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信號�(diào)理電�
閱讀�19795時間�2011-04-11 23:22:11

  信號�(diào)理電路就是信號處理電路,把模擬信號變換為用于�(shù)�(jù)采集、控制過�、執(zhí)行計算顯示讀出或其他目的的數(shù)字信�。是指利用內(nèi)部的電路,如濾波�、轉(zhuǎn)換器、放大器等來改變輸入的訊號類型并輸出。在實際�(yīng)用中工業(yè)信號有些是高�,過�,浪涌等,不能被系統(tǒng)正確識別,必須調(diào)整理��

原理

      信號�(diào)理電路往往是把來自傳感器的模擬信號變換為用于數(shù)�(jù)采集、控制過�、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信��

  模擬傳感器可測量很多物理�,如溫度、壓�、力、流�、運�、位�、PH、光強等。但是傳感器信號不能直接�(zhuǎn)換為�(shù)�?jǐn)?shù)�(jù),因為傳感器輸出是相�(dāng)小的電壓、電流或電阻變化,因此,在變換為�(shù)�?jǐn)?shù)�(jù)之前必須進行�(diào)��

  �(diào)理就是放大,緩沖或定�(biāo)模擬信號,使其適合于�/�(shù)�(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然�,ADC對模擬信號進行�(shù)字化,并把數(shù)字信號送到微控制器或其他數(shù)字器�,以便用于系�(tǒng)的數(shù)�(jù)處理�

技�(shù)

  1.放大

  放大器提高輸入信號電平以更好地匹配模擬-�(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的范圍,從而提高測量精度和靈敏�。此外,使用放置在更接近信號源或�(zhuǎn)換器的外部信號調(diào)理裝�,可以通過在信號被�(huán)境噪聲影響之前提高信號電平來提高測量的信號-噪聲比�

  2.衰減

  衰減,即與放大相反的過程,在電壓(即將被�(shù)字化的)超過�(shù)字化儀輸入范圍時是十分必要�。這種形式的信號調(diào)理降低了輸入信號的幅度,從而經(jīng)�(diào)理的信號處于ADC范圍之內(nèi)。衰減對于測量高電壓是十分必要的�

  3.隔離

  隔離的信號調(diào)理設(shè)備通過使用變壓�、光或電容性的耦合技�(shù),無需物理連接即可將信號從它的源傳輸至測量�(shè)�。除了切斷接地回路之�,隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電�,從而既保護了操作人員也保護了昂貴的測量�(shè)備�

  4.多路�(fù)�

  通過多路�(fù)用技�(shù),一個測量系�(tǒng)可以不間斷地將多路信號傳輸至一個單一的數(shù)字化儀,從而提供了一種節(jié)省成本的方式來極大地擴大系統(tǒng)通道�(shù)�。多路復(fù)用對于任何高通道�(shù)的應(yīng)用是十分必要��

  5.過濾

  濾波器在一定的頻率范圍�(nèi)去處不希望的噪聲。幾乎所有的�(shù)�(jù)采集�(yīng)用都會受到一定程度的50Hz�60Hz的噪聲(來自于電線或機械�(shè)備)。大部分信號�(diào)理裝置都包括了為上抑�50Hz�60Hz噪聲而專門�(shè)計的低通濾波器�

  6.激�

  激勵對于一些轉(zhuǎn)換器是必需的。例�,應(yīng)變計,電熱調(diào)節(jié)�,和RTD需要外部電壓或電流激勵信�。通常RTD和電熱調(diào)節(jié)器測量都是使用一個電流源來完�,這個電流源將電阻的變化�(zhuǎn)換成一個可測量的電壓。應(yīng)變計,一個超低電阻的�(shè)�,通常利用一個電壓激勵源來用于惠斯登(Wheatstone)電橋配��

  7.冷端補償

  冷端補償是一種用于精確熱電偶測量的技�(shù)。任何時�,一個熱電偶連接至一個數(shù)�(jù)采集系統(tǒng)時,您必須知道在連接點的溫度(因為這個連接點代表測量路徑上另一個“熱電偶”并且通常在您的測量中引入一個偏移)來計算熱電偶正在測量的真實溫��

�(shè)計實�

  1、硬件設(shè)�

  信號�(diào)理電路單路輸入的硬件�(jié)�(gòu),包括信號輸�、放大、單片機控制等幾大部�。信號輸入電路由精密基準(zhǔn)電源MAX872、光繼電器AQW212E、運�4502 及精密儀表開�(guān)電容模塊LTC1043 等組�。其中精密基�(zhǔn)電源的使用一方面提升輸入信號的電�� 避免低電位測量時的干擾誤�;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�(jié)�� 實現(xiàn)系統(tǒng)的在線自校正。MAX872 具有較寬的電壓輸入范圍(2.7�20V�,輸出精度可�(dá)2.500V ± 0.2%。LTC1043CN 是雙精密儀表開�(guān)電容,電容外�� 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)�(nèi)部開�(guān)頻率被設(shè)定在額定�300Hz�� LTC1043CN 的傳輸精確度� 此時電容器CS 和CH大小均為1 μ F。LTC1043CN 和運放LT1013 組成差分單端放大�,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 �� 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�� 使電壓由差分輸入�?yōu)閱味溯斎�?并起到了很好的信號隔離作用, 在本�(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L T 1 0 1 3 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�� 滿足模數(shù)�(zhuǎn)換器允許的電壓輸入范圍。本部分電路僅完成信號輸�� 是我們研制網(wǎng)�(luò)化智能儀表的一部分� 對于輸入信號模數(shù)�(zhuǎn)�、數(shù)�(jù)處理、顯示則由其它模塊完�。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�� 其他電路是所有通道信號輸入的公共電�� 只是根據(jù)輸入信號的不�� 單片機改變其余光繼電器的狀�(tài)� 形成不同的輸入電�。具體可分為以下幾種情況�

 ?�?� 采集1�5V 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)?.25�1.25V的電壓信號加在數(shù)字電位器X9241�0號電位器V0的兩�� �(jīng)過軟件實�(xiàn)對該電位器的�(diào)節(jié)� 令其滑動端的�(shù)值為25, �25J63(電位器�(nèi)共有63個電阻單元組成的陣列)這樣比例繼續(xù)分壓�?yōu)榧s100�500mV信號� 加LTC1043CN 的電容CS �,此時數(shù)字電位器X9241的其�3個電位器形成的放大倍數(shù)�(yīng)�1, 才能保證在運放L T 1 0 1 3 的輸出端電壓不超�500mV; 具體如何�(shè)置�3個電位器滑動端的�(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�,消除了長距離傳輸時傳輸�(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��2.5V基準(zhǔn)電壓此時加在熱電阻及R8、R9 �,變?yōu)楹练夒妷盒盘栞斎搿�?dāng)為Pt100輸入390.26Ω時轉(zhuǎn)換為�290mV左右的電壓輸��

  �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�2.5V 電壓�(jīng)精密電阻R1�66kΩ�、R3�192kΩ)分壓后,將約為640mV 左右加在X9241 �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)�

  軟件部分所要完成的工作就是控制各光繼電器的狀�(tài)及設(shè)定數(shù)字電位器X9241 中各�(shù)字電位器滑動端的位置。本模塊采用單片機控�� 可與其它模塊單片機或上位機進行通信。信號類型的�(shè)�� 也可通過掃描鍵盤或IC卡完�。確定了各路的信號類型后� 對應(yīng)不同的輸入信號, �(shù)字電位器X9241�(nèi)部的4個電位器滑動端的�(shù)值不�� 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�(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=� 63 × 63H500)·Vi- 63n1其中Vi 為信號輸入上限值時對應(yīng)的LT1013輸出電壓�。若采集8個通道� 則需�24個字節(jié)�(shù)�(jù)的電位器RW1, RW2, RW3 的數(shù)值n1, n2,n3順序保存在本模塊� �� 另外還要保存8個字

  節(jié)的通道信號類型。當(dāng)巡回采集0�7八個通道時,根據(jù)不同的通道�� 一方面從EEPROM 中取出X9241滑動端相�(yīng)的數(shù)值通過 總線寫入X9241�(shù)�(jù)寄存器中� �(shù)�(jù)寄存器的�(nèi)容可傳輸?shù)交瑒佑嫈?shù)寄存器WCR 以設(shè)置滑動端的位�� 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�(tài)� 并將X9241 �0 號電位器RW 置上合適的數(shù)�� 實現(xiàn)信號的正確輸入及�(diào)��

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