多信號采集功能信號設計方案

　　文章是一篇通信論文，主要講述了多信號采集功能的信號調(diào)理電路設計新改革措施等等。本文選自：《通信學報》,《通信學報》面向國內(nèi)外公開發(fā)行。其辦刊宗旨是及時反映中國通信科學技術發(fā)展水平，交流國內(nèi)外通信科技新成果，促進學術進步和人才成長，探索新理論、新技術。主要讀者對象為信息通信領域的研究人員、大專院校通信及相關專業(yè)的教師和研究生。

　　摘要：節(jié)的通道信號類型。當巡回采集0～7八個通道時,根據(jù)不同的通道號, 一方面從EEPROM 中取出X9241滑動端相應的數(shù)值通過 總線寫入X9241數(shù)據(jù)寄存器中, 數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容可傳輸?shù)交瑒佑嫈?shù)寄存器WCR 以設置滑動端的位置; 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 的開合狀態(tài), 并將X9241 的0 號電位器RW 置上合適的數(shù)值, 實現(xiàn)信號的正確輸入及調(diào)理。

　　關鍵詞：信號采集功能,信號調(diào)理,電路設計,信號管理,通信論文

　　1、硬件設計

　　信號調(diào)理電路單路輸入的硬件結構,包括信號輸入、放大、單片機控制等幾大部分。信號輸入電路由精密基準電源MAX872、光繼電器AQW212E、運放4502 及精密儀表開關電容模塊LTC1043 等組成。其中精密基準電源的使用一方面提升輸入信號的電位, 避免低電位測量時的干擾誤差;另一方面作為一路檢測電路, 其測量結果可以修正其它回路的檢測結果, 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),輸出精度可達2.500V ± 0.2%。LTC1043CN 是雙精密儀表開關電容,電容外接, 多用于精密儀表放大電路、壓頻轉換電路和采樣保持電路等。當內(nèi)部開關頻率被設定在額定值300Hz時, LTC1043CN 的傳輸精確度最高, 此時電容器CS 和CH大小均為1 μ F。LTC1043CN 和運放LT1013 組成差分單端放大器,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 中, 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輸, 使電壓由差分輸入變?yōu)閱味溯斎? 并起到了很好的信號隔離作用, 在本設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的電壓信號, 滿足模數(shù)轉換器允許的電壓輸入范圍。本部分電路僅完成信號輸入, 是我們研制網(wǎng)絡化智能儀表的一部分, 對于輸入信號模數(shù)轉換、數(shù)據(jù)處理、顯示則由其它模塊完成。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上, 其他電路是所有通道信號輸入的公共電路, 只是根據(jù)輸入信號的不同, 單片機改變其余光繼電器的狀態(tài), 形成不同的輸入電路。具體可分為以下幾種情況:

　　(1) 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的0號電位器V0的兩端, 經(jīng)過軟件實現(xiàn)對該電位器的調(diào)節(jié), 令其滑動端的數(shù)值為25, 按25J63(電位器內(nèi)共有63個電阻單元組成的陣列)這樣比例繼續(xù)分壓變?yōu)榧s100～500mV信號, 加LTC1043CN 的電容CS 上,此時數(shù)字電位器X9241的其它3個電位器形成的放大倍數(shù)應為1, 才能保證在運放L T 1 0 1 3 的輸出端最大電壓不超過500mV; 具體如何設置這3個電位器滑動端的數(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法,消除了長距離傳輸時傳輸導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被三線制接法后短接,2.5V基準電壓此時加在熱電阻及R8、R9 上,變?yōu)楹练�級電壓信號輸入。當為Pt100輸入390.26Ω時轉換為約290mV左右的電壓輸出。

　　(3) 采集每個通道信號前還要采集兩個不同的基準電壓, 實現(xiàn)儀表在測量中的自校正功能。電路中精密基準電源MAX872 輸出的2.5V 電壓經(jīng)精密電阻R1(66kΩ)、R3(192kΩ)分壓后,將約為640mV 左右加在X9241 的0 號電位器分壓。此時繼電器S4、S5、S6 斷開,繼電器P37 合上。

　　2、軟件設計

　　軟件部分所要完成的工作就是控制各光繼電器的狀態(tài)及設定數(shù)字電位器X9241 中各數(shù)字電位器滑動端的位置。本模塊采用單片機控制, 可與其它模塊單片機或上位機進行通信。信號類型的設定, 也可通過掃描鍵盤或IC卡完成。確定了各路的信號類型后, 對應不同的輸入信號, 數(shù)字電位器X9241內(nèi)部的4個電位器滑動端的數(shù)值不同, 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, 使得當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的LT1013輸出電壓值。若采集8個通道, 則需將24個字節(jié)數(shù)據(jù)的電位器RW1, RW2, RW3 的數(shù)值n1, n2,n3順序保存在本模塊的 中, 另外還要保存8個字

　　3、實驗與總結

　　在設計中,電壓、電流、熱電偶、熱電阻等多種類型的輸入信號,完成了對各種輸入信號以及多種輸入范圍的高精度測量。設計中器件傳輸信號的線性度與信號高、低端的測量是關鍵, 它們影響著測量的精度, 在小信號測量時注意提升電位, 大信號測量時注意電源的供給要留有余量。通過選擇精密的元器件, 在軟件上做一些算法修正, 這個信號調(diào)理電路的線性度很好, 而且通過自校正算法克服了零漂。