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激光粒度仪数据采集系统研究与实现

作　者: 牟向阳
导　师: 江海鹰
学　校: 济南大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: 电流切换电平转换 8051F020 多通道数据采集
分类号: TP274.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

本文主要研究了多通道微弱信号的数据采集方法,传统的电流采集由于I/V转换电阻参数不匹配和多通道放大电路通道间误差的影响是制约当前的弱信号多通道采集电路的一大障碍。本文提出了先进行电流直接切换然后再进行I/V转换的方案。这样只需要一个I/V转换电路就可以达到对信号进行采集的目的,简化了电路的设计,使电路面积大大减少,通道间存在的分散性误差也就消除了,但是采集的速度明显降低。实验证明,电流源输入端存在分布电容,分布电容的存在使模拟开关在切换的瞬间产生很长的尖峰脉冲,等持续一段时间后尖峰脉冲才能消失,基于这一现象,本文又提出了一种新的电流切换方案,即每一个通道利用两个开关进行控制,在通道切换之前一个开关与电阻串联接地,处于闭合状态。另一个开关与后级I/V转换电路相连,处于打开状态,当进行切换通道时,与电阻相连的开关打开,与后级I/V转换电路相连的开关闭合,这样就能够消除尖峰脉冲的产生。为了减少开关的数量,进一步优化电路,本文利用多路模拟开关CD4053[19]实现这一方案,每个CD4053包含三个独立的单刀双掷开关。通道切换之后再经过一个I/V转换模块,将电流信号转换为电压信号,然后通过由电压比较器产生的编码电路与下位机内置的PGA模块实现自动比较量程转换,这一设计思想,扩大了电路的动态范围,采集速度有很大的提高。本课题的下位机是采用8051F020作为主控制器,这是一款高性能的单片机,其内部含有了模数转换模块、数模转换模块、电压比较器、PGA、而且采用CMOS工艺,功耗低,支持串口通信和USB通信。下位机接收到采样数据时先对内部采到的数据进行处理,然后再将处理好的数据通过串口或USB通信的方式发送到上位机,通过上位机进行强大的数据显示和分析。由于下位机是采用的3.3V的电源供电,而模拟开关是采用+5V供电,所以在设计电路时要考虑将CMOS电平转成TTL电平,采用SNLVC164245的专用电平转换芯片,可以实现这一条件。另外,在进行电路设计时也简单介绍了制版时的注意事项。

全文目录

摘要  7-8
ABSTRACT  8-10
第一章绪论  10-14
  1.1 激光粒度仪的发展状况  10-11
  1.2 本课题的研究目的和目标  11
  1.3 本文所做的主要工作  11-14
第二章采集电路方案及设计方法  14-18
  2.1 常规多通道数据采集电路方案  14-16
  2.2 直接电流切换电路方案  16-17
  2.3 多通道流水线实现方案  17-18
第三章硬件电路设计  18-42
  3.1 传统采集电路存在的问题及解决方法  18-21
  3.2 系统改进后的方案论证及各模块方案  21-26
    3.2.1 方案论证  22-23
    3.2.2 多路模拟开关的选择  23-26
  3.3 I/V 转换电路  26-28
  3.4 自动比较量程转换放大电路  28-30
  3.5 MCU 简介  30-36
    3.5.1 电源电路  31-32
    3.5.2 电平转换电路  32-35
    3.5.3 复位电路  35-36
  3.6 USB 接口电路设计  36-39
  3.7 印刷电路板的设计  39-42
    3.7.1 地线设计  39-40
    3.7.2 电容配置  40-41
    3.7.3 印制电路板的尺寸与器件布置  41-42
第四章软件设计方案  42-52
  4.1 开发环境  42-43
  4.2 系统初始化  43-45
    4.2.1 模拟开关初始化  43-44
    4.2.2 AD 初始化  44-45
    4.2.3 放大倍数处理  45
  4.3 USB 接口驱动程序  45-47
  4.4 下位机数据处理  47-52
第五章系统调试与检测  52-56
  5.1 测试结果  52-54
    5.1.1 准确性测试  52-53
    5.1.2 稳定性测试  53-54
  5.2 线性度和均匀性误差测试  54-56
第六章结论与展望  56-57
参考文献  57-60
致谢  60-61
附录  61

激光粒度仪数据采集系统研究与实现

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