【文章內(nèi)容簡介】 C上反充電，當(dāng)I2I1時, 相當(dāng)于C由一個凈電流I2I1放電，此時C上電壓逐漸下降, 當(dāng)下降到比較器2的門限電壓13Vs時，RS觸發(fā)器被復(fù)位，Q=0，于是S斷開CS2，僅有CS1對C充電，如此反復(fù)形成振蕩。當(dāng)兩個電流源CSCS2的電流分別設(shè)定為I、2I時，電容C上的充電、放電時間相等，則10腳三角波以及變換的正弦波就是對稱的，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腳輸出非對稱的鋸齒波，2腳輸出非對稱的正弦波，9腳輸出占空比為2%～98%的脈沖波形。4. 激勵源連接電路激勵源電路圖如圖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100KΩ的電位器(見圖36)，這樣連接后失真會減小為0．5％左右。圖36中741的作用是為正弦輸出提供緩沖及可變增益，即改變輸出幅值的作用。圖36激勵源電路圖 測量電橋采用溫度特性良好的精密電阻與差動電容傳感器來組成阻容電橋，兩個精密電阻的參數(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為激勵源電壓；u2為電橋不平衡電壓輸出。令，則，則上式變?yōu)? (33)因為，所以上式簡化為 (34)式中為靈敏度。由式(34)可以看出，在激勵源不變的條件下，電橋不平衡輸出電壓u2與Δd成一簡單的線性關(guān)系，由式(31)可知與傾角θ也成一簡單的線性關(guān)系。對正弦波形輸出電壓及放大后的交流電橋輸出電壓同時采樣由式(34)可以看出，電橋不平衡電壓輸出u2，與激勵源電壓ul之比在△d一定的情況下為常數(shù)。設(shè)計中對ul及u2同時進(jìn)行采樣，并將兩路信號與溫度信號(共三路信號)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產(chǎn)生的激勵源波形的失真。 第一級放大電路從電橋輸出的信號為交流信號，為便于后續(xù)處理先對其進(jìn)行信號放大。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，會影響到檢測精度。有鑒于此，在本課題中采用了集成儀用放大器。美國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)計中。由于AD620具有精度高、增益選擇范圍大和高性價比等特點，本課題采用該芯片作為放大器芯片，其主要特點見表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的輸入過載能力，兩個輸入端應(yīng)分別串聯(lián)一只400Ω的薄膜電阻，這樣可以安全地承受長達(dá)幾小時的輸入高達(dá)+15V或+6mA的過載，這種保護(hù)功能對所有增益均有效，當(dāng)信號源和放大器分別供電時更為重要。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。對屏蔽給予適當(dāng)?shù)尿?qū)動，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)動接法。 整流濾波電路經(jīng)過交流放大后的交流信號還需要被轉(zhuǎn)換成直流信號才能進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。美國MAXIM公司的產(chǎn)品MAX536A可以有效的實現(xiàn)交流/直流有效值的轉(zhuǎn)換。該集成芯片外圍電路簡單，性能優(yōu)越。它可以計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)換成直流信號出口。MAX536A可以接受的輸入信號在07V(按有效值計算)之間，輸入信號電壓的極限峰值在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，單電源供電時電源電壓最大值是+36V，雙電源供電時電源電壓最大值是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是一個重要的參數(shù)，CAV越大轉(zhuǎn)換精度越高，但是輸出穩(wěn)定時間越長，由于水平儀為靜態(tài)測量，對輸出穩(wěn)定時間要求不高，因此經(jīng)查閱取CAV=5μF，%。MAX536A的轉(zhuǎn)換精度可以通過外圍的器件來改善，R4用以調(diào)整偏移量，通過調(diào)整R4保證當(dāng)信號輸入端Vm輸入為零時信號輸出端Vout輸出也為零；通過調(diào)整R1可以對輸出信號進(jìn)行校正。其中R1=500Ω，R2=365Ω，R3=750KΩ，R4=50KΩ。圖310 MAX536A的引腳圖圖311 MAX536A電路原理圖在本測量系統(tǒng)中，經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換后，信號是一個靜態(tài)的直流信號，可以肯定頻率在10Hz以下。故所選擇的濾波器必須能夠無損耗的通過10Hz以內(nèi)的信號，同時為了濾除50Hz的工頻干擾，就要求濾波器的過渡帶很窄，即過渡帶內(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。用兩級器件級聯(lián)可實現(xiàn)十階濾波電路腳。如圖312MAX280原理圖所示，輸入信號經(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，從該端輸出時會引入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，因此使用時應(yīng)外接緩沖器后輸出。器件第5引腳為時鐘輸入端，該端懸空時，以內(nèi)部時鐘fclk=140KHz驅(qū)動，外接Rclk、Cclk。元件可將驅(qū)動脈沖頻率調(diào)整到更低，也可外接其它時鐘發(fā)生器作外驅(qū)動。第4腳為分頻比fclk/fc編程端，接正電源時為100，即時鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為100：接地時為200，時鐘頻率與濾波器截至頻率的比值為200：接負(fù)電源時為400；時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，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)計過程如下：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)的一個部分，同時也構(gòu)成了濾波器的一個極點。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)動時鐘頻率，即確定Rclk、Cclk的值。內(nèi)部四階開關(guān)電容濾波器由內(nèi)部時鐘驅(qū)動，這個內(nèi)部時鐘又由選擇的轉(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)動時鐘應(yīng)設(shè)置為轉(zhuǎn)折頻率的100倍，即第4腳分頻比fclk/fc編程端應(yīng)接正電源，所以驅(qū)動時鐘頻率為1K．時鐘頻率可以由下式來確定 (36)因為處理誤差，fclk可能會有177。％的誤差。這個振蕩頻率能通過一個接在Cclk與地之間的電位器來調(diào)節(jié)，這個電位器就是Rclk。調(diào)節(jié)后的時鐘頻率由下式計算： (37)這里的fclk是Rclk為0時的時鐘頻率。當(dāng)用了電位器后，新的時鐘頻率總是高于未加電位器時的頻率。為了得到比較寬的頻率調(diào)節(jié)范圍，可以首先通過式(36)初步計算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的時鐘頻率，由式(36)初步計算得到Cclk為3900pF，將這個值增大，取值6800pF，并用50K的電位器。這個時鐘頻率能夠在第5引腳用一個低電容探頭測得。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 第二級放大電路經(jīng)過直流濾波電路的處理后，信號會有較大的衰減，直流電壓幅度達(dá)不到系統(tǒng)的要求，因此需要對直流電壓信號進(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)定及價格低廉等優(yōu)點。這種運(yùn)算放大器由一個時鐘控制，分節(jié)拍工作，前一節(jié)拍將輸入失調(diào)采集并存儲于一電容中，后一節(jié)拍采樣和放大信號，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。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。電路通過電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換來進(jìn)行兩個階段工作，第一是在內(nèi)部時鐘的上半周期，電子開關(guān)A和B導(dǎo)通，和C斷開，電路處于誤差檢測和寄存階段；第二是在內(nèi)部時鐘的下半周期，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，整個電路的失調(diào)電壓也僅為1μV。由于以上兩個階段不斷交替進(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，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，在對直流信號進(jìn)行調(diào)制、放大、解調(diào)、輸出放大后的直流信號過程中，輸出端會出現(xiàn)由于ICL7650內(nèi)部時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)部時鐘斬波頻率為200Hz，所以把第一階濾波截止頻率設(shè)計為160Hz，取R4=10KΩ，C3=；把第二階濾波截止頻率設(shè)計為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)計數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)處理和信號輸出兩部分，主要完成對角度轉(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，可實現(xiàn)角度的LED數(shù)碼顯示、溫度補(bǔ)償、零點誤差補(bǔ)償和通過串口與計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?信號采集與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，可用于測量低頻模擬信號。這種器件帶有增益可編程放大器，可通過軟件編程來直接測量傳感器輸出的各種微小信號。(1) AD7706主要特點AD7706具有三個偽差分輸入通道，%，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自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出?！D7706是3通道偽差分模擬輸入，有一個差分基準(zhǔn)輸入。當(dāng)電源電壓為5V、可將輸入信號范圍從0～20mA到0～。還可以處理177。20mV～177。增益值、信號極性以及更新速率的選擇可用串行輸入口由軟件來配置。該器件還包括自校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)選項,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)