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        基于SOC的高精度傾角測量系統的設計

        作者: 時間:2011-03-10 來源:網絡 收藏

        1.4 微控制器資源分配
        選用Silicon Labs公司的C8051F350作為處理核心。C8051F350是真正能獨立工作的片上(),它自帶8K字節Flash存儲器,可在編程;集成了1個全差分24位Siva-Delta模/數轉換器(ADC),該ADC具有在片校準功能,2個獨立的數字抽取濾波器可被編程到1 kHz的采樣率;具有2路UART和1路SPI接口。與其他類型的微控制器實現相同功能需要多個芯片的組合才能完成相比,C8051F350不僅減少了成本和系統體積,而且大大提高了系統的可靠性。
        中采用C8051F350的24位Sigma-Delta模/數轉換器作系統信號的模數轉換,SPI接口作MEMS傳感器的溫度采集,以實現對傳感器的溫度補償,UART作串行LED顯示接口。為保證模/數轉換器工作穩定,采用外部基準源。
        1.5 ADC基準源及傳感器電源
        MEMS傳感器SCA100T在為0°時,模擬輸出為其電源電壓的1/2倍,如果傾角傳感器電源電壓有波動,則其輸出會產生相應的波動。因此時,將給模數轉換電路提供基準源的輸出(如圖4所示),經過提高驅動能力后,提供給MEMS傾角傳感器SCA100T作電源(如圖5所示)。一方面,基準源輸出紋波極小,且性能穩定;另一方面,模數轉換器的基準源和MEMS傾角傳感器SCA100T的電源同時向相同方向變化,抵消了MEMS傾角傳感器因電源引起零點漂移的影響。
        圖4中的基準源LM236輸出的2.5 V電壓經過軌對軌運放OPA340組成的跟隨電路處理后,增大了驅動能力,既作為模數轉換電路的基準源,同時還為差分轉換電路提供中心電壓,以及MEMS傾角傳感器SCA100T的電源輸入。

        本文引用地址:http://www.104case.com/article/162331.htm


        圖5中的輸入為圖4中的參考電壓(VREF)輸出。以低漂移、高穩定性運放OPA340組成的運放電路給傾角傳感器SCA100T提供電源,能保證電源紋波小,工作穩定。

        2 信號的數學處理
        2.1 ADC精度控制
        C8051F350內部有具有2個獨立的抽取濾波器(SINC3濾波器和快速濾波器)和1個可編程增益放大器。根據參考文獻SINC3濾波器RMS噪聲小,精度高,缺點是輸出速率較低,而快速濾波器則相反。本設計對速率要求低,而對精度要求高,因此選用SINC3濾波器。SINC3濾波器典型RMS噪聲如表1所示。


        從表1可知,較高的抽取比需要較長的轉換周期,即輸出字速率較低,但具有較低噪聲。
        根據參考文獻,采用SINC3濾波器時,該模/數轉換器的實際分辨率為:

        根據實際分辨率的公式(1)可知,當抽取比為1 920,輸出字速率為10 Hz時,根據實際分辨率的公式(1)可得到實際分辨率約為20.00位。
        SCA100T傳感器的靈敏度為70mV/(°),分辨率為0.0025°,ADC參考電壓VREF為2.5V,則需要能檢測的最小信號為0.0025°x70mV/°= 0.175 mV,根據0.175 mV/2.5 V=1/14 286可知,ADC的位數至少應為14位,即214=16 384>14 286,根據減額設計要求,取20位,所以本設計完全滿足設計要求。
        2.2 溫度補償
        根據參考文獻,SCA100T-D01的溫度誤差曲線如圖6所示。


        通過曲線擬合,其曲線方程為:

        在信號通過模數轉換器采集后,轉換為角度輸出時,根據實時采集的傾角傳感器SCA100T處的溫度值,就可以根據溫度補償曲線補償相應的角度值,將溫度對傾角的影響降到最低。

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