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一種應用于虛擬示波器的雙通道數據采集系統設計

   2012年02月29日 15:10  
  引言
  
  示波器是一種用途十分廣泛的精密電子測量儀器,在科學研究領域和實驗室中應用廣泛,但目前這類儀器設計復雜,價格較昂貴。
  
  隨著科學技術的發展,1986年美國國家儀器公司首先提出了虛擬儀器的概念。虛擬儀器是在以PC機為核心的硬件平臺支持下,通過軟件編程來實現儀器的功能。與傳統的實體儀器相比。虛擬儀器zui大的特點在于其功能的可重構性和應用的靈活性,使用者可以通過修改軟件來方便地修改、增減儀器的功能,提高了儀器的使用效率,降低了成本。利用虛擬儀器技術只需配備必要的數據采集硬件,不僅可以實現傳統示波器的各項功能,而且還具有存儲、回放等特點。
  
  鑒于虛擬示波器的各種優點和廣泛用途,研制出性能*的虛擬示波器具有重要的實際應用價值。數據采集系統是整個虛擬示波器的重要組成部分,其性能的優劣直接關系到整個系統的品質,所以需要專門為其設計高速、高精度的數據采集系統。
  
  1、系統總體設計方案
  
  本數據采集系統的總體結構如圖1所示。模擬信號經過多路選擇開關CD4051選通后進入信號調理電路,先經過兩片放大倍數可自動設定的AD526適當放大,然后進入采樣保持模塊。采樣保持電路由LF398芯片完成,它的邏輯輸入引腳與AD574的狀態轉換引腳通過一個非門進行連接,這樣就實現了采樣狀態與保持狀態的自動轉換,無需單片機進行控制。信號經過采樣保持電路后進入AD574進行模/數轉換,轉換后的數據存放到高速緩存芯片IDT7202中,單片機通過查詢緩存器的標志位,執行向其寫入數據或者從中讀出數據命令。當數據存滿時,從IDT7202中讀出數據并將它寫入CH372,再通過USB將數據上傳至PC機進行相關調理與顯示。
  
  1.1信號調理電路
  
  為了保證高精度的模/數轉換結果,要求輸入信號接近A/D模塊的滿量程值。信號調理的作用是使輸入信號滿足A/D轉換器的幅度要求,同時也擴大了輸入信號的幅度范圍。比如大信號必須經過適當的衰減,以免因為幅度過大而損壞電路中的元器件或引起信號失真。而小信號又需要適當的放大,否則采集恢復后的信號幅度太小,難以正確的觀測信號,并且也沒能夠充分利用A/D轉換器的分辨率,會增大A/D轉換的誤差。
  
  在本系統中,利用兩片AD526和單片機AT—mega32設計了能夠進行自動增益控制的放大器。AD526是美國AD公司生產的一款性能優良的軟件可編程放大器,單片AD526的放大倍數是1,2,4,8和16,兩片AD526級聯后可獲得32,64,128和256倍增益。由于輸入模擬信號幅度大小的差異,有可能要求使用不同的放大倍數進行放大,以滿足線性放大要求,則放大器的放大倍數需要實時控制,AD526能夠滿足這樣的要求,它的放大倍數隨時可以由一組數碼控制。將從CD4501輸入的現場信號根據要求自動調整到適合A/D轉換的*輸入范圍,再啟動AD574進行轉換,能夠有效地保證在低輸入時的轉換精度,擴大采集系統的動態范圍。可編程控制增益電路如圖2所示。
  
  1.2A/D轉換電路
  
  采用Ateml公司的AVR系列單片機ATmega32與AD574構成數據采集部分。ATmega32是一款高性能、低功耗的8位AVR微調理器,*的RISC結構,具有32KB的系統內可編程FLASH。AD574是美國AD公司研制的12位逐次逼近型模數轉換器,具有外接元件少、功耗低和精度高等特點,它的轉換速度為25μs,轉換精度為O.05%,輸入的模擬電壓可以是單極性也可以是雙極性,內部集成轉換時鐘,可廣泛應用在數據采集系統中。由于AD574芯片內有三態輸出緩沖電路,因而可直接與單片機的數據總線相連,而無須附加邏輯接口電路。
  
  在本采集系統中,采用了AD574芯片0~+10V單極性輸入方式,將它的第2引腳直接接地,則可實現12位高精度轉換,轉換結果分兩次輸出。AD574狀態引腳STS接至單片機PC口的第3引腳,采用查詢方式讀取轉換結果。當R/C=0時,啟動A/D轉換器進行模/數轉換;經25μs后STS=1,表明A/D轉換結束,此時將R/C置1,即從數據端讀取數據,具體控制邏輯如表1所示。AD574與AVR單片機的接口電路如圖3所示。
  
  2、系統軟件設計
  
  數據采集系統的軟件設計使用C語言編寫,程序分成若干個功能相對獨立的模塊,包括主程序、增益控制、數據采集、USB通信等子模塊,對各個子程序分別進行單獨設計與調試,zui后將調試好的各子程序塊鏈接起來進行總體調試。數據采集程序設計的流程圖如圖4所示。
  
  3、結語
  
  通過對該數據采集系統的軟硬件設計,實現了雙通道的數據采集。系統經過多次實驗,能夠對O~10V的模擬電壓信號進行精度高采集,性能指標達到了設計要求,實驗測試效果良好。本設計為較高精度的數據采集提供了一種新穎、方便和可靠的解決方案。

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