【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 C上反充電，當(dāng)I2I1時(shí), 相當(dāng)于C由一個(gè)凈電流I2I1放電，此時(shí)C上電壓逐漸下降, 當(dāng)下降到比較器2的門限電壓13Vs時(shí)，RS觸發(fā)器被復(fù)位，Q=0，于是S斷開CS2，僅有CS1對(duì)C充電，如此反復(fù)形成振蕩。當(dāng)兩個(gè)電流源CSCS2的電流分別設(shè)定為I、2I時(shí)，電容C上的充電、放電時(shí)間相等，則10腳三角波以及變換的正弦波就是對(duì)稱的，方波的占空比是50%。若恒流源CSCS2的電流不滿足上述關(guān)系，則3腳輸出非對(duì)稱的鋸齒波，2腳輸出非對(duì)稱的正弦波，9腳輸出占空比為2%～98%的脈沖波形。4. 激勵(lì)源連接電路激勵(lì)源電路圖如圖36所示，為減小輸出正弦波波形失真，管腳11與管腳l2之間的82KΩ采用可變電阻。采用可變電阻后失真率范圍可小于1％，為進(jìn)一步減小失真，采用兩個(gè)100KΩ的電位器(見(jiàn)圖36)，這樣連接后失真會(huì)減小為0．5％左右。圖36中741的作用是為正弦輸出提供緩沖及可變?cè)鲆?，即改變輸出幅值的作用。圖36激勵(lì)源電路圖 測(cè)量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動(dòng)電容傳感器來(lái)組成阻容電橋，兩個(gè)精密電阻的參數(shù)選擇盡量完全匹配，如圖37所示。圖37 電橋電路圖電橋的不平衡輸出電壓u2與激勵(lì)源電壓u1之間的關(guān)系為 (32)其中R為橋臂電阻；d為電容兩極板之間的距離；Δd為電容兩極板間距離的變化量；ω為激勵(lì)源角頻率；ε為電介質(zhì)常數(shù)；s為電容極板面積； u1為激勵(lì)源電壓；u2為電橋不平衡電壓輸出。令，則，則上式變?yōu)? (33)因?yàn)?，所以上式?jiǎn)化為 (34)式中為靈敏度。由式(34)可以看出，在激勵(lì)源不變的條件下，電橋不平衡輸出電壓u2與Δd成一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，由式(31)可知與傾角θ也成一簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。對(duì)正弦波形輸出電壓及放大后的交流電橋輸出電壓同時(shí)采樣由式(34)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與激勵(lì)源電壓ul之比在△d一定的情況下為常數(shù)。設(shè)計(jì)中對(duì)ul及u2同時(shí)進(jìn)行采樣，并將兩路信號(hào)與溫度信號(hào)(共三路信號(hào))送人AD7706進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。用u2與ul的比值作為最終的采樣值，再以此比值進(jìn)行標(biāo)定，這樣就可以消除干擾信號(hào)產(chǎn)生的激勵(lì)源波形的失真。 第一級(jí)放大電路從電橋輸出的信號(hào)為交流信號(hào)，為便于后續(xù)處理先對(duì)其進(jìn)行信號(hào)放大。在精度要求不是太高的情況下采用通用運(yùn)放組成的信號(hào)放大電路是可行的，但是由于通用運(yùn)放放大電路的外接電阻很難精密匹配，由分立原件組成的放大電路共模抑制比不高，會(huì)影響到檢測(cè)精度。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。美國(guó)AD公司開發(fā)了許多性能優(yōu)良的儀表專用放大器芯片，如：AD52AD52AD6AD624等，這些芯片現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各種電路設(shè)計(jì)中。由于AD620具有精度高、增益選擇范圍大和高性價(jià)比等特點(diǎn)，本課題采用該芯片作為放大器芯片，其主要特點(diǎn)見(jiàn)表31：表31 AD620的特性供電電源增益選擇增益范圍最大增益誤差%帶寬177?！?77。18V電阻編程1～10k%(G=1OOO)1MHz(G=1，小信號(hào)3dB)功耗輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)漂移輸入偏置電流最小共模抑制比最大650mW最大125μV最大1μV/℃(G=10)為了正確地使用AD620，發(fā)揮其固有的性能，在使用中應(yīng)該注意AD620的輸入過(guò)載能力，兩個(gè)輸入端應(yīng)分別串聯(lián)一只400Ω的薄膜電阻，這樣可以安全地承受長(zhǎng)達(dá)幾小時(shí)的輸入高達(dá)+15V或+6mA的過(guò)載，這種保護(hù)功能對(duì)所有增益均有效，當(dāng)信號(hào)源和放大器分別供電時(shí)更為重要。如圖38所示為AD620引腳圖，圖39為AD620電路原理圖。圖38 AD620引腳圖12348765RcIN+INVsRc+VsOUTPUTREFTOP VIEWAD620+圖39 AD620電路原理圖只要在l、8針腳之間加入一個(gè)外部增益控制電阻RG，就可以靈活的調(diào)節(jié)增益，增益方程式為，由此可以得出，對(duì)于所需要的增益，則外部控制增益電阻值為。為了減小輸人端的噪聲干擾采用屏蔽電纜方法。對(duì)屏蔽給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)，可減小電纜電容和雜散電容造成的差分相移，保證交流共模抑制比不下降，圖39為差分屏蔽驅(qū)動(dòng)接法。 整流濾波電路經(jīng)過(guò)交流放大后的交流信號(hào)還需要被轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)才能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。美國(guó)MAXIM公司的產(chǎn)品MAX536A可以有效的實(shí)現(xiàn)交流/直流有效值的轉(zhuǎn)換。該集成芯片外圍電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越。它可以計(jì)算出包含交流和直流成分的任何復(fù)雜輸入波形的有效值，并能轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)出口。MAX536A可以接受的輸入信號(hào)在07V(按有效值計(jì)算)之間，輸入信號(hào)電壓的極限峰值在177。25V之間，可以采用單電源供電和雙電源供電兩種工作模式，單電源供電時(shí)電源電壓最大值是+36V，雙電源供電時(shí)電源電壓最大值是177。18V。如圖310所示為MAX536A引腳圖，圖311為MAX536A電路原理圖。MAX536A采用雙電源供電模式，供電電壓為177。15V。連接在4和14針腳的電容CAV是一個(gè)重要的參數(shù)，CAV越大轉(zhuǎn)換精度越高，但是輸出穩(wěn)定時(shí)間越長(zhǎng)，由于水平儀為靜態(tài)測(cè)量，對(duì)輸出穩(wěn)定時(shí)間要求不高，因此經(jīng)查閱取CAV=5μF，%。MAX536A的轉(zhuǎn)換精度可以通過(guò)外圍的器件來(lái)改善，R4用以調(diào)整偏移量，通過(guò)調(diào)整R4保證當(dāng)信號(hào)輸入端Vm輸入為零時(shí)信號(hào)輸出端Vout輸出也為零；通過(guò)調(diào)整R1可以對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行校正。其中R1=500Ω，R2=365Ω，R3=750KΩ，R4=50KΩ。圖310 MAX536A的引腳圖圖311 MAX536A電路原理圖在本測(cè)量系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)交直流轉(zhuǎn)換后，信號(hào)是一個(gè)靜態(tài)的直流信號(hào)，可以肯定頻率在10Hz以下。故所選擇的濾波器必須能夠無(wú)損耗的通過(guò)10Hz以內(nèi)的信號(hào)，同時(shí)為了濾除50Hz的工頻干擾，就要求濾波器的過(guò)渡帶很窄，即過(guò)渡帶內(nèi)增益衰減很快。滿足這一要求就是要選用高階濾波器。但是高階有源RC濾波電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所用元器件多，占用儀器體積，同時(shí)也不利于電路參數(shù)的調(diào)整。所以這里選用有源集成濾波器巴特沃思類型的濾波器。在本課題中選擇MAXIM公司的單片集成五階巴特沃思低通濾波器MAX280。它是由內(nèi)部四階開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)與外接一組RC元件構(gòu)成的五階巴特沃思低通濾波器，通帶增益為1，可以調(diào)節(jié)的最高轉(zhuǎn)折頻率fcmax=20KHz。用兩級(jí)器件級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)十階濾波電路腳。如圖312MAX280原理圖所示，輸入信號(hào)經(jīng)外部一階RC網(wǎng)絡(luò)，由第1腳輸入芯片，該芯片要求電容C由第1腳與內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)耦合。為實(shí)現(xiàn)巴特沃思特性要求，要求滿足RC=(2πf)。此外該RC低通網(wǎng)絡(luò)還起抗混疊濾波作用。第8腳為緩沖輸出端，從該端輸出時(shí)會(huì)引入2～20mV失調(diào)電壓。為減小失調(diào)電壓，也可以從第7腳直接輸出，但該端輸出阻抗較高，因此使用時(shí)應(yīng)外接緩沖器后輸出。器件第5引腳為時(shí)鐘輸入端，該端懸空時(shí)，以內(nèi)部時(shí)鐘fclk=140KHz驅(qū)動(dòng)，外接Rclk、Cclk。元件可將驅(qū)動(dòng)脈沖頻率調(diào)整到更低，也可外接其它時(shí)鐘發(fā)生器作外驅(qū)動(dòng)。第4腳為分頻比f(wàn)clk/fc編程端，接正電源時(shí)為100，即時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為100：接地時(shí)為200，時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為200：接負(fù)電源時(shí)為400；時(shí)鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為400。圖312 MAX280原理圖內(nèi)部開關(guān)電路網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部時(shí)鐘電路CRCclkRclk33pF41785632+5V5V(外部緩沖放大器)由上述內(nèi)容可知基于MAX280集成濾波器的濾波器電路的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于確定外接一階濾波電路的R、C的值和轉(zhuǎn)折頻率fc。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：首先，根據(jù)應(yīng)用要求確定濾波器的轉(zhuǎn)折頻率fc。本應(yīng)用系統(tǒng)有用信號(hào)頻率在10Hz以下的頻帶內(nèi)，所以選擇轉(zhuǎn)折頻率fc=10Hz。其次，根據(jù)選擇的轉(zhuǎn)折頻率決定外接一階濾波器R、C的值。該外部電阻電容是濾波器反饋網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)部分，同時(shí)也構(gòu)成了濾波器的一個(gè)極點(diǎn)。為了達(dá)到通帶內(nèi)最大平坦度的幅值響應(yīng)，外部電阻電容應(yīng)該由下式來(lái)確定： (35)這里fc為濾波器選擇的轉(zhuǎn)折頻率，根據(jù)應(yīng)用要求為10Hz，取R為250KΩ。再次，由轉(zhuǎn)折頻率確定開關(guān)電容濾波器的驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率，即確定Rclk、Cclk的值。內(nèi)部四階開關(guān)電容濾波器由內(nèi)部時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，這個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘又由選擇的轉(zhuǎn)折頻率決定。為了達(dá)到通帶內(nèi)最大平坦度的幅值響應(yīng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘應(yīng)設(shè)置為轉(zhuǎn)折頻率的100倍，即第4腳分頻比f(wàn)clk/fc編程端應(yīng)接正電源，所以驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘頻率為1K．時(shí)鐘頻率可以由下式來(lái)確定 (36)因?yàn)樘幚碚`差，fclk可能會(huì)有177。％的誤差。這個(gè)振蕩頻率能通過(guò)一個(gè)接在Cclk與地之間的電位器來(lái)調(diào)節(jié)，這個(gè)電位器就是Rclk。調(diào)節(jié)后的時(shí)鐘頻率由下式計(jì)算： (37)這里的fclk是Rclk為0時(shí)的時(shí)鐘頻率。當(dāng)用了電位器后，新的時(shí)鐘頻率總是高于未加電位器時(shí)的頻率。為了得到比較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，可以首先通過(guò)式(36)初步計(jì)算Cclk，然后將Cclk的值增大，并用電位器調(diào)節(jié)得到f′clk。例如這里要得到lK的時(shí)鐘頻率，由式(36)初步計(jì)算得到Cclk為3900pF，將這個(gè)值增大，取值6800pF，并用50K的電位器。這個(gè)時(shí)鐘頻率能夠在第5引腳用一個(gè)低電容探頭測(cè)得。如圖313所示為MAX280電路原理圖：其中R=250KΩ，C=，Rclk=50KΩ，Cclk=6800pF。圖313MAX280電路原理圖 第二級(jí)放大電路經(jīng)過(guò)直流濾波電路的處理后，信號(hào)會(huì)有較大的衰減，直流電壓幅度達(dá)不到系統(tǒng)的要求，因此需要對(duì)直流電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理。本文中選用了斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器ICL7650。ICL7650是Intersil公司利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)和CMOS工藝制作的斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)放，它具有輸入偏置電流小、失調(diào)小、增益高、共模抑制能力強(qiáng)、響應(yīng)快、漂移低、性能穩(wěn)定及價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。這種運(yùn)算放大器由一個(gè)時(shí)鐘控制，分節(jié)拍工作，前一節(jié)拍將輸入失調(diào)采集并存儲(chǔ)于一電容中，后一節(jié)拍采樣和放大信號(hào)，并將此刻的失調(diào)相抵消，所以電路總的失調(diào)很少，性能極為優(yōu)越、穩(wěn)定[16]。1. 芯片結(jié)構(gòu)ICL7650 采用14 腳雙列直插式和8腳金屬殼兩種封裝形式，圖314所示是最常用的14腳雙列直插式封裝的引腳排列圖。圖314 ICL7650的引腳排列圖2. 工作原理ICL7650利用動(dòng)態(tài)校零技術(shù)消除了CMOS器件固有的失調(diào)和漂移，從而擺脫了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零電路的束縛，克服了傳統(tǒng)斬波穩(wěn)零放大器的這些缺點(diǎn)。ICL7650的工作原理如圖315所示。圖中，MAIN是主放大器，NULL是調(diào)零放大器。電路通過(guò)電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來(lái)進(jìn)行兩個(gè)階段工作，第一是在內(nèi)部時(shí)鐘的上半周期，電子開關(guān)A和B導(dǎo)通，和C斷開，電路處于誤差檢測(cè)和寄存階段；第二是在內(nèi)部時(shí)鐘的下半周期，電子開關(guān)和C導(dǎo)通,A和B斷開，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段。圖315 ICL7650的工作原理圖+ININOSCAABCCLKOUTEXT CLKININT/EXT+MAINNULL+AABCCAP RETURNCEXTACNCMCEXTBPOUTPUTCLAMPN內(nèi)部偏置由于ICL7650中的NULL運(yùn)算放大器的增益AON一般設(shè)計(jì)在100dB左右，因此，即使主運(yùn)放MAIN的失調(diào)電壓VOSN達(dá)到100mV，整個(gè)電路的失調(diào)電壓也僅為1μV。由于以上兩個(gè)階段不斷交替進(jìn)行，電容CN和CM將各自所寄存的上一階段結(jié)果送入運(yùn)放MAIN、NULL的調(diào)零端, 這使得電路幾乎不存在失調(diào)和漂移，可見(jiàn)，ICL7650是一種高增益、高共模抑制比和具有雙端輸入功能的運(yùn)算放大器。3. 電路原理ICL7650內(nèi)部為交流放大，在對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行調(diào)制、放大、解調(diào)、輸出放大后的直流信號(hào)過(guò)程中，輸出端會(huì)出現(xiàn)由于ICL7650內(nèi)部時(shí)鐘斬波頻率所引起的一些微小尖峰脈沖的干擾。為了保證輸出信號(hào)的質(zhì)量，必須在輸出端加低通濾波器，這里選用RC低通濾波電路。如圖316 ICL7650電路原理圖所示，RR5和CC4組成RC低通濾波電路，考慮到ICL7650內(nèi)部時(shí)鐘斬波頻率為200Hz，所以把第一階濾波截止頻率設(shè)計(jì)為160Hz，取R4=10KΩ，C3=；把第二階濾波截止頻率設(shè)計(jì)為200Hz，取R5=8KΩ，圖316 ICL7650電路原理圖C4=。另外，外接采樣/保持電容C1=C2=，電源為177。15V。 數(shù)據(jù)處理模塊的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理和信號(hào)輸出兩部分，主要完成對(duì)角度轉(zhuǎn)換模塊輸出電壓的采集與A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)計(jì)算處理和數(shù)字顯示等任務(wù)。該模塊主要包括電源系統(tǒng)、單片機(jī)系統(tǒng)、數(shù)碼顯示和串口輸出電路以及與角度轉(zhuǎn)換模塊的接口等部分，可實(shí)現(xiàn)角度的LED數(shù)碼顯示、溫度補(bǔ)償、零點(diǎn)誤差補(bǔ)償和通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?信號(hào)采集與A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換我們采用的是AD7706芯片，AD7706是AD公司新推出的16位A/D轉(zhuǎn)換器，可用于測(cè)量低頻模擬信號(hào)。這種器件帶有增益可編程放大器，可通過(guò)軟件編程來(lái)直接測(cè)量傳感器輸出的各種微小信號(hào)。(1) AD7706主要特點(diǎn)AD7706具有三個(gè)偽差分輸入通道，%，增益可編程，其可調(diào)整范圍為1～128，輸出數(shù)據(jù)更新率可編程，可進(jìn)行自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)，帶有三線串行接口，采用3V或5V工作電壓。(2) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)該器件可以接受直接來(lái)自傳感器的低電平的輸入信號(hào)，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出?！?。AD7706是3通道偽差分模擬輸入，有一個(gè)差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為5V、可將輸入信號(hào)范圍從0～20mA到0～。還可以處理177。20mV～177。增益值、信號(hào)極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來(lái)配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項(xiàng),以消除器件本身或系統(tǒng)的增益和偏移誤差。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖317所示，其內(nèi)