電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)信號(hào)采集

第4章信號(hào)采集4.1溫度測(cè)量4.2壓力測(cè)量4.3電壓檢測(cè)4.4電流檢測(cè)4.5速度檢測(cè)4.6霍爾集成電路的原理和應(yīng)用電子系統(tǒng)通常情況下需測(cè)量一些非電信號(hào)物理量，這就需要對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行電信號(hào)轉(zhuǎn)換和采集，常用的電信號(hào)轉(zhuǎn)換方法為采用傳感器。本章將主要介紹常見的溫度測(cè)量、壓力測(cè)量、電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)、速度檢測(cè)以及霍爾集成電路的原理和應(yīng)用。

溫度是表征物體冷熱程度的物理量，它可以通過物體隨溫度變化的某些特性(如電阻、電壓變化等特性)來(lái)間接測(cè)量。常用的溫度測(cè)量元件有熱電偶溫度傳感器、鉑電阻溫度傳感器、集成溫度傳感器。4.1溫度測(cè)量金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化而變化，并且具有很好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性，利用鉑的這種物理特性制成的傳感器稱為鉑電阻溫度傳感器，通常使用的鉑電阻溫度傳感器零度阻值為100Ω(Pt100)，電阻變化率為0.3851Ω/℃。

鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)(-200℃～650℃)最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)供計(jì)量和校準(zhǔn)使用。4.1.1鉑電阻溫度傳感器

金屬鉑(Pt)的電阻值隨溫度變化曲線如圖4-1所示。由圖看出，只要測(cè)量出傳感器的電阻值即可計(jì)算出相應(yīng)的溫度，而電路中最容易測(cè)量的是電壓信號(hào)，要將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，則只需將一個(gè)恒流源的恒定電流流過金屬鉑電阻就可得到相應(yīng)電壓信號(hào)。

金屬鉑的溫度-阻值表如表4-1所示，在已知電阻阻值的情況下通過查表即可計(jì)算出溫度。圖4-1電阻值隨溫度變化曲線圖

表4-1Pt溫度-阻值表

1.?REF200恒流源芯片

該芯片內(nèi)含有兩個(gè)100μA的恒流源和一個(gè)鏡像電流源。該芯片的精度非常高，提供的電流精度為(100

±

0.5)μA，并且低溫度系數(shù)為

±

2.5

×

10-5/℃。該芯片使用也非常簡(jiǎn)單，只要在7管腳或8管腳加上2.5V～40V之間的任何一個(gè)電壓，就可以在1管腳或2管腳上分別輸出100μA電流，圖4-2所示為具體的電路圖。

圖4-2REF200電路圖

2.運(yùn)放組成的恒流源

利用運(yùn)放組成恒流源的方法也較多，在此介紹一種利用運(yùn)放組成的恒流源，如圖4-3所示。該電路的電流為

(4.1.1)

由公式(4.1.1)可以看出，+5V、+2.5V電壓和電阻R1決定了恒流源的精度，通過調(diào)節(jié)R1阻值的大小即可調(diào)整恒流源的電流。

圖4-3運(yùn)放組成的恒流源電路4.1.2單總線溫度傳感器DS18S20

數(shù)字溫度傳感器種類較多，但引腳最少的應(yīng)是DallasSemiconductor公司推出的單總線(1-Wire總線)結(jié)構(gòu)的溫度傳感器DS18S20。1-Wire可以通過一條公共數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)主機(jī)與一個(gè)或多個(gè)從機(jī)之間的半雙工、雙向通信。使用1-Wire將引腳的使用減小到了最少，因此特別適合應(yīng)用于單片機(jī)系統(tǒng)中。

DallasSemiconductor公司推出的DS18S20溫度傳感器即為1-Wire總線接口。

DS18S20以其簡(jiǎn)單方便的接口，廣泛應(yīng)用于溫度測(cè)量、溫度控制、數(shù)字溫度計(jì)及熱感測(cè)系統(tǒng)中。DS18S20的主要特點(diǎn)如下：

(1)單總線接口，通信僅需要一個(gè)I/O端口引腳；

(2)每個(gè)器件具有唯一的、存儲(chǔ)在片內(nèi)ROM的64位序列碼；

(3)多節(jié)點(diǎn)檢測(cè)功能簡(jiǎn)化了分布式溫度檢測(cè)應(yīng)用；

(4)使用簡(jiǎn)單方便，無(wú)需外部元件；

(5)電源電壓范圍為3.0V～5.5V，可選擇由數(shù)據(jù)線供電；

(6)可測(cè)量溫度范圍

-55℃～+125℃；

(7)

9位數(shù)字溫度計(jì)分辨率；

(8)在

-10℃～+85℃溫度范圍內(nèi)具有

±

0.5℃的高精度；

(9)最大溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間750ms；

(10)用戶可編程的非易失性報(bào)警設(shè)置；

(11)報(bào)警搜索命令能夠自動(dòng)識(shí)別和尋址溫度超出設(shè)定門限(溫度報(bào)警條件)之外的器件；

(12)適合于包括溫度測(cè)量、溫度調(diào)節(jié)裝置控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)類產(chǎn)品、溫度計(jì)及任何溫度敏感系統(tǒng)的應(yīng)用。

DS18S20采用簡(jiǎn)單的TO-92封裝，占用極少的電路板空間。DS18S20的引腳排列與DS1820一樣，如圖4-6所示。

圖4-6DS18S20的引腳排列

圖4-7DS18S20的外部供電方式2)?DS18S20的兩種供電方式

圖4-8DS18S20的寄生電源供電方式

圖4-10通過總線端口訪問DS18S20的流程圖

壓力和壓差是工業(yè)生產(chǎn)中常見的過程參數(shù)之一。在許多場(chǎng)合需要直接測(cè)量、控制一些壓力參數(shù)，如鍋爐的氣包壓力、煙道壓力、爐膛壓力，化學(xué)生產(chǎn)中的反應(yīng)釜壓力、加熱爐壓力等。此外，還有一些不易直接測(cè)量的參數(shù)，如液位、流量等，在各類工業(yè)生產(chǎn)中可以通過壓力和差壓進(jìn)行間接測(cè)量。

在國(guó)際單位制和我國(guó)法定計(jì)量單位中，壓力的單位采用牛頓/米2(N/m2)，通常稱為帕斯卡，簡(jiǎn)稱帕(Pa)。其他在工程上使用的壓力單位還有工程大氣壓(at)、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、毫米汞柱(mmHg)、Bar(巴)和毫米水柱(mmH2O)等單位。4.2壓力測(cè)量

圖4-12膜片式應(yīng)變片壓力傳感器4.2.1壓力測(cè)量原理

圖4-13全橋傳感器電路圖

電子測(cè)量中最易實(shí)現(xiàn)的就是電壓測(cè)量，只需將電壓信號(hào)輸入A/D轉(zhuǎn)換器即可得到其數(shù)字量值。但在某一些場(chǎng)合，如需要高壓隔離測(cè)量場(chǎng)合就需充分考慮其安全性，常見的高壓測(cè)量方式有壓頻轉(zhuǎn)換測(cè)量法和高阻抗運(yùn)放隔離測(cè)量法。4.3電壓檢測(cè)4.3.1壓頻轉(zhuǎn)換法

壓頻轉(zhuǎn)換法是最簡(jiǎn)單的電壓測(cè)量方法，常用的壓頻轉(zhuǎn)換器有LM231、LM331、TC9401、AD654等，在此以AD654為例介紹壓頻轉(zhuǎn)換器的用法。

1.?AD654概述

AD654是一款帶有輸入放大器的完整的壓頻轉(zhuǎn)換器，只需外接一個(gè)電容即可形成精確振蕩器系統(tǒng)，最高輸出頻率可達(dá)500kHz，在250kHz時(shí)線性誤差僅有0.03%，其主要特性如下：

(1)超低價(jià)格；

(2)單電源5V～36V或雙電源供電

±5V～±18V；

(3)頻率輸出最高可達(dá)500kHz；

(4)只需很少的外圍器件即可工作；

(5)通用輸入放大器；

(6)正或負(fù)極性電壓模式；

(7)負(fù)極性電流模式；

(8)高阻抗輸入，低漂移；

(9)低功耗，2mA靜態(tài)電流；

圖4-14AD654引腳封裝

AD654采用SO-8封裝，其引腳如圖4-14所示。

AD654引腳說(shuō)明：

FOUT：頻率輸出引腳；

LOGICCOMMON：數(shù)字邏輯公共端；

RT：運(yùn)放電阻連接端；

+VIN：電壓輸入端；

-VS：電源負(fù)；

CT：振蕩器電容連接端；

+VS：電源正。

2.?AD654應(yīng)用電路

AD654應(yīng)用時(shí)只需極少外圍元件，連接非常簡(jiǎn)單，將需轉(zhuǎn)換的電壓通過分壓電阻降壓到所需輸入電壓，并將輸出頻率信號(hào)通過光耦隔離輸出，由于頻率較高，在此使用高速光耦。電路如圖4-15所示。通過測(cè)量輸出頻率即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)電壓，但該電路存在無(wú)法測(cè)量較窄的脈沖電壓的缺點(diǎn)。當(dāng)需實(shí)時(shí)測(cè)量出窄脈沖電壓時(shí)可選擇基于霍爾傳感器制作的電壓傳感器。典型應(yīng)用電路（來(lái)自AD654datasheet）典型應(yīng)用電路（來(lái)自AD654datasheet）

圖4-15壓頻轉(zhuǎn)換隔離電路3.?LM3314.3.2霍爾傳感器測(cè)量法

南京中旭生產(chǎn)的HNV500D型電壓傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)和磁平衡原理研制成的新一代電壓傳感器，能在電隔離條件下測(cè)量交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓。

在電路設(shè)計(jì)中電流測(cè)量應(yīng)用十分普遍。測(cè)量中，電表用來(lái)進(jìn)行電流的測(cè)量；保護(hù)中，電流往往與功率形成直接的關(guān)系，如果電流過大代表系統(tǒng)中有短路情況出現(xiàn)而需要保護(hù)；控制中，如馬達(dá)控制、電池充放電等都需要電流測(cè)量。

測(cè)量電流的方法一般分成直接式和間接式兩種。直接式用于測(cè)量相對(duì)較小的電流以及電壓不高的情況；間接式不帶有任何導(dǎo)電關(guān)系，因此可用于測(cè)量相對(duì)較大的電流以及相對(duì)較高的電壓。4.4電流檢測(cè)4.4.1直接測(cè)量法

直接測(cè)量最簡(jiǎn)單的方法就是將電流直接流入R電阻，可得到電壓U

=

I

×

R，將該電壓通過跟隨器處理后送入ADC處理電路即可得到電流的數(shù)字信號(hào)，將該信號(hào)送入單片機(jī)即可計(jì)算出電流值。電路如下圖所示。直接測(cè)量有兩種方法：1、低測(cè)。低側(cè)測(cè)量方法直接簡(jiǎn)單,它通過在A點(diǎn)處測(cè)量電流經(jīng)過置于負(fù)載和地之間的電阻時(shí)所產(chǎn)生的壓降來(lái)檢測(cè)電流，如下圖。但其在接地路徑上加入了阻值，會(huì)在A點(diǎn)形成高頻噪聲，影響模擬部分的精度甚至引起數(shù)字部分的誤動(dòng)作。

直接測(cè)量有兩種方法：2、高測(cè)。高側(cè)電流測(cè)量技術(shù)通過測(cè)量A點(diǎn)和B點(diǎn)間電流經(jīng)過置于電源和負(fù)載間的電阻時(shí)所產(chǎn)生的壓降來(lái)測(cè)量電流，如下圖：

4.4.2間接測(cè)量法

霍爾傳感器ACS712測(cè)量

速度檢測(cè)的方法較多，如可測(cè)出物體在一定時(shí)間內(nèi)的位移則可計(jì)算出速度，而最常用的方法是測(cè)量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)車輪的大小計(jì)算出位移量。測(cè)量電機(jī)轉(zhuǎn)速最常用的方法就是采用增量式旋轉(zhuǎn)編碼器。

增量式旋轉(zhuǎn)編碼器通過內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光敏接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時(shí)序和相位關(guān)系，得到其角度碼盤角度位移量增加(正方向)或減少(負(fù)方向)。4.5速度檢測(cè)

圖4-21增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

對(duì)于外界信號(hào)，一般通過各種傳感器進(jìn)行采集，而在各種傳感器中，