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多功能數(shù)據(jù)采集卡具體介紹

閱讀：2757發(fā)布時(shí)間：2008-7-31

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)    
    采集卡共用八個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)輸入通道都具有獨(dú)立的帶通濾波器、程控增益放大器和多級(jí)陷波器。其中每個(gè)帶通濾波器的中心頻率都可分檔選擇，且每個(gè)濾波器是否需要接入電路也可由單片機(jī)控制。程控增益放大器的放大倍數(shù)可由單片機(jī)分檔控制。模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波、放大電路后，在進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前需經(jīng)過(guò)多級(jí)陷波器以消除50Hz及其諧波干擾，陷波器的中心頻率和級(jí)數(shù)也可由單片機(jī)根據(jù)使用環(huán)境選擇。采集卡的控制核心是SoC單片機(jī)C8051F020，其內(nèi)部集成有12位100ksps逐次逼近型ADC和8選1模擬多路選擇器。數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)EPP接口送到上位機(jī)。 
程控濾波器原理及電路 
本采集卡程控濾波電路如圖2所示。該電路由兩級(jí)相同的濾波器級(jí)聯(lián)而成，每級(jí)由三個(gè)高精度、低失調(diào)、低噪聲運(yùn)放OP07和兩個(gè)12位電流輸出DAC AD7533構(gòu)成。將AD7533的Iout2引腳接地，則其Vref和Iout1兩個(gè)引腳之間等效為一個(gè)受DATA9~DATA0控制的電阻網(wǎng)絡(luò)，等效電阻為：，其中R為DAC芯片電阻網(wǎng)絡(luò)的單個(gè)等效電阻值，對(duì)于AD7533為10kW；n為DAC的位數(shù)，對(duì)于AD7533，n=12；D為DATA9~DATA0對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值，這里可取1~4095。該電路的中心頻率為：，其中；當(dāng)取R1=R2=R4=RG=50kW；C1=C2=0.0156mF；RQ=12.5kW時(shí)，中心頻率用SoC單片機(jī)的P1口和P4.0、P4.1控制DATA0~DATA9，就可通過(guò)改變DATA0~DATA9的數(shù)值改變REQ，進(jìn)而改變?yōu)V波器的中心頻率。 
將兩級(jí)電路級(jí)聯(lián)起來(lái)，構(gòu)成圖2中的完整電路，可以進(jìn)一步提高品質(zhì)因數(shù)。表1中列出了D取不同值時(shí)，實(shí)際測(cè)得的中心頻率和-3dB處的頻率，反映出該電路不但可以高精度地控制中心頻率，而且具有很高的Q值。 
陷波器電路 
50Hz交流電干擾是數(shù)據(jù)采集中不可避免的嚴(yán)重問(wèn)題，采集電路中必須設(shè)置50Hz陷波器，將以差模形式串入的50Hz及其諧波濾除。 
圖3為二階雙T型50Hz陷波器電路，陷波深度-40dB以上，Q值約為3。取R1＝R3＝R和C1=C2=C3=C時(shí)，陷波器的中心頻率為：，R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.1mF時(shí)，中心頻率為50Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.033mF時(shí)，中心頻率為150Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.02mF時(shí)，中心頻率為250Hz。這樣就構(gòu)成三級(jí)陷波器，每級(jí)陷波器又受一單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)ADG419控制，SoC單片機(jī)可選擇將哪一級(jí)或哪幾級(jí)陷波器接入電路。該電路經(jīng)過(guò)測(cè)試與實(shí)際應(yīng)用，證明對(duì)50Hz及其諧波具有*的抑制能力。 
程控增益放大器 
程控增益放大器電路采用精密的可編程增益控制儀表放大器PGA202，它具有較高的共模抑制比（增益為1時(shí)，CMRR優(yōu)于80dB），單位增益帶寬為1MHz。其可編程增益有×1、×10、×100和×1000四檔，受A0、A1兩引腳控制，將這兩個(gè)引腳接入SoC單片機(jī)的I/O口，即能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)PGA202增益的控制。 
C8051F020單片機(jī)內(nèi)部集成ADC 
C8051F020內(nèi)部集成有12位的ADC0，其轉(zhuǎn)換速率zui大可達(dá)100ksps，與內(nèi)部8選1 MUX結(jié)合起來(lái)使用，即可構(gòu)成8通道的ADC。初始化ADC0時(shí)，8051內(nèi)核對(duì)特殊功能寄存器AMX0CF寫(xiě)0x60、對(duì)ADC0CF寫(xiě)0XF8、對(duì)ADC0CN寫(xiě)0x80，即配置為8通道單端模擬輸入、內(nèi)部PGA增益為1、A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果字右對(duì)齊。當(dāng)對(duì)寄存器REP0CN寫(xiě)0x02時(shí)，啟動(dòng)ADC0。ADC0轉(zhuǎn)換完畢后會(huì)產(chǎn)生第15號(hào)中斷，中斷向量為0x007B，8051內(nèi)核在中斷服務(wù)子程序中讀A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果存在寄存器ADC0H（高4位）和ADC0L（低8位）中。 
輸入通道與單片機(jī)的接口 
C8051F020具有64個(gè)I/O引腳，足以用于對(duì)外部輸入通道各個(gè)功能的選擇，其中P0.0~P0.7和P4.0、P4.1接到DAC，用于選擇程控增益放大器的增益選擇。P4.2和P4.3接到程控增益放大器PGA202的A0、A1兩個(gè)引腳，用于增益的選擇。另外，程控濾波器和多級(jí)陷波器每一級(jí)的前端都有一單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)ADG419，ADG419是低導(dǎo)通電阻的模擬開(kāi)關(guān)，其導(dǎo)通電阻僅為35W，受控引腳IN為“0”時(shí)開(kāi)關(guān)1導(dǎo)通、開(kāi)關(guān)2斷開(kāi)，IN為“1”時(shí)開(kāi)關(guān)1斷開(kāi)、開(kāi)關(guān)2導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)時(shí)間為30ns。每個(gè)通道各有四個(gè)ADG419，將同一級(jí)八個(gè)ADG419的IN引腳連在一起（因有8個(gè)通道），接到C8051F020的P4.4~P4.7，這樣，通過(guò)單片機(jī)的P4.2~P4.7引腳，就能實(shí)現(xiàn)多功能的選擇。 



結(jié)語(yǔ) 
基于SoC單片機(jī)的多功能數(shù)據(jù)采集卡，為數(shù)據(jù)采集提供多種功能，以適應(yīng)可能遇到的不同測(cè)試條件。本設(shè)計(jì)達(dá)到如下參數(shù)指標(biāo)及功能：每通道zui大采樣率為100ksps；幅值精度優(yōu)于5mV；濾波器可選中心頻率為32Hz、64Hz、128Hz、256Hz、512Hz、1024Hz，控制精度優(yōu)于2.4%，Q值優(yōu)于5；陷波器可選中心頻率為50Hz、150Hz、50Hz，陷波深度-40dB以上。 
C8051F020豐富的硬件資源使得進(jìn)一步擴(kuò)展功能而不改變硬件電路成為可能，如內(nèi)部PGA，還可用來(lái)進(jìn)一步微調(diào)放大倍數(shù)，只需改變寄存器ADC0CF的值即可。將ADC0工作方式改為窗口比較方式可進(jìn)一步提高M(jìn)CU效率，以便實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換等等。C8051F020的在線編程方式也為在線改變軟件提供了方便。

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