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信号调理
∙信号调理电路设计实例
o1、硬件设计
o
o
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1μF。
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LT1013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LT1013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。
∙信号调理电路原理
o 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量,如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据,因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化,因此,在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大,缓冲或定标模拟信号,使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后,ADC对模拟信号进行数字化,并把数字信号送到微控制器或其他数字器件,以便用于系统的数据处理。
∙信号调理电路技术
o1.放大
放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围,从而提高测量精度和灵敏度。
此外,使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置,可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减
衰减,即与放大相反的过程,在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度,从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离
隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术,无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外,隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压,从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用
通过多路复用技术,一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪,从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。
5.过滤
滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。
几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的噪声(来自于电线或机械设备)。
大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz噪声而专门设计的低通滤波器。
6.激励
激励对于一些转换器是必需的。
例如,应变计,电热调节器,和RTD需要外部电压或电流激励信号。
通常RTD和电热调节器测量都是使用一个电流源来完成,这个电流源将电阻的变化转换成一个可测量的电压。
应变计,一个超低电阻的设备,通常利用一个电压激励源来用于惠斯登(Wheatstone)电桥配置。
7.冷端补偿
冷端补偿是一种用于精确热电偶测量的技术。
任何时候,一个热电偶连接至一个数据采集系统时,您必须知道在连接点的温度(因为这个连接点代表测量路径上另一个“热电偶”并且通常在您的测量中引入一个偏移)来计算热电偶正在测量的真实温度。
摘 要:
针对MCS---51、98系列单片机定时/计数器的工作特点,本文通过对频率信号的分析,对不同参数的信号提出了不同的方法,通过分析阐明了方法的模块性规律,系统地解决了用单片机测频率这一类问题。
关键词:
单片机 频率 频率的特征参数
1.引言
无论何种类型的信号,连续的或离散的,有规律的或无规律的,对计算机控制系统而言,首先得通过前向通道的调理,使信号能够被机器所检测:
高低电平的范围,时序的配合、是否需要锁存、是否需要分频等等。
测速、测V/I、测相位等一般都要用到频率信号,特别是在工业控制中。
很多变送器如电压、电量变速器,功率、行程变速器等都有频率信号或者说脉冲信号的输出。
频率信号抗干扰性能好,适于远距离传送,并且频率信号所需的接口简单,占用资源少,一般它只占用一路计数器接口直接进行计数或一个中断源输入接口,在中断服务程序中对脉冲进行计数,当然也可利用外部计数装置输入若干路通用I/O接口中。
总之频率信号的测量具有灵活的输入方式,对频率信号的各种参数的测量有重要的意义。
频率参数主要包括周期、高低电平的持续时间以及占空比。
2. 周期的测量
因为 周期=脉冲数/时间,为了计算出单位时间的脉冲数,首先要有一个时间基准。
如果用单片机的定时器进行定时则直接接入单片机内的信号的最高频率取决于晶振频率,由于所测信号的每一个脉冲的高低电平要持续至少一个机器周期,即它的周期不得高于2倍的机器周期;另一方面,一个机器周期等于6个状态周期,一个状态周期等于2个晶振周期。
故有:
T待测<=24*T晶振。
2.1低频信号周期的测量 接线示意图如图1,前端属于信号调理电路,工作原理是:
用一个计数器,一个定时器,在设定的时间内对脉冲数进行累加;另一方法是一个定时器一个中断口,中断为下降沿触发,在中断程序中计数。
很明显,上述方法所得计数值会受到定时误差的影响;在精度要求高的场合可以用外接精密脉冲源的方法来规避此误差。
即:
使用外部脉冲进行比较计数时没有定时原因造成的误差。
如图2。
此时会有如下的关系式:
F待测*COUNT标准=F标准*CONNT待测
2.2 高频信号周期的测量,图3是一个典型的电路
这个电路中各部分的功能说明如下:
AD9686:
将非TTL电平信号转变为TTL电平,属于前向调理电路。
累加器是二进制计数器,目的是对信号进行分频,MR为清零端。
此处用了两种不同性能的计数器,即74LS197和74LS93。
其中LS197是四位二进制计数器,最高计数频率100MHz,它可以进行16分频,如果根据单片机的主频计算分频后的频率仍然高于可测频则需继续分频,当然对后面的分频芯片的最高工作频率的要求可以降低。
各管脚的输出为:
74LS197的输出:
74LS93的输出:
Q1:
Fin的2分频 Q2:
Fin的4分频 Q1:
Fin的32分频 Q2:
Fin的64分频
Q3:
Fin的8分频 Q1:
Fin的16分频 Q3:
Fin的128分频 Q1:
Fin的256分频
本电路采用硬件控制方式,门控位置”1”时,74LS00打开,待测脉冲与基准脉冲同时进入外部硬件计数器计数,延时一定时间后,门控位置0,停止计数,根据此时的计数值我们有如下关系式:
COUNT待测/F待测=COUNT基准/F基准根据需要可只将相应的分频管脚接入单片机内计数,也可采用I/O口全部读入各位分频脚的方法,由电路的结构,我们知道此电路有模块化的优点。
3脉冲高电平持续时间的测量
3.1当脉冲频率较高,每周期高电平时间较短,为了保证精度,需对N次高电平的时间值进行平均。
接线和流程示意图如下:
3.2当脉冲频率较低时,意味着高电平持续时间较长,此时可用T0或T1的门控方式直接计数,为了防止从图5中的B点开始计数,此时有两种方法来减少误差:
利用软件的方法:
将待测信号经过一个非门接入中断口,在中断程序中同时打开门控方式的定时,从而保证了从脉冲的上升沿开始计数;也可用硬件方法确保从A点开始,这种方法说明如下,采用图6的JK触发器电路,当Fin的下降沿到来时,C点电位为高,送入INT0的为低电位。
上述方法如果高电平时间超过了65535个计数值,则应对TF0标识进行判别来扩大计数量程。
很显然,只要脉冲信号取反输入,我们就能得到其低电平持续时间的测量方法,此不多述。
48098系列单片机的应用
利用定时器计数,测脉冲的宽度。
这种方法和上面的相似:
通过检测引脚的上跳变开中断,同时记录该时刻值T1,通过检测引脚的下跳变关中断,记录该时刻的时刻值T2,T2减T1加上中断记录的中断次数对应的时间就等于一个周期内高电平的持续时间。
有特色的是使用8098中的HSI部件(高速输入通道)。
通过引脚输入脉冲信号,同时可以以四种工作方式:
正跳变、负跳变、正负均跳变、每8个正跳变触发一次的方法记录事件发生的时刻,而不占用CPU的时间。
由于事件发生的时间以定时器T1作为时间基准,T1又是每8个状态计数一次,每个状态周期是晶振周期的3分频,所以正负电平持续的时间均应大于12倍的晶振周期。
当频率过高时可以8分频测频,频率可以直接测量时可用两个HIS引脚输入同一信号,分别记录正跳变、负跳变时刻以及周期个数从而算出脉冲周期、正电平时间、负电平时间,进一步算出占空比。
5结论
用单片机测频,关键在于分频、同步、计数量程这几点;前述的方法,计数口和外部中断口可互换使用,只是计数的实现不同,这要求输入的方式做响应的变化;测出了脉冲信号的高低电位时间就可以利用单片机的运算功能测占空比。
摘要:
介绍了可编程模拟器件的基本原理和开发流程。
列举了主流器件系列,并说明其核心技术。
展望了可编程模拟器件的发展前景。
关键词:
可编程模拟器件模拟可编程技术
可编程模拟器件(ProgrammableAnalogDevice)是近年来崭露头角的一类新型集成电路。
它既属于模拟集成电路,又同可编程逻辑器件一样,可由用户通过现场编程和配置来改变其内部连接和元件参数从而获得所需要的电路功能。
配合相应的开发工具,其设计和使用均可与可编程逻辑器件同样方便、灵活和快捷。
与数字器件相比,它具有简洁、经济、高速度、低功耗等优势;而与普通模拟电路相比,它又具有全集成化、适用性强,便于开发和维护(升级)等显著优点,并可作为模拟ASIC开发的中间媒介和低风险过渡途径。
因此,它特别适用于小型化、低成本、中低精度电子系统的设计和实现,未来其应用将会日益广泛。
1内部结构与基本原理
通用型可编程模拟器件主要包括现场可编程模拟阵列(FPAA)和在系统可编程模拟电路(ispPAC)两大类。
二者的基本结构与可编程逻辑器件相似,主要包括可编程模拟单元(ConfigurableAnalogBlock,CAB)、可编程互连网络(ProgrammableInterconnectionNetwork)、配置逻辑(接口)、配置数据存储器(ConfigurationDataMemory)、模拟I/O单元(或输入单元、输出单元)等几大部分,如图1所示。
模拟I/O单元等与器件引脚相连,负责对输入、输出信号进行驱动和偏置、配置逻辑通过串行、并行总线或在系统编程(ISP)方式,接收外部输入的配置数据并存入配置数据存储器;配置数据存储器可以是移位寄存器、SRAM或者非易失的E2PROM、FLASH等,其容量可以数十位至数千位不等;可编程互连网络是多输入、多输出的信号交换网络,受配置数据控制,完成各CAB之间及其与模拟I/O单元之间的电路连接和信号传递;CAB是可编程模拟器件的基本单元,一般由运行放大器或跨导放大器配合外围的可编程电容阵列、电阻阵列、开关阵列等共同构成。
各元件取值及相互间连接关系等均受配置数据控制,从而呈现不同的CAB功能组态和元件参数组合,以实现用户所需的电路功能。
CAB的性能及其功能组态和参数相合的数目,是决定可编程模拟器件功能强弱和应用范围的主要因素。
数模混俣可编程器件可看作是可编程模拟器件的推广形式。
以SIDSA公司(www.sidsa.con/fipsoc)的FIPSOC系列(数模混合现场可编程片上系统)为例,它既包含有模拟的可编程单元和互连网络,又包含有由逻辑宏单元和开关矩组成的FPGA,还包含有A/D、D/A转换器和用于配置与控制的嵌入式微处理器等要,可用于片上系统(SOC)的开发与实现。
但其模拟部分的规模较小,主要面向数据采集、实时监控等特定应用。
2基本开发流程
可编程模拟器件开发的主要步骤依次为:
(1)电路表达,即根据设计任务,结合所选用的可编程模拟器件的资源、结构特点,初步确定设计方案;
(2)分解与综合,即对各功能模块进行细化,并利用开发工具输入或调用宏函数自动生成电原理图;(3)布局布线,即确定各电路要素与器件资源之间的对应关系以及器件内部的信号连接等。
可自动或手动完成;(4)设计验证,即对设计进行仿真(根据器件模型和输入信号等,计算并显示电路响应),以初步确定当前设计是否满足功能和指标要求。
如果不满足,应返回上一步骤进行修改;(5)由开发工具自动生成当前设计的编程数据和文件;(6)器件编程,即将编程数据写入器件内部的配置数据存储顺。
一般通过在线配置方式完成,也可利用通用编程器脱机编程;(7)电路实测,即利用仪器对配置后的器件及电路进行实际测试,详细验证其各项功能和指标。
如果发现问题,还需返回前有关步骤加以修改和完善。
可编缉模拟器件设计的基本流程图如图2所示。
该流程主要在微机上利用开发工具完成,基本可做到“所见即所得”。
以往由于元件超差、接触不良等实际因素造成的延误和返工可基本消除,对设计者的要求也大大降低。
3主流器件与核心技术
FAS公司()的TRAC系列现有TRAC020、TRAC020LH(微功耗版本)、ZXF36Lxx(模拟门阵列)等器件,采用电压运行算技术一一以随时间连续变化的模拟电压为信号参量。
其CAB由运放配置电阻、电容、多路模拟开关等组成,可编程互连网也主要利用模拟开关实现。
利用配置数据控制多路模拟开发即可改变CAB的内部连接(即功能组态);改变一组按特定规律取值的同类元件(电阻或电容)之间的连接关系,获得所需的等效元件取值;改变各CAB间的信号传递关系等。
该系列具有接近常规器件的优良特性(如闭环带宽可达12MHz),面向模拟计算的器件结构和便于向ASIC移植的产品线。
其CAB具有加(ADD)、取负(NEG)、对数(LOG)、反对数(ANT)、积分(AUX-def)、微分(AUX-int)等运行型功能组态,设计得可根据设计目标的数字描述或信号流图,利用开发工具以绘制框图方式完成电路设计而无须考虑其内部细节。
缺点是可编程能力较强,器件内部连接基本固定(参见图3),仅能利用NIP(直通)和OFF(断开)功能组态或外部连接线(Link)等加以改变;器件内电阻等元件均取值固定,须外接RC元件来改变有关的电路参数。
设计过程的自动化程度和电路的整体集成度也因而降低。
Lattice公司的ispPAC系列等采用跨导运算技术,以模拟电流作为主要信号参量,以跨导运算放大器(OTA)取代电压运算放大器,以基于OTA的有源元件取代部分无源元件。
该类器件利用D/A转换器按照配置数据改变OTA的偏置电流,从而改变其互导增益gm和电压放大器增益Au,实现对CAB的配置和参数调整。
由于在IC中易于改变且调整范围较大,控制精确较高,因此该类器件的参数变化范围和分辨率均可显著提高。
此外,该类器件还具有电流模电流共有的高速、低电压、低功耗、宽动态范围、高稳定性等优点。
ispPAC系列包括PAC10、PAC20、PAC30等通用型器件和PAC80、PAC82等ISP滤波器。
以PAC10为例(参见图4),其可编程模拟单元(PACBlock)以两个增益可配置(±1~±10)的跨导型仪表放大器作为输入级,以运放、有源反馈元件(跨导放大器)和电容阵列(7个电容可组合出128种等效电容)等构成输出级,可实现放大、迭加、积分和滤波等功能且精度较高;其模拟布线池可灵活地配置器件内部及其与引脚之间的连接关系;自校准单元可自动测量输出失调并利用专用DAC加以补偿;ISP接口支持在系统编程和数据保密。
因此,ispPAC的电路性能与可编程能力俱佳。
PAC20等还配有DAC和迟滞比较器,仅需单片便可构成的监控系统。
Anadigm公司()的AN10E40器件则采用开关电容技术(同MOTOROLA原产的MPAA020),通过改变电容比或开关电容的时钟频率来配置电路参数。
其内部为典型的阵列式结构(参见图1),由CAB、模拟I/O单元和分布其间的布线资源及可编程时钟资源等组成,信号带宽约250kHz。
其CAB由运放、电子开关和开关电容等组成(参见图5),对信号来原、去向和各电容容量(均有256种选择)等均可灵活配置。
可编程时钟资源则为各开关电容提供所需的时钟频率(共32种分频比)和相位(每种频率4种)。
这样,单个CAB即可实现整流器、放大器、可编程比较器和一阶滤波器等信号调理功能;将多个CAB加以组合、连接,便可实现高阶滤波器、脉宽调制器等更为复杂的电路。
由于现有IC工艺可制造的电阻和电容范围有很且误差较大,而电容比的制造精度较高(<0.1%),因此该类器件的电路精度较高,可编程能力较强而制造成本较低,但信号带宽较小,内部噪声较大。
此外,一旦低成本的可编程电流镜或模拟乘法器研制成功,具备兼容数字IC工艺等多种优势的开关电流技术便可应用于可编程模拟器件,极大地降低其成本并提升其性能。
目前,可编程模拟器件已在数据采集、信号处理、仅器仪表、控制与监测、人工神经网络、电路实验等重要领域得到应用,其典型应用包括信号调理、模拟计算、中高频应用、人工神经网络、电路进化设计(EHW)等。
尽管可编程模拟器件问世不久,有关的技术与产品仍显稚嫩,但其内在的便利性和经济性以及作为其数字域对应物的可编程逻辑器件的成功经历,都使我们有理由相信:
在不远的将不,可编程模拟器件的技术必将日益成熟,器件品种必将日益丰富,最终成为模拟电路设计和应用中的首选器件。
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