導語：信號功能電路設計分析論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

【摘要】:在不改變硬件情況下,采用一種新的設計方法,使用軟件進行簡單的設定,通過單片機完成對光繼電器的控制及數字電位器的調節,從而實現對不同信號的采集的功能。

【關鍵詞】:單片機;數字電位器;信號調理電路

在實際生產中往往需要對多種物理信號進行檢測以便實現計量和控制,針對不同的信號往往需要不同的采集電路,這樣一來在設計、安裝與調試方面就存在很多不便之處。本文提出一種通用的可對多種信號進行采集的信號調理電路。若將此電路應用于儀器儀表中,則不必開箱,只需通過軟件設定即可接收工業現場常見的各種信號,并可同時對八個通道模擬量進行采樣記錄,各個通道完全隔離。

1、硬件設計

信號調理電路單路輸入的硬件結構,包括信號輸入、放大、單片機控制等幾大部分。信號輸入電路由精密基準電源MAX872、光繼電器AQW212E、運放4502及精密儀表開關電容模塊LTC1043等組成。其中精密基準電源的使用一方面提升輸入信號的電位,避免低電位測量時的干擾誤差;另一方面作為一路檢測電路,其測量結果可以修正其它回路的檢測結果,實現系統的在線自校正。MAX872具有較寬的電壓輸入范圍(2.7~20V),輸出精度可達2.500V±0.2%。LTC1043CN是雙精密儀表開關電容,電容外接,多用于精密儀表放大電路、壓頻轉換電路和采樣保持電路等。當內部開關頻率被設定在額定值300Hz時,LTC1043CN的傳輸精確度最高,此時電容器CS和CH大小均為1μF。LTC1043CN和運放LT1013組成差分單端放大器,采用LTC1043CN為差分輸入的電壓采樣值,電壓保持在電容器CS上并送到接地參考電容器CH中,而CH的電壓送到LT1013的非反相輸入端放大。LTC1043CN是通過電容完成電壓的傳輸,使電壓由差分輸入變為單端輸入,并起到了很好的信號隔離作用,在本設計中雙電容的巧妙接法解決了熱電阻的三線制輸入問題。

放大電路由運放LT1013和數字電位器X9241M組成,放大增益由數字電位器X9241中三個數字電位器決定,使輸入信號經過放大后均變為0~500mV的電壓信號,滿足模數轉換器允許的電壓輸入范圍。本部分電路僅完成信號輸入,是我們研制網絡化智能儀表的一部分,對于輸入信號模數轉換、數據處理、顯示則由其它模塊完成。S4、S5、S6是控制一路輸入的光繼電器,采集該路信號時同時合上,其他電路是所有通道信號輸入的公共電路,只是根據輸入信號的不同,單片機改變其余光繼電器的狀態,形成不同的輸入電路。具體可分為以下幾種情況:

(1)采集1~5V電壓信號時:繼電器CH合上,P11、SI、P37斷開,通過電阻R2、R4實現分壓后變為0.25~1.25V的電壓信號加在數字電位器X9241的0號電位器V0的兩端,經過軟件實現對該電位器的調節,令其滑動端的數值為25,按25J63(電位器內共有63個電阻單元組成的陣列)這樣比例繼續分壓變為約100~500mV信號,加LTC1043CN的電容CS上,此時數字電位器X9241的其它3個電位器形成的放大倍數應為1,才能保證在運放LT1013的輸出端最大電壓不超過500mV;具體如何設置這3個電位器滑動端的數值見后面軟件部分。

(2)采集熱電阻信號時:繼電器SI、P11合上,CH、P37斷開。熱電阻采用的是三線制接法,消除了長距離傳輸時傳輸導線的電阻帶來的誤差。采集過來的電阻值接在IN1、IN2兩端,IN2、IN3被三線制接法后短接,2.5V基準電壓此時加在熱電阻及R8、R9上,變為毫伏級電壓信號輸入。當為Pt100輸入390.26Ω時轉換為約290mV左右的電壓輸出。

(3)采集每個通道信號前還要采集兩個不同的基準電壓,實現儀表在測量中的自校正功能。電路中精密基準電源MAX872輸出的2.5V電壓經精密電阻R1(66kΩ)、R3(192kΩ)分壓后,將約為640mV左右加在X9241的0號電位器分壓。此時繼電器S4、S5、S6斷開,繼電器P37合上。

2、軟件設計

軟件部分所要完成的工作就是控制各光繼電器的狀態及設定數字電位器X9241中各數字電位器滑動端的位置。本模塊采用單片機控制,可與其它模塊單片機或上位機進行通信。信號類型的設定,也可通過掃描鍵盤或IC卡完成。確定了各路的信號類型后,對應不同的輸入信號,數字電位器X9241內部的4個電位器滑動端的數值不同,其中決定放大倍數的電位器RW1,RW2,RW3的數值n1,n2,n3可用下面計算方法得到,使得當信號輸入為上限值時,在LT1013的輸出端得到約為500mV的輸出電壓。算法為令n1=63ViH500,n2=n1+1則得到電阻RW3兩端的電壓V3=500H63(mV)

由Vi=(V3H63)n3+(500H63)n1得到n3=(63×63H500)·Vi-63n1其中Vi為信號輸入上限值時對應的LT1013輸出電壓值。若采集8個通道,則需將24個字節數據的電位器RW1,RW2,RW3的數值n1,n2,n3順序保存在本模塊的中,另外還要保存8個字

節的通道信號類型。當巡回采集0~7八個通道時,根據不同的通道號,一方面從EEPROM中取出X9241滑動端相應的數值通過總線寫入X9241數據寄存器中,數據寄存器的內容可傳輸到滑動計數寄存器WCR以設置滑動端的位置;另一方面從EEPROM中取出該通道的信號類型,根據信號類型控制各光繼電器AQW212E的開合狀態,并將X9241的0號電位器RW置上合適的數值,實現信號的正確輸入及調理。

3、實驗與總結

在設計中,電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種類型的輸入信號,完成了對各種輸入信號以及多種輸入范圍的高精度測量。設計中器件傳輸信號的線性度與信號高、低端的測量是關鍵,它們影響著測量的精度,在小信號測量時注意提升電位,大信號測量時注意電源的供給要留有余量。通過選擇精密的元器件,在軟件上做一些算法修正,這個信號調理電路的線性度很好,而且通過自校正算法克服了零漂。

參考文獻:

[1]喬巍,杜愛玲,陳春,葉芃生.高速數據采集系統信號調理電路的設計[J]電子技術,2003,(04)

[2]應秀華,徐兵.一種光電編碼器數字濾波電路的誤計數原因探討[J]機床與液壓,2002,(04)