基于atmega128单片机的微位移测量系统

基于atmega128单片机的微位移测量系统内容摘要：

~ +70℃。 工业级： 20℃ ~ +85℃。 军 级： 55℃ ~ +125℃。 时间常数小，动态特性好，频带宽一般为 200HZ(5ms)最高可 500HZ(2ms)。 毛利率高：可达 60% ~ 70%。 LVDT 与光栅，磁栅，同步感应器等高精度测长仪器相比有以下几个优点： 动态特性好，可用于高速在线检测，进行自动测量，自动控制。 光栅、磁栅等测量速度一般为 m/s 以内，只能用于静态测量。 LVDT 可在强磁场， 大电流 、 潮湿 、 粉尘等恶劣环境下使用。 可以做成在特殊条件下工作的传感器，如耐高压 、 高温 、 耐辐射 、 全密土封在水下工作。 可靠性非常好，能承受冲击达 1000g/11ms,振动。 体积小，价格低，性能价格比高。 AD698 AD698 是美国 Analog Devices 公司生产的单片式线性位移差分变压器 (LVDT) 信号调理系统。 AD698 与 LVDT 配合 ， 能够高精确和高再现性地将 LVDT 的机械位移转换成单极性或双极性的直流电压。 AD698 具有所有必不可少的电路功能 ， 只要增加几个外接无源元件来确定激磁频率和 增益 ， 就能把 LVDT 的次级输出信号按比例地转换成直流信号。 本次设计采用的就是 AD698 芯片。 AD698 的特点 AD698 提供了用单片电路来调理 LVDT 信号的完整解决方案 ， 它含有内部晶振和参考电压源 ， 只需附加极少量的无源元件就可实现位移 的机械变量到直流电压的转换 , 并且无需校准。 其单极性或双极性直流 输出 电压正比于 LVDT 的位移变化。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 10 AD698 能够适用于多个不同类型的 LVDT。 因为 AD698 的输入电压、输出电压及频率适应范围都很宽 ， 其电路的优化设计 ， 使得它与任何类型的 LVDT 配合使用都能获得理想效果。 驱动 LVDT 的激磁信号频率为 20Hz ～ 10kHz， 它取决于 AD698 的一个外接电器。 AD698 的输出电压有效值达 24V， 能够直接驱动 LVDT的初 级激磁线圈 ， LVDT的次级输出电压有效值可以低于 100mV。 振荡器的幅值随温度变化不会影响电路的整体性能。 AD698采用比率译码方案 ， 即通过计算次级电压与初级电压的比率来确定 LVDT的位置和方向 ,无需整定。 只要电源不过载 , 一个 AD698可以串联或并联驱动多个 LVDT。 其激励输出具有热保护功能。 在简单的机电伺服回路设计中 ， 可以将 AD698作为一个积分环节来处理。 AD698的工作原理 电 压 参 考A / B L V D T B A 放 大 器 振 荡 器 A D 6 9 8 滤 波 器 放 大 器 图 AD698 与 LVDT 连接的功能框图 AD698 可由单电源或双电源供电。 单电源工作范围为 13V～ 36V， 双电源工作范围为177。 12V～177。 18V。 本次设计采用双电源 177。 12V 来供电。 AD698 的工作温度范围为 40 ℃～ 85 ℃ ， 在工作温度为 + 65 ℃ 时最大功率为 12mW/℃。 AD698 是一种完善的、单片集成的差动变压器式信号处理子系统 ， 内部结构框图如内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 11 图 所示。 它包括一 个低失真的正弦波发生器、功率放大器、两路同步解调通道 A 和B、比例电路、滤波器和输出放大电路。 正弦波振荡电路产生的正弦波频率范围为 20Hz～10KHz ， 幅值范围为 2V～ 24V。 总谐波失真的典型值为 50dB。 AD698 输出的正弦波可直接用于激励传感器的初级线圈 ， 而传感器次级线圈输出的正弦波则可直接 作为 AD698 的输入。 AD698 对输入信号进行处理 ， 产生一个标定的单极性或双极性直流电压信号。 AD698 首先驱动 LVDT， 然后读出 LVDT 的输出电压并产生一个与磁芯位置成正比的直流电压信号。 AD698 用一个正弦波函数振荡器和功率放大器来驱动 LVDT， 并用二个同步解调级来对初级和次级电压进行解码 ， 解码器决定了输出电压与输入驱动电压的比率 (A/B)。 滤波器 和放大器可按比例整输出结果。 振荡器中包含一个多谐振荡器 ， 该多谐振荡器产生一个三角波 ， 并驱动正弦波发生器产生一个低失真的正弦波 ， 正弦波的频率和幅值由一个电阻器和一个电容器决定。 输出频率在 20Hz～ 10kHz 可调 ， 输出有效幅值在 2V～ 24V 可调， 总谐波失真的典型值是50dB。 AD698通过同步解调输入幅值 A（ 次级线圈侧 ） 和一个固定的参考输入 B（ 初级线圈侧或固定输入 ）。 早期解决方案的共同问题是驱动振荡器幅值的任何漂移都会直接导致输出增益的错误。 AD698通过计算 LVDT输出与输入激励的比率消除了所有的偏移影响 ，从而避免了这些错误。 AD698不同于 AD598型的 LVDT信号调理器 ， 因为它实现了一个不同的电路传递函数 ， 并且不要求 LVDT的 次级线圈 （ A+B） 是一个随行程长度而定的常量。 AD698 的输入包括二个独立的同步解调通道 A 和 B。 B 通道用来监测驱动 LVDT 的激励信号 ， A 通道的作用与之相同 ， 但是它的比较器引脚是单独引出来的。 因为 在LVDT 处于零位的时候 ， A 通道可能达到 0V， 所以 A 通道解调器通常由初级电压触发。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 12 另外 ， 可能还需要一个相位补偿网络给 A 通道增加一个相位超前或滞后量 ， 以此来补偿LVDT 初级对次级的相位偏移。 一旦两 个通道信号被解调和滤波后 ， 再通过一个除法电路来计算比率 A/B， 除法器的输出是一个矩形波信号。 AD698 的应用 AD698 双 电源供电时的外围电路如图 所示。 外部无源元件的参数设置包括激励信号的频率和有效幅值、 AD698 输入信号的频率和比例因子 (V/inch)。 另外 , 还有一些可选择的特性 ： 零位 偏移补偿、滤波、信号综合等 ， 这些功能可以通过另外一些外围元器件来实现。 外围元器件及其参数大小应适合任何符合 AD698 输入 /输出标准的 LVDT。 （ 1） 确定 激励信号频率 为 ， C1=35μFHz/f EXCITATION =。 A F I L T 219A F I L T 120O U T F I L T21F E E D B A C K22S I G O U T23S I G R E F24NC25OFF226OFF127+Vs28Vs1EXC12EXC23NC4L E V 15L E V 26F R E Q 17F R E Q 28NC9B F I L T 110B F I L T 211NC12BIN13+BIN14AIN15+AIN16+ACOMP17ACOMP18U1A D 6 9 8C 1 _ 10 . 0 1 u FR 1 _ 118KC 1 _ 20 . 1 u FC 1 _ 30 . 1 u FC 1 _ 40 . 1 u FC 1 _ 5470pF W 1 _ 210KR 1 _ 230KOSC1+OSC1OSC1+OSC1OSC1OSC1+OSC1O U T 1C 1 _ 6104A G N D+C 1 _ 710uFC 1 _ 8104+C 1 _ 910uFVCC_12VVCC12VW 1 _ 310KR 1 _ 31KV C C _ 1 2 VW 1 _ 410KR 1 _ 41KV C C _ 1 2 VLIN1 图 AD698 双 电源供电的外围电路 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 13 （ 2） 依据激励信号 VEXC的电压幅值来决定 R1， 通常 ， R1 可以调节激励电压的大小， 当 VEXC≥24V， 10Ω≤R1≤100Ω； 当 12V≤VEXC≤24V时， ≤R1≤1kΩ； 5V≤VEXC≤12V时， 1kΩ≤R1≤10kΩ； 0V≤VEXC ≤5V时， 10kΩ≤R1≤100kΩ。 本设计的 R1 值为 18K。 （ 3） C C3决定了 AD698 的系统频带宽度 ，原则上，它们的电容值应该相等，即 C2=C3=104FHz/f SUBSYSTEM=104FHz/ kHz=。 （ 4） R2 用来设定 AD698 的增益和满量程时的输出范围， C C5为旁路电容，对输出波形进行滤波。 计算 R2 需要以下相关参数： 的敏感度 S，它的值可以在生产厂家目录手册中查到，单位是 V/V/mile，其物理意义是每英寸的位 移每伏特的输入对应的电压输出伏特。 的磁芯从零位到满量程的位移 d。 在 S 和 d 确定后， R2 的计算公式如下： R2=VOUT/（ Sd500μA） （ ） 其中， VOUT 是相对于参考信号 的输出。 （ 5） R R4 可实现正、负输 出 电压补偿调节。 如果不需要补偿调节， R R4 应被开路。 其阻值可由下述公式推算得出： Vos=R2{[1/(R3+2kΩ)1/(R4+2kΩ)]} （ ） 信号处理部分 CS5524 本次设计 要实现微小位移的测量，需要高精度的 A/D 转换器来实现， A/D 转换器CS5524 集信号放大、 A/D 转换、数 字滤波等功能于一体， 改变了微弱信号处理的 方法，大大减少了信号采样和处理电路元器件的数量。 CS5524 是一种 24 位 Δ Σ 调制式、 4 通内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 14 道模数转换器， 内含多路开关、斩波稳定仪表放大器、可编程增益放大器（ PGA）、数字滤波器、自校正和系统校正电路等；另外，还集成有一个电荷泵驱动电路，为片内放大器提供负偏置电压。 CS5524 具有功耗低 (5mV)、单 /双极性测量量程调节范围大 (25 mV~5 V)和输入电流低（ 100pA）的优点，它还具有 三线串行接口，便于与计算机连接。 具有诸多功能。 所以，本次设计采用 CS5524 来完成信号的采集与模数转换。 图 为 CS5524 的引脚图。 A G N D1V A +2A I N 1+3A I N 14A I N 3+5A I N 36N B V7A08C P D9S D I10/ C S11X I N12X O U T13S D O14D G N D15V D +16S C L K17A118A I N 419A I N 4+20A I N 221A I N 2+22R E F 23R E F +24 图 CS5524 的引脚图 CS5524 芯片在每次软件复位或硬件复位后都会置为缺省值 ， 在缺省值下 ,芯片均能正常工作。 CS5524 的主要特点 采用Σ Δ 结构 ； 输入动态范围大 ， 共有 25mV、 55mV、 100mV、 1V、 、 5V 等 6 个单 / 双极性量程可选 ； 可编程选择通道 ； 每个通道内均带有可读写的系统校验与自校验存储器 ； 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 15 功率消耗仅 5. 5mW。 其引脚功能如表 所 列 ： 表 CS5524 各引脚名称及功能 引 脚 名 功 能 引 脚 名功 能 A G N D V A + A I N 1 + A I N 1 A I N 3 + A I N 3 N B V A 0 C P D S D I C S X I N V R E F + V R E F A I N 2 + A I N 2 A I N 4 + A I N 4 A 1 S C L K V D + D G N D。