|
示波器是一種用途十分廣泛的精密電子測量?jì)x器，在科學(xué)研究領(lǐng)域和實(shí)驗室中應用廣泛，但目前這類(lèi)儀器設計復雜，價(jià)格較昂貴。 隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(guò)軟件編程來(lái)實(shí)現儀器的功能。與傳統的實(shí)體儀器相比。虛擬儀器最大的特點(diǎn)在于其功能的可重構性和應用的靈活性，使用者可以通過(guò)修改軟件來(lái)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(shù)只需配備必要的數據采集硬件，不僅可以實(shí)現傳統示波器的各項功能，而且還具有存儲、回放等特點(diǎn)。 鑒于虛擬示波器的各種優(yōu)點(diǎn)和廣泛用途，研制出性能優(yōu)越的虛擬示波器具有重要的實(shí)際應用價(jià)值。數據采集系統是整個(gè)虛擬示波器的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統的品質(zhì)，所以需要專(zhuān)門(mén)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(jīng)過(guò)多路選擇開(kāi)關(guān)CD4051選通后進(jìn)入信號調理電路，先經(jīng)過(guò)兩片放大倍數可自動(dòng)設定的AD526適當放大，然后進(jìn)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(tài)轉換引腳通過(guò)一個(gè)非門(mén)進(jìn)行連接，這樣就實(shí)現了采樣狀態(tài)與保持狀態(tài)的自動(dòng)轉換，無(wú)需單片機進(jìn)行控制。信號經(jīng)過(guò)采樣保持電路后進(jìn)入AD574進(jìn)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(guò)查詢(xún)緩存器的標志位，執行向其寫(xiě)入數據或者從中讀出數據命令。當數據存滿(mǎn)時(shí)，從IDT7202中讀出數據并將它寫(xiě)入CH372，再通過(guò)USB將數據上傳至PC機進(jìn)行相關(guān)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(mǎn)量程值。信號調理的作用是使輸入信號滿(mǎn)足A／D轉換器的幅度要求，同時(shí)也擴大了輸入信號的幅度范圍。比如大信號必須經(jīng)過(guò)適當的衰減，以免因為幅度過(guò)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(guān)測信號，并且也沒(méi)能夠充分利用A／D轉換器的分辨率，會(huì )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(jìn)行自動(dòng)增益控制的放大器。AD526是美國AD公司生產(chǎn)的一款性能優(yōu)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(lián)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(jìn)行放大，以滿(mǎn)足線(xiàn)性放大要求，則放大器的放大倍數需要實(shí)時(shí)控制，AD526能夠滿(mǎn)足這樣的要求，它的放大倍數隨時(shí)可以由一組數碼控制。將從CD4501輸入的現場(chǎng)信號根據要求自動(dòng)調整到適合A／D轉換的最佳輸入范圍，再啟動(dòng)AD574進(jìn)行轉換，能夠有效地保證在低輸入時(shí)的轉換精度，擴大采集系統的動(dòng)態(tài)范圍�？删幊炭刂圃鲆骐娐啡鐖D2所示。 1．2 A／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，先進(jìn)的RISC結構，具有32 KB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(diǎn)，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(shí)鐘，可廣泛應用在數據采集系統中。由于A(yíng)D574芯片內有三態(tài)輸出緩沖電路，因而可直接與單片機的數據總線(xiàn)相連，而無(wú)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(shí)現12位高精度轉換，轉換結果分兩次輸出。AD574狀態(tài)引腳STS接至單片機PC口的第3引腳，采用查詢(xún)方式讀取轉換結果。當R／C=0時(shí)，啟動(dòng)A／D轉換器進(jìn)行模／數轉換；經(jīng)25μs后STS=1，表明A／D轉換結束，此時(shí)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(yǔ)言編寫(xiě)，程序分成若干個(gè)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(gè)子程序分別進(jìn)行單獨設計與調試，最后將調試好的各子程序塊鏈接起來(lái)進(jìn)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(yǔ) 通過(guò)對該數據采集系統的軟硬件設計，實(shí)現了雙通道的數據采集。系統經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，能夠對O～10V的模擬電壓信號進(jìn)行精度高采集，性能指標達到了設計要求，實(shí)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。 |
