信號(hào)調(diào)理電路的原理、功能

1、.什么是信號(hào)調(diào)理？信號(hào)調(diào)理電路的原理，信號(hào)調(diào)理模塊的功能導(dǎo)讀 信號(hào)調(diào)理電路往往是把來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過(guò)程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號(hào)。模擬傳感器可測(cè)量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動(dòng)、位置、PH、光強(qiáng)等。但是傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)調(diào)理電路原理信號(hào)調(diào)理電路往往是把來(lái)自傳感器的模擬信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過(guò)程、執(zhí)行計(jì)算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號(hào)。模擬傳感器可測(cè)量很多物理量，如溫度、壓力、力、流量、運(yùn)動(dòng)、位置、PH、光強(qiáng)等。但是傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)

2、字?jǐn)?shù)據(jù)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或變化，因此，在變換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)送到微控制器或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。 信號(hào)調(diào)理電路技術(shù)1.放大放大器提高輸入信號(hào)電平以更好地匹配模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)的范圍，從而提高測(cè)量精度和靈敏度。此外，使用放置在更接近信號(hào)源或轉(zhuǎn)換器的外部信號(hào)調(diào)理裝置，可以通過(guò)在信號(hào)被環(huán)境噪聲影響之前提高信號(hào)電平來(lái)提高測(cè)量的信號(hào)-噪聲比。2.衰減衰減，即與放大相反的過(guò)程，在電壓(即將被數(shù)字化的)超過(guò)數(shù)字化儀輸入范圍時(shí)是十分必要的

3、。這種形式的信號(hào)調(diào)理降低了輸入信號(hào)的幅度，從而經(jīng)調(diào)理的信號(hào)處于ADC范圍之內(nèi)。衰減對(duì)于測(cè)量高電壓是十分必要的。3.隔離隔離的信號(hào)調(diào)理設(shè)備通過(guò)使用變壓器、光或電容性的耦合技術(shù)，無(wú)需物理連接即可將信號(hào)從它的源傳輸至測(cè)量設(shè)備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電壓，從而既保護(hù)了操作人員也保護(hù)了昂貴的測(cè)量設(shè)備。4.多路復(fù)用通過(guò)多路復(fù)用技術(shù)，一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號(hào)傳輸至一個(gè)單一的數(shù)字化儀，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來(lái)極大地?cái)U(kuò)大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復(fù)用對(duì)于任何高通道數(shù)的應(yīng)用是十分必要的。5.過(guò)濾濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)去處不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都會(huì)受到一定

4、程度的50Hz或60Hz的噪聲(來(lái)自于電線或機(jī)械設(shè)備)。大部分信號(hào)調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的低通濾波器。6.激勵(lì)激勵(lì)對(duì)于一些轉(zhuǎn)換器是必需的。例如，應(yīng)變計(jì)，電熱調(diào)節(jié)器，和RTD需要外部電壓或電流激勵(lì)信號(hào)。通常RTD和電熱調(diào)節(jié)器測(cè)量都是使用一個(gè)電流源來(lái)完成，這個(gè)電流源將電阻的變化轉(zhuǎn)換成一個(gè)可測(cè)量的電壓。應(yīng)變計(jì)，一個(gè)超低電阻的設(shè)備，通常利用一個(gè)電壓激勵(lì)源來(lái)用于惠斯登(Wheatstone)電橋配置。7.冷端補(bǔ)償冷端補(bǔ)償是一種用于精確熱電偶測(cè)量的技術(shù)。任何時(shí)候，一個(gè)熱電偶連接至一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，您必須知道在連接點(diǎn)的溫度(因?yàn)檫@個(gè)連接點(diǎn)代表測(cè)量路徑上另一個(gè)“熱電

5、偶”并且通常在您的測(cè)量中引入一個(gè)偏移)來(lái)計(jì)算熱電偶正在測(cè)量的真實(shí)溫度。信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)實(shí)例1、硬件設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路單路輸入的硬件結(jié)構(gòu)，包括信號(hào)輸入、放大、單片機(jī)控制等幾大部分。信號(hào)輸入電路由精密基準(zhǔn)電源MAX872、光繼電器AQW212E、運(yùn)放4502 及精密儀表開(kāi)關(guān)電容模塊LTC1043 等組成。其中精密基準(zhǔn)電源的使用一方面提升輸入信號(hào)的電位， 避免低電位測(cè)量時(shí)的干擾誤差;另一方面作為一路檢測(cè)電路， 其測(cè)量結(jié)果可以修正其它回路的檢測(cè)結(jié)果， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的在線自校正。MAX872 具有較寬的電壓輸入范圍(2.720V)，輸出精度可達(dá)2.500V 0.2%。LTC1043CN 是雙精密儀表開(kāi)關(guān)電容，

6、電容外接， 多用于精密儀表放大電路、壓頻轉(zhuǎn)換電路和采樣保持電路等。當(dāng)內(nèi)部開(kāi)關(guān)頻率被設(shè)定在額定值300Hz時(shí)， LTC1043CN 的傳輸精確度最高， 此時(shí)電容器CS 和CH大小均為1 F。LTC1043CN 和運(yùn)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(guò)電容完成電壓的傳輸， 使電壓由差分輸入變?yōu)閱味溯斎耄?并起到了很好的信號(hào)隔離作用， 在本設(shè)計(jì)中雙電容的巧妙接法解決了熱電阻的三線制輸入問(wèn)題。放大電路由運(yùn)放L T 1 0 1

7、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(gè)數(shù)字電位器決定， 使輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后均變?yōu)?500mV的電壓信號(hào)， 滿(mǎn)足模數(shù)轉(zhuǎn)換器允許的電壓輸入范圍。本部分電路僅完成信號(hào)輸入， 是我們研制網(wǎng)絡(luò)化智能儀表的一部分， 對(duì)于輸入信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)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(hào)時(shí)同時(shí)合上， 其他電路是所有通道信號(hào)輸入的公共電路， 只是根據(jù)輸入信號(hào)的不同， 單片機(jī)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15V 電壓信號(hào)時(shí)： 繼電器CH 合上，P11、SI、P37 斷開(kāi)， 通過(guò)電

8、阻R2、R4 實(shí)現(xiàn)分壓后變?yōu)?.251.25V的電壓信號(hào)加在數(shù)字電位器X9241的0號(hào)電位器V0的兩端， 經(jīng)過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)該電位器的調(diào)節(jié)， 令其滑動(dòng)端的數(shù)值為25, 按25J63(電位器內(nèi)共有63個(gè)電阻單元組成的陣列)這樣比例繼續(xù)分壓變?yōu)榧s100500mV信號(hào)， 加LTC1043CN 的電容CS 上，此時(shí)數(shù)字電位器X9241的其它3個(gè)電位器形成的放大倍數(shù)應(yīng)為1, 才能保證在運(yùn)放L T 1 0 1 3 的輸出端最大電壓不超過(guò)500mV; 具體如何設(shè)置這3個(gè)電位器滑動(dòng)端的數(shù)值見(jiàn)后面軟件部分。(2) 采集熱電阻信號(hào)時(shí)： 繼電器SI、P11合上，CH、P37 斷開(kāi)。熱電阻采用的是三線制接法，消除了長(zhǎng)距離

9、傳輸時(shí)傳輸導(dǎo)線的電阻帶來(lái)的誤差。采集過(guò)來(lái)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(zhǔn)電壓此時(shí)加在熱電阻及R8、R9 上，變?yōu)楹练?jí)電壓信號(hào)輸入。當(dāng)為Pt100輸入390.26Ω時(shí)轉(zhuǎn)換為約290mV左右的電壓輸出。(3) 采集每個(gè)通道信號(hào)前還要采集兩個(gè)不同的基準(zhǔn)電壓， 實(shí)現(xiàn)儀表在測(cè)量中的自校正功能。電路中精密基準(zhǔn)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(hào)電位器分壓。此時(shí)繼電器S4、S5、S6 斷開(kāi)，繼電器P37 合上。2、軟件設(shè)計(jì)

10、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(shè)定數(shù)字電位器X9241 中各數(shù)字電位器滑動(dòng)端的位置。本模塊采用單片機(jī)控制， 可與其它模塊單片機(jī)或上位機(jī)進(jìn)行通信。信號(hào)類(lèi)型的設(shè)定， 也可通過(guò)掃描鍵盤(pán)或IC卡完成。確定了各路的信號(hào)類(lèi)型后， 對(duì)應(yīng)不同的輸入信號(hào)， 數(shù)字電位器X9241內(nèi)部的4個(gè)電位器滑動(dòng)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(jì)算方法得到， 使得當(dāng)信號(hào)輸入為上限值時(shí)， 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)

11、由Vi=(V3H63)n3+(500H63)n1 得到n3=( 63 63H500)Vi- 63n1其中Vi 為信號(hào)輸入上限值時(shí)對(duì)應(yīng)的LT1013輸出電壓值。若采集8個(gè)通道， 則需將24個(gè)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(gè)字節(jié)的通道信號(hào)類(lèi)型。當(dāng)巡回采集07八個(gè)通道時(shí)，根據(jù)不同的通道號(hào)， 一方面從EEPROM 中取出X9241滑動(dòng)端相應(yīng)的數(shù)值通過(guò) 總線寫(xiě)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?dòng)計(jì)數(shù)寄存器WCR 以設(shè)置滑動(dòng)端的位置; 另一方面從EEPROM 中取出該通道的信號(hào)類(lèi)型， 根據(jù)信號(hào)類(lèi)型控制各光繼電

12、器AQW212E 的開(kāi)合狀態(tài)， 并將X9241 的0 號(hào)電位器RW 置上合適的數(shù)值， 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正確輸入及調(diào)理。信號(hào)調(diào)理模塊的功能對(duì)于絕大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，信號(hào)調(diào)理是非常重要的。典型的系統(tǒng)一般都需要信號(hào)調(diào)理硬件，用于將原始信號(hào)以及傳感器的輸出接口到數(shù)據(jù)采集板或模塊上。通過(guò)信號(hào)調(diào)理的各種功能，如信號(hào)的放大、隔離、濾波、多路轉(zhuǎn)換以及直接變送器調(diào)理等，使得數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可*性及性能得到極大地改善。具體來(lái)說(shuō)，信號(hào)調(diào)理模塊主要具有以下幾點(diǎn)功能：1. 傳感器驅(qū)動(dòng)：包括為無(wú)源傳感器提供所需的電壓源或電流源，為有源傳感器提供其運(yùn)轉(zhuǎn)所需的特殊電路結(jié)構(gòu)。2. 信號(hào)放大：為了提高模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)時(shí)的精度，我們希望輸入的模擬信號(hào)的最大值剛好等于A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入范圍。大多數(shù)傳感器的輸出范圍在mV級(jí)，而A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備輸入范圍為Volt級(jí)。因此我們需要使用信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)傳感器的信號(hào)放大。3. 隔離 在測(cè)量高電壓信號(hào)時(shí)，隔離電路可以保護(hù)你的后端設(shè)備被意外的高電壓