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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)
2、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。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
3、的) 超過(guò)數(shù)字化儀輸入范圍時(shí)是十分必要的。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
4、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噪聲而專門設(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)
5、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
6、較寬的電壓輸入范圍(2.7 20v) ,輸出精度可達(dá)2。500v 0.2 。 ltc1043cn 是雙精密儀表開關(guān)電容, 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
7、, 使電壓由差分輸入變?yōu)閱味溯斎耄⑵鸬搅撕芎玫男盘?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 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
8、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,通過(guò)電阻 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 ;
9、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 . 熱電阻采用的是三線制接法,消除了長(zhǎng)距離傳輸時(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
10、 壓 經(jīng) 精 密 電 阻r1(66k&omega ; ) 、 r3(192k&omega ; ) 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,繼電器p37 合上。2、軟件設(shè)計(jì)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)類型的設(shè)定,也可通過(guò)掃描鍵盤或ic 卡完成 . 確定了各路的信號(hào)類型后,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
11、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 )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
12、存8 個(gè)字節(jié)的通道信號(hào)類型。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)類型,根據(jù)信號(hào)類型控制各光繼電器aqw212e 的開合狀態(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
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