【摘要】：在不改变硬件情况下，采用一种新的设计方法, 使用软件进行简单的设定, 通过单片机完成对光继电器的控制及数字电位器的调节，从而实现对不同信号的采集的功能。
【关键词】：单片机；数字电位器； 信号调理电路
在实际生产中往往需要对多种物理信号进行检测以便实现计量和控制, 针对不同的信号往往需要不同的采集电路, 这样一来在设计、安装与调试方面就存在很多不便之处。本文提出一种通用的可对多种信号进行采集的信号调理电路。若将此电路应用于仪器仪表中, 则不必开箱, 只需通过软件设定即可接收工业现场常见的各种信号, 并可同时对八个通道模拟量进行采样记录, 各个通道完全隔离。
1、硬件设计
信号调理电路单路输入的硬件结构,包括信号输入、放大、单片机控制等几大部分。信号输入电路由精密基准电源MAX872、光继电器AQW212E、运放4502 及精密仪表开关电容模块LTC1043 等组成。其中精密基准电源的使用一方面提升输入信号的电位, 避免低电位测量时的干扰误差;另一方面作为一路检测电路, 其测量结果可以修正其它回路的检测结果, 实现系统的在线自校正。MAX872 具有较宽的电压输入范围(2.7～20V),输出精度可达2.500V ± 0.2%。LTC1043CN 是双精密仪表开关电容,电容外接, 多用于精密仪表放大电路、压频转换电路和采样保持电路等。当内部开关频率被设定在额定值300Hz时, LTC1043CN 的传输精确度最高, 此时电容器CS 和CH大小均为1 μ F。LTC1043CN 和运放LT1013 组成差分单端放大器,采用LTC1043CN为差分输入的电压采样值, 电压保持在电容器CS上并送到接地参考电容器CH 中, 而CH 的电压送到LT1013 的非反相输入端放大。LTC1043CN是通过电容完成电压的传输, 使电压由差分输入变为单端输入, 并起到了很好的信号隔离作用, 在本设计中双电容的巧妙接法解决了热电阻的三线制输入问题。
放大电路由运放L T 1 0 1 3 和数字电位器X9241M 组成, 放大增益由数字电位器X9241 中三个数字电位器决定, 使输入信号经过放大后均变为0～500mV的电压信号, 满足模数转换器允许的电压输入范围。本部分电路仅完成信号输入, 是我们研制网络化智能仪表的一部分, 对于输入信号模数转换、数据处理、显示则由其它模块完成。S4、S5、S6 是控制一路输入的光继电器, 采集该路信号时同时合上, 其他电路是所有通道信号输入的公共电路, 只是根据输入信号的不同, 单片机改变其余光继电器的状态, 形成不同的输入电路。具体可分为以下几种情况:
(1) 采集1～5V 电压信号时: 继电器CH 合上,P11、SI、P37 断开, 通过电阻R2、R4 实现分压后变为0.25～1.25V的电压信号加在数字电位器X9241的0号电位器V0的两端, 经过软件实现对该电位器的调节, 令其滑动端的数值为25, 按25J63(电位器内共有63个电阻单元组成的阵列)这样比例继续分压变为约100～500mV信号, 加LTC1043CN 的电容CS 上,此时数字电位器X9241的其它3个电位器形成的放大倍数应为1, 才能保证在运放L T 1 0 1 3 的输出端最大电压不超过500mV; 具体如何设置这3个电位器滑动端的数值见后面软件部分。
(2) 采集热电阻信号时: 继电器SI、P11合上,CH、P37 断开。热电阻采用的是三线制接法,消除了长距离传输时传输导线的电阻带来的误差。采集过来的电阻值接在IN1、IN2 两端,IN2、IN3被三线制接法后短接,2.5V基准电压此时加在热电阻及R8、R9 上,变为毫伏级电压信号输入。当为Pt100输入390.26Ω时转换为约290mV左右的电压输出。
(3) 采集每个通道信号前还要采集两个不同的基准电压, 实现仪表在测量中的自校正功能。电路中精密基准电源MAX872 输出的2.5V 电压经精密电阻R1(66kΩ)、R3(192kΩ)分压后,将约为640mV 左右加在X9241 的0 号电位器分压。此时继电器S4、S5、S6 断开,继电器P37 合上。
2、软件设计
软件部分所要完成的工作就是控制各光继电器的状态及设定数字电位器X9241 中各数字电位器滑动端的位置。本模块采用单片机控制, 可与其它模块单片机或上位机进行通信。信号类型的设定, 也可通过扫描键盘或IC卡完成。确定了各路的信号类型后, 对应不同的输入信号, 数字电位器X9241内部的4个电位器滑动端的数值不同, 其中决定放大倍数的电位器RW1,RW2, RW3 的数值n1, n2, n3 可用下面计算方法得到, 使得当信号输入为上限值时, 在LT1013的输出端得到约为500mV 的输出电压。算法为令n1=63ViH500, n2=n1+1 则得到电阻RW3两端的电压V3=500H63(mV)
由Vi=(V3H63)n3+(500H63)n1 得到n3=( 63 × 63H500)·Vi- 63n1其中Vi 为信号输入上限值时对应的LT1013输出电压值。若采集8个通道, 则需将24个字节数据的电位器RW1, RW2, RW3 的数值n1, n2,n3顺序保存在本模块的 中, 另外还要保存8个字
节的通道信号类型。当巡回采集0～7八个通道时,根据不同的通道号, 一方面从EEPROM 中取出X9241滑动端相应的数值通过 总线写入X9241数据寄存器中, 数据寄存器的内容可传输到滑动计数寄存器WCR 以设置滑动端的位置; 另一方面从EEPROM 中取出该通道的信号类型, 根据信号类型控制各光继电器AQW212E 的开合状态, 并将X9241 的0 号电位器RW 置上合适的数值, 实现信号的正确输入及调理。
3、实验与总结
在设计中,电压、电流、热电偶、热电阻等多种类型的输入信号,完成了对各种输入信号以及多种输入范围的高精度测量。设计中器件传输信号的线性度与信号高、低端的测量是关键, 它们影响着测量的精度, 在小信号测量时注意提升电位, 大信号测量时注意电源的供给要留有余量。通过选择精密的元器件, 在软件上做一些算法修正, 这个信号调理电路的线性度很好, 而且通过自校正算法克服了零漂。
参考文献：
[1] 乔巍,杜爱玲,陈春,叶芃生. 高速数据采集系统信号调理电路的设计[J]电子技术 , 2003,(04)
[2] 应秀华,徐兵. 一种光电编码器数字滤波电路的误计数原因探讨[J]机床与液压 , 2002,(04)