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模/數轉換PC接口卡的制作

[日期:2012-12-03] 來源:  作者:伊大成 [字體: ]

  模/數轉換PC接口卡電路框圖如下圖所示。位于電路核心位置的是微控制器,ATMEL公司的ATmega8。它在其ADC4輸入腳讀取模擬信號。這個值不斷地采樣,并以10bit數字化。每次采樣的3個16進制值通過串行口傳送3次,每個采樣數據串以一個回車(CR)的ASIIC碼結束。這個處理過程循環重復,采樣頻率可達到約3K/So串行口RS232到TTL信號電平的轉換由MAX232接口驅動器芯片完成。
 

 

模/數轉換PC接口卡電路

  一、信號提升
  
  常聽說一句話:任何一臺測試儀器,好壞全看它的信號放大器。任何非線性意味著不僅僅是在被測信號測量中,而且可能在測試儀器的路徑上出現了缺陷。因此在應變片橋和A/D轉換器之間的放大器的設計十分重要。它提升由于橋電路上電阻的變化所產生的微小的信號直到A/D轉換器的輸入電壓范圍(幾伏)。典型的由梁撓度所引起的橋電阻的改變大約為千分之幾。而橋電路使用的電源電壓為幾伏。

  這意味著橋電路的輸出信號在毫伏(mV)級。在傳感器來的信號能夠在A/D轉換器中被數字化之前需要被放大3個數量級。如果希望這樣小的推力測量信號測量能夠更精確,就需要加上一個放大器。與放大倍數同樣重要的,還需要注意減少電路中的噪音。電路輸入端的電容C18與應變片的內部阻抗組成了一個低通濾波器。橋電阻的典型值為幾百歐姆,與電容C18(110nF)形成最高達幾千赫茲的截止頻率,對于這里使用的采樣頻率是有效的。為檢查應變片的阻抗,可短接Uo+和Uo-,用萬用表在UB+和UB-之間測量。當由于任何原因改用不同的采樣頻率時,濾波電容的值都需要作出相應的調整。

  第2個低通濾波器是由儀表放大器輸出端的R8和C5所組成的。其截止頻率約為3KHz,用于進一步衰減噪音信號。同樣,對應于采樣頻率的變化,濾波器也需要做相應改變。

  在天平和接口卡電路之間要使用屏蔽線,例如S-視頻電纜。要盡量縮短連線以減少拾起電子噪音。電纜端子使用小型DIN連接器。這個連接器的插針布局的焊接面視圖在下圖中給出。

  應變片信號的放大由一個儀表放大器完成,型號為AD620AN。這個芯片是專門為操縱橋式傳感器設計的,具有低噪音特性。這個放大器的增益僅需要用一個單獨的電阻來設置(見數據表)。一個型號為LT1054的電荷泵芯片用來為放大器電路產生所需的負電源。預置電位器P1用于消除在橋電路輸出端的靜態電壓漂移。

  二、測量范圍通
  
  過使用四位開關S2來選擇信號放大器IC上的四個電阻R1~R4,可以選擇四級放大器增益。選擇電阻的值決定了可切換的放大值的范圍從400~4000倍(這些值適用型號為“OTC KV 2001”的廚用天平和標準火箭的測試樣機中)。如果你需要其他的增益值,這些阻值當然可以改變。最好全部使用金屬膜電阻以減少噪音。

  為了使在PC上運行的仿真軟件運行,注意放大值選擇器開關的位置,這個開關的第二個刀用于將芯片的PC1~PC3端口的引腳接地。這4個管腳在軟件中被配置為帶上拉電阻的輸入端。被拉低的那一個腳,取決于測量范圍的選擇。

  ATmega8對每個采樣產生一個10位的數字值,然后加上兩位表示開關選擇的位置。這個值再轉換為3個16進制數據,隨后作為ASIIC碼通過串行口傳送到PC機。加上結束符“CR”,對每次采樣給出4位ASIIC字符串。使用ASIIC編碼的優點是,終端仿真程序可以直接顯示。

  三、電路結構
  
  為構造簡單和制作容易設計了一塊單面PCB板,沒有使用任何SMD安裝元件。PCB及元件布局圖如下圖所示.布局PCB板的尺寸和安裝孔的位置設計為適合由Strapubox公司生產的2515KL型半透明塑料外殼。

  連接器K4允許控制器固件在線編程(ISP)。

  這個連接器的插針定義符合標準布局,例如與加拿大生產的STK200 AVR啟動器組件兼容。而很多編程適配器使用這種ISP協議,但它們使用的VCC連接器不固定。一些適配器由目標系統供電,而另外一些供電給目標系統。跳線JP1就是為適合這兩種類型。

  四、軟件
  
  測量數據通過串行接口電纜送到PC機(或者送到USB口,如果使用USB/RS232接口適配器,如Keyspan高速USB串行口適配器USA-19HS。一個運行于PC上的轉換程序讀入ASIIC碼字符。以Labview語言編寫了這個程序。數字測量值具有基于A/D轉換器位數的精度,還必須縮放以適合橋式電源電和應變片的恒定比例。實踐上,必須消除由于橋式應變片電阻制造公差和稱重盤的質量本身所引起的誤差。這個誤差可以用預置電位器P1消除。每次范圍上的改變,讀數都需要調整。軟件里包含使用已知的參考重量校準天平的方法。這可以消除任何零點偏移,以及確定的負載測量傳感器的恒定比例。

  在校準之后,軟件可以對應時間來規劃整個引擎燃燒期間的力的顯示。

  結果可以存儲,以便以后更加仔細地分析。


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