一种新型信号调理电路的设计

一种新型信号调理电路的设计娄莹１，王雪洁２（１鞍山科技大学电子信息工程学院，辽宁鞍山１１４０４４；２浙江大学城市学院信息与电子学院，杭州３１００１５）摘要：介绍一种能对各种不同的标准信号、非标准信号进行采集的通用电路。

采用一种很新颖的设计方法，在不改变硬件情况下，使用软件进行简单的设定，通过单片机完成对光继电器的控制及数字电位器的调节从而实现对不同信号的采集。

关键词：单片机；光继电器；数字电位器中图分类号：ＴＰ２１２文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００５）０８－００４３－０３!ＬＯＵＹｉｎｇ１JＷＡＮＧＸｕｅ－ｊｉｅ２（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎJＡｎｓｈａｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙJ Ａｎｓｈａｎ１１４０４４JＬｉａｏｎｉｎｇJＣｈｉｎａZ２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＺｈｅｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＣｉｔｙＣｏｌｌｅｇｅJＨａｎｇｚｈｏｕ３１００１５JＣｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ_Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓａｇｅｎｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔｕｓｅｄｔｏｓａｍｐｌｅｆｏｒａｌｌｋｉｎｄｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄａｎｄｎｏｎ－ｓｔａｎｄａｒｄｓｉｇｎａｌｓ．ＡｎｅｗｔｙｐｅｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｉｓｕｓｅｄJｉｔｄｏｅｓｎｏｔｃｈａｎｇｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｏｎｌｙｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｓｉｍｐｌｅｓｅｔｔｉｎｇ－ｕｐｂｙｓｏｆｔｗａｒｅJｃｏｕｌｄｆｉｎｉｓｈｃｏｎｔｒｏｌｌｉｇｈｔｍｉｃｒｏｒｅｌａｙａｎｄａｄｊｕｓｔｄｉｇｉｔａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒｔｈｒｏｕｇｈＳＣＭJａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｉｇｎａｌｃｏｕｌｄｂｅｓａｍｐｌｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ_ＳＣＭZｌｉｇｈｔｍｉｃｒｏｒｅｌａｙZｄｉｇｉｔａｌｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒＤｅｓｉｇｎｏｆａＳｉｇｎａｌＡｄｊｕｓｔＣｉｒｃｕｉｔ０引言在实际生产中往往需要对多种物理信号进行检测以便实现计量和控制，针对不同的信号往往需要不同的采集电路［１－５］，这样一来在设计、安装与调试方面就存在很多不便之处。

本文提出一种通用的可对多种信号进行采集的信号调理电路。

若将此电路应用于仪器仪表中，则不必开箱，只需通过软件设定即可接收工业现场常见的各种信号，并可同时对八个通道模拟量进行采样记录，各个通道完全隔离。

本电路适用于精密物理量测量的场合，如煤气、水、蒸汽、重油等资源流量的测量。

１硬件设计信号调理电路单路输入的硬件结构如图１所示，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４３－－图１单路输入信号调理电路图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，加在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４～２０ｍＡ电流信号时：在仪表的输入端子接了一个２５Ω的精密电阻，实际上仍为１００～５００ｍＶ信号输入，令继电器ＣＨ、Ｐ１１合上，ＳＩ、Ｐ３７断开，此时Ｘ９２４１的０号电位器不必分压，按１!１传输即可，其滑动端的数值应设置为６３。

其它分析过程同上。

（３）采集热电偶信号时：继电器ＣＨ、Ｐ１１合上，ＳＩ、Ｐ３７断开。

典型的几种热电偶信号如Ｋ、Ｓ、Ｊ、Ｒ、Ｔ、Ｅ型的上限电压在１５～８０ｍＶ之间，Ｘ９２４１的０号电位器不需分压按１!１传输，Ｘ９２４１的其它３个电位器形成的放大倍数应在６～３０之间，具体选值我们在调试中加以确定。

（４）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。

（５）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４４－－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Ｅ２ＰＲＯＭ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Ｉ２Ｃ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。

３实验与总结在设计中，我们考虑了电压、电流、热电偶、热电阻等多种类型的输入信号，可以完成对各种输入信号以及多种输入范围的高精度测量。

设计中器件传输信号的线性度与信号高、低端的测量是关键，它们影响着测量的精度，在小信号测量时注意提升电位，大信号测量时注意电源的供给要留有余量。

通过选择精密的元器件，在软件上做一些算法修正，这个信号调理电路的线性度很好，而且通过自校正算法克服了零漂。

表１、表２给出了常温实验数据，通过做高、低温的老化实验、共模实验，证明本电路运行可靠、性能稳定，精度均优于０．３％ＦＳ。

本设计电路实际应用在多种网络化智能仪表中，能灵活地完成各种信号的设定、采集，测量精度高，在鞍钢、吉林通化钢铁公司、鞍山三冶钢管厂、本钢等的能源计量系统中得到了广泛应用，运行效果良好。

参考文献［１］王宏，朱元昌．基于ＥＺ－ＵＳＢ的增量式光电编码器信号采集的实现［Ｊ］．电子技术，２００４，３１（１）^５８－６０．［２］李魁峰，卜正良．基于ＣＰＬＤ的可编程信号调理模块［Ｊ］．电测与仪表，２００３，４０（１０）：３７－４０．［３］Ｍ．Ｐａｒｓｏｎｓ．用静重校准重量传感器［Ｊ］．电子产品世界，２００３，（１２Ａ）：３２－３４．［４］吕孟军，张家峰．航空发动机台架点测量仪研制［Ｊ］．计算机测量与控制，２００４，１２（４）：３９６－３９７．［５］鲍丙豪，李长生．非晶丝磁电阻抗效应新型磁场传感器［Ｊ］．仪表技术与传感器，２００４，（３）：１－２．作者简介：娄莹（１９７０－），讲师，从事检测与过程控制。

收稿日期：２００５－０３－１１（丘源编发）４５－－。