨率：12 位非线性误差：小于1/2LBS或1LBS转换速率：25us 模拟电压输入范围：010V和020V, 05V和0 10V两档四种 电源电压：15V和5V数据输出

6、格式：12 位/8 位芯片工作模式：全速工作模式和单一工作模式AD574由三组电源供电，即15V和+5V,由于它对从电源线引入的噪声十分 敏感，几毫伏的电源噪声就会引起A/D转换几位的误差，所以在应用过程中应特 别注意电源的滤波和稳压，可以采用的抗干扰措施有：在芯片的7脚和9脚、 9脚和11脚以及1脚和15脚之间接入由一个47 F钽电容和一个0.01 F瓷片电 容并联而成的去耦网络。在印制板设计时让模拟量输入电路与数字电路尽量分 开。芯片的数字地（15脚）和模拟地（9脚）就近接在一起。在发热量较大的 应用场合，还应采取一定的散热措施。（1） AD574A 的接口电路图2-4是AT89C51单片

7、机与AD574A的接口电路，其中还使用了三态锁存器 74LS373和74LS00与非门电路，逻辑控制信号由（CS、R/C和A0）有8051的数据口 P0发出，并由三态锁存器74LS373锁存到输出端Q0、Q1和Q2上，用于控制 AD574A的工作过程。AD转换器的数据输出也通过P0数据总线连至8051,由于只 使用了8位数据口，12位数据分两次读进8051,所以R/C接地。当8051的p3.0查 询到STS端转换结束信号后，先将转换后的12位A/D数据的高8位读进8051， 然后再将低4位读进8051。这里不管AD574A是处在启动、转换和输出结果，使 能端CE都必须为1，因此将8051的写控

8、制线WR和读控制线RD通过与非门74LS00 与AD574A的使能端CE相连。1612/8刖Q2Q3Q4Q5Q6Q?咖P01P02P01P-I15PdfiP07Q0Q1Q2Q3Q4 聊Q6 巴 DELE13 ：41218192121 n2512J383736333130161724辿2?2574LS3731 (Ws 刃R/C VITAO/SCLSAN-GNDGND+Vs-VsEF-INRBFOUTBPLRofLSBDBf)DB1Dfi2DBSDH4DB5DB6338DB10MSB-：1STATUS七4-用心374LS0-/+10VKAT89C51EA/VPALE/P图2-4 AT89C51单片

9、机与AD574A的接口电路（2） AD574A 的工作模式以上所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将 CE、12/8端接至+5V电源端,CS和A0接至0V，仅用R/C端来控制A/D转换的启动和 数据输出。当=0时，启动A/D转换器，经25us后STS=1,表明A/D转换结束， 此时将R/C置1,即可从数据端读取数据。(3) 中断服务程序由图2-4所示的硬件接法，得到AD574各操作对应的口地址为：启动变换：47FFH读转换结果高8位： 4FFFH读转换结果低4位： 5FFFH据此用单片机高级语言C51编写的AD574中断服务程序为：void ad574(voi

10、d) interrupt 0char r1,r2;char xdata *p;int caiyang1=0x2100;int caiyang2=0x2200;p=0x4fff;ACC=*p;r1=ACC; /读转换结果高8位p=0x5fff; r2=ACC; /读转换结果低4位XBYTEcaiyang1=r1;XBYTEcaiyang2=r2; /*将结果存入外部RA M绝对地址单元*/ caiyang1+;caiyang2+;wancheng=1; /*读数完毕，置转换完成标志位为1*/PX0=0; /关中断优先级第三节：高速A/D转换器AD7654与单片机接口电路设计AD7654是ADI公

11、司推出的一种低功耗、四通道、电荷再分布式高速A/D转换器，该A/D 转换器的主要特点是：16位分辨率且无漏失码；O V5 V模拟输入范围； SPI/QSPI/Microwire/DSP兼容；两个允许同步采样的低噪音、高带宽跟踪/保持放大器；功耗 典型值为120 mW；可提供串行和并行两种输出接口，给予用户灵活的选择。串行A/D转换 的速率很高，并且具有体积小、功耗低、占用单片机口线少的优点，文中采用串行模式设计 电路，有关引脚说明如下：A0：转换通道选择；A/B：高电平时，先输出A通道转换数据再输出B通道转换数据，低电平反之；SER/PAR：串行/并行模式选择。低电平为并行模式，高电平为串行模

12、式；EXT/INT：高电平时选择外部时钟，低电平时选择内部时钟；SDOUT :转换数据输出位；SCLK:串行数据时钟输入或输出(取决于EXT/INT的逻辑状态)；CNVST：开始转换。CNVST的下降沿使内部采样保持进入保持状态并开始转换；BUSY :正在转换标志；EOC：转换结束标志。AD7654的转换过程由CNVST下降沿启动，转换启动与CS和RD信号状态无关，A0引 脚控制转换通道的选择。在转换结束之前，即使掉电转换也不会重新开始或终止。转换进行 过程中， BUSY 变为高电平， EOC 也为高电平， EOC 在每一个通道转换结束后变为低电平，而BUSY线在两个通道转换全部结束后才变为低

13、电平，转换的32位数据可以从SDOUT上读 出。转换时序图如图2-5所示。AD7654有串行和并行两种接口方式，每种接口方式又有主 从两种模式，本文介绍其串行接口下从模式的硬件和软件设计。AD7654 与单片机的接口电路设计在本系统中，单片机选用TI的MSP430xl6x系列单片机，具体的接口电路如 图 2-6 所示。设计 AD7654 工作在串行从模式下，因此其数据的转换和读取都需 要微处理器MSP430xl6x的控制，所需的高精度2.5 V基准电压由AD780提供， AD7654上所有的电源和地之间都需连接去耦电容器。在实验电路中，AD7654的 SER/PAR 和 EXT/INT 引脚直

14、接由硬件置高电平， INVS-CLK 由硬件置低电平，使 ADC 以串口方式工作，同时使数据输出由外部时钟控制。由于 AD7654 是两个通 道同时采样，所以需要给A/B置位以控制数据的输出顺序。MSP430xl6x的P2.5 引脚接至AD7654的CNVST，这样只需要通过单片机MSP430xl6x控制使P2.5产 生一个宽度大于5 ns的负脉冲，该负脉冲的下降沿就可以启动ADC开始转换， 转换的时间约为2“s。当转换结束时，BUSY引脚上的信号就会变成低电平，从 而通知单片机可以开始读取转换的数据，由于实际AD7654转换速度很快，因此 BUSY 线可以不用，启动转换后可以直接读取数据。在

15、单片机读取数据前，需要 通过P2.6和P3.4 口给读选通RD和片选CS置零，以使SDOUT上的数据有效，然 后单片机通过P2.0(SCLK)引脚向AD7654发送8个时钟脉冲，与此同时单片机就 可以通过P2.2 口从SDOUT上读取8位转换的数据。串行从模式下读数据时序图 如图2-7所示。图 2-6 AD7654 与 msp430x16x 单片机连接电路图 2-7 串行从模式读数据时序图采用AD7654串行模式进行A/D转换具有速度快、精度高、功耗低、占用口 线少的优点，非常适用于AC伺服电动机控制、频率转换、三相功率监视、不间 断电源、四通道数据取样和汽车电子等方面。该系统电路已在实验中调试通过， 实际应用中应考虑灵活性，所有控制线均由软件控制实现。