力傳感器調(diào)理電路

1、手指康復(fù)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)手指康復(fù)系統(tǒng)的硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)。采用模塊化設(shè)計(jì)， 可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的過程，化整為零， 將復(fù)雜的電路分解為可重復(fù)利用的模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)試，提高設(shè)計(jì)電路的質(zhì)量。 除此之外， 我們不僅可以對(duì)模塊直接進(jìn)行利用，也可以方便的對(duì)各個(gè)模塊部分進(jìn)行修改。 電路的模塊化設(shè)計(jì)，如今已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我們的硬件電路的設(shè)計(jì)中去了，同時(shí)模塊化設(shè)計(jì)也在復(fù)雜的PCB 的并行設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)揮著良好的作用。根據(jù)各個(gè)模塊的功能作用的不同，手指康復(fù)機(jī)器人硬件電路可分為傳感器數(shù)據(jù)采集模塊。驅(qū)動(dòng)控制電路模塊，電源管理模塊，主控制器模塊，通信及調(diào)試接口模塊，AD 轉(zhuǎn)換

2、模塊，總體的結(jié)構(gòu)圖如下。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊力矩傳感器調(diào)理電路光電編碼器辨向電路AD 轉(zhuǎn)換GPIO 中斷電源管理模塊主控制器模塊復(fù)位電路NXP微處理器時(shí)鐘電路驅(qū)動(dòng)控制模塊PWM直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)塊SPI磁流變液阻尼器驅(qū)動(dòng)塊USBJTAG通信及調(diào)試接口模塊（1）傳感器數(shù)據(jù)采集模塊傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要有力矩傳感器調(diào)理電路和光電編碼器辨向電路組成。這兩個(gè)電路的主要功能就是將機(jī)械結(jié)構(gòu)中輸出軸上的模擬力矩信號(hào)和位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，便于微處理器進(jìn)行相應(yīng)處理。為了保證驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以向手指施加大小合適的反饋力，需要通過力矩傳感器來測(cè)出與手指相連接的輸出桿上的力矩，從而計(jì)算手指的拉壓力。已有的機(jī)械結(jié)構(gòu)中， 采用

3、的電阻應(yīng)變式力矩傳感器， 這種傳感器主要基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，其由彈性元件、 粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片及外殼組成， 當(dāng)彈性敏感元件受到外力作用后，敏感元件發(fā)生形變， 形變傳遞給粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片，應(yīng)變片相應(yīng)的發(fā)生形變，這導(dǎo)致應(yīng)變片的電阻阻值大小發(fā)生變化， 在電橋電路中， 電橋失去平衡從而輸出相應(yīng)的電量，電量的大小相應(yīng)的反映出被測(cè)量的大小。 電阻應(yīng)變式傳感器的靈敏度高，穩(wěn)定性好， 在自動(dòng)檢測(cè)和控制技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 在手指康復(fù)機(jī)器人系統(tǒng)中，力矩傳感器輸出的電量信號(hào)比較微弱，易衰減且容易受到外界環(huán)境的干擾， 因此為了保證采集數(shù)據(jù)的有效性，需要將電阻應(yīng)變式傳感器采集的數(shù)據(jù)輸送到調(diào)理電路里

4、進(jìn)行信號(hào)的濾波放大，之后才能將信號(hào)傳輸個(gè)AD 采樣電路。 下面介紹力矩傳感器的調(diào)理電路，包括放大電路和低通濾波電路。對(duì)于放大電路，采用了儀用放大器AD620 。AD620是在傳統(tǒng)的三運(yùn)放組合方式改進(jìn)的基礎(chǔ)上研制的單片儀用放大器。它作為一種價(jià)格低，功耗低，精度高的儀器儀表放大器，它采用 8 管腳的 SOIC 或 DIP 封裝，由于其尺寸小，公號(hào)低， 因而適合于電池供電以及一些便攜式應(yīng)用場(chǎng)合。AD620 只需要一個(gè)外部的電阻Rx 就可以設(shè)置放大倍數(shù)，放大圍是11000 。供電電源圍± 2.3V ± 18V ，最大供電電流1.3mA 。 AD620具有很好的直流特性和交流特性，它

5、的最大輸入失調(diào)電壓為 50 uF ，最大輸入失調(diào)電壓漂移為1uF/， 最大輸入偏置電流為20nA 。G=10 時(shí)， 其共模抑制比大于93dB 。 在 1kHz 處輸入電壓噪聲為90nA /H z ，在0.1Hz10Hz 圍輸入電壓噪聲的峰-峰值為 0.28uF ，輸入電流噪聲為 0.1pA /H z 。G=1 時(shí)它的增益帶寬為 120kHz ， 建立時(shí)間為15us。（儀用放大器 AD620,及其應(yīng)用茂永， 王霞， 農(nóng)亮（科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，250031）因此，由 AD620 的特性可知， AD620 能夠確保放大電路的精度，降低失調(diào)電壓，低噪聲，增大共模抑制比等性能指標(biāo)。AD620 增

6、益公式如下：R1 R21GRx其中， R1 跟 R2 是部增益電阻，其阻值被精確為24.7K ，使得運(yùn)放增益精確地由外接電阻 Rx 確定：如若已經(jīng)知道放大倍數(shù)，也可以根據(jù)下式求出相應(yīng)的外接電阻Rx 的阻值：49.4KRXG1如上圖， 即為力矩傳感器的放大電路。1、8 腳之間跨接阻值為100的外接電阻來調(diào)整放大倍率，手指康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)的電阻應(yīng)變式力矩傳感器的信號(hào)輸入Vf 經(jīng)過 AD620 后信號(hào)放大了 495 倍； 2、 3 外接力矩傳感器輸入信號(hào)的兩極（2 接信號(hào)的負(fù)極，3 接信號(hào)的正極）；4、 7 是接外部電源的兩極（4 接電源的負(fù)極，7 接電源的正極）；5 是參考端，一般情況下與地連接 ,此

7、處將一個(gè)外圍的電壓輸入到5 號(hào)管腳 REF 端作為電壓偏置，Vout= （Vf+ - Vf- ）×G+Vref ，確保輸出結(jié)果不失真；6 是放大后信號(hào)的輸出端。而在 AD620 的前一段采用LM358D 構(gòu)成的一個(gè)電壓跟隨器來提供偏置電壓，電壓跟隨器的輸入電壓與輸出電壓大小相位一致，但是它的輸入阻抗很大，輸出阻抗很小。 當(dāng)輸入阻抗很高時(shí)， 相當(dāng)于對(duì)前級(jí)開路；當(dāng)輸出阻抗很小的時(shí)候，對(duì)于后級(jí)的電路就相當(dāng)于是個(gè)恒壓源，那么它的輸出電壓受到后級(jí)電路的影響就很小。 對(duì)于前級(jí)開路， 輸出電壓又不受后級(jí)阻抗影響的電路具備一定的隔離作用，使得前后的電路之間不相互影響。下為 AD620 儀用放大器的仿

8、真情況：由于輸出桿上上輸出的力矩信號(hào)處于低頻段，因此需要對(duì)高頻干擾信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波器是對(duì)信號(hào)的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使得特定頻率圍的信號(hào)通過，并阻止其他頻率的信號(hào)通過。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器這兩種，其中有源濾波器具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、 易于制造等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于信息處理、數(shù)據(jù)傳送和抑制干擾等等電路中。理想的濾波器電路的頻響在通帶具有最大幅值和線性相移，而在阻帶中它的幅值應(yīng)該是零。實(shí)際的濾波器電路往往難以達(dá)到這樣的理想效果，如要同時(shí)在幅頻和相頻響應(yīng)兩方面都要滿足要求就更難了，因此，只能根據(jù)實(shí)際的需求，尋找最佳的近似理想特性。常見的有源低通濾波器有三種， 分別是巴特沃斯

9、（ Butterworth ）、切比雪夫（ Chebyshev）和貝塞爾（ Bessel）濾波電路。 這里力矩傳感器信號(hào)的濾波電路采用四階巴特沃斯低通濾波器。它是一種簡(jiǎn)單也是最常用的濾波電路， 又叫最平幅度濾波電路。這種濾波電路對(duì)幅頻響應(yīng)的要：在小于截止頻率 c 的圍，具有最平幅的響應(yīng)，而在c 后， upin 響應(yīng)迅速下降。因?yàn)橄拗浦懈哳l信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)要求的截止頻率為20kHz ，采用四階有源巴特沃斯低通濾波器。 四階有源巴特沃斯低通濾波器是由兩個(gè)二階源巴特沃斯低通濾波器級(jí)聯(lián)組成。首先先設(shè)計(jì)四階有源巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)：G4 (s )G01G02（1）222 s 1s1s1 s為了方

10、便計(jì)算，令參數(shù)滿足如下條件：1f c2 RC（ 2）C1C2C,R1R2R選取 C=0.01 F，根據(jù)（ 2）式計(jì)算得 R=788。查表的四階有源巴特沃斯低通濾波器的兩個(gè)阻尼系數(shù)分別為 1 =0.765 ， 2 =1.848 。計(jì)算得兩個(gè)零頻增益分別為：G013G023此時(shí)，傳遞函數(shù)為：1230.7652.235（ 3）31.8481.152G4 (s )2.2351.15220.765s1 s 2（ 4）s1.848s 1第一級(jí)增益為：Rf 1G0112.2351 1.235Ri1取 Rf1 =24.7K ， Ri1 =20K；第二級(jí)增益為：G021Rf 21.15210.152Ri2取 Rf2 =61K， Ri2 =9.3K 。針對(duì)參數(shù)的設(shè)計(jì)，用Multisim進(jìn)行仿真，仿真電路如下：瞬態(tài)分析：分別輸入幅值一定，但是頻率不斷增加的三個(gè)信號(hào)，分別觀察分析其仿真結(jié)果。當(dāng)輸入信號(hào)為3V ， 1kHz時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，幅值放大了2.4 倍；生當(dāng)輸入信號(hào)為3V ， 10kHz 時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號(hào)幅值衰減，相位發(fā)偏移；當(dāng)輸入信號(hào)為3V ， 80kHz 時(shí)，輸入輸出波形如下圖所示，輸出信號(hào)幾乎衰減為0。頻率特性分析：通過仿