【文章內(nèi)容簡介】 5 扭矩檢測系統(tǒng)各部分電路的設(shè)計基于應(yīng)變式傳感器的扭矩檢測系統(tǒng)的硬件電路按功能可分為：電橋電路，測量放大電路，低通濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換電路，單片機電路，以及電源電路。本章分別介紹這幾種電路。應(yīng)變片將被測件的應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻相對變化，還需進一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號才能用電測儀表進行測量。通常采用電橋電路實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。根據(jù)電源的不同，電橋分為直流電橋和交流電橋。本設(shè)計采用直流電橋，直流電橋具有高穩(wěn)定性，電橋平衡電路簡單等優(yōu)點。圖51 直流電橋如圖51所示，U為電源電壓，RRRR4為橋臂，V0為輸出電壓，電橋開路。 電橋電路的精度誤差分析由于溫度變化造成的誤差來源很多，所以會有不同現(xiàn)象的誤差出現(xiàn)，如溫度變化時，零點會有變化，其次在被應(yīng)力不變的情況下，不同溫度條件將可能有不同的輸出。前者稱為溫度引起的零點漂移，而后者稱為靈敏度漂移。引起零點漂移的原因主要有應(yīng)變片粘貼的好壞，應(yīng)變片材料的不均勻，所選應(yīng)變片的電阻溫度特性不一致等。由上述原因造成的零點漂移，在測量橋配好以后，往往具有固定的方向性，可采用簡單的方法，在相應(yīng)的橋臂中串入一個由較大溫度系數(shù)材料制成的電阻來進行補償。引起靈敏度漂移的主要原因是彈性體材料的彈性模數(shù)隨溫度的變化，應(yīng)變片靈敏系數(shù)隨溫度的變化、彈性元件熱膨脹系數(shù)變化及熱膨脹各向異性等因素。而以彈性模數(shù)隨溫度變化為主，且大多是隨溫度提高而靈敏度也相應(yīng)提高。對靈敏度漂移補償最簡單的方法是隨溫度的變化自動調(diào)整供橋電壓，當供橋電壓降低時，電橋的不平衡輸出減小，即降低了電橋的靈敏度。正確的補償為在橋路進行實際靈敏度漂移的測量，然后根據(jù)漂移的正或負方向、大小來確定補償方法及補償量。常用的方法有改變供橋穩(wěn)壓電源輸出值或在電路中串、并聯(lián)電阻等。一般當靈敏度隨溫度升高而提高時，可在電源回路中串入一個正溫度系數(shù)的電阻加以補償由于應(yīng)變電橋輸出的電壓為mV級，不能滿足后續(xù)電路要求，所以必須經(jīng)過放大電路進行信號放大。根據(jù)儀器工作環(huán)境、精度要求確定放大電路必須滿足下列條件：首先放大電路有要有較高的共模抑制比，具有高穩(wěn)定性，低零漂、高精度，并且放大倍數(shù)100左右并且可調(diào)。經(jīng)過實驗比較，～，而在本系統(tǒng)中A/D的輸入電壓范圍為0V～5V時才能使精度達到最高，～～5V的范圍，此即為設(shè)計該測量放大器的目的。本設(shè)計采用一種雙運放放大電路。雙運放差動輸入放大電路的使用效果，結(jié)構(gòu)、性能等都優(yōu)越于單運放前置放大電路。并且通過對反饋電阻的擴展，減小了電阻所帶來的熱噪聲電流。輸入端采用的雙通道差分式輸入，使得輸入信號中的不穩(wěn)定誤差信號通過差值抵消掉，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所用的放大器為TCL2252。如圖52所示圖2　　　放大電路TLC2252呈現(xiàn)高輸入阻抗和低噪聲，能很好的用于高阻抗源，例如電壓傳感器的小信號狀況。由于這些器件功耗低，所以他們在手持監(jiān)視和遙感遠視傳感器應(yīng)用中工作良好，此外，滿電源電壓幅度（ｒａｉｌ－ｔｏ－ｒａｉｌ）輸出特性以單獨成分或分離電源工作使得這些器件在直線與模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器接口時成為主要選擇對象。所有這些特性，再結(jié)合它的溫度性能，使得TLC2252能夠理想的利用于聲納，遠程壓力傳感器，溫度控制，有源壓阻傳感器，加速計，手持儀表以及其他應(yīng)用。圖43為TLC2252的引腳排列。圖53 TLC2252的引腳排列。表51為TLC2252的工作條件。表51 TLC2252的工作條件后綴為C后綴為I單位MIN MAXMIN MIN電源電壓，VDD177。177。 177。8177。 177。8 V輸入電壓范圍，V1VDD VDD+—VDD VDD+—V共模輸入電壓，VICVDD VDD+—VDD VDD+—V工作環(huán)境（自然通風），TA0 7040 125℃ 放大電路的誤差分析（1）電路可獲得較高的增益，卻不會使電阻熱噪聲有所增加，減少了運放對偏置電流的影響。（2）電阻不匹配產(chǎn)生的誤差V只與Vr有關(guān),而與V(+)無關(guān)，而且對動態(tài)誤差的影響并不十分大。（3）運放的輸入失調(diào)電壓也會導致誤差，并且它是與放大倍數(shù)有關(guān)的，這種誤差仍然屬于靜態(tài)誤差，通過調(diào)節(jié)Vr就可以抵消掉。（4）電路只需使用兩個運放單元，而且電路十分簡單，但它卻可以實現(xiàn)V+和V高阻差動輸入、可調(diào)放大倍數(shù)，還附帶一個基準電壓或偏置輸入Vr，這些為電路的構(gòu)成、調(diào)節(jié)以及輸出偏置、靜態(tài)誤差補償?shù)忍峁┝藰O大的方便。為了抑制高頻干擾，在放大電路輸出端設(shè)計了二階有源低通濾波器，讓指定頻段的信號通過，而讓其余頻段的信號加以抑制或使其急劇衰減。運算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成的有源濾波器與無源濾波器相比，具有一系列優(yōu)點。首先，它不用電感元件，免除了電感所固有的非線性特性、磁場屏蔽、耗損、體積、和重量過大、以及不經(jīng)濟等缺點。其次，由于運算放大器的增益和輸入阻抗很高，輸出阻抗很低，所以有源濾波器還能提供一定的信號增益和緩沖作用。本系統(tǒng)選用的ADC0809的轉(zhuǎn)換速率為680kHz，為了避免高頻噪聲對測量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在放大器和A/D間加了一個低通濾波電路，以濾去高頻噪聲。由于要求輸出電壓范圍為0V～5V因此選擇TLC2252作為該濾波器的運放。 圖54 低通濾波器 A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器的類型較多，常用的有逐次逼近型和積分型。單片機應(yīng)用系統(tǒng)中最常用的A/D轉(zhuǎn)換器是可編程的ADC0809。ADC0809是典型的8位8通道逐次型A/D轉(zhuǎn)換器，CMOS工藝。圖中8路模擬量開關(guān)可選通8個模擬通道，8路模擬量分時輸入，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。地址鎖存與譯碼電路完成對A、B、C三個地址位進行鎖存和譯碼，其譯碼輸出用于通道的選擇。8位A/D轉(zhuǎn)換器是逐次逼近式，由控制與時序電路、逐次逼近寄存器、樹狀開關(guān)及256電阻階梯網(wǎng)C0809芯片為28引腳雙列直插式封裝，圖55為ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)其主要引腳的功能說明如下：（1）IN7～IN0：模擬量輸入通道。ADC0809對輸入模擬量的要求主要有信號是單極性，電壓范圍0～5V，若信號過小還需進行放大。另外，模擬量輸入在A/D轉(zhuǎn)換過程中其值不應(yīng)變化，因此對變化速度快的模擬量，在輸入前應(yīng)增加采樣保持電路。（2）ADDA、ADDB、ADDC：地址線。ADDA為低位地址，ADDC為高位地址，用于對模擬通道進行選擇。（3）ALE：地址鎖存允許信號。在ALE上升沿時，A、B、C地址狀態(tài)送入地址鎖存器中。（4）START：轉(zhuǎn)換啟動信號。在START上升沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；START下降沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在A/D轉(zhuǎn)換期間，START應(yīng)保持低電平。（5）D7～D0：數(shù)據(jù)輸出線。為三態(tài)緩沖輸出形式，可以和單片機的數(shù)據(jù)線直接相連。（6）OE：