【文章內(nèi)容簡介】 A128分別 放大 XU 和 SU 。 儀用放大器與普通集成運算放大器相比具有很多優(yōu) 點， 儀用放大器具有能夠消除任何共模信號 而 放大差模信號的特性 ， 正常工作 時 , 它既能放大微伏級差模信號 , 同時又能抑制幾伏的共模信號 。 同時 儀用放大器 還具有 線性誤差小 輸入阻抗高等特性， 為精確測量電路提供了保障。 通過微處理器計算控制 模擬開關(guān) 在 各個標(biāo)準(zhǔn)電阻 檔位 之間選擇合 9 適的檔位進行測量。 實現(xiàn)自動測量， 提高精度。 、放大電路方案論證 由單片機編程控制 多路 模擬開關(guān) CD405 CD4051導(dǎo)通與斷開，實現(xiàn)對標(biāo) 準(zhǔn)電阻上的差分電壓進行再次 放大測試或 對待測原件上的差分電壓進行再次放大測試。 同時由模擬開關(guān)選擇不同 ,控制運算放大器 OPA704的工作方式 ， 實現(xiàn)運放工作在跟隨狀態(tài) ， 還是構(gòu)成 同相輸入比例運算電路 實現(xiàn)放大作用 。 、相敏檢波 方案論證與選擇 方案一 數(shù)字相敏 檢波 數(shù)字 相敏檢波器由乘法型 D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成，用乘法型 D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)字鑒相。 如輸入正弦信號為 ? ?t?cos ，被測信號? ??? ?? tUU mX cos ,經(jīng)過由乘法型 D/A構(gòu)成的數(shù)字檢波器后輸出為 ? ? ? ? ? ?? ??????? c o s2c o s21c o sc o s ???? tUttUmm () 實現(xiàn) 90176。相 移操作時正弦波信號變?yōu)? ?????? ?? 2c o s ??tUU mX () D/A輸出為 ? ? ?????? ??????? ????????? ?? ???????? s i n22c os212c osc os tUttU mm () 方案二 脈沖積分鑒相 利用模擬開關(guān)進行 脈沖積分鑒相，脈沖積分鑒相有 單 π/4脈沖積分鑒相和雙 π/4脈沖積分鑒相 之分 ，單 π/4脈沖積分鑒相 原理圖如圖 示， 可推導(dǎo)測量電壓 在實 軸上的投影為 ? ? ? ? ? ?? ?4s i n4s i n22s i n 00040 ????? ????? ? πATdttAI T 10 ? ?4s in220 ?? ?? πAT () 在虛軸上的投影為 ? ? ? ? ? ?? ?? ?????? 4s i n43s i n22s i n 00024 ?????? ATdttAQ TT ? ?4c o s220 ??? ?? AT () 利用雙 π/4脈沖積分鑒相器可推導(dǎo)出測量電壓 在實 軸方向上的投影 為 ? ? ? ? ? ? ? ?? ?00000000 c o sc o s2s i ns i n 22 ??????? ?????? ? ? AdttdttAI TTT ? ?0cos2 ??AT? () 在虛軸方向上的投影為 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?????? dttAdtAdttAQ T TTTT 0000000 s i ns i ns i n 43443 4 ?????? ? ? ? ?? ? ? ?000 s in2s ins in22 ????? ATAT ????? () 由推導(dǎo)公式可見，用 雙 π/4脈沖 積分鑒相的波形幅度為單 π/4脈沖積分鑒相的 22 倍。 方案一乘法 型 D/A鑒相前端的直流容易產(chǎn)生漂移，乘法器中的直流也會產(chǎn)生漂移，造成的噪聲處理和濾波都很麻煩所以不選乘法型D/A鑒相。雙 π/4脈沖積分電路積分鑒相 輸出 波形幅度為單 π/4的 22倍，所以選擇方案二的雙 π/4脈沖積分 鑒相 進行相敏檢波。 圖 單 π/4脈沖積分電路原理圖 、微處理器 方案論證與選擇 方案一 51單片機 利用 51單片機作為整個系統(tǒng)的微處理器，控制 激勵的產(chǎn)生及 整個 11 測試過程的進行 。 STC89C52是低電壓，高性能 CMOS 8位單片機，片內(nèi)含 8kbytes的可反復(fù)擦寫的 Flash只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 （ RAM） ，器件采用高 密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)， 與標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8位中央處理器 （ CPU） 和 Flash存儲單元，功能強大 。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 圖 51單片機內(nèi) 部結(jié)構(gòu)圖 方案二 MSP430單片機 MSP430單片機 針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的 模擬電路 、數(shù)字電路 模塊和 微處理器 集成在一個芯片上，為各種便攜式設(shè)備儀器提供“單片”解決方案。 10/12位硬件 A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式 （ AM） 和五種低功耗模式（ LPM0~LPM4） 。 在實時時鐘模式下，可達 A ，在 RAM保持模式下，最低可達 A， 另外， MSP430系列單片機的 中斷 源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需 5μ s。功能強大，功耗超低。 12 雖然方案一和方案二都能完成系統(tǒng)所需要的功能，但 方案二內(nèi)嵌AD采樣器 和 PWM波輸出功能 ，通過配置寄存器便能輸出方波信號。功耗超低，可用電池供電， 實現(xiàn)便攜式設(shè)計。綜合考慮選擇方案二。 硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算 、 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖 。 在 MSP430單 片 機的控制下通過正弦波發(fā)生器和基準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生測試所需要的三 組相互正交的100Hz、 1KHz、 10KHz正弦波信號， 用于相敏檢波器。 正弦波作為前端測試電路的激勵信號，根據(jù) 自由軸法測量 阻抗的 相關(guān)計算 ，選擇是否放大基準(zhǔn)電阻和被測電阻兩端的電壓，將放大到合適范圍內(nèi)的電壓信號進行相敏檢波， 然后通過 ， MSP430單片機進行 A/D采樣存儲經(jīng)過微處理器的四則運算，即可求出最后的待測參數(shù) 。 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 、 子系統(tǒng)電路設(shè)計 整個系統(tǒng)由正弦波發(fā)生電路、基準(zhǔn)相位信號發(fā)生電路、前置測試電路、放大電路、相敏檢波 器、微處理器及 LCD顯示電路構(gòu)成。 MSP430單片機最小系統(tǒng) 正弦波發(fā)生器 相敏檢波器 LCD 顯示 放大電路 前置測試電路 基準(zhǔn)相位發(fā)生電路 13 、 基準(zhǔn)相位 信號 發(fā)生電路 基準(zhǔn)相位信號發(fā)生電路如圖 所示。 利用 MSP430G2553 單片機定時器 A 的 PWM 輸出功能配置相關(guān)寄存器產(chǎn)生 1MHz 方波SinCLK， 經(jīng) P9 端口進入基準(zhǔn)相位發(fā)生電路，作為 十進制計數(shù)器74LS390 的 時鐘 信號。 74LS390 可實現(xiàn) 2 分頻、 5 分頻、乃至 100 分頻的任何累加倍數(shù)的周期長度 ,邏輯圖如圖 所示。 圖 74LS390 邏輯圖 經(jīng)過四次分頻后 得到 兩路成四倍關(guān)系的信號 251 SinClkf ? () 1002 SinClkf ? () 將 1f 作為 74HC164 移位寄存器的時鐘信號而 f2作為其數(shù)據(jù)信號。則74HC164 的相鄰輸出端口輸出相位相差 90176。的 正交 方波信號 0_clk 和90_clk， 分別輸出頻率為 10kHz、 1kHz、 100Hz 三組相互正交的方波信號。 電路中電容 C2 C2 C2 C29 是濾除芯片 74HS390 和74HC164 的電源紋波。 CLR2A1QA3B4QB5QC6QD7U8:1SN74LS390DCLR14A15QA13B12QB11QC10QD9U7:2SN54HC390JGND12P9GNDQ03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713A1B2CLK8MR9U674HC164VCC0_clk90_clkSinClkVCCGNDC29104C2710uFVCCGNDC28104C2610uF 圖 基準(zhǔn)相位發(fā)生電路 14 、 正弦信號發(fā)生 電路 正弦波發(fā)生器電路如圖 。 將正交發(fā)生電路產(chǎn)生的 0_clk信號送至八階低通濾波器 MAX293的輸入端 。再通過兩階 無源 RC低通濾波器進一步濾波。 MAX293是在截止頻率可控的八階巴特沃斯濾波器。 截止頻率 sf 與 MAX293時鐘輸入信號 SinClk 的關(guān)系為 100SinClkfs ? () 采用單電源供電， V接實地，而 GND接 R31和 R32分壓后得到的，構(gòu)成一個虛地。輸入信號為 0_clk，當(dāng) 0_clk為高電平即 5V時，經(jīng) R1 R R21構(gòu)成的分壓電路后輸出電壓為 ，而 0_clk為低電平時，輸入 MAX293的電壓為 ，所以最終輸如到 MAX293的電壓相對于 的方波。 所以當(dāng) SinClk輸入方波頻率為 1MHz、 100KHz、 10KHz時，對應(yīng)輸出的正弦波信號為 10KHz、1KHz、 1KHz。 Q Q Q Q4四個三極管工作在開關(guān)狀態(tài)， MSP430單片機 可控制二階低通 RC無源濾波器的截至頻率。以對前面得到的三種頻率的正弦波進一步濾波。后面的高通濾波器是為了濾除 50Hz市電干擾。 電容 C39到 C44都是起濾波和退偶的作用，使電源更干凈，芯片工作更穩(wěn)定。用電壓跟隨器作為緩沖級，以加強對后面電路的驅(qū)動能力。 15 CLK1V2OP_O3OP_I4OUT5GND6V+7IN8U10MAX293SinClkGNDR2120KR1920KR2020KGND0_clkVCCR3220KR3120KVCCC38104VCCR2318KR2418KC301nC311nC33C35C34104C36104Q1 Q2 Q3 Q4GND GND GND GNDR27R28R29R3012P12GND GNDC32R26100KGND 4732out6VCCVEEU9OPA704VCCVEER2520012P11R2210KVCC123P10Header3GNDC37220uFVCCGNDC42104C4010uFVCCGNDC44104C4110uFVEEGNDC43104C3910uFV_RLC 圖 正弦信號發(fā)生電路 、 前置測試電路 前置 測試電路電路圖如圖 。 前置放大電路的作用是 測量流經(jīng)被 測器件的電壓 XU 及代表恒定電流大小的電壓 SU 。 由 TL081構(gòu)成的反相比例運算電 路。儀表運放 INA128放大待測原件上的差分電壓和基準(zhǔn)電阻上電壓。 INA128內(nèi)部原理圖如圖 。 圖 儀用運放 INA128內(nèi)部原理圖 儀用 運放輸出電壓 OV 與輸入電壓 inV 的關(guān)系為 ? ?23501 iningO VVR KV ?????????? ?? () 檔位選擇由模擬開關(guān) CD4051控制， 通過單片機控制模擬開關(guān)選擇不同的檔位的基準(zhǔn)電阻進行測試，同時另一個模擬開關(guān)選擇需要檔位基準(zhǔn)電阻上的電壓送入儀表運放進行放大。兩個模擬開關(guān)的控制是同時進行的。此電路的基準(zhǔn)電阻由八個檔位構(gòu)成 用來改變測量量程 ，分別為 、 100Ω、 500Ω、 、 10KΩ、 50KΩ、 220KΩ、 680KΩ， 16 各個 電阻之間基本相差 5倍關(guān)系，測量電阻 XR 的范圍與各當(dāng)為基準(zhǔn)電阻 R的關(guān)系為 RRRX 2552 ?? () 這樣提高了換擋的精確度，使個器件的測量 達到正確的檔位上去。 R35ZxR43 4732o