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

通信學(xué)論文-一種多信號采集功能的信號調(diào)理電路設(shè)計【摘要】：在不改變硬件情況下，采用一種新的設(shè)計方法,使用軟件進行簡單的設(shè)定,通過單片機完成對光繼電器的控制及數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)對不同信號的采集的功能?！娟P(guān)鍵詞】：單片機；數(shù)字電位器；信號調(diào)理電路在實際生產(chǎn)中往往需要對多種物理信號進行檢測以便實現(xiàn)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(shè)計、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多種信號進行采集的信號調(diào)理電路。若將此電路應(yīng)用于儀器儀表中,則不必開箱,只需通過軟件設(shè)定即可接收工業(yè)現(xiàn)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(shè)計信號調(diào)理電路單路輸入的硬件結(jié)構(gòu),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(zhǔn)電源MAX872、光繼電器AQW212E、運放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(jié)果可以修正其它回路的檢測結(jié)果,實現(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,LTC1043CN的傳輸精確度最高,此時電容器CS和CH大小均為1F。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?yōu)閱味溯斎?并起到了很好的信號隔離作用,在本設(shè)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(shù)字電位器X9241M組成,放大增益由數(shù)字電位器X9241中三個數(shù)字電位器決定,使輸入信號經(jīng)過放大后均變?yōu)?500mV的電壓信號,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輸入,是我們研制網(wǎng)絡(luò)化智能儀表的一部分,對于輸入信號模數(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(jù)輸入信號的不同,單片機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電壓信號時:繼電器CH合上,P11、SI、P37斷開,通過電阻R2、R4實現(xiàn)分壓后變?yōu)?.251.25V的電壓信號加在數(shù)字電位器X9241的0號電位器V0的兩端,經(jīng)過軟件實現(xiàn)對該電位器的調(diào)節(jié),令其滑動端的數(shù)值為25,按25J63(電位器內(nèi)共有63個電阻單元組成的陣列)這樣比例繼續(xù)分壓變?yōu)榧s100500mV信號,加LTC1043CN的電容CS上,此時數(shù)字電位器X9241的其它3個電位器形成的放大倍數(shù)應(yīng)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(shè)置這3個電位器滑動端的數(shù)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(dǎo)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(zhǔn)電壓此時加在熱電阻及R8、R9上,變?yōu)楹练夒妷盒盘栞斎?。?dāng)為Pt100輸入390.26時轉(zhuǎn)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(zhǔn)電壓,實現(xiàn)儀表在測量中的自校正功能。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(shè)計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(shè)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(yīng)不同的輸入信號,數(shù)字電位器X9241內(nèi)部的4個電位器滑動端的數(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可用下面計算方法得到,使得當(dāng)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=(6363H500)Vi-63n1其中Vi為信號輸入上限值時對應(yīng)的LT1013輸出電壓值。若采集8個通道,則需將24個字節(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個字節(jié)的通道信號類型。當(dāng)巡回采集07八個通道時,根據(jù)不同的通道號,一方面從EEPROM中取出X9241滑動端相應(yīng)的數(shù)值通過總線寫入X9241數(shù)據(jù)寄存器中,數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可傳輸?shù)交瑒佑嫈?shù)寄存器WCR以設(shè)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(jù)信號類型控制各光繼電器AQW212E的開合狀態(tài),并將X9241的0號電位器RW置上合適的數(shù)值,實現(xiàn)信號的正確輸入及調(diào)理。3、實驗與總結(jié)在設(shè)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(shè)計中器件傳輸信號的線性度與信號高、低端的測量是關(guān)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,