利用SoC單片機的多功能數據采集卡

摘    要：本文介紹了一種SoC單片機控制的多功能數據采集卡，在輸入通道中增加程控濾波、程控增益放大器和多級陷波電路，采集卡的功能選擇和參數改變均由SoC單片機軟件控制。本文給出了關(guān)鍵部分的電路圖、元件參數和實(shí)測數據。
關(guān)鍵詞：SoC 單片機；程控放大；程控陷波

引言
目前大多數的數據采集卡并不能適應工業(yè)控制現場(chǎng)或像野外那樣存在多種噪聲干擾的使用環(huán)境，特別是對50Hz工頻干擾及其諧波干擾無(wú)法起到抑制作用。在這種情況下，采集到的數據往往有很多錯誤或者采集卡無(wú)法正常工作。
本數據采集卡與以往數據采集卡相比增加了諸多功能。采用與以往數據采集卡不同的結構：給輸入通道增加了程控濾波環(huán)節，即前置濾波器的中心頻率及50Hz工頻及其諧波頻率陷波器的選擇都采用單片機軟件控制，可根據現場(chǎng)需要進(jìn)行選擇，以適應不同環(huán)境。同時(shí)本采集卡運用SoC設計思想，使用Cygnal公司新推出的C8051Fxxx高速單片機，在片內實(shí)現通道轉換及A/D轉換。這樣既減小了硬件開(kāi)銷(xiāo)又縮短了數據傳送距離，還能進(jìn)一步抗干擾，而且不用更改硬件電路，就可對采集卡的功能進(jìn)行更改或擴展。

系統硬件結構
多功能數據采集卡的系統結構如圖1所示。
采集卡共用八個(gè)模擬輸入通道，每個(gè)輸入通道都具有獨立的帶通濾波器、程控增益放大器和多級陷波器。其中每個(gè)帶通濾波器的中心頻率都可分檔選擇，且每個(gè)濾波器是否需要接入電路也可由單片機控制。程控增益放大器的放大倍數可由單片機分檔控制。模擬信號經(jīng)過(guò)濾波、放大電路后，在進(jìn)入單片機進(jìn)行A/D轉換之前需經(jīng)過(guò)多級陷波器以消除50Hz及其諧波干擾，陷波器的中心頻率和級數也可由單片機根據使用環(huán)境選擇。采集卡的控制核心是SoC單片機C8051F020，其內部集成有12位100ksps逐次逼近型ADC和8選1模擬多路選擇器。數據采集卡采集到的數據通過(guò)EPP接口送到上位機。
程控濾波器原理及電路
本采集卡程控濾波電路如圖2所示。該電路由兩級相同的濾波器級聯(lián)而成，每級由三個(gè)高精度、低失調、低噪聲運放OP07和兩個(gè)12位電流輸出DAC AD7533構成。將AD7533的Iout2引腳接地，則其Vref和Iout1兩個(gè)引腳之間等效為一個(gè)受DATA9~DATA0控制的電阻網(wǎng)絡(luò )，等效電阻為：，其中R為DAC芯片電阻網(wǎng)絡(luò )的單個(gè)等效電阻值，對于A(yíng)D7533為10kW；n為DAC的位數，對于A(yíng)D7533，n=12；D為DATA9~DATA0對應的二進(jìn)制值，這里可取1~4095。該電路的中心頻率為：，其中；當取R1=R2=R4=RG=50kW；C1=C2=0.0156mF；RQ=12.5kW時(shí)，中心頻率

用SoC單片機的P1口和P4.0、P4.1控制DATA0~DATA9，就可通過(guò)改變DATA0~DATA9的數值改變REQ，進(jìn)而改變?yōu)V波器的中心頻率。
將兩級電路級聯(lián)起來(lái)，構成圖2中的完整電路，可以進(jìn)一步提高品質(zhì)因數。表1中列出了D取不同值時(shí)，實(shí)際測得的中心頻率和-3dB處的頻率，反映出該電路不但可以高精度地控制中心頻率，而且具有很高的Q值。
陷波器電路
50Hz交流電干擾是數據采集中不可避免的嚴重問(wèn)題，采集電路中必須設置50Hz陷波器，將以差模形式串入的50Hz及其諧波濾除。
圖3為二階雙T型50Hz陷波器電路，陷波深度-40dB以上，Q值約為3。取R1＝R3＝R和C1=C2=C3=C時(shí)，陷波器的中心頻率為：，R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.1mF時(shí)，中心頻率為50Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.033mF時(shí)，中心頻率為150Hz；取R1=R3=45kW和C1=C2=C3=0.02mF時(shí)，中心頻率為250Hz。這樣就構成三級陷波器，每級陷波器又受一單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)ADG419控制，SoC單片機可選擇將哪一級或哪幾級陷波器接入電路。該電路經(jīng)過(guò)測試與實(shí)際應用，證明對50Hz及其諧波具有極好的抑制能力。
程控增益放大器
程控增益放大器電路采用精密的可編程增益控制儀表放大器PGA202，它具有較高的共模抑制比(增益為1時(shí)，CMRR優(yōu)于80dB)，單位增益帶寬為1MHz。其可編程增益有