一种基于电压频率变换的高精度数据采集系统
FFT在单片机上的实现
FFT在单片机上的实现摘要音频信号分析仪是一种可广泛见于各种音响、调音和录音设备上的，能实时地采样及分析输入的音频信号的频谱，并将其显示在显示屏上的设备，使人在聆听音乐时能对音乐的高低频能有直观的了解。
本文所介绍的即是这样一个音频信号分析系统。
系统的硬件由信号调理、控制处理器、显示模块三部分组成。
信号调理电路使信号可输入300mV~3V的交流音频信号。
这里只对单路信号处理：当电压较低时使用LM324运放获得增益，对超过12800Hz的信号进行滤波处理。
另外设置输出音频接口以便监听。
控制处理器采用51内核1T单片机STC12C60A5S2，晶振频率为32.768MHz。
该单片机自带8路10位高速ADC，这里只用1路ADC的高8位。
对信号连续采32个点进行浮点型FFT运算。
一次完整采样的时间为1.25ms，最高采样频率为25600Hz，分辨频率为800Hz~12800Hz，分16级。
显示部分主体为1602液晶显示屏，其具有2行×16列的8×5点显示点阵。
16分频谱将分别以柱高形式显示在显示屏上。
程序中设置了频率下落效果以使观感更好。
另设置了对比度调节电阻，使屏幕对比度可调。
关键词：FFT 单片机音频频谱THE REALIZATION OF FFT IN THEMICROCONTROALERABSTRACTAudio signal analyzer is a kind of device which can be widely found in various of audio, mixing and recording devices, and can sampling and analysis of the spectrum of the input have an intuitive audio signal and displays it on the display in real-time, people can are listening to Music for music when high frequency understanding. What presented in this article is just such an audio signal analysis system. The hardware of the system are formed with three parts: the signal conditioner, the control processor and the display module.Signal conditioning circuit makes the signal of 300mV ~ 3V AC audio signal available for inputting. In this system,we only process with single-channel signal: When the voltage is lower the system uses LM324 op amp to gain voltage, and as to signals more than 12800Hz it filters them. In addition the system sets an output audio interface for monitoring.The control processor of the system is the 51 cores 1T MCU STC12C60A5S2, with 32.768MHz crystal frequency. The device comes with 8-channel &10-bit high-speed ADC, where only one channel ADC high 8. The signal collected 32 points in consecutive floating-point FFT operation. A complete sampling time is 1.25ms, the maximum sampling frequency is 25600Hz, and the distinguish frequency is 800Hz ~ 12800Hz, with 16 levels.The main display section is 1602 LCD screen, which has 2 rows ×16 columns - 8 × 5 dot display matrix. 16 points to the column height spectrum will be displayed on the display. The process of setting of the frequency drop in the perception of better effect. There is also contrast adjustment resistor, which makes the screen contrast adjustable.KEY WORDS：FFT,MCU,AUDIO SPECTRUM目录第1章绪论 (1)§1.1研究的背景及意义 (1)§1.1.1课题研究背景 (1)§1.1.2课题研究意义 (1)§1.2课题发展的状况 (1)§1.3设计任务 (2)第2章系统方案设计 (3)§2.1 系统方案设计 (3)§2.2系统硬件的选择 (3)§2.2.1处理器的比较与选择 (3)§2.2.2采样模块的确定 (4)§2.2.3显示器件的比较和选择 (4)第3章系统硬件设计 (5)§3.1 单片机STC12C5A60S2 (5)§3.1.1单片机STC12C5A60S2功能简介 (5)§3.1.2 单片机STC12C5A60S2引脚图 (6)§3.1.2 单片机的最小系统 (6)§3.2 显示屏LCD1602 (7)§3.2.1 LCD1602简介 (7)§3.2.2 LCD1602的硬件连接 (8)§3.3.1 LM324电压增益与偏移电路 (9)§3.3.2 滤波电路 (10)第4章系统软件设计 (11)§4.1系统软件总体设计 (11)§4.2 系统软件详细设计 (12)§4.2.1 系统的准备和初始化 (12)§4.2.2 AD采样子程序 (13)§4.2.3 蝶形运算的FFT算法 (15)§4.2.4 显示子程序 (17)第5章系统调试 (20)§5.1 信号电压调试 (20)§5.2 单频率信号测试 (20)§5.2.1 实际频率分度测试 (21)§5.2.1 频率混叠和滤波效果 (22)§5.3 实际使用效果 (22)结论 (24)参考文献 (25)致谢 (26)附录 (27)一、主程序代码 (27)二、原理图 (35)第1章绪论§1.1研究的背景及意义§1.1.1课题研究背景在家庭影院、卡拉OK等音响系统中，实时显示音乐信号的频谱将为音响系统增不少色彩。
一种基于DSP和FPGA的多通道数据采集系统的设计
计 中还 采用 ＡＤＣ ８ ９模 数 转换 器。该 系统 采集信 号 频率 范围 宽、 数据 传送 量 大、数据 ００ 传 输速度 高 ， 并具 有较 强 的扩 展 能 力，并且 具有 电路 结构 简单 、功耗低 、数据 传输 方便 等优 点 ， 用于 电压 、 电流 、温度 、压 力等参量 的采集 系统 中。 可
变 为高 电平 ，指 示 Ａ ／ Ｄ转 换结 束 ，结 果 数据 已 存 入锁 存器 ，这个 信号 可用作 中断 申请 。 当 ＯＥ输
入 高 电平 时 ，输 出三 态 门打开 ，转换 结 果 的数字 量 输 出到数 据总 线上 ，采用 串行接 口方 式 。Ｆ ＧＡ Ｐ
门阵列 （ Ｐ Ａ Ｅ １ ６ ２０ ８ Ｆ Ｇ ） Ｐ Ｃ Ｑ ４ Ｃ 作为系统的控制部 系 统 选 择 Ｃｙ ｌｎ ｃｏ ｅ系 列 的 Ｅ １ ６ ２ ０ ８芯 片 ， ＰＣ Ｑ ４Ｃ Ｐ采 用 Ｔ 公 司 生 产 Ｔ ３ ０ ５ １ 芯 片 Ｉ ＭＳ ２ ＶＣ ４ ６ ’ 分 ， 过ＦＧ 通 Ｐ Ａ逻辑 控制 ＡＤ 采集 电路 进行模 拟通 ＤＳ ／
现代仪器 （ ｗ． ｄ ｒ ｉｓｒ．ｒ ．ｎ ｗｗ ｍｏ ｅｎｎ ｔ ｏｇｃ ） ｓ
一
种基于 Ｄ Ｐ和 Ｆ Ｇ Ｓ Ｐ Ａ的多通道数据采集系统的设计
吴永鹏 王章瑞 。 赵煜 滢 向前 勇
（． １西南石油大学 电子信息工程学院 成都分公 司川西 北气矿 甲醇厂 江 油 ６ １０ ） ２ ９ ７
率 高 ，内部 时 延小 ，全 部 控 制逻 辑 由硬件 完 成 ， 速 度 快 、效率 高 ，适 于大 数据 量 的高 速传 输控 制 ， 可
业生 产和 科学 技术研究 的各 行业 中 ， 常常 需要对 各
种数 据进行 采集 ， 如液位 、温度 、压力 、频 率等信
一种基于USB的数据采集系统设计
数据存储模块具有两组数据总线 ， 一组用于同
Ａ Ｄ转换 接 口电路 连接 ， 收从 Ａ Ｄ转换模 块 中写 ／ 接 ／ 入 的数 据 ， 总线宽 度 为 ｌ ６位 ； 一 组 总线 用 于 同单 另
ｗｈ ｃ ａ ｔ ｒ ｔ ｎ ｌ ａ ｄ ａ ｅ ｓｒ ｃｕ ｅ ａ ｄ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉ ｇ ｓ ｆ ａ ｅ Ｔ ｉ ｓ ｓｅ ａ ｅ ｎ ｐ ｔ ｎｏ ｏ ｅ ａ ｉｈ ｈ ｓ ｉ ａ ｉ ａ ｒ ｗ ｒ ｔ ｔ ｒ ｎ ｏ ｒ ｓ ｏ ｄ ｎ ｏｔ ｒ ． ｈ ｓ ｙ ｔ ｍ ｈ ｓ ｂ ｅ ｕ ｔ ｐ ｒ － ｓ ｏ ｈ ｕ ｗ ｉ ｔ ｎ ｗｈｃ ａ ｒｄ ｃ ｄ ａ ｗ ｎ ｅ ｕ ｆ ｃ ． ｉ ， ｉｈ ｈ ｓｐ ｏ ｕ ｅ ｏ ｄ ｒ ｌｅｆ ｔ ｏ ｆ ｅ Ｋｅ ｒ ｓ ＵＳ ｄ ｔ ｃ ｕ ｓｔ ｎ； ｔ ｒ ｃ ｙ ｗｏ ｄ ： Ｂ； ａ ａ ａ ｑ ｉｉ ｏ ｉ ｅ ａ ｅ ｉ ｎ ｆ
制下， 通过时序控制 电路启动或停止采样 ， 并通过时 序控制电路将数据存储 到数 据存 储模块。Ａ Ｄ转 ／ 换 采 用 ＭＡ Ｉ 公 司 的 ｌ ＸＭ ４位 刻 字 校 准 Ａ Ｃ 芯 片 Ｄ Ｍ Ｘ ２ １其采样 速度 可达到 ２ ２Ｍ ｐ ， Ａ １０ ， ． ｓｓ采样值输 出采用二进制补码格式 。Ｍ Ｘ ２ １ Ａ １０ 工作过程 中需
输接 口电路用 于将采样后 的数据传输 到 Ｕ Ｂ接 口 Ｓ 模块 。
数据缓存 ， 以满足被检测信号能实时无 间歇 的采集
传输 。Ｕ Ｂ总线接 口所具有 的高速数据传输速率是 Ｓ 这类 数据 采集 系统 的理 想选 择 。
epec控制器工作原理
epec控制器工作原理epec控制器是一种用于电力系统的智能控制装置，它通过对电力系统进行实时监测和频繁的控制操作来优化系统的稳定性和性能。
本文将详细介绍epec控制器的工作原理，从控制目标、数据采集、系统建模、控制策略以及实时优化等方面依次进行讲解。
一、控制目标epec控制器的主要目标是提高电力系统的稳定性和性能。
为了实现这一目标，epec控制器需要满足以下几个方面的要求：1. 电压控制：epec控制器通过监测电力系统的电压状态，实现电压的稳定控制和调节。
当电压偏离标准范围时，epec控制器将发出相应指令，调整电力系统的运行状态，以确保电压稳定。
2. 功率控制：epec控制器还需要监测电力系统中各个发电机和负荷的功率情况，以保持功率的平衡。
当系统负荷过大或发电机负荷不均衡时，epec 控制器会根据相应算法进行控制操作，以调整功率分配，确保系统的稳定运行。
3. 频率控制：电力系统的频率也是一个重要的控制目标。
epec控制器通过监测系统频率的变化，并与标准频率进行比较，实现频率的控制和稳定。
二、数据采集epec控制器需要对电力系统中的各种数据进行采集和监测。
这些数据包括系统电压、电流、功率、频率等各种重要参数。
为了保证数据的准确性和实时性，epec控制器通常会配备高精度的传感器和数据采集设备，通过实时采集和传输数据，提供准确的反馈信息。
三、系统建模epec控制器通过对电力系统的各个组成部分进行建模，获取系统的动态性能和特性。
这些模型通常包括发电机模型、负荷模型、输电线路模型等。
通过系统建模，epec控制器能够更准确地了解电力系统的运行状态，并做出相应的控制决策。
四、控制策略epec控制器的控制策略是实现系统优化的关键。
控制策略通常包括两种类型：反馈控制和前馈控制。
1. 反馈控制：epec控制器通过对系统反馈信号的实时监测和分析，根据控制目标和控制算法，对系统进行动态的调节和控制。
当系统变量偏离标准范围时，epec控制器会发出相应的控制指令，调整系统的工作状态，使其回到正常范围内。
基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法
基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法引言：生物阻抗测量技术广泛应用于生物医学领域，可以用于非侵入性的检测人体组织的电特性，对疾病的早期诊断、治疗效果评估等方面有重要意义。
AD5933是一种高精度的阻抗测量芯片，能够实现高精度、快速的生物阻抗测量。
本文将介绍基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法。
一、AD5933芯片介绍AD5933是一种可编程频率扫描阻抗测量器，内部集成了数字锁相放大器、数字控制功能和频率合成器。
它通过编程控制可以实现频率扫描、数据采集、数字滤波等功能，具有高精度、低功耗的特点。
AD5933在生物阻抗测量方面有广泛的应用。
1.系统硬件构建高精度生物阻抗测量方法的系统硬件主要包括AD5933芯片、电极、集成放大器和微控制器等。
其中，AD5933芯片负责控制测量流程和采集数据，电极用于与被测生物组织接触，集成放大器用于放大电压信号，微控制器用于控制AD5933芯片和处理采集数据。
2.测量流程设计测量流程主要包括以下步骤：（1）设置AD5933的输出频率范围和扫描步长。
（2）给被测生物组织施加一个小幅度的交流电压信号。
（3）采集交流电压信号和电流信号，并计算生物组织的阻抗值。
（4）根据测量结果计算生物组织的电特性参数，如电阻、电容和电感等。
3.数据处理方法数据处理方法主要包括以下几个方面：（1）对采集到的电压和电流信号进行滤波处理，降低噪声干扰。
（2）采用积分算法或离散傅里叶变换等方法计算生物组织的阻抗值。
（3）使用拟合算法对测量结果进行拟合，得到生物组织的电特性参数。
4.精度提高方法为了提高测量的精度，可以采取以下方法：（1）选择合适的测量频率范围和步长，以覆盖生物组织的阻抗变化范围。
（2）增加采样率，提高数据采集的精度。
（3）优化滤波算法，降低噪声干扰。
（4）加入自动校准功能，减少系统误差。
结论：基于AD5933的高精度生物阻抗测量方法能够准确、快速地测量生物组织的电特性，具有广泛的应用前景。
基于FPGA的高速高精度数据采集系统的研究
冯萍
F P GA
的 离速 离精 度
12 5 1 0 5
数 据 采集系 统 的研 究
李秀 华
辽 宁 工 程 技 术 大 学 电 子 与 信 息工 程 学 院
地 位 … 它 不 需 要 昂贵 的 E D A 设 计 工 具 大 大 降 低 了 设 计 门槛 F P G A 不 仅 可 以 解 决 电 子 系 统 小 型 化 低 功 耗 高 可 靠性 等 问 题 而 且 其 开 发 周 期 短 开 发 软 件投 入 少 芯 片 价格 不 断 降 低 对 于 小 批 量 多 品 种 的
、
一
1 系 统 方案 本 系 统 要 用 三 片 A D C 芯 片拼 接 构成 高速 高 精 度 的 数 据 采 集 系统 要 对 通 道 失 配 误差 进 行 测 量 选 取 合 适 的 正 弦 信 号 做 自测 分 别 计 算 出 系 统 的 误 差 由 F P G A 控 制 系统完 成 时钟芯 片的 配 置 数 据的缓 冲 N i o s II 软 核 的误 差计 算 以 及 后 端 的 校 正 4 2 器 件选 择
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并 行 时 间 交 替采样 系 统结构
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高速数据采集系统信号调理电路的设计
高速数据采集系统信号调理电路的设计上海交通大学电子信息与电气工程学院(200030) 乔 巍 杜爱玲 陈 春 叶 生摘 要 文章针对基于微控制器和PC 的高速数据采集系统,在讨论了信号调理电路功能及必要性的基础上,给出了包括信号放大、衰减、隔离和滤波的设计方案,并对滤波电路的拓扑设计进行了研究。
此外,针对广泛存在的电力信号采集与分析,以电能质量为分析、研究对象,给出了基于Sallen 2Key 和状态变量拓扑的滤波方案。
对高速数据采集系统精度的提高和采集设备的保护具有实际意义。
关键词 信号调理 高速数据采集 Sallen 2Key 拓扑 状态变量拓扑 目前,基于微控制器及基于PC 和内插板卡的数据采集系统在很大领域内得到了应用[1]。
数据采集卡和微控制器前端的高速A/D 转换作为信号采集设备非常适合用来测量电压信号。
但是,许多传感器和变送器输出的信号必须经过调理之后,才能进入数据采集卡、高速A/D 转换器或设备,以实现有效精确的测量。
这种前端的预处理,一般就称为信号调理,包括信号放大衰减、滤波、电气隔离和多路技术。
图1为基于PC 和内插板卡的数据采集系统框图[2]。
图1 基于PC 和内插板卡的数据采集系统框图1 信号调理电路的组成1.1 放大衰减电路由于很多信号幅度比较小,所以需要通过放大器来提高测量的精度。
放大器通过匹配信号电平和A/D 转换器的测量范围,来达到提高测量分辨率的目的。
出于这个原因,现在许多数据采集卡都包括了板载放大器。
同样情况,当需要数字化的电压超过了允许输入范围时,衰减就不可缺少了。
1.2 隔离电路数据采集系统中不合适的接地是造成测量问题和数据采集卡损坏的最普遍原因。
对信号进行电气隔离可以防止这些问题的发生。
隔离破坏了接地环路,避免了高的共模电压,并且保护了价格不菲的数据采集设备。
通常的隔离方法有利用光耦、磁或者容性隔离器。
磁或容性隔离器将信号从电压形式调制成频率形式。
频率能够在转回成电压之前以非直接物理连接的方式通过变压器或者电容。
基于ADμC834单片机的高精度数据采集系统设计
２ 系统方案设计
数据采集 电路系统 由硬件 和软件两大部分组成。
ＡＩ Ｄ 公司出品的基于 ５ 系列的高性能微转换器 ， １ 适合
数据采集系统设计。该系列芯片已经广泛应用于航天
软硬件协调完成多路信号选通和 Ｄ Ａ转换 、 ／ 信号处理 及 串口通信的数字信号传输和控制等功能。根据所需 完成 的功 能 及 技 术 指标 ， ／ 转 换 电路 系统 采 用 ＤＡ
据总线 ， Ｓ Ｃ １和／ Ｓ Ｃ ２为片选 端 ，Ｉ 为 串行 数据输入 ＳＮ 端 ，Ｏ Ｔ为 串行数据输 出端 ， ０ Ａ 、 ２为片内地址 ＳＵ Ａ 、 １Ａ 端 ，Ｃ Ｖ Ｃ为 电源 ，Ｓ Ｖ Ｓ为地 。
ｂ２ ） 路独立高分辨率 三 △Ａ Ｄ转换器 ， 一 ／ 转换精度
高， 抗干扰强 ， 主通道 ２ ４位 ＋ 辅通道 １ 位 ； ６
随着航天科技的飞速发展 ， 对捷联惯性测量组合 的设计提出了越来越高的要求 ， 例如惯性测量组合数
据精度提高 、 数据处理能力增强、 通信接 口多样化 、 系 统工作智能化等， 传统的设计方法已经很难满足要求。
这就要求在组合 的设计过程中不断引进新技术和新工
艺。在提高陀螺仪和加速度计制造工 艺的同时 ， 作为
统为核心 ， 利用模拟开关实现多路数据采集 ， 采用单片 机内部 的主通道 ２ ４位 Ａ Ｃ Ａ Ｄ转换器 ） Ｄ （／ 和辅通道
压信号输人 ， 通过 Ａ Ｄ转换成数字信号 ， 由单片机 ／ 再 对数字信号进行处理 ｉ 同时 ， 单片机通过 Ｒ － ５接 口 Ｓ４ ８
与上位计算机进行通信。其 系统方案框图见图 １ 。
Ａ ｐ ８４单片机 的引脚排列如 图 ２ 示。ＡＮ Ｄ， ３ Ｃ 所 Ｉ１
一
基于AT89C51单片机的数据采集系统及频谱分析电路
目录摘要 (1)Abstract (2)1．绪论 (3)1.1设计数据采集及其频谱分析电路的意义 (3)1.2数据采集及其频谱分析的主要功能 (3)2.数据采集硬件电路设计 (4)2.1方案选择及设计思想 (4)2.2设计方案的框图 (5)2.3工作原理 (5)2.4电路中主要芯片的引脚对应的功能 (6)2.4.1主控芯片AT89C51 (6)2.5原理图及连接关系 (8)2.5.1数据输入模块 (8)2.5.2模数转换模块 (8)2.5.3 主控电路 (9)3．数据采集软件设计 (11)3.1系统模块层次图 (11)3.2程序流程 (11)3.3程序源代码 (11)4.频谱分析硬件电路设计 (15)4.1方案论证 (15)4.2频谱分析硬件电路设计 (17)4.2.1数据采集 (17)4.2.2运算核心设计 (17)4.2.3控制核心设计 (18)4.2.4示波器显示部分设计 (20)4.2.5供电设计 (21)5.频谱分析软件电路设计 (24)5.1单片机部分 (24)5.2 FPGA部分 (25)5.3 测试说明 (28)5.3.1单频信号的频谱测试 (28)5.3.2调幅信号的频谱测试 (28)5.3.3调频信号的频谱测试 (28)5.3.4信号识别准确度测试 (29)5.3.5测试结果分析 (29)总结 (30)致谢 (32)摘要本毕业设计数据采集部分采用的是单片机AT89C51和模数转换芯片ADC0808采集系统。
用电位器模拟输入电压，经过AT89C51控制ADC0808将输入模拟电压转换成数字信号，频谱分析部分是基于外差原理的数字式频谱分析，系统采用XlinxVIRTEX-II100万门的FPGA，将本振扫频、混频、放大、低通滤波、提取峰值等工作全部通过数字化实现。
控制方面，有凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心，实现人机接口和最后频谱图的模拟示波器显示。
本论文主要描述了硬件设计部分和软件设计部分，硬件部分更是详细分析了本数据采集及其频谱分析的各个部分的电路原理，以及各个模块之间的线路连接。
基于FPGA的ADC采集系统的设计_毕业设计论文
基于FPGA的ADC采集系统的设计摘要基于FPGA在高速数据采集方面有单片机和DSP无法比拟的优势，FPGA具有时钟频率高，内部延时小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，效率高，组成形式灵活等特点。
因此，本文研究并开发了一个基于FPGA的数据采集系统。
FPGA的IO口可以自由定义，没有固定总线限制更加灵活变通。
本文中所提出的数据采集系统设计方案，就是利用FPGA作为整个数据采集系统的核心来对系统时序和各逻辑模块进行控制。
依靠FPGA强大的功能基础，以FPGA作为桥梁合理的连接了ADC、显示器件以及其他外围电路，最终实现了课题的要求，达到了数据采集的目的。
关键词FPGA A/D转换AbstractFPGA is better than microcontroller and DSP in high speed data acquisition, FPGA has higher internal clock frequency, smaller delay than DSP,and all the control logic of FPGA is completed by hardware, FPGA has fast speed, high efficiency, and so on. Therefore, this paper introduces and develops a data acquisition system which is based on FPGA.The I/O pin of FPGA can be defined yourself without fixed limit,it’s very flexible. This design of data acquisition system use FPGA as the data acquisition system core to control the timing and the logic control module. Relying on the powerful function of FPGA, FPGA can connect ADC, display devices and other peripheral circuits, finally we can achieve the requirements of the subject, and the purpose of the data collection。
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PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol.27SupplementIssueMay2006一种基于电压频率变换的高精度数据采集系统HighPrecisionDataAcquisitionSystemBasedonVoltageFrequencyConversion杨丕楠 刘彦鹏 吴明光(浙江大学信息科学与工程学院系统工程研究所,杭州 310027)
摘 要:为了解决流程工业中常用数据采集系统精度偏低的问题,针对流程工业中基于电压频率变换原理的数据采集系统,重点阐述了为提高系统测量精度而采用软自动增益的两次采集、消除随机过渡过程波动的两次捕捉和在线校正技术。实验表明,改进后的系统成本基本没有增加,但系统的测量精度却从412‰提升至118‰,具有较高的性价比。上述提高测量精度的综合技术对于通常的数据采集系统具有一定的参考价值。关键词:电压频率变换 两次采集 两次捕捉 在线校正中图分类号:TN91915 文献标识码:A
Abstract:Inordertosolvetheproblemoflowaccuracyincommonuseddataacquisitionsystemsforprocessindustries,andonthebasisofthedataacquisitionsystembasedonprincipleofvoltagefrequencyconversion,themeasuresforimprovingsuchsystemsaredescribedemphatically.Forenhancingthemeasurementaccuracy,twiceacquisitionisadopted;andforeliminatingthefluctuationofrandomtransition,twicecaptureandon2linecalibrationtechnologiesareused.Theexperimentsshowthatbasicallythecostoftheimprovedsystemhasnotbeenincreased,whilethemeasurementaccuracyisincreasedfrom412‰to118‰,thusthecost2effectivenessofthesystemishigher.Thisintegratedtechnologyisworthtobeusedforreferenceingeneraldataacquisitionsystems.Keywords:Voltagefrequencyconversion Twiceacquisition Twicecapture On2linecalibration
0 引言流程工业中,一般的实时数据采集系统包括信号调理、选通、放大、测量和计算等环节。各个环节的精度都会累加到整个数采系统的精度上。本文详细讨论如何利用电压频率变换提高系统的精度。
1 基本测量过程以8路现场输入信号采集为例,其基本测量过程如图1所示。
图1 基本测量过程Fig11 Basicmeasuringprocedures
111 信号调理现场存在各种不同规格的信号源,如标准电压信号(1～5V)、标准电流信号(4～20mA)、热电偶信号(R、S、B型等)以及标准热电阻信号(Pt100、Cu50)等。
测量系统需将电流、电压和电阻等信号转换成统一的电压信号进行测量。信号调理环节一般采用工业上成熟的“万能输入”模块。112 信号放大经调理后的信号虽然都是电压信号,但电压幅值差异较大。如热电偶S的信号调理后最大只有20
mV;而标准电压信号最大可达到5V,两者相差250倍。为了兼顾小信号的测量精度必须采用放大环节。信号放大环节采用两级放大电路,每一级有4种放大系数供选择,可得到16种放大系数。基本上保证了现场输入信号都能被放大到5V左右。但通常的数采系统不存在自动选择放大系数的功能。对于输入信号规格单一的情况,如都是20mV左右,通过人工设定放大系数以后可以得到较好的测量精度。当待测信号规格差异较大时,如分别为200mV和1V的量级,一般采取折中的办法。如采用测量600mV输入信号时采用的最佳放大系数作为该系统的固定放大系数,使两者的测量精度都能得到一定的“保证”。113 电压-频率转换(VF转换)电压-频率转换,即VF(voltagefrequency)转换是AD技术中常用的一种类型[1]。其原理即利用电压-频
率变换器(VFC)将模拟电压转换成与之成正比的脉冲频
441
一种基于电压频率变换的高精度数据采集系统 杨丕楠,等《自动化仪表》第27卷增刊 2006年5月
率。VFC具有抗干扰能力强、成本低、信号易于远传等优点。该数采系统选用AD652作为VFC的核心芯片。114 CPU及其外围电路该环节主要用来对VFC转换的脉冲进行计数,进而计算得到初始输入信号的量值,并输出给下一环节。该系统采用价格低廉的8051系列的微处理器。115 其他环节分频环节采用74HC4040芯片,对CPU的晶振分频,为VF转换和CPU计数提供时钟脉冲;信号选通环节采用光继电器分时选通,使同一时刻只有1路信号送入信号放大环节,在完成信号隔离的同时使VF共用成为可能,大幅度降低了系统的成本,减小了整个数采系统的体积。为了使信号稳定,在信号调理和信号选通环节之间以及在信号放大和VF转换环节之间都存在阻容滤波环节。2 提高系统精度的措施实际应用中,该数采系统的测量精度仅为412‰,远不能满足用户的要求。在尽可能不增加系统成本的前提下,为了提高数采系统的测量精度,采取以下一些技术措施。211 软自动增益的“两次采集”技术如上所述,为了不同规格信号源的测量精度都能得到一定程度的“保证”,通常的测量系统都采取折衷的放大系数,导致系统的平均测量精度较低。据此提出放大系数由待测信号的大小来确定的方法,使每一种信号经过一个合适的放大系数以后都能达到满意的量程范围。这样,在待测信号为单一规格的情况下,测量精度与前者一致;在待测信号规格差异较大时,测量精度要明显优于前者,即平均测量精度明显提高。且这种放大系数的选择不需要人为干预。为了确定这个合适的放大系数,引入“两次采集”技术。第一次称作试采。在放大系数为1的情况下,微处理器对一定时间内VF转换输出的脉冲计数,据此判断采用何种放大系数最佳。试采时间不需要太长,只要有一定数量的脉冲可大体估算出输入信号的量级即可。实际应用中,试采需要的时间大约是8ms(针对具体的工业要求和晶振频率可以适当调整)。第二次称作正采。根据已确定的放大系数,由微处理器对信号放大环节发出控制信号,进行放大系数的切换。放大后的电压信号进入AD652进行VF变换,并由微处理器读出一定时间内的脉冲数量。为保证测量精度,测量时间较长,大约耗时6215ms(针对具体的工业要求和晶振频率可以适当调整)。两次采集方案是一种软自动增益放大技术,与收音机的AGC技术类似。但是前者是在不增加硬件资源的前提下,通过进行软件程序控制实现的,成本更低。212 消除随机过渡过程的“两次捕捉”技术测量通道中串联有两级阻容滤波环节,加之AD652输入内阻较小(只有10kΩ左右),在AD652工作开始和结束的瞬间,由于灌电流和阻容滤波环节的影响,芯片模拟量输入管脚上会出现电压波动,整个正采过程中两次捕捉曲线如图2所示。图2中,A为通
图2 两次捕捉曲线Fig12 Curvesoftwicecapture道切换完毕;B为VF脉冲输出开始,CPU开始脉冲计数;C为第一次捕捉;D为第二次捕捉;E为测量结束;
VF脉冲输出停止。其中图2的AB段和DE段所示即为相应电压波动。为了得到精确的测量结果,在正采过程中引入了两次捕捉的措施。第一次捕捉发生在计数开始后的时刻C,第二次捕捉发生在计数开始后的6215ms处,即时刻D。将两次捕捉结果的差值,也就是时刻C和时刻D之间的脉冲计数,作为正采的结果输出。这样将AD652工作开始和结束瞬间遇到的随机过渡过程被剔除掉了,使测量结果更加准确。213 在线校正图1所示的数据采集系统,由于电路元器件参数的分散性等原因会给数采系统带来一定的单向偏差。主要包括以下几方面:
①放大电路由比较放大器、切换电路、分压电阻等组成,信号放大时也将放大电路器件的电阻引入测量系统。由于元器件的参数的分散性导致数采系统的单向偏差。随着温度的变换,偏差也会发生漂移;
②幅频变换芯片(AD652)前面的滤波环节造成信号衰减,而且衰减的大小与器件的参数有关,引入了系统误差;
③幅频变换芯片一般采用双极性电源输入,对应0V的电压也有一定的频率输出。对于②③采用高精度芯片可在一定程度上提高系统的测量精度,但会大幅度增加成本。为此采用了价格低廉且实用的板内基准源在线校正技术,改进后的数据采集系统硬件结构如图3所示。
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一种基于电压频率变换的高精度数据采集系统 杨丕楠,等PROCESSAUTOMATIONINSTRUMENTATIONVol.27SupplementIssueMay2006
图3 硬件组成Fig13 Hardwarecomposition板内基准源硬件电路位于输入通道的信号选通环节和信号放大环节之间。基准源通过稳压器件和一系列分压电阻得到一组不同量级且高精度的电压基准源,如10mV、20mV、40mV、80mV、100mV、200mV、1V、2V等。该环节通过切换电路和放大电路相连,与输入的测量信号经过完全相同的放大衰减环节,进行VF测量。其中0V电压也作为切换电路的待选输入。引进板的基准源后的测量原理如图4所示。
图4 测量原理Fig14 Principleofmeasurement设某通道的输入信号为V
x,
最合适的量程范围是
40mV,正采得到的脉冲数为NX;与40mV最接近的电压基准值是E
40,当选择同样的放大系数时,
得到的脉
冲数为M40。若0V用同样的放大系数,得到的脉冲数是Z40。根据相似原理可得:
VxNx-Z40=E40
M40-Z40
(1)
由此推算得到真实的测量值为:
Vx=Nx-Z40
M40-Z40
×E
40(2)
可见,通过在线基准电压校准从根本上解决了放大、滤波等环节由于器件参数分散性所引入的单向偏差问题,使数采系统的精度得到进一步的提高。
3 结束语针对流程工业中常用数采系统精度偏低的问题,
提出了以下改进措施:
①软自动增益的两次采集技术提出根据待测信号的规格自动选择放大系数的方法,保证不同规格的待测信号都能找到最佳的放大系数,从而提高了系统的平均测量精度;
②消除随机过渡过程的两次捕捉技术剔除了VF