0至100V电压采集方案

0至100V电压采集方案

测控122赵晨

一．总体设计方案

二、各单元介绍

1.电压变送器

是一种将被测交流电压、直流电压、脉冲电压转换成接线性比例输出直流电压或直流电流并隔离输出模拟信号或数字信号的装置。采用普遍传感器电压电流信号，输入电压信号：0~5V/0~100V/0~500V 输出电流信号：0~10mA、0~20mA、4~20mA 4、输出电压信号：0~5VDC、0~10VDC、1~5VDC 。

电压变送器分直流电压变送器和交流电压变送器，交流电压变送器是一种能将被测交流电流（交流电压）转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器，广泛应用于电力、邮电、石油、煤炭、冶金、铁道、市政等部门的电气装置、自动控制以及调度系统。交流电压变送器具有单路、三路组合结构形式。直流电压变送器是一种能将被测直流电压转换成按线性比例输出直流电压或直流电流的仪器，也广泛应用在电力、远程监控、仪器仪表、医疗设备、工业自控等各个需要电量隔离测控的行业。

跟踪式传感器的输出信号能快速跟踪输入信号的变化。本产品采用线性光耦隔离原理（电压型）和霍尔隔离原理（电流型），将输入的信号经电隔离后转换成标准模拟跟随信号。电压产品为三隔离产品，即输入、输出和辅助电源相互电隔离，电流产品为两隔离，输入与输出、电源隔离。本产品具有高精度、高隔离、低响应时间、低漂移等特点。解决了传感器、变送器或仪表信号高速传输过程中的共模干扰、电隔离及信号标准化等问题，特别适用于高速瞬态波形采集、谐波分析及快速监测报警等领域。可广泛用于电力、铁路、通信及多种工业部门的计算机、PLC等测控系统及各种自动控制系统。

本设计选择的变送器系列为PA-19

●PA—19是将直流电流、电压信号转换成标准的过程信号。用于DCS对电动机、泵或热网的中央监控，监视供电线路及其电流。

产品选型

直流电压变送器TEC_UXXX

例：PA—191F1，一进一出，输入0~100V，输出为4~20MA,电路图如下

2.I/V转换电路

由于4～20mA变送器输出4mA时，在取样电阻上的电压不等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0，单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。因此一般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换。

推荐采用运放OP07搭的4～20mA输入/0～5V输出的I／V转换电路

运放的供电采用了由DIP封装的TL431组成的高精度稳压电路，这种TL431采用DIP8封装，耗散功率达到1W，更改供电电压只需要更换分压电阻就可以轻易办到。运算放大器选择使用的是高精度低失调的OP-07，其参数指标大大优于普通廉价运放。最为关键的是在对零点信号的处理上，可以保证输入4mA的时候，运放ICC的输入电压等于零。

图三电路的工作原理

运放ICD的同相输入端端电压由经过TIA31稳压后的负电源提供，它通过R15与R14的分压，取R14上的电压与R10上在4mA时的电压一样，然后，经过运放的缓冲，从运放输出接有一只PNP型三极管用于扩展输出能力，实际这是一个典型的运算放大器稳压电源，其输出将跟随着运放的同相端电压，可以从接近零的电压起调。

R10就是4~20mA的I/V转换电阻，按照上述道理由于运放的作用，这个电阻的最小取值可以取得很小，电阻越小，电阻越小越能减轻前方传感变送器的供电要求。

正是考虑到传感变送器属于一种远传信号的使用环境，为了防止引入干扰信号吗，加油输入滤波电容CO和两支1N4148二极管对输入信号可能出现的危险电压进行保护。

本设计首先要将0~100V电压信号直接送入变送器再通过变送器输出0~5V直流电压。变送器可输入0~100V电压，并输出0~5V电压信号，可以供给AD0804采集，满足设计要求。

3.采样/保持电路

采样保持电路实质上是一种模拟信号存储器，它在数字指令控制下，使开关通断，对输入信号瞬时值进行采样并寄存，通常用两个运算放大器构成高输入阻抗的采样/保持电路，如图5-所示。

放大器A1是射随器。它对模拟信号提供了高输入阻抗，并提供了一个低的输出阻抗，使存储电容CH能快速充电和放电，放大器A2在存储电容和输出端之间起缓冲作用。开关K1在指令控制下通断，对电容CH充电或放电，开关S1通常使用FET开关或MOSFET开关，存储电容CH一般取0.01~0.1μF。

LF398具有采样和保持功能，它是一种模拟信号存储器，在逻辑指令控制下，对输入的模拟量进行采样和寄存。图5-3是该器件的引脚图。各引脚端的功能如下：

①和④端分别为VCC和V

EE电源端。电源电压范围为±5V～±15V。

②端为失调调零端。当输入Vi

=0，且在逻辑输入为1采样使，可调节②端使Vo

=0。

③端为模拟量输入端。

⑤端为输出端。

⑥端为接采样保持电容CH端。

⑦端为逻辑基准端（接地）。

⑧端为逻辑输入控制端。该端电平为

“1”时采样，为“0”时保持。

输入的模拟量信号可以从多路开关AD7501输入,在微机的控制下,选择一路从OUT端进入采样保持器LF398的IN端.采样保持器的逻辑控制端（8）应与微机的数据口连接，使采样保持器8引脚高则采样，低则保持。采样保持器的5

端为模拟量输出端OUT与A/D转换器ADC0804的输入VIN端相连。A/D转换器的输出的数字量接微机的数据口,完成模拟量的输入。

4.ADC0804芯片介绍

图3：ADC0804规格及引脚分配图

本试验采用的A/D芯片为ADC0804，它是CMOS 8位单通道逐次渐近型的模/数转换器，其规格及引脚图如图3所示，根据手册我们可以得到各个引脚的大致功能如下：

/CS：芯片片选信号，低电平有效，即/CS=0,该芯片才能正常工作，在外接多个ADC0804芯片时，该信号可以作为选择地址使用，通过不同的地址信号使能不同的ADC0804芯片，从而可以实现多个ADC通道的分时复用。

/WR:启动ADC0804进行ADC采样，该信号低电平有效，即/WR信号由高电平变成低电平时，触发一次ADC转换。

/RD:低电平有效，即/RD=0时，可以通过数据端口DB0～DB7读出本次的采样结果。

UIN（+）和UIN（-）：模拟电压输入端，模拟电压输入接UIN（+）端，UIN （-）端接地。双边输入时UIN（+）、UIN（-）分别接模拟电压信号的正端和负

端。当输入的模拟电压信号存在“零点漂移电压”时，可在UIN（-）接一等值

的零点补偿电压，变换时将自动从UIN（+）中减去这一电压。

VREF/2：参考电压接入引脚，该引脚可外接电压也可悬空，若外界电压，则ADC的参考电压为该外界电压的两倍，如不外接，则Vref与Vcc共用电源电压，此时ADC的参考电压即为电源电压Vcc的值。

CLKR和CLKIN：外接RC电路产生模数转换器所需的时钟信号，时钟频率CLK = 1/1.1RC，一般要求频率范围100KHz～1.28MHz。

AGND和DGND：分别接模拟地和数字地。

/INT:中断请求信号输出引脚，该引脚低电平有效，当一次A/D转换完成后，将引起/INT=0，实际应用时，该引脚应与微处理器的外部中断输入引脚相连（如51单片机的INT0,INT1脚），当产生/INT信号有效时，还需等待/RD=0才能正

确读出A/D转换结果，若ADC0804单独使用，则可以将/INT引脚悬空。

DB0~DB7：输出A/D转换后的8位二进制结果。

5.AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。下图为AT89C51单片机最小系统。

6.LCD显示

通过变送器将0~100V电压转成4~20mA电流，在通过I/V转换电路转换为0~5V电压，通过从多路开关AD7501输入至采样保持器LF398。采样保持器的5端为模拟

量输出端OUT与A/D转换器ADC0804的输入VIN端相连。再通过ADC0804将转换的数字信号输入到at89c51单片机，单片机经过数据处理，显示在LCD上，LCD 显示电路如下图。