電子系統(tǒng)設(shè)計信號采集

第4章信號采集4.1溫度測量4.2壓力測量4.3電壓檢測4.4電流檢測4.5速度檢測4.6霍爾集成電路的原理和應(yīng)用電子系統(tǒng)通常情況下需測量一些非電信號物理量，這就需要對這些信號進(jìn)行電信號轉(zhuǎn)換和采集，常用的電信號轉(zhuǎn)換方法為采用傳感器。本章將主要介紹常見的溫度測量、壓力測量、電壓檢測、電流檢測、速度檢測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)來間接測量。常用的溫度測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器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計供計量和校準(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，只要測量出傳感器的電阻值即可計算出相應(yīng)的溫度，而電路中最容易測量的是電壓信號，要將電阻值轉(zhuǎn)換為電壓信號，則只需將一個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。

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100μA的恒流源和一個鏡像電流源。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單，只要在7管腳或8管腳加上2.5V～40V之間的任何一個電壓，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.運放組成的恒流源

利用運放組成恒流源的方法也較多，在此介紹一種利用運放組成的恒流源，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)線實現(xiàn)主機(jī)與一個或多個從機(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以其簡單方便的接口，廣泛應(yīng)用于溫度測量、溫度控制、數(shù)字溫度計及熱感測系統(tǒng)中。DS18S20的主要特點如下：

(1)單總線接口，通信僅需要一個I/O端口引腳；

(2)每個器件具有唯一的、存儲在片內(nèi)ROM的64位序列碼；

(3)多節(jié)點檢測功能簡化了分布式溫度檢測應(yīng)用；

(4)使用簡單方便，無需外部元件；

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

(6)可測量溫度范圍

-55℃～+125℃；

(7)

9位數(shù)字溫度計分辨率；

(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)換時間750ms；

(10)用戶可編程的非易失性報警設(shè)置；

(11)報警搜索命令能夠自動識別和尋址溫度超出設(shè)定門限(溫度報警條件)之外的器件；

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

DS18S20采用簡單的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。在許多場合需要直接測量、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)行間接測量。

在國際單位制和我國法定計量單位中，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壓力測量

圖4-12膜片式應(yīng)變片壓力傳感器4.2.1壓力測量原理

圖4-13全橋傳感器電路圖

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

壓頻轉(zhuǎn)換法是最簡單的電壓測量方法，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時線性誤差僅有0.03%，其主要特性如下：

(1)超低價格；

(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引腳說明：

FOUT：頻率輸出引腳；

LOGICCOMMON：數(shù)字邏輯公共端；

RT：運放電阻連接端；

+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)用時只需極少外圍元件，連接非常簡單，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。通過測量輸出頻率即可計算出對應(yīng)電壓，但該電路存在無法測量較窄的脈沖電壓的缺點。當(dāng)需實時測量出窄脈沖電壓時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（來自AD654datasheet）典型應(yīng)用電路（來自AD654datasheet）

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

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量交流、脈沖以及各種不規(guī)則波形的電壓。

在電路設(shè)計中電流測量應(yīng)用十分普遍。測量中，電表用來進(jìn)行電流的測量；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量。

測量電流的方法一般分成直接式和間接式兩種。直接式用于測量相對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，因此可用于測量相對較大的電流以及相對較高的電壓。4.4電流檢測4.4.1直接測量法

直接測量最簡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，將該信號送入單片機(jī)即可計算出電流值。電路如下圖所示。直接測量有兩種方法：1、低測。低側(cè)測量方法直接簡單,它通過在A點處測量電流經(jīng)過置于負(fù)載和地之間的電阻時所產(chǎn)生的壓降來檢測電流，如下圖。但其在接地路徑上加入了阻值，會在A點形成高頻噪聲，影響模擬部分的精度甚至引起數(shù)字部分的誤動作。

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

4.4.2間接測量法

霍爾傳感器ACS712測量

速度檢測的方法較多，如可測出物體在一定時間內(nèi)的位移則可計算出速度，而最常用的方法是測量電機(jī)的轉(zhuǎn)速，再根據(jù)車輪的大小計算出位移量。測量電機(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)部兩個光敏接收管轉(zhuǎn)化其角度碼盤的時序和相位關(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

圖4-21增量式旋轉(zhuǎn)編碼器示意圖

對于外界信號，一般通過各種傳感器進(jìn)行采集，而在各種傳感器中，