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上传时间: 2009-08-17
详细说明： 24位的AD转换芯片在外围电路的配合下实现5 1/2的高精度数字万用表，给出了具体的设计电路图和程序片段，以及在手持式存储示波表中应用。 关键字：ADS1211 数据采集系统 高精度 自校准 抽样 HIGH PRECISION MULTIMETER BASED ON ADS1211 APPLY TO PORTABLE OSCILLOGRAPH Shen Zhenqiang[1] chen ting[2] (1.Xiangtan Vocational & Technical College, Xiangt an 411102, China 2.Hunan University of Science and Technology , Xiangtan 411201, China) Abstract: This article introduced the five and a half bits high precision multimeter which was actualized by 24 bit AD chip on the support of the peripheral cricuits.It gave the specific circuit diagram, program segment and its use in portable memory-oscillograph. Key words: ADS1211 data collection system high precision self- calibrate sample 在一般的存储示波器中，一般对电压等参数的测量精度在8bit左右，不能满足高精度测量和检测的要求，在本手持式存储示波表中，除了对DC～100MHz的信号进行波形显示的功能外，还对DC～100KHz的信号进行交直流电压、交直流电流、电阻等电参数的高精度测量，采用ADS1211作为模/数转换器，它是一个具有高精度、宽动态特性的Δ-∑型A/D芯片。下面先对该芯片的主要特点和用法进行简要介绍，随后介绍ADS1211与微处理器以及外围接口电路实现高精度数字万用表的电路及程序设计[1]。 1、 ADS1211简介 1.1 特点及结构 ADS1211特点如下： （1）Δ-∑型A/D转换器。 （2）可编程设置采样速率。 （3）最低功耗为1.4mW。 （4）差分输入。 （5）SPI兼容SSI接口。 （6）具有芯片自校准功能。 （7）采样数据输出速率在10Hz时有效分辨率可达到20位，采样数据输出速率在1000Hz时有效分辨率可达16位。 （8）可使用内部或外部的参考电压。 （9）具有可编程的增益放大器。 ADS1211含有一个四通道多路开关，为24脚DIP或SOIC封装。其结构如图1所示，其内部由可编程增益放大器（PGA）、二阶Δ-∑调制器、调制控制单元、可编程数字滤波器、微控制器单元、寄存器组（指令寄存器、命令寄存器、数据寄存器、校准数据寄存器）、一个串行接口、一个时钟电路和一个内部2.5V电压基准等组成[2]。 1.2 主要性能 可编程增益放大器的增益（G）可设为1、2、4、8、16，而加速因子（TMR）也可设为1、2、4、8、16，它们之间的关系为乘积应≤16，如表1所示。 采样精度同增益和加速因子的设置都有关系，具体如表2所示。这里需要指出的是，不能同时追求采样速度和采样精度，只有选取合适的速度和精度才能体现出该芯片的优势。 1.3 主要功能寄存器 ADS1211内部有5种功能寄存器。其中指令寄存器（INSR）和命令寄存器（CMR）用于控制转换器的操作。数据输出寄存器（DOR）用于存放最新的转换结果。零点校准寄存器（OCR）和满量程寄存器（FCR）用于对转换结果进行校准[3]。 2 、系统设计 系统采用89C51RD2（MCU）和LPC2105（ARM）作为微处理器。系统采用AQW214作为模拟开关，采用AD637实现交流电压的测量，配备MAX232和PDIUSBD12与计算机的连接，将采样数据实时发送至计算机以便观测[4]。 2.1 电源电路 由于本系统采样精度非常高，所以电源电路的噪声必须特别小。本系统采用MAX6161作芯片的+5V电压，MAX6325作为ADS1211的+2.5V基准电压，MAX6325的精度为1ppm。 2.2 信号输入电路 信号输入电路如图3所示。输入信号通过多路开关选择，然后经过跟随器输出，再通过电阻网络输入到模/数转换器的输入端。为了使系统的噪声对采样的影响达到最小，ADS1211差分输入的负端接到2.5V基准电压处。这是因为ADS1211的输入端的输入电压不能大于电源电压，且不能小于零。输入信号在-5V～+5V内变化时，通过计算可知AINP处的电压范围为1.25V～3.75V，2.5V对应的是零点，而AINN接2.5V电压基准，这样就实现了对地信号的转换。 2.3 ADS1211与89C51RD2的接口电路 ADS1212与89C51RD2的接口采用四线制通信方式，如图4所示。ADS1211的DRDY与89C51RD2的P1.1相连，即采用外部中断方式读取采样数据结果。采样数据由SDOUT输出，命令数据由SDIO输入，SCLK作为同步时钟，同时89C51RD2还留有两根口线与MAX232相连，可完成与计算机通讯。根据采集需要，本系统将ADS1211设置为从动方式，（即Slave方式），片选端接地，而同步信号输入端DSYNC接高电平[5]。 2.4 程序设计 本万用表系统软件主要包括系统复位初始化模块、A/D转换控制模块和数据处理模块、显示模块。由于A/D转换控制模块和数据处理模块与具体应用密切相关，即于篇幅在此不作重点介绍。这里只介绍系统复位实始化模块。 系统复位初始化模块包括单片机端口初始化、ADS1211工作状态初始化等。如下是初始化程序和读测试数据程序片段： void WYB_INIT() //初始化程序 {WYB_INSR=0x64; WYB_CMR4=0xa0; WYB_CMR3=0x21; WYB_CMR2=0x7e; WYB_CMR1=0x83; while(!DRDY); WY_WRITE_COMMAND(); //发控制命令 } void WYB_CSDATA()//读测试数据 {float n; unsigned long m; WYB_INSR=0xc0; while(!DRDY); WY_READ(0); 。。。。。。。 for (m=0x408;m<0x411;m++) if (WYB_DATA[m-0x408]!=46) XBYTE[m]=WYB_DATA[m-0x408]-48;//送显示 else XBYTE[m]=11;}} 3 、误差分析 我们采取曲线拟合的方法，对四次采样得到的数据进行三次曲线拟合来消除系统误差，我们在整个区间内取四个点的值，据相对应的Y值即可求出三次拟合的曲线方程为： Y=0.00039X3-0.0030X2+1.0076X-0.00654. 在采用三次曲线拟合后能达到5 位半精度，若采用更高次数的拟合虽能使测量精度进一步提高，但受系统内存容量的限制，制约了曲线拟合的次数。 4 、实验数据及结论 我们对样机用安捷伦34420A（7位半）进行了校验和检测，附表3测试数据表， 本系统的测量精度能达到5位半。 ...展开收缩
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