【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 量，針對(duì)如此系統(tǒng)要求以及工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境限制，本系統(tǒng)的調(diào)理電路模塊主要包括傳感器激勵(lì)源、信號(hào)去直流分量、信號(hào)增益、保護(hù)電路、低通濾波、高通濾波、信號(hào)放大等功能電路，如圖36所示。圖36 調(diào)理電路結(jié)構(gòu)圖狀態(tài)值路徑調(diào)理模塊設(shè)計(jì):設(shè)計(jì)中印刷電路板上集成了4路狀態(tài)值信號(hào)，他們?yōu)橥耆溺R像電路，這里我們以其中一條通路為例介紹其硬件設(shè)計(jì)。(l)前端信號(hào)調(diào)理電路:前端信號(hào)調(diào)理電路主要用于對(duì)傳感器的輸出信號(hào)做初步的處理，實(shí)現(xiàn)信號(hào)提取與保護(hù)的作用，為實(shí)現(xiàn)后端的信號(hào)調(diào)理功能做準(zhǔn)備。這部分調(diào)理電路較為簡(jiǎn)單，主要包括信號(hào)去直流分量、信號(hào)增益與信號(hào)保護(hù)電路三部分。這一部分調(diào)理電路組成如圖圖37 前端信號(hào)調(diào)理電路由于傳感器采用電流源激勵(lì)，其輸出信號(hào)帶有偏置電壓，動(dòng)態(tài)信號(hào)是疊加直流偏置上的，因此在設(shè)計(jì)時(shí)在前端信號(hào)調(diào)理電路中加入了22OnF的電容IC102和1M的電阻IR103組成的高通濾波器，用以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔直濾波，去掉信號(hào)中的直流偏置電平，只保留其中的交流信號(hào)，同時(shí)濾去了低頻噪聲，便于后續(xù)調(diào)理電路處理。圖36中電阻IR104和IR105以及運(yùn)放TL064組成了基本的同相比例放大器，把有加速度壓電傳感器采集到的微小狀態(tài)值電信號(hào)放大到可供后級(jí)處理的幅值。這里的V103為保護(hù)用TVS管，為了防止過(guò)沖信號(hào)損壞后級(jí)處理信號(hào)。圖36包含了振動(dòng)加速度傳感器的供電電路。這里電阻IR101和IR102是用來(lái)把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，以便為傳感器提供電流激勵(lì)。電容IC101作為電源級(jí)間電容，提供一定得濾波功能。TVS管 V101和V102是為了防止靜電信號(hào)由傳感器傳入電路板，影響電路正常工作而設(shè)計(jì)的。(2)高/低通濾波電路:在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，被測(cè)信號(hào)中經(jīng)常會(huì)混有高頻或低頻干擾信號(hào)，對(duì)有用信號(hào)造成干擾，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度。為了最大限度的保留有效信號(hào)，去除信號(hào)中各種噪聲，在信號(hào)調(diào)理電路中經(jīng)常要加入高通或低通濾波器，將無(wú)用的信號(hào)進(jìn)行衰減和濾除。模擬濾波器可以分為有源濾波器與無(wú)源濾波器兩科。其中無(wú)源濾波器帶負(fù)載能力較弱，信號(hào)會(huì)隨著負(fù)載的變化而出現(xiàn)一些變化，需要進(jìn)行阻抗匹配。而有源濾波器是通過(guò)運(yùn)算則可以有效地消除以上不足，得到了廣泛的應(yīng)用，但有源濾波器較無(wú)源濾波器有著較大的噪聲。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需要可以選取不同類(lèi)型和階數(shù)的濾波器，以達(dá)到預(yù)期效果。信號(hào)調(diào)理電路在設(shè)計(jì)中加入了巴特沃斯濾波器，用以去除信號(hào)中的干擾。信號(hào)調(diào)理高通濾波部分結(jié)構(gòu)如圖38所示。低通濾波部分如圖39所示圖38高通濾波電路圖39低通濾波電路(3)積分電路:積分電路是使輸出電壓與輸入電壓的時(shí)間積分值成比例的電路。最簡(jiǎn)單的積分電路由一個(gè)電阻器R和一個(gè)電容器C構(gòu)成。若RC的乘積取值足夠大，外加電壓時(shí)電容器上的電壓只能緩慢上升。簡(jiǎn)單的RC積分電路的實(shí)際響應(yīng)特性和理想積分電路有較大的差別，在開(kāi)始充電的一段時(shí)間內(nèi)，輸出電壓很接近于理想的直線斜升電壓。隨著充電過(guò)程的延續(xù)，電容電壓增高，充電電流減小，輸出電壓就越來(lái)越偏離理想積分器的響應(yīng)特性。基于運(yùn)放的積分電路中有V0=(Zc/R)Vi=(l/RCs)Vi。由于電容器是在反饋路徑中，所以也稱(chēng)為米勒積分器，同時(shí)也被稱(chēng)為反向積分器，其傳遞函數(shù)為H(s)=1/RCs。實(shí)際上這個(gè)積分器在實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)它的輸出將漂移不定，直至飽和在接近某一電源電壓值即在Vi接地時(shí)都是如此。由于在低頻域|Zc|遠(yuǎn)大于R而具有極高的增益，它將趨于飽和，實(shí)際上這正是由于所謂的運(yùn)算放大器的輸入失調(diào)誤差引起的。這里避免飽和的一種粗糙的方法是放上一個(gè)合適的電阻R與C并聯(lián)就夠了，這樣就得到的電路稱(chēng)為有損耗積分器。其電路圖和伯德圖如圖310所示。（a）（b）圖310 有損耗積分器電路圖 伯德圖將一只電阻與反饋電容器并聯(lián)如圖39(a)所示，就把這個(gè)積分器變成一個(gè)帶有增益的低通濾波器。令1/Z2=(R2Cs+l)/R2，給出H(s)=Z2/R1，或者H(s)=R2/(R2Cs+l)R1，指出一個(gè)實(shí)數(shù)極點(diǎn)在s=1/R2C。令ｓ→jω，可將H(s)表示成歸一化形式H(jｗ)＝H0/(l+jω/ω0)，H0=R2/R1，ω0=l/R2C。具體的說(shuō)，這個(gè)電路工作如下。在足夠低的頻率上有|Zc|遠(yuǎn)大于R2，與R2相比可略去Zc，因此將這個(gè)電路看作增益H=R2/R1=H0的反向放大器。因此就稱(chēng)為直流增益。在足夠高的頻率上有|Zc|遠(yuǎn)小于R2，與Zc相比可略去R2，因此將這個(gè)電路看做一個(gè)積分器。它的高頻漸近線是一條斜率為20dB/dec的直線，并通過(guò)單位增益頻率。ω1=1/Rc。因?yàn)樵撾娐穬H在某一有限頻率范圍內(nèi)近似一個(gè)積分器的特性，所有稱(chēng)它為有損耗積分器。實(shí)際應(yīng)用中也可以使用外部調(diào)零的方式消除失調(diào)誤差。外部調(diào)零是基于將可調(diào)的電壓和電流注入到電路中，以補(bǔ)償電路的失調(diào)誤差。這個(gè)辦法在輸入級(jí)不會(huì)引入任何額外失衡，因此不會(huì)使漂移等性能下降。波形值路徑調(diào)理模塊設(shè)計(jì):(l)高/低通濾波電路:在波形值路徑中，用戶(hù)可根據(jù)需求選擇不使用高通濾波器、使用二階高通濾波與使用四階高通濾波等效果，各濾波器的濾波截止頻率也各不相同。信號(hào)調(diào)理電路中的高通濾波器采用了運(yùn)算放大器芯片TLO6高精度電阻電容與多路模擬開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成。模擬開(kāi)關(guān)選用了美國(guó)MAXIM公司的高性能模擬開(kāi)關(guān)芯片DG409，這種芯片具有極低的導(dǎo)通電阻，保證了模擬信號(hào)不受影響。AVDAVD2控制引腳，用于選擇使用的高通濾波方式。當(dāng)AVDAVD2為00時(shí)，信號(hào)調(diào)理中不使用高通濾波器。當(dāng)AVDAVD2為01時(shí)，使用二階高通濾波器，其截止頻率為2，8Hz，5Hz時(shí)信號(hào)幅值衰減達(dá)95%。當(dāng)AVDAVD2為10時(shí)，使用四階高通濾波器，其截止頻率為529Hz，1kHz時(shí)信號(hào)幅值衰減達(dá)95%。AVDAVDZ為11時(shí)無(wú)效。信號(hào)調(diào)理電路中低通濾波部分選用了可由用戶(hù)配置的巴特沃斯低通濾波器。與高通濾波器類(lèi)似，為使數(shù)據(jù)采集卡適合于多種不同的信號(hào)類(lèi)型，低通濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)也采用了不同階與截止頻率的兩級(jí)低通濾波器。前級(jí)二階低通為固定截止頻率濾波器，后級(jí)二階低通濾波器截止頻率可由用戶(hù)自行選擇。低通濾波器采用TLO62運(yùn)算放大器、高精度電阻電容與DG408多路模擬開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成。LFPLFPLFP3與LFPLFPLFP0這兩組控制引腳為2個(gè)多路模擬開(kāi)關(guān)的通道選擇信號(hào)，用于選擇使用的低通濾波器截止頻率。兩組控制引腳相同選擇，LFPLFPLFP0的值可為000—111，與之對(duì)應(yīng)的二階低通濾波器的截止頻率范圍為173Hz—。(2)放大電路:針對(duì)不同類(lèi)型的監(jiān)測(cè)對(duì)象，傳感器輸出的電信號(hào)也各不相同。加速度傳感器和電渦流傳感器得到的振動(dòng)信號(hào)的幅度會(huì)隨著設(shè)備振動(dòng)不同而不同，當(dāng)振動(dòng)不大時(shí)，其輸出電壓比較小，甚至信號(hào)僅為mV級(jí)，這些小信號(hào)非常容易受到其它信號(hào)的影響，因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，以便后續(xù)電路使用?；诖朔矫婵紤]，每塊數(shù)據(jù)采集卡中的信號(hào)調(diào)理電路中都加入了程控放大電路，它可以根據(jù)用戶(hù)的實(shí)際需要與振動(dòng)信號(hào)幅值進(jìn)行設(shè)置，能夠方便地調(diào)節(jié)放大倍數(shù)?？紤]到本系統(tǒng)使用的傳感器輸出信號(hào)幅值較小，以及系統(tǒng)應(yīng)用有更好的靈活性，信號(hào)調(diào)理中的信號(hào)放大部分選用了1X、2X、5X、1OX、20X、50X、1OOX、2OOX、5OOX、1O00X等多種放大倍率。設(shè)計(jì)中采用了高精度運(yùn)算放大器芯片LTC205高精度電阻與多路模擬開(kāi)關(guān)共同構(gòu)成的同向放大器實(shí)現(xiàn)。由于采用倍率較多，單級(jí)放大器無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此選用了前后兩級(jí)放大器，前級(jí)放大器用于實(shí)現(xiàn)1X、2X、5X、1OX、20X、5OX、1OOX倍率，后級(jí)同向放大器實(shí)現(xiàn)1X與10X放大倍率。信號(hào)放大電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3—11所示。圖311放大電路圖上圖中程控放大器由高精度電阻、TL062運(yùn)算放大器與DG408模擬開(kāi)關(guān)芯片。電路中PGA3—PGAO為本放大電路的程控端，用于選擇放大電路的放大倍率，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表32。表32 放大倍率選擇關(guān)系PGA3PGA2PGA1PGA0放大倍率00001000120010500111001002001015001101001100200110150011101000(3)抗混疊濾波:根據(jù)采樣定理可知，當(dāng)信號(hào)的最高頻率超過(guò)采集系統(tǒng)的最高采樣頻率的一半時(shí)，從采樣信號(hào)恢復(fù)而來(lái)的信號(hào)就會(huì)發(fā)生頻率混疊。為了防止信號(hào)混疊現(xiàn)象，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中常常加入抗混疊濾波電路。為達(dá)到更好的抗混疊濾波效果，信號(hào)調(diào)理電路中采用了專(zhuān)用的抗混疊濾波芯片LTC1066[28],LTC1066是Linear公司生產(chǎn)的一款開(kāi)關(guān)電容濾波芯片，它的最大截止頻率可以達(dá)到80kHz，最小達(dá)到10Hz，而且同時(shí)支持單電源操作與雙電源操作，雙電源操作最大可達(dá)+8v。與其它濾波芯片相比，LTC1066有著很小的輸出失調(diào)電壓，因而可以滿(mǎn)足大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集的需求。此外LTC1066可以配置為多種不同類(lèi)型的濾波器，通過(guò)將該芯片8腳接到V+，地或V，可分別配置為橢圓濾波器、線性相位濾波器和巴特沃斯濾波器。本設(shè)計(jì)中 LTC1066配置為橢圓濾波器，即第8腳接V+。信號(hào)調(diào)理電路中的 LTC1066抗混疊濾波器部分如圖312所示。圖312 LTC1066抗混疊濾波器連接圖上圖中FCLK是LTCI066的抗混疊時(shí)鐘輸入端，此種工作模式下抗混疊時(shí)鐘的截止頻率FO與FCLK的關(guān)系為FCLK:FO為50:1。用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的需要，在數(shù)據(jù)采集軟件中進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，改變抗混疊濾波參考時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘頻率，從而改變數(shù)據(jù)采集卡中的抗混疊濾波頻率。 A/D變換部分A/D變換模塊在模數(shù)混合電路中是連接模擬和數(shù)字的橋梁，AD芯片是數(shù)據(jù)采集卡中的核心部分，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作性能與采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。結(jié)合本數(shù)據(jù)采集應(yīng)用中的性能與應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)于狀態(tài)值路徑提出了以下性能要求:，每塊數(shù)據(jù)采集卡要求可以進(jìn)行同步四路模擬信號(hào)的數(shù)據(jù)采集，每路信號(hào)又要同時(shí)檢測(cè)加速度和位移兩種狀態(tài)量。，且同步數(shù)據(jù)采集時(shí)每路信號(hào)通道速度可達(dá)到1O0kps。根據(jù)以上要求，本設(shè)計(jì)的狀態(tài)值路徑采用了2級(jí)A/D電路，前級(jí)為A/D有效值轉(zhuǎn)換，選用了AD公司的RMStoDC芯片AD536A。后級(jí)為高精度A/D轉(zhuǎn)換，選用了凌特公司的 LTC1867芯片。有效值轉(zhuǎn)換芯片AD536A是一塊完整的單片式集成電路芯片，它的性能優(yōu)于傳統(tǒng)和混合的轉(zhuǎn)換單元。它可以直接計(jì)算任何包含直流和交流信號(hào)的復(fù)雜波形的有效值。AD536A可以選用單極或者雙極供電，其靜態(tài)電流僅為 。它所具有的振幅因素補(bǔ)償能力，可以使振幅因素在達(dá)到7時(shí)還能保持1%的測(cè)量誤差。對(duì)于有效值為100mV以上的電平信號(hào)，其測(cè)量范圍可達(dá)到45OK。對(duì)于有效值為1V以上的電平信號(hào)，其測(cè)量范圍可達(dá)2M。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖313所示。圖313 AD536A功能框圖LTC1867[29]是一款8通道的16bitA/D轉(zhuǎn)換器，其采樣率最高可到2OOksps，信噪比可達(dá)89dB。其低功耗設(shè)計(jì)可使采樣率在200ksps時(shí)，靜態(tài)電流為 。采樣率為100ksps時(shí)。LTC1867的8個(gè)通道可以被配置為單一輸入或者是差分輸入，其轉(zhuǎn)換方式也可設(shè)定為單極性轉(zhuǎn)換或雙極性轉(zhuǎn)換，同時(shí)它所具有的自動(dòng)休眠模式，也使系統(tǒng)能耗更低。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖314所示圖314 LTC1867功能框圖如圖所示，CHOCH7為模擬輸入管腳，其中CH7/COM可以作為一個(gè)單一的通道或者作為一個(gè)公共的負(fù)端輸入管腳。Vref熱風(fēng)是基準(zhǔn)電壓管腳，也可以作為外部的基準(zhǔn)輸入給A/D芯片，用以改善芯片的精確度和漂移。CS/CONV是芯片的片選信號(hào)，同時(shí)它還可以用來(lái)驅(qū)使ADC的轉(zhuǎn)換。REFCOMP提供了基準(zhǔn)緩沖單元的輸出。而芯片的數(shù)字通信采用SPI的方式。LTC1867規(guī)定，當(dāng)CS/CONV管腳信號(hào)有低變高時(shí)，這個(gè)上升沿將觸發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。數(shù)據(jù)的傳輸以及通道的選擇是在兩個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程之間完成的。通道選擇及功能腳定義是通過(guò)主機(jī)發(fā)送的一個(gè)7bit指令幀給定的，指令幀說(shuō)明如下所示。這里設(shè)計(jì)使用的是單信號(hào)。8通道選擇模式，通道選擇對(duì)應(yīng)的指令幀形式如下表33所示。SD： 單信號(hào)/差分信號(hào) 1：?jiǎn)涡盘?hào) 0：差分信號(hào)OS： 奇數(shù)通道/偶數(shù)通道 1：奇數(shù)通道 0：偶數(shù)通道S1: 地址選擇位 1 1：選通 0：未選通S2： 地址選擇位 2 1：選通 0：未選通COM: CH7/公共端選擇 1：CH7 0:CH7為公共端UNI: 急性選擇 1：?jiǎn)螛O性 0：雙極性SLP: 休眠 1：進(jìn)入休眠 0：休眠喚醒表33指令幀形式表SD0SS1S2Channel+Configuration1000CH0GND1001CH2GND1010CH4GND1011CH6GND1100CH1GND1101CH3GND1110CH5GND1111CH7GND 波型值路徑主要是檢測(cè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)的變化趨勢(shì)，所以A/D的要求沒(méi)有那么高，這里設(shè)計(jì)直接采用微處理器DSP集成上的A/D轉(zhuǎn)換模塊。 TMS32OF28335DSP介紹 TMS320F28335[30]是TI公司TMS320F28XX系列的DSP芯片，與TMS320F2812相比，這款芯片支持32位的單精度浮點(diǎn)計(jì)算。它的處理速度可以達(dá)到150MIPS，該處理器集成了256KB的Flash存儲(chǔ)器和128位的密碼保護(hù)機(jī)制，從而大大