通信學(xué)論文-一種多信號(hào)采集功能的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì).doc

通信學(xué)論文-一種多信號(hào)采集功能的信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)【摘要】：在不改變硬件情況下，采用一種新的設(shè)計(jì)方法,使用軟件進(jìn)行簡(jiǎn)單的設(shè)定,通過(guò)單片機(jī)完成對(duì)光繼電器的控制及數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)的采集的功能。【關(guān)鍵詞】：?jiǎn)纹瑱C(jī)；數(shù)字電位器；信號(hào)調(diào)理電路在實(shí)際生產(chǎn)中往往需要對(duì)多種物理信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)以便實(shí)現(xiàn)計(jì)量和控制,針對(duì)不同的信號(hào)往往需要不同的采集電路,這樣一來(lái)在設(shè)計(jì)、安裝與調(diào)試方面就存在很多不便之處。本文提出一種通用的可對(duì)多種信號(hào)進(jìn)行采集的信號(hào)調(diào)理電路。若將此電路應(yīng)用于儀器儀表中,則不必開箱,只需通過(guò)軟件設(shè)定即可接收工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)常見的各種信號(hào),并可同時(shí)對(duì)八個(gè)通道模擬量進(jìn)行采樣記錄,各個(gè)通道完全隔離。1、硬件設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路單路輸入的硬件結(jié)構(gòu),包括信號(hào)輸入、放大、單片機(jī)控制等幾大部分。信號(hào)輸入電路由精密基準(zhǔn)電源MAX872、光繼電器AQW212E、運(yùn)放4502及精密儀表開關(guān)電容模塊LTC1043等組成。其中精密基準(zhǔn)電源的使用一方面提升輸入信號(hào)的電位,避免低電位測(cè)量時(shí)的干擾誤差；另一方面作為一路檢測(cè)電路,其測(cè)量結(jié)果可以修正其它回路的檢測(cè)結(jié)果,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線自校正。MAX872具有較寬的電壓輸入范圍(2.720V),輸出精度可達(dá)2.500V0.2%。LTC1043CN是雙精密儀表開關(guān)電容,電容外接,多用于精密儀表放大電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路和采樣保持電路等。當(dāng)內(nèi)部開關(guān)頻率被設(shè)定在額定值300Hz時(shí),LTC1043CN的傳輸精確度最高,此時(shí)電容器CS和CH大小均為1F。LTC1043CN和運(yùn)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(guò)電容完成電壓的傳輸,使電壓由差分輸入變?yōu)閱味溯斎?并起到了很好的信號(hào)隔離作用,在本設(shè)計(jì)中雙電容的巧妙接法解決了熱電阻的三線制輸入問(wèn)題。放大電路由運(yùn)放LT1013和數(shù)字電位器X9241M組成,放大增益由數(shù)字電位器X9241中三個(gè)數(shù)字電位器決定,使輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后均變?yōu)?500mV的電壓信號(hào),滿足模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許的電壓輸入范圍。本部分電路僅完成信號(hào)輸入,是我們研制網(wǎng)絡(luò)化智能儀表的一部分,對(duì)于輸入信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)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(hào)時(shí)同時(shí)合上,其他電路是所有通道信號(hào)輸入的公共電路,只是根據(jù)輸入信號(hào)的不同,單片機(jī)改變其余光繼電器的狀態(tài),形成不同的輸入電路。具體可分為以下幾種情況:(1)采集15V電壓信號(hào)時(shí):繼電器CH合上,P11、SI、P37斷開,通過(guò)電阻R2、R4實(shí)現(xiàn)分壓后變?yōu)?.251.25V的電壓信號(hào)加在數(shù)字電位器X9241的0號(hào)電位器V0的兩端,經(jīng)過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該電位器的調(diào)節(jié),令其滑動(dòng)端的數(shù)值為25,按25J63(電位器內(nèi)共有63個(gè)電阻單元組成的陣列)這樣比例繼續(xù)分壓變?yōu)榧s100500mV信號(hào),加LTC1043CN的電容CS上,此時(shí)數(shù)字電位器X9241的其它3個(gè)電位器形成的放大倍數(shù)應(yīng)為1,才能保證在運(yùn)放LT1013的輸出端最大電壓不超過(guò)500mV；具體如何設(shè)置這3個(gè)電位器滑動(dòng)端的數(shù)值見后面軟件部分。(2)采集熱電阻信號(hào)時(shí):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(zhǎng)距離傳輸時(shí)傳輸導(dǎo)線的電阻帶來(lái)的誤差。采集過(guò)來(lái)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(zhǔn)電壓此時(shí)加在熱電阻及R8、R9上,變?yōu)楹练?jí)電壓信號(hào)輸入。當(dāng)為Pt100輸入390.26時(shí)轉(zhuǎn)換為約290mV左右的電壓輸出。(3)采集每個(gè)通道信號(hào)前還要采集兩個(gè)不同的基準(zhǔn)電壓,實(shí)現(xiàn)儀表在測(cè)量中的自校正功能。電路中精密基準(zhǔn)電源MAX872輸出的2.5V電壓經(jīng)精密電阻R1(66k)、R3(192k)分壓后,將約為640mV左右加在X9241的0號(hào)電位器分壓。此時(shí)繼電器S4、S5、S6斷開,繼電器P37合上。2、軟件設(shè)計(jì)軟件部分所要完成的工作就是控制各光繼電器的狀態(tài)及設(shè)定數(shù)字電位器X9241中各數(shù)字電位器滑動(dòng)端的位置。本模塊采用單片機(jī)控制,可與其它模塊單片機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通信。信號(hào)類型的設(shè)定,也可通過(guò)掃描鍵盤或IC卡完成。確定了各路的信號(hào)類型后,對(duì)應(yīng)不同的輸入信號(hào),數(shù)字電位器X9241內(nèi)部的4個(gè)電位器滑動(dòng)端的數(shù)值不同,其中決定放大倍數(shù)的電位器RW1,RW2,RW3的數(shù)值n1,n2,n3可用下面計(jì)算方法得到,使得當(dāng)信號(hào)輸入為上限值時(shí),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=(6363H500)Vi-63n1其中Vi為信號(hào)輸入上限值時(shí)對(duì)應(yīng)的LT1013輸出電壓值。若采集8個(gè)通道,則需將24個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的電位器RW1,RW2,RW3的數(shù)值n1,n2,n3順序保存在本模塊的中,另外還要保存8個(gè)字節(jié)的通道信號(hào)類型。當(dāng)巡回采集07八個(gè)通道時(shí),根據(jù)不同的通道號(hào),一方面從EEPROM中取出X9241滑動(dòng)端相應(yīng)的數(shù)值通過(guò)總線寫入X9241數(shù)據(jù)寄存器中,數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可傳輸?shù)交瑒?dòng)計(jì)數(shù)寄存器WCR以設(shè)置滑動(dòng)端的位置；另一方面從EEPROM中取出該通道的信號(hào)類型,根據(jù)信號(hào)類型控制各光繼電器AQW212E的開合狀態(tài),并將X9241的0號(hào)電位器RW置上合適的數(shù)值,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確輸入及調(diào)理。3、實(shí)驗(yàn)與總結(jié)在設(shè)計(jì)中,電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種類型的輸入信號(hào),完成了對(duì)各種輸入信號(hào)以及多種輸入范圍的高精度測(cè)量。設(shè)計(jì)中器件傳輸信號(hào)的線性度與信號(hào)高、低端的測(cè)量是關(guān)鍵,它們影響著測(cè)量的精度,在小信號(hào)測(cè)量時(shí)注意提升電位,大信號(hào)測(cè)量時(shí)注意電源的供給要留有余量。通過(guò)選擇精密的元器件,在軟件上做一些算法修正,