畢業(yè)設(shè)計(jì)-礦用便攜式靜態(tài)電阻應(yīng)變儀的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 入阻抗。對(duì)于 CMOS運(yùn)放，其輸入阻抗在 1013數(shù)量級(jí)。與無(wú)源濾波器相比，這個(gè)濾波器電路的輸出阻抗很低，典型值為幾十至幾百歐姆。 同時(shí)，可以根據(jù)不同的要求 來(lái) 選擇二階或更高階的有源濾波器。 14 11Cs11RVVINO U T??VO U TVI NC1 R1 fc=1/2πRC0dB倍頻頻率/KHz增益/dB20.1014 （ a） （ b） 圖 39 電阻與電容組成的無(wú)源低通濾波器及其頻譜圖 The circuit diagram and spectrum of RC lowpass filter V c c+VI NR2 C2 VO U T1112 Cs1 /1 R RRVVINOUT ??? fc=1/2πRC0dB倍頻頻率f/KHz增益/dB2064.1011+/ （ a） （ b） 圖 310 單極點(diǎn)有源 低通 濾波器及其頻譜圖 The circuit diagram and spectrum of lowpass active filter with simple pole 三 、 本文所采用的濾波器 如圖 38 所示 的電容 C C2 與前端的惠斯登電橋電路組成了一種 RC 無(wú)源濾波器。其中的電阻值為 120Ω，電容選擇選擇 的獨(dú)石電容；起到濾除 13K 赫茲以上 高頻 噪聲信號(hào)的作用（即：主要濾除由于多路開(kāi)關(guān)的切換產(chǎn)生的高頻噪聲干擾）。這個(gè)低通濾波器是根據(jù)電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的，避免了低通濾波器的電阻產(chǎn)生不必要的電壓降和產(chǎn)生阻抗匹配困難的問(wèn)題。 電容濾波器（設(shè)輸入量為電流 IC(S)，輸出為電壓 V0(S)，如圖 312 所示 ，其 傳遞函數(shù)為 [8]： CSSI SVSA CO 1)( )()( ?? （ 33） 頻率特性為： 15 jw CjwI jwVjwA CO 1)( )()( ?? （ 34） 對(duì)數(shù)幅頻特性為： wCwCwA lg201lg20)(lg20 ??? （ 35） 顯然，隨著頻率 ??? fw ?2 濾波器的輸出電壓衰減逐漸增加，起到了低通濾波器效果，輸入輸出特性 如圖 311（ d）所示。 濾波器的電容要有耐壓高、絕緣好、溫度系數(shù)小和自諧振頻率高等特點(diǎn)。 電容濾波器的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種： 圖 311（ a）中 機(jī)構(gòu)最簡(jiǎn)單，接在干擾源線間能抑制電源噪聲，接在干擾源與和地線間能衰減共模噪聲。 圖 311（ b） 中電容器中點(diǎn)接地，能夠把噪聲電流旁路入地，消除共模噪聲。 圖 311（ c） 中的 C3 接在電源線間，這種結(jié)構(gòu)能有效地抑制共模（由 C C2 完成）和串模噪聲（由 C3 完成）。本儀表采用圖 311（ b）所示結(jié)構(gòu)。 在模擬量輸入通道信號(hào)調(diào)理電路中，濾波器的選擇需根據(jù)輸入信號(hào)和干擾源的頻譜進(jìn)行選擇。模擬 濾波器，一般需放置在 A/D 轉(zhuǎn)換器的前面，其功能在模擬域內(nèi)，而不是在數(shù)字域內(nèi)實(shí)現(xiàn)的。 入 出入 出00 . 512Aw入 出ci 0u（ a ） 衰 減 串 模 噪 聲 接 法 （ b ） 衰 減 共 模 噪 聲 接 法（ c ） 衰 減 串 / 共 模 噪 聲 接 法（ d ） 輸 入 輸 出 特 性C3 : 抑 制 常 模 干 擾C C2： 抑 制 共 模 干 擾C 3C 1C 2 圖 311電容濾波器的結(jié)構(gòu)和特性 The structural and characteristics diagram of capacitive filter 而且濾波器常用模擬低通濾波器（ LPF）；為什么需要模擬低通濾波器（ LPF）？首先，模擬信號(hào)中包含高頻和低頻的噪聲。不管你是否承認(rèn)，這都是確實(shí)存在的事實(shí)。這種噪聲 16 確實(shí)存在于模擬信號(hào)中，需要采 用模擬低通濾波器（ LPF）應(yīng)歸結(jié)到奈奎斯特定律。根據(jù)奈奎斯特定律（如果想要從數(shù)字形式中恢復(fù)或重建一個(gè)帶寬為 fB的信號(hào)，采樣頻率 fS必須滿(mǎn)足 （ fS2fB），對(duì)于任何頻率的信號(hào)（或噪聲），如果不被精確轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，就可能被混淆入其他信號(hào)。 經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換器的信號(hào)，都包含與之關(guān)聯(lián)的幅度信息。只要信號(hào)頻率低于 A/D 轉(zhuǎn)換器輸入級(jí)帶寬， A/D 轉(zhuǎn)換器就能可靠地將信號(hào)的幅度信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。雖然幅度信息被保留了，但信號(hào)的頻率信息就不是這樣了。對(duì)于頻率超過(guò) 1/2fS（ fS為 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣頻率）的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)采樣 后，其信號(hào)被折返到采樣頻率之內(nèi)，因此，經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后，可能會(huì)很難從轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)判斷輸入信號(hào)是在 1/2fS之內(nèi)，還是高于 1/2fS。根據(jù)奈奎斯特定律，信號(hào)被混疊了 [9]。 由于 本設(shè)計(jì)所測(cè) 應(yīng)變值的變化很緩慢，采用的又是恒壓源，微電壓信號(hào)的變化很小，所以 ADC 的采樣頻率設(shè)為 1 次 /秒；不適合 根據(jù)奈奎斯特定律，在電路中設(shè)計(jì)抗混疊濾波器 。 本人根據(jù)查看的許多資料和研制本儀表過(guò)程中的體驗(yàn)，感到在檢測(cè)動(dòng)態(tài)信號(hào)（其頻率fB≥1kHz）時(shí)，選擇采樣頻率高的 ADC 轉(zhuǎn)換器，應(yīng)用奈奎斯特定律，在電路中設(shè)計(jì)抗混疊濾波器，是比較適合的。 模數(shù)轉(zhuǎn)換部分 對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇首先要確定其位數(shù)。對(duì)于一臺(tái)具體的設(shè)備，其技術(shù)指標(biāo)中包含檢測(cè)精度指標(biāo)。通過(guò)這個(gè)指標(biāo)就可以換算出所需的 A/D 轉(zhuǎn)換的最低指標(biāo)，只要選擇轉(zhuǎn)換精度比這個(gè)最低指標(biāo)高一些的 A/D 器件就可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。通常精度和分辨率是不同的，受非線性誤差的影響，分辨率高的精度不一定高。當(dāng)器件的非線性誤差控制在 1 位之內(nèi)時(shí)，A/D 轉(zhuǎn)換器件用 “位數(shù) ”所表示的分辨率與其轉(zhuǎn)換精度基本相同，習(xí)慣上就用位數(shù)來(lái)衡量其轉(zhuǎn)換精度 [10]。 實(shí)際選取的 A/D 轉(zhuǎn)換器的位數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足測(cè)量數(shù)據(jù)的范圍和精度要求，并與 其它環(huán)節(jié)（如傳感器變換、信號(hào)預(yù)處理電路）所能達(dá)到的精度相適應(yīng)；只要不低于它們就行，選的太高既沒(méi)有意義，而且價(jià)格還要高出很多。 其次就是要確定 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，要根據(jù)采樣頻率的不同，選擇工作頻率不同的 A/D 轉(zhuǎn)換器件。其 中主要有： 低速 A/D 轉(zhuǎn)換器件：適合采樣頻率低于每秒 10 次的場(chǎng)合，其檢測(cè)對(duì)象為變化緩慢的物理量，如溫度，壓力等，這類(lèi) A/D 轉(zhuǎn)換器件以 “雙積分型 ”為主，具有很高的抗工頻干擾能力。 中速 A/D 轉(zhuǎn)換器件：適合采樣頻率高于每秒 100 次的場(chǎng)合，其檢測(cè)對(duì)象為變化比較快的物理量。這類(lèi) A/D 轉(zhuǎn)換器 件以 “逐次逼近型 ”為主，絕大多數(shù) A/D 轉(zhuǎn)換器件都屬于這 17 一類(lèi)型。 高速 A/D 轉(zhuǎn)換器件：適合采樣頻率高于 1MHz 的場(chǎng)合，其檢測(cè)對(duì)象為變化極快的物理量。這類(lèi) A/D 轉(zhuǎn)換器件以 “并行比較型 ”為主，應(yīng)用領(lǐng)域以多媒體信息采集和處理為主。 綜上所述，在工業(yè)企業(yè)的基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的智能儀表裝置中，若對(duì)于信號(hào)轉(zhuǎn)換速率的要求不是很高而對(duì)轉(zhuǎn)換精度要求很高時(shí)，選擇雙積分式 A/D 轉(zhuǎn)換器是很合適的。 其中， 美國(guó) Intersil 公司的 ICL7135 是比較流行的雙 積分 A/D 轉(zhuǎn)換器 ，其具有 4 位半的精度（相當(dāng)于 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器），自動(dòng)校零， 自動(dòng)極性輸出，其最大線性度誤差為 1個(gè)計(jì)數(shù)值，單基準(zhǔn)電壓，動(dòng)態(tài)字位掃描 BCD 碼輸出，價(jià)格低等特點(diǎn)。 本儀表是靜態(tài)應(yīng)變儀，測(cè)量的是緩慢變化的應(yīng)變（壓力）信號(hào)，對(duì)精度要求很高，所以選擇 ICL7135 作為 A/D 轉(zhuǎn)換器件。 ICL7135的部分主要引腳功能如下： B B B B1： BCD碼的輸出端。 D D D D D1： BCD碼數(shù)據(jù)的位選通信號(hào)輸出端，分別選通萬(wàn)、千、百、十、個(gè)位。 CLK（引腳 22）：時(shí)鐘輸入端。 POL（引腳 23）：極性輸出端。當(dāng)輸入信號(hào)為正， POL端輸出高電平；當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)， POL端輸出為低電平。 ST （引腳 26）：數(shù)據(jù)輸出選通脈沖輸出端。該脈沖寬度為時(shí)間脈沖寬度的 1/2，一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，該端輸出 5個(gè)負(fù)脈沖，分別選通高位到低位的 BCD碼數(shù)據(jù)輸出，可利用該信號(hào)把數(shù)據(jù)打入到并行接口中供 CPU讀取（此端在與單片機(jī)接口時(shí)經(jīng)常被用到）。 BUSY（引腳 21）：轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志輸出端。積分器在積分過(guò)程中（包括對(duì)信號(hào)積分和反積分） BUSY端輸出高電平，積分器在反積分過(guò)零后輸出低電平。 其中， ICL7135的其他引腳、外部電路連接和元件參數(shù)的選擇可以 參照其芯片說(shuō)明資料，在網(wǎng)上可搜索到，這里就不贅述了。 由于 ICL7135 的精度很高（ 19999~+19999），而且儀表的 分辨率 為 1 個(gè)微應(yīng)變，即一個(gè)微應(yīng)變對(duì)應(yīng) ，這樣運(yùn)放的放大倍數(shù)就不用很高，從而降低了失調(diào)電壓的影響。 ICL7135在單極性基準(zhǔn)電壓（ VRef = +1V）供給下，能對(duì)雙極性輸入的模擬電壓進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換，并自動(dòng)輸出極性判別信號(hào)。當(dāng)工作于雙極性情況下，最高時(shí)鐘頻率為 125KHz，這時(shí)轉(zhuǎn)換速度為 3次 /秒左右；如果輸入信號(hào)為單極性的，則時(shí)鐘頻率可最高到 1MHz，這時(shí)轉(zhuǎn)換速度為 25次 /秒。 為了使電路具有抗 50Hz串模干擾能力， A/D轉(zhuǎn)換的積分時(shí)間應(yīng)選擇積分時(shí)間等于 50Hz工頻的整數(shù)倍。 ICL7135的外部接線圖如圖 312所示。 ICL7135的測(cè)量周期分為 4個(gè)階段：自動(dòng)調(diào)零階段、模擬輸入（被測(cè)電壓）積分階段、 18 基準(zhǔn)電壓反積分（被測(cè)電壓量化）階段、積分器回零階段。其中的積分器回零和自動(dòng)調(diào)零可歸為一個(gè)階段；在模擬輸入積分階段： BUSY輸出為高電平，被測(cè)電壓在固定時(shí)間（ 10000T）進(jìn)行積分；在基準(zhǔn)電壓反積分階段：對(duì)被測(cè)電壓以相同的斜率（ 10000/ VRef）進(jìn)行量化， ICL7135內(nèi)部的十進(jìn) 制計(jì)數(shù)器在此階段對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，其計(jì)數(shù)值為10000Vin/VRef，即為模擬輸入的 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，當(dāng)積分器輸出為零， BUSY變?yōu)榈碗娖剑豢偟臏y(cè)量周期為 40002T，如圖 313所示。 進(jìn)一步分析 ICL7135的時(shí)序發(fā)現(xiàn)，在模擬輸入積分階段和對(duì)基準(zhǔn)電壓反積分階段，ICL7135的 BUSY端輸出均為高電平，其余均為低電平，如圖 212所示。同時(shí)，模擬輸入積分階段的時(shí)間是固定的，為 10000個(gè)時(shí)鐘周期（ 10000T）。如果應(yīng)用單片機(jī)的定時(shí) /計(jì)數(shù)器檢測(cè)出 BUSY為高電平的時(shí)間 (或計(jì)數(shù)值 )，再減去輸入積分階段和一 個(gè)時(shí)鐘周期（其中在反積分階段最早時(shí)有一個(gè)時(shí)鐘脈沖是 “無(wú)效 ”的）的時(shí)間之和（ 10001T）或計(jì)數(shù)值之和 （ 10001），即得到基準(zhǔn)電壓反積分的時(shí)間或計(jì)數(shù)值 [11]。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i o nS iz eBD a t e : 16 J un 20 10 S h e e t of F il e : E : \ 畢業(yè)設(shè)計(jì) \ 初稿 上交 \ 大圖 \ 復(fù)件 復(fù)件 M y D e s i g bD r a w n B y:V U N D E R R A N G ER E F O V E R R A N G EV A L O G C O M M O N S T R O B EI N T O U T R / HA Z I N D I G I T A L G N DB U F F O U T P O LR E F C A P C L O C K I NR E F C A P + B U S YI N L O ( L S D ) D 1I N H I D2V+ D3( M S D ) D 5 D4( L S B ) B 1 ( M S B ) B 8B2 B4ICL713512435678910111213142827262524232221201918171615J P 1 5 V+ VR1R410KG N DC40 . 1 u F+ 1 VD1R21 0 0KC10 . 4 7 u FR31 0 0 kC31uFC2 1uF+ 5VP D 3 I N T 1懸空為高電平P D 7 25 0 k H zP B 1 信號(hào)輸入R51 0 0 KC50 . 1 u FG N D 圖 312 ICL7135 的 外部電路連接 圖 The circuit diagram of ICL7135 19 基 準(zhǔn) 電 壓 反 積 分 （ 1 ～ 2 0 0 0 1 T ）模 擬 輸 入 積 分（ 固 定 1 0 0 0 0 T ）回 零 和 自 動(dòng) 調(diào) 零 階 段（ 3 0 0 0