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1、摘要：本文从双ADC同时采样可以消除测试电流的误差和漂移对测量结果的影响出发,通过对单片机与两个ADC 串行采集等电路和程序的设计,使测量信号处理系统解决了大功率m 量级直流电阻器传统的量值传递方法和电阻测量方法中存在的问题。关键词：双ADC;同时采样;单片机;串行采集;误差分析引言随着 ADC(AD转换器)和单片机技术的发展及其价格的低廉,基于双 ADC 同时采样的单片机测量信号处理系统(以下简称信号处理系统),将在传统的电阻测量装置和电阻测量仪器的技术改造中广泛应用。如在大功率(100A 及以上额定电流)m量级的直流标准电阻器的量值传递装置和电阻测试仪中,应用该信号处理系统可将传统的过渡传
2、递法中的电阻比的测量创新为电位比的测量,可将伏安法原理的电阻测量创新为比例法测量。由于 ADC 的转换准确度高,双 ADC 对被测信号和标准信号同时采样,单片机对两个信号同时处理,因而消除了测试电流误差和漂移对测量结果的影响,提高了装置和仪器的测量准确度。信号处理系统的原理基于双 ADC 同时采样的单片机测量信号处理处理系统的原理框图见图1。图 1 系统框图图 1 中,模拟信号Ux 和 Un 是通过同一测试电流的被测电阻器Rx 和校准电器Rn 上的电位,其测量公式为Rx=Ux/UnRn,Rn 为已知。Ux 和 Un 经放大器 ICl 和 IC2 放大后,其信号与ADC 的输入范围相匹配。ADC
3、I 和 ADC2 对两个模拟信号同时采样并转换成数字信号,单片机对采集到的两个数字信号按照测量公式Rx=Ux/Un Rn 编制的程序进行处理,处理结果通过相应的接口与显示器、打印机连接,在功能键的控制下显示或打印出测量结果。通过RS-232 接口可与外部计算机通讯。放大器的设计和校准信号处理系统中Ux 和 Un 一般为 mV 量级,所选用的ADC 的输入范围为02V,因此需要放大。放大器的设计主要考虑的参数是系数和漂移,ICl 和 IC2 选用精密运算放大器ICL7650。系数根据 Un来确定,如 Rn为 1m,测试电流为100A,则 Un=100mV,系数设计为10。ICL7650的外围电路
4、很简单,只需配置2 只电容和两只精密电阻就可达到设计要求。校准时在IC1、IC2名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 4 页 -的输入端加一个100mV 的标准信号,通过调节ICl、IC2 输入端与输出端之间的反馈电阻,使其输出端的信号为1V,误差和漂移为 5 10-5,在输出端用6 位半 DVM 监测。单片机与ADC 的连接信号处理系统中ADC 的选择依据是：被处理信号的范围、误差和分辩力。一般选用4 位半或 5 位半积分式ADC。如在比例法智能 量级的电阻测试仪中,选用的 ADC 为 4 位半的ICL7135。单片机与两个ICL7135 的连接显然不能采用并行连接方
5、式,因为单片机的接口满足不了两个ADC 的要求。只能根据ICL7135 的特点,采用串行连接即串行采集方式。ICL7135 为双积分式ADC,每个转换周期包括：自动调零、信号积分、反向积分和零积分四个阶段。从信号积分开始,内部逻辑控制电路中(忙碌输出端)BUSY 信号为高电平,一直到反向积分结束时才返回低电平。在满足量程1.9999V模拟信号状态下,积分阶段的脉冲数为30002CLK(时钟信号),其中信号积分阶段的脉冲数为10001,反向积分阶段的脉冲数为20001且反映的是转换结果。因此,对于量程范围内的模拟信号,BUSY等电平的宽度与转换结果具有一一对应的关系。根据ICL7135 的这个特
6、点,单片机可以与ICL7135 进行串行连接,具体连接图见图2。这种连接方式的电路很简单,在满足两路数据串行采集要求的同时,占用口线少,提高了可靠性,使系统资源得到充分利用。图 2 单片机与双ICL7135 串行连接电路图 2 中,T0 和 T1 为单片机 89C58 的定时/计数器,其输入端分别与ICL7135/1 和 ICL7135/2 的21 脚 BUSY 输出端连接。89C58 的 ALE 产生的脉冲信号经分频器74LS390 分频后接至两个ICL7135 的 CLK 端(22 脚),作为时钟输入信号。T0、T1 是否工作将接受BUSY 信号的控制,其选通控制信号设定为1,控制字 TM
7、OD 设置为“05H”。T0、T1 计数的积分阶段脉冲减去10001即为 A/D 转换结果,具体的工作流程见图3 所示。信号处理过程和方法单片机采集到两个ADC 数据后,依据测量公式Rx=Ux/Un Rn 编制的运算程序对数据进行处理,处理过程和方法如下。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 4 页 -图 3 软件流程图Rn 为已知,可将其实际值对应的二进制数作为常数写入单片机片内ROM 中;对采集到的Ux和Un 的转换数据进行除法运算,运算结果存人片内RAM;将常数和除法运算结果从片内ROM 和片内 RAM 中取出并进行乘法运算,运算结果存人片内RAM1 乘法运算结果
8、为最终处理结果。选用的显示器为4 位半点阵LCD 显示器。信号的最终处理结果通过单片机的P1 口与显示器的带锁存器的译码器驱动芯片连接,显示器显示出存放于单片机片内RAM 中的数码,显示程序的要点是：将显示缓冲区的数码通过P1.0P1.7 依次送人译码驱动芯片,方波信号驱动、方波信号从P317 获得,电平交变频率由定时器T1 控制。显示程序包括：主程序和T1 中断服务程序,均为通用程序。所选用的打印机一般为TP P 型,其输入电路中有锁存器,输出电路中有三态门。打印机的数据总线 DB0DB7 与单片机的P0 口(P0.00.7)直接连接。单片机用一地址线P2.7 来控制打印机的数据选通信号ST
9、B 或读取打印机“忙”状态信号BUSY状态。打印机口地址为7FFFH。编写打印程序时的主要操作是：采用查询方式判断BUSY 线的状态;CPU 输出数据时,同时给 STB 送一个负脉冲,使数据送入打印机锁存。打印程序也为通用程序。系统中设计了“测量”、“打印”、“复位”三个功能键,通过功能键的操作使相应的程序得到执行。RS-232 接口电路：在单片机的RXD 和 TXD 脚,接人专用电平转换器MCl488 进行 TTL 电平和 RS-232 电平的转换,通过互连线实现与外部计算机的数据通信。信号处理系统的误差分析名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 4 页 -信号处理系统
10、的数学模型为Rx=B/Rn,B=Ux/Un。它是进行系统的误差分析的基础。如信号处理系统应用于 量级的的智能电阻测试仪中,应根据所配置的Rn、放大器和ADC 的技术指标进行具体的误差分析,根据分析结果合理地确定系统或仪器的测量误差。电阻标准器的误差如配置的电阻标准器Rn 的标称值为lm、额定电流为100A,准确度等级为0.05 级,则 Rn 的极限误差为土5 10-4。与其相应的常数的误差也为土5 10-4。放大器的误差放大器的误差包括系数的误差和漂移。选用前述ICL7650 设计的放大器经校准后,该项误差为 5 10-5。由于 Ux 和 Un 为比值关系,当两个放大器的误差符号不同时,则放大
11、器引起的误差可能达到 1 10-4。A/D 转换误差所配置的两个ADC 为 4 位半 ICL7135,其转换误差为土1 10-4。同样由于Ux 和 Un 为比值关系,如果 ICL7135/1 和 ICL7135/2 的转换误差符号不同,则 A/D 转换误差可能达到土2 10-4。综合误差上述配置的信号处理系统(仪器)的主要误差来源于：电阻标准器的误差、放大器的误差和A/D转换误差。将这三项误差按均方根法合成,得到的综合误差为：5.5 10-4。考虑到信号处理系统(仪器)的使用环境条件(包括温度、湿度、电磁干扰等)的影响,应保留一定的误差沉余,在确定系统(仪器)最终的测量误差时,可将 5.5 10-4放宽至1 10-3。从而得到仪器测量误差公式为 (1 10-3Rx+2 字)。如果信号处理系统应用于大功率m 量级电阻标准器的量值传递装置中,则应根据配置的 Rn、放大器、ADC 的技术指标,进行测量不确定度的评定。结束语基于双 ADC 同时采样的单片机测量信号处理系统充分利用了单片机资源,在不提高测试电源条件的情况下,使被测量的量值直接溯源到相应的标准,并提高了测量准确度。通过前级信号的转换,该信号处理系统可广泛应用于其它电参数测量装置和测量仪器中。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 4 页 -