【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 pm。滿足上述要求，則由惠斯登電橋?qū)崿F(xiàn)的R/V轉(zhuǎn)換，在0℃～50℃的環(huán)境溫度下，%的精度。上述結(jié)論，可自行推導(dǎo)或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證。由于R5取100Ω，Pt100在測(cè)量范圍內(nèi)阻值不大，因此，R/V轉(zhuǎn)換電路的輸出阻抗較小（小于100Ω），后后級(jí)放大電路的輸入阻抗只要滿足大于前級(jí)輸出阻抗3個(gè)數(shù)量級(jí)，就能夠滿足精度要求。放大電路的輸入阻抗越小，對(duì)干擾就越不敏感，因此C可以獲得較好的濾波效果。2．多路模擬開關(guān)圖27中的CD4052（UUU3）是一個(gè)雙端4路（相當(dāng)于雙刀四擲）的模擬開關(guān)，由A、B、INH三個(gè)控制引腳選擇將X、Y切向0、2或3通道?？刂埔_狀態(tài)與導(dǎo)通通道關(guān)系如表25所示。三個(gè)CD4052的輸出X、Y分別并接在一起，然后接入后級(jí)的運(yùn)放，，三個(gè)INH引腳分別接3/8譯碼器74HC138的Y0、YY2高低電平又受其控制引腳A、B的控制，A、。這樣， 、控制三個(gè)多路開關(guān)和3/8譯碼器，分時(shí)將9個(gè)R/V轉(zhuǎn)換橋路的輸出接通后級(jí)放大電路和A/D轉(zhuǎn)化電路。4個(gè)I/O口狀態(tài)與接通電阻橋路的關(guān)系如表26所示。通過(guò)上述控制電路，使9個(gè)R/V轉(zhuǎn)換電路，分時(shí)公用1路放大器和A/D轉(zhuǎn)換器，可以降低硬件成本。 表25 控制引腳狀態(tài)與導(dǎo)通通道關(guān)系INHBA 導(dǎo) 通 通 道000X0、Y0001XY1010XX2011XY31XX 不通表26 4個(gè)I/O口狀態(tài)與接通電阻橋路的關(guān)系 導(dǎo) 通 橋 路0000穩(wěn)零橋路00010通道00101通道00112通道01003通道01014通道01105通道01116通道10007通道3．阻抗匹配電路 阻抗匹配電路由圖27中的U4A、U4B兩個(gè)運(yùn)算放大器組成跟隨器實(shí)現(xiàn)。如果沒有這一級(jí)阻抗匹配電路，測(cè)量橋路的輸出阻抗與多路模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻以串聯(lián)形式接到運(yùn)算放大器的輸入端，作為運(yùn)算放大器的輸入電阻存在。由于8路測(cè)量橋路測(cè)量的溫度不可能完全一樣，多路模擬開關(guān)各通道導(dǎo)通電阻不一致，決定了運(yùn)算放大器在接通不同通道信號(hào)時(shí)，其輸入電阻不一致，因而增益不一致，產(chǎn)生誤差。為了解決這一問(wèn)題，引入阻抗匹配電路。各路信號(hào)通過(guò)阻抗匹配電路接到運(yùn)算放大器時(shí)，各路信號(hào)的輸出阻抗統(tǒng)一為兩個(gè)跟隨器的輸出阻抗，解決了不同通道信號(hào)輸出阻抗不一致的問(wèn)題。4．放大電路 在圖27中，由U4D、R2RR3R32構(gòu)成反相放大器，增益A由下式確定：式中， 為測(cè)量上限橋路輸出電壓。 A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135滿碼輸出對(duì)應(yīng)的模擬電壓（模擬輸入信號(hào)上限）為2V，考慮動(dòng)態(tài)穩(wěn)零的需要。Pt100的測(cè)量上限溫度為850℃，對(duì)應(yīng)的阻值為RPtmax=。根據(jù)圖28的測(cè)量橋路，當(dāng)R6=R7=10kW，R5=100W時(shí)，忽略引線電阻影響，測(cè)量上限橋路輸出電壓： 取R29=1kW，R32=13kW，反相放大器增益為13。 5．動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路作用：抑制溫漂和時(shí)漂電壓工作原理：模擬運(yùn)算放大器由于制造工藝的限制，總存在一定的失調(diào)電壓。失調(diào)電壓隨環(huán)境溫度的變化而變化，定義為溫漂系數(shù)。在溫度穩(wěn)定情況下，失調(diào)電壓隨時(shí)間的變化也變化，定義為時(shí)漂系數(shù)。由于運(yùn)算放大器溫漂與時(shí)漂的存在，當(dāng)被測(cè)參數(shù)不變時(shí)，運(yùn)放的輸出卻在變化，后級(jí)顯示參數(shù)也隨著變化，造成對(duì)檢測(cè)參數(shù)的可信度產(chǎn)生懷疑。這是運(yùn)放放大直流小信號(hào)存在的致命弱點(diǎn)，必須加以克服。動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路采用基于硬件與軟件相結(jié)合的技術(shù)，其工作原理如圖29所示，運(yùn)放U4D與R2RR3R32構(gòu)成反相放大器，其增益： ，運(yùn)放的輸出為Vo。開關(guān)SW切向上，接通Vab有效輸入信號(hào)；開關(guān)SW切向下，接通零輸入信號(hào)。當(dāng)SW切向下時(shí)，放大器輸出為： 式中， 為運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓。當(dāng)SW切向上時(shí)，放大器輸出為：式中為運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓。將兩次輸出相減： 上式說(shuō)明，如果運(yùn)放在每次測(cè)量有效信號(hào)之前，先接通零信號(hào)測(cè)量出運(yùn)放的失調(diào)電壓，再接通有效信號(hào)，將得到的輸出減去失調(diào)電壓作為運(yùn)放的有效輸出，就從根本上克服了失調(diào)電壓的影響。 回到圖27所示的前向通道硬件電路圖，圖中RRRR4組成了動(dòng)態(tài)穩(wěn)零電路的標(biāo)準(zhǔn)零信號(hào)，取R1=R2=10KΩ、R3=R4=100KΩ時(shí)，每測(cè)量一輪8路溫度之前，先通過(guò)多路開關(guān)將放大器接通零信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將其輸出存在在單片機(jī)的內(nèi)部RAM中，以后每測(cè)量一路有效信號(hào)后，利用軟件減去零信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)穩(wěn)零的效果。穩(wěn)零橋路的電阻值、規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)批次與測(cè)量橋路的電阻參數(shù)完全一致，如此利用動(dòng)態(tài)穩(wěn)零技術(shù)不僅克服運(yùn)算放大器的失調(diào)電壓影響的問(wèn)題，也能有效地克服測(cè)量橋路電阻阻值的溫度漂移問(wèn)題。6．A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)的核心是A/D轉(zhuǎn)換器的選擇，選擇時(shí)主要考慮三項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度和對(duì)單片機(jī)接口資源的耗用。 影響A/D轉(zhuǎn)換精度的指標(biāo)一般有分辨率、量化誤差和線性度。從目前市場(chǎng)供應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)看，量化誤差與線性度兩個(gè)指標(biāo)一般都很高。轉(zhuǎn)換精度主要取決于分辨率，對(duì)于n位的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度為 ；如果希望A/%以上時(shí)，選取的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率應(yīng)高于10位。 轉(zhuǎn)換速度選取的依據(jù)是測(cè)量信號(hào)的變化頻率。根據(jù)香農(nóng)定理，采樣周期（主要取決于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間）至少是測(cè)量信號(hào)變化周期的1/2以下。對(duì)于本設(shè)計(jì)任務(wù)而言，測(cè)量的是工業(yè)過(guò)程的溫度參數(shù)，其變化緩慢，一般場(chǎng)合，℃的變化，因此可以選擇轉(zhuǎn)換精度較高，速度較慢的雙向積分式A/D轉(zhuǎn)換器，而且在A/D轉(zhuǎn)換器之前不必加采樣保持器。 對(duì)于測(cè)量8路溫度的溫度巡檢儀而言，根據(jù)上述分析，選擇轉(zhuǎn)換速度為16次/秒的A/D轉(zhuǎn)換器，可以滿足要求。 單片機(jī)的I/O接口資源有限，要滿足與前向通道、后向通道、人機(jī)界面、通信電路的接口需要，因此I/O資源非常緊張。為了使整機(jī)硬件電路盡量緊湊，要盡量不對(duì)單片機(jī)進(jìn)行外部I/O擴(kuò)展。在選擇A/D轉(zhuǎn)換器和設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量少占用單片機(jī)的資源。 根據(jù)以上三方面的考慮以及經(jīng)濟(jì)成本的考慮，在本設(shè)計(jì)中，選用美國(guó)Intersil公司生產(chǎn)的ICL7135 雙向積分生式A/D轉(zhuǎn)換器。ICL7135的主要技術(shù)指標(biāo)如下：● 轉(zhuǎn)換精度為1/19999；l 雙極性轉(zhuǎn)換，數(shù)字滿碼輸出為19999；l 自動(dòng)穩(wěn)零技術(shù)，保證0V信號(hào)輸入時(shí)，數(shù)字碼0輸出；l 高輸入阻抗，輸入1pA漏電流；l 差分輸入；l 零點(diǎn)極性檢測(cè)；l 僅需單一參考電源；l 具有過(guò)量程與欠量程指示，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換；l 所有輸出電平符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)；l 具有并行與串行兩種輸出信號(hào)形式。（1）ICL7135輸出方式選擇 為了盡量減少對(duì)單片機(jī)I/O資源的使用，需要仔細(xì)研究ICL7135的兩種輸出方式。ICL7135的引腳布置圖如圖210所示。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼有兩種輸出時(shí)序：串行輸出時(shí)序與分時(shí)并行輸出時(shí)序，分別如圖211和圖212所示。從圖211所示的時(shí)序可以看到，一個(gè)完整的測(cè)量周期包括三個(gè)階段：自動(dòng)穩(wěn)零（即AZ）階段，信號(hào)積分（即SI）階段，參考電壓積分（即RI）階段。在AZ階段結(jié)束后，ICL7135的21引腳BUSY開始跳變?yōu)楦唠娖健Ｔ谡麄€(gè)SI階段，BUSY一直維持高電平，直到RI階段積分回零后再經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期為止，BUSY重新恢復(fù)為低電平。如果BUSY信號(hào)與時(shí)鐘輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯與，那么，在BUSY為高電平時(shí)所記錄下的時(shí)鐘周期數(shù)，將包括兩部分的信息：信號(hào)積分階段所占用的固定的10000個(gè)時(shí)鐘周期，與模擬輸入信號(hào)線性對(duì)應(yīng)的時(shí)鐘周期，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼，就是在BUSY信號(hào)為高電平時(shí)，用計(jì)數(shù)器記錄下所經(jīng)過(guò)的時(shí)鐘周期數(shù)減去10001個(gè)數(shù)后剩余的數(shù)。根據(jù)以上的分析，只要將ICL7135的時(shí)鐘信號(hào)接入AT89系列單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，記錄BUSY為高電平時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)鐘周期，將所記錄的時(shí)鐘周期數(shù)減去10001后就是A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字碼。讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間為：執(zhí)行讀計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)、做簡(jiǎn)單的減10001的減法指令的時(shí)間。一般10條左右指令可以完成上述操作。當(dāng)單片機(jī)的晶體振蕩頻率取12MHz時(shí)，約20us即可完成。 圖211 串行輸出時(shí)序圖 圖212 分時(shí)并行輸出時(shí)序圖 在圖212所示的時(shí)序里，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼，通過(guò)DDDDDBBBB8這9個(gè)引腳分時(shí)輸出。當(dāng)D1為高電平時(shí)，BBBB8輸出個(gè)位BCD碼；類似地，當(dāng)D5為高電平時(shí)，BBBB8輸出萬(wàn)位BCD碼。據(jù)此，如果單片機(jī)要接到ICL7135分時(shí)輸出的BCD碼，至少要占有9條I/O線。從讀出時(shí)間上分析，從D1到D5的高電平輸出要占用1000個(gè)時(shí)鐘周期，ICL7135一個(gè)完整的A/D轉(zhuǎn)換需40002個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)選擇時(shí)鐘頻率為250KHz時(shí)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的時(shí)間為：1000/250000=4ms。對(duì)于一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)來(lái)講，這個(gè)讀取時(shí)間是最佳的。（2）硬件接口電路 根據(jù)圖211所示時(shí)序設(shè)計(jì)的A/D轉(zhuǎn)換硬件接口電路如圖213所示。ICL7135僅通過(guò)兩根線與AT89C55相接，僅占用AT89C55 TT2兩個(gè)計(jì)數(shù)器及外部中斷INT1。① ICL7135時(shí)鐘信號(hào)提供。 的復(fù)用口，當(dāng)AT89C55的T2計(jì)數(shù)器工作于方波產(chǎn)生器方式（Programmable Clock Out）時(shí),通過(guò)該引腳可輸出連續(xù)的方波信號(hào)，其占空比為50%，頻率可通過(guò)編程確定，如圖214所示。這就省去了另外設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路的麻煩。另外，為了保證A/D轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性，需要A/D轉(zhuǎn)換器的工作頻率與交流供電的50Hz頻率保持精度的倍數(shù)關(guān)系。常見的時(shí)鐘電路要取得精確的低頻信號(hào)通常是很困難的。而通過(guò)AT89C55的T2計(jì)數(shù)器編程確定輸出頻率很方便。 ② A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取ICL7135的時(shí)鐘信號(hào)源于AT89C55的T2計(jì)數(shù)器方波輸出，同時(shí)接至AT89C55的T1，利用T1計(jì)數(shù)器記錄BUSY為高電平時(shí)的時(shí)鐘周期數(shù)。BUSY信號(hào)接至AT89C55的外部中斷INT1，其意圖有兩個(gè)。第一，控制T1計(jì)數(shù)。當(dāng)T1計(jì)數(shù)器工作于方式1時(shí)，通過(guò)軟件設(shè)置GATE控制位為“1”時(shí)，T1計(jì)數(shù)受INT1控制，當(dāng)INT1（既BUSY）為高電平時(shí)，T1可對(duì)來(lái)自外部的脈沖（既ICL7135的時(shí)鐘周期）計(jì)數(shù)；INT1為低電平時(shí)，停止計(jì)數(shù)。第二，在BUSY 信號(hào)由高電平跳變?yōu)榈碗娖剿查g，以中斷形式通知CPU，以讀出A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字碼。（3）驅(qū)動(dòng)程序① A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取 ICL7135的時(shí)鐘信號(hào)源于AT89C55的T2計(jì)數(shù)器的方波輸出，讓AT89C55 ，為ICL7135提供250kHz時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，編程設(shè)定AT89C55 的T2工作于方波產(chǎn)生器方式。當(dāng)AT89C55 晶體振蕩器取12MHz時(shí)，編程如下：MOV T2CON，04H ；T2工作于方波產(chǎn)生器方式MOV T2MOD，02HMOV RCAP2H，0FFH ；輸出方波頻率為250kHzMOV RCAP2L，0F4H② A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出程序 如圖213所示，當(dāng)BUSY信號(hào)由高跳變到低時(shí)，將觸發(fā)INT1中斷，在INT1中斷服務(wù)程序中將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出，存放于內(nèi)部RAM 30H、31H中。INT1_ISR：PUSH PSW ；保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)PUSH ACCMOV A,TL1 ；T1計(jì)數(shù)減去10001（2711H）后送30H，31H中CLR CSUBB A,11HMOV 31H,AMOV A,TH1SUBB A,27HMOV 30H,AMOV TL1,0 ；清零T1MOV TH1,0POP ACCPOP PSWRETI 后向通道電路設(shè)計(jì)后向通道電路由4～20mA模擬量輸出電路與超限報(bào)警開關(guān)量輸出電路兩部分組成。1． 4～20mA模擬量輸出電路該電路是將所檢測(cè)的每路溫度都對(duì)應(yīng)地輸出一個(gè)與之成線性關(guān)系的4～20mA電流信號(hào)，以便根據(jù)需要供給調(diào)節(jié)器、記錄裝置或DCS系統(tǒng)。硬件電路設(shè)計(jì)如圖215所示。在圖215所示的電路中，U1 TLC5615是串行輸入方式的10位D/A轉(zhuǎn)換器，引腳SCLK用于連接串行時(shí)鐘輸入，引腳DIN用于連接串行數(shù)據(jù)輸入，引腳是低電平有效的片選信號(hào)，引腳REF是參考電壓輸入端，引腳OUT是D/A轉(zhuǎn)換模擬電壓輸入端。數(shù)字碼滿碼輸出的模擬電壓是。SCLK、DIN、。單片機(jī)這三個(gè)引腳，根據(jù)TLC5615的輸出時(shí)序，利用軟件編程進(jìn)行D/A輸出。 圖215 多路4～20mA輸出電路 圖215中采用1個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器TLC5611個(gè)8路模擬開關(guān)CD4051及8套模擬保持電路構(gòu)成了8路模擬量輸出電路。其中，第1套模擬保持電路由CU3A、VTR1組成，連接到CD4951引腳X0上另外7套模擬保持電路電路與之完全相同，分別連接到CD4051的引腳X1～X7上（由于篇幅所限，圖中未畫出）。多路模擬開關(guān)CD4051的控制導(dǎo)通關(guān)系如表27所示，、可以將D/A轉(zhuǎn)換的模擬電壓輸出到與前向8路通道相對(duì)應(yīng)的輸出通道保持電路中。例如，、 三個(gè)引腳均為低電平時(shí)，TLC5615的模擬輸出電壓通過(guò)CD4051而接通通道X0，向輸出保持電容C1充電，可在10us內(nèi)完成充電。、開關(guān)切換到其他通道時(shí)則該輸出回路對(duì)電壓信號(hào)起保護(hù)作用。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)證明，當(dāng)一次接通每路輸出保持器2ms，每個(gè)16ms接通一次時(shí)，%，完全滿足精度指標(biāo)要求。輸 入 狀 態(tài)導(dǎo) 通 通 道INHIBITCBA00