【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 準(zhǔn) 上面求解測(cè)量溫度的過(guò)程中是把 R和 REFV 都作為已知參數(shù)來(lái)處理的，但實(shí)際上它們是有誤差的，解決的辦法就是對(duì)它們進(jìn)行校準(zhǔn)。具體方法是使用兩個(gè)不同電阻值的模擬電阻來(lái)進(jìn)行兩次測(cè)量，然后求解出 R和 REFV ，模擬電阻使用高精度電阻箱給出。對(duì)于 Pt100 電阻體的量程范圍，第一次接入 RT1=100Ω，第二次接入 RT2=200Ω，會(huì)得到兩組共 4個(gè) 等式 (24)～ (27): 1 12REFAB V R LV R T R R L?? ?? (24) 1 ( 1 2 )12REFAC V R T R LV R T R R L??? ?? (25) xvi 2 22REFAB V R LV R T R R L?? ?? (26) 2 ( 2 2 )22REFAC V R T R LV R T R R L??? ?? (27) 4 個(gè)等式中 僅有 RL、 R 和 VREF 三個(gè)未知數(shù)， 利用任意三個(gè)等式 求解即可獲得校準(zhǔn)后的 R 和 VREF(28)～ (210)： 11112ABA C A BV R TRL VV?? ? (28) 1221( 2 2 ) ( 1 2 ) ( 2 2 )( 2 2 )A B A CA C A BV R T R L R T R L R L V R T R LR R L V V R T R L? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? (29) 1 ( 1 2 )12ACREF V R R T R LV R T R L? ? ?? ? (210) 把獲得的校準(zhǔn)值存入 MCU 的 FLASH，就可以作為正式測(cè)量 RT時(shí)的已知參數(shù)使用 ，校準(zhǔn)程序見(jiàn)附錄 2。 熱電偶 電路 對(duì)于熱電偶 如圖 25，僅需要采樣 ABV 即可 ,但由于存在 REFV 的初始誤差，對(duì) mV 信號(hào)輸入也需要校準(zhǔn)，只需要輸入一個(gè)測(cè)量范圍的中值信號(hào)，如對(duì)K 型熱電偶就采用 30 mV 來(lái)校準(zhǔn)，采集后存入 SOC的 RAM 中作為正式 mV 信號(hào)測(cè)量的參比值。 SOC 中有內(nèi)置的溫度傳感器可測(cè)量環(huán)境溫度，用于熱偶測(cè)量時(shí)的冷端補(bǔ)償。 A/D 轉(zhuǎn)換電路 調(diào)試 16位 A/D 就能完成本設(shè)計(jì)的要求， C8051F352 有 16位 A/D 轉(zhuǎn)換器，但考慮到采購(gòu)及成本的問(wèn)題，選擇擁有 24位 A/D 的 C8051F350，舍去低字節(jié)當(dāng) 16 位 A/D 使用。為保證校準(zhǔn)精度 ，使用內(nèi)部 校準(zhǔn)方式對(duì) A/D 的增益和偏移進(jìn)行在系統(tǒng)校準(zhǔn) ， 快速濾波器對(duì)模擬輸入變化的響應(yīng)較快 ，而 SINC3 濾波器產(chǎn)生具有較低噪聲的結(jié)果 ，故選擇ABt 圖 25 熱電偶 xvii SINC3 濾波器 ；為提高輸入阻抗，打開(kāi)了 A/D 內(nèi)部的輸入緩沖器使 A/D 的輸入電流達(dá)到最小，提高了抗干擾能力，選擇較高的抽取比能提高精度，但會(huì)降低轉(zhuǎn)換速度，選擇合適的抽取比對(duì)系統(tǒng)的影響很大，由于需要采樣兩路輸入，采樣過(guò)程中需要隨時(shí)切換，在軟件上對(duì) A/D 的控制時(shí)須非常重要，而對(duì)采樣結(jié)果本設(shè)計(jì)采用了數(shù)字濾波和求平均值的方法盡量降低了干擾。 調(diào)試過(guò)程中由實(shí)驗(yàn)室高精度的 電阻器 ZX25a 來(lái)代替 RT，基準(zhǔn)電壓 VR 為來(lái)自C8051F350 的基準(zhǔn) ，調(diào)試軟件見(jiàn)附錄 3， 調(diào)試結(jié)果見(jiàn)表 21。 表 21 A/D轉(zhuǎn)換電路調(diào)試結(jié)果 A/D 采樣值 理論值電壓 (V) 測(cè)試值電壓 (V） 絕對(duì)誤差 (mV) 相對(duì)誤差 % 3922 1 8860 1 13621 1 16339 1 18106 1 0 22910 1 25866 0 0 29355 0 0 由調(diào)試結(jié)果看， 校準(zhǔn)后的 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸出結(jié)果精度較高，在采樣值上僅有幾個(gè)數(shù)之差，采樣結(jié)果也非常穩(wěn)定，效果令人滿意 D/A 轉(zhuǎn)換及輸出電路的設(shè)計(jì) 用 PWM 實(shí)現(xiàn) D/A 轉(zhuǎn)換器的理論分析 PWM是一種周期一定、高電平占空比不同的類似 方波的信號(hào)，它的占空比由一個(gè)調(diào)制信號(hào)調(diào)制： ??? ???????? )( )()( k NTNTtntk NTV k NTnttk NTVtfLH （ 211） 進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)； )2c o s (s i n2)2c o s (s i n2)()(2 NknNTktNknkVVNknNTtNnVVVVVNntfiLHLHLLH???????????????????? ?????? （ 212） xviii 式中： T為計(jì)數(shù)脈沖的周期，在單 片機(jī)中為定時(shí)器計(jì)數(shù)的基本時(shí)鐘周期； N為 PWM波 1個(gè)周期的計(jì)數(shù)脈沖總 數(shù)； n為 PWM波 1個(gè)周期中高電平的計(jì)數(shù)脈沖數(shù)； k為諧波次數(shù)；t為時(shí)間； HV 和 LV 分別為 PWM波中高、低電平的電壓值。 式 (212)等號(hào)后第 1項(xiàng)表示直流分量，第 2項(xiàng)為 1次諧波分量，第 3項(xiàng)為大于 1次的高次諧波分量。從式可以看出，其直流分量與 n成線性關(guān)系，并隨著從 0～ N、直流分量從 LV ～ LV + HV 之間變化，這正是 D/A轉(zhuǎn)換器所需要的。因此，如果能把式 (212)中除直流分量外的諧波過(guò)濾掉，就可以實(shí)現(xiàn)從 PWM波到 D/A的轉(zhuǎn)換，即 PWM波可以通過(guò)一個(gè)低通濾波器進(jìn)行解調(diào)得到直流電壓輸出。 根據(jù)上述分析，可以得到從 PWM到 D/A轉(zhuǎn)換器輸出框圖 如圖 26。該框圖可以有許多電路實(shí)現(xiàn)方法，在單片機(jī)的應(yīng)用中還可以通過(guò)軟件方法進(jìn)行精度調(diào)整和誤差校正 。 D/A 轉(zhuǎn)換電路 D/A 轉(zhuǎn)換電路如圖 27， 由 定時(shí)器產(chǎn)生的 PWM 波通過(guò)一個(gè) I/O 口輸出，考慮到輸出電壓的精度不高，可通過(guò)一個(gè)反向器整形來(lái)得到穩(wěn)定的方波，反相器選擇 TI 公司的 SN74LVC1G98, 該產(chǎn)品可以方便的配置邏輯功能并且有著很高的驅(qū)動(dòng)能力和非常小的傳輸延時(shí) 時(shí)間，非常適合各種需要靈活配置邏輯功能又很在意電路板尺寸的應(yīng)用 , 單芯片可以配置 8 種邏輯功能 , 可以提供單路反相輸入選擇 ,所有的輸入都帶施密特觸發(fā)器電路 ,功耗低，工作電流最大僅為 10uA，工作電壓采用 SOC中穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。由于工作中 PWM 變換的周期為 5ms 左右， 這相當(dāng)于給輸出波形疊加了高 頻干擾，為確保產(chǎn)生波形的質(zhì)量，減少波形失真度，使輸出波形光滑，須用低通濾波器把高頻分量單片機(jī) PWM 輸出 PWM整形 二階低通濾波 驅(qū)動(dòng)放大輸出 圖 26 D/A輸出框圖 Q3100KR6100KR7474C2474C3+Q 4 AMC P 6 0 0 2P W M 100KR 9 *120KR 1 0 * 0 . 1 u FC4VRP 0 . 1 Vo 圖 27 D/A轉(zhuǎn)換電路 xix 濾掉。 為消除電路輸出中的脈動(dòng) ，采用了二階低通濾波，二階低通濾波電路是由兩節(jié)RC 濾波電路和同相比例放大電路組成，其特點(diǎn)是輸入阻抗高，輸出阻抗低，二階低通濾波電路 傳遞函數(shù)為： 202020021211202221221210 21)111(/)(????????????? SSKCCRRSCRKCRCRSCCRRKsH (213) 式中 0K 為電路直流增益， ? 為電路阻尼率， 00 2 f?? ? 為電路固有頻 率，分別為： 120 /1 RFRFK ?? (214) ?????? ???? 12 21022 1121 12 )1(21 CR CRKCR CRCR CR? (215) 21210 /1 CCRR?? (216) 以 ?jS? 代入 213 式，求得其幅頻特性： 2220202220200)2()1()2()()( ????????????????KKjH (217) 式中 00 // ff?? ??? 為頻率比， 1?? 時(shí)的頻率稱為截止頻率。 由式 217 可得，當(dāng) 2/1?? 時(shí)，其幅頻特性最為平坦。當(dāng)各種信號(hào)頻率小于濾波器截止頻率時(shí)，才能“無(wú)失真”地傳輸，也即幅度不會(huì)放大或衰減。當(dāng) CCC ?? 21 ，RFRFRF ?? 21 ，即 20?K 時(shí)，由式 21 214 有 ： 12 /21 RR?? (218) 210 21 RRCf ?? (219) 令 216 式 2/1?? ，得 RRR 22 12 ?? ，則有： CRf ?22 10 ? (220) 由上式可知，當(dāng) C 為定值時(shí)，電路截止頻率 0f 與 R 成反比。因此只要電阻按 xx RRR 22 12 ?? 的比例關(guān)系線性改變，還可實(shí)現(xiàn)濾波器截止頻率的線性跟蹤濾波。由計(jì)算現(xiàn)選擇 C 為 ， R 為 100K，本設(shè)計(jì)對(duì)截止頻率的精度并不高，實(shí)際電路效果已經(jīng)達(dá)到， 為了減少運(yùn)放對(duì)濾波電路的負(fù)載效應(yīng)，放大器同樣采用低功耗的 MCP6002。 D/A 轉(zhuǎn)換電路調(diào)試 D/A 轉(zhuǎn)換電路 主要檢驗(yàn) 模擬輸出的 線性度 和穩(wěn)定性 ， 由 I/O 口信號(hào) 線直接 輸出到反向器輸入端 ，滿量程為 ， 經(jīng)過(guò) R R10 兩個(gè)精密電阻分壓后滿量程為 ，對(duì)應(yīng)定時(shí)數(shù)為 10000，調(diào)試軟件相對(duì)簡(jiǎn)單，開(kāi)一個(gè)定時(shí)器 2即可調(diào)試，調(diào)試結(jié)果見(jiàn)表22。 表 22 D/A轉(zhuǎn)換調(diào)試結(jié)果 輸入高電平的定時(shí)數(shù) 理論輸出電壓（ V） 測(cè)得輸出電壓（ V） 絕對(duì)誤差 （ mV） 相對(duì)誤差 % 0 1 1000 0 0 2020 0 0 3000 0 0 4000 1 5000 1 6000 0 0 7000 0 0 8000 1 9000 1 10000 0 0 0 0 由調(diào)試結(jié)果看 D/A的輸出結(jié)果精度較高，誤差小并且輸出較穩(wěn)定，說(shuō)明二階低通濾波的效果比較好， 10000 個(gè)數(shù)相對(duì)于專用 D/A 芯片來(lái)說(shuō)精度要高于 12 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，但成本相對(duì)廉價(jià)很多，總體結(jié)果也令人滿意。 輸出電路 輸出電路 如圖 28，由一級(jí)放大器 跟隨和恒流電路組成，其中放大器同樣用低 功耗的 MCP6002；輸出電路要輸出 4～ 20mA 的電流信號(hào)，而系統(tǒng)總功耗為 左右， 故限流電阻應(yīng)該控制電流在 ～ 左右， PWM 輸入信號(hào)的最大電壓值為+Q 4 BMC P 6 0 0 2Q5N P N 175R8RVIEVo 圖 28 輸出電路 xxi ，可由計(jì)算得到： 75VR V mA? ? ? ?。 由于輸出電路的總電流的理論計(jì)算并不精確，還需要考慮到實(shí)際電路中的電阻、電壓等精度的影響，故還需要進(jìn)行輸出校準(zhǔn)。當(dāng)輸入為 0 時(shí)，可由 PWM 的基準(zhǔn)數(shù)來(lái)調(diào)整零點(diǎn)來(lái)使輸出達(dá)到 4mA，同樣當(dāng)輸入為滿度時(shí) 調(diào)整 PWM 基數(shù)使?jié)M度達(dá)到 20mA，校準(zhǔn)過(guò)程由高精度的 6 位半數(shù)字萬(wàn)用表完成，校準(zhǔn)完成后把零點(diǎn)和滿度的基數(shù)值寫入到FLASH 中的非易失性存儲(chǔ)器當(dāng)中去，也可由上位機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)并保存。 SOC 各功能模塊 如圖 29 為 C8051F350 的引腳圖， C8051F系列是 Silicon Laboratories 公司設(shè)計(jì)的單片機(jī)，它擁有 帶模擬多路器 的 24 位單端 /差分 ADC，高精度可編程的 內(nèi)部振蕩器 ， 8KB 在片F(xiàn)LASH 存儲(chǔ)器 ， 768 字節(jié)片內(nèi) RAM， 增強(qiáng)型 UART和 SPI 串行接口 ， 4 個(gè)通用的 16位定時(shí)器 ， 具有3 個(gè) 捕捉 /比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列（ PCA） ， 片內(nèi)上電復(fù)位、VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器 ， 片內(nèi)電壓比較器 ， 17個(gè)端口 I/O（容許 5V 輸入） ， 具有片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器、看門狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器 ，這些特點(diǎn)都為整個(gè)系統(tǒng)的良好工作提供了保證。 C8051F350 有標(biāo)準(zhǔn) 8051 的程序和數(shù)據(jù)地址配置。它包括 256字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM，其中高 128 字節(jié)為雙映射。用間接尋址訪問(wèn)通用 RAM 的高 128 字節(jié)，用直接尋址訪問(wèn)128字節(jié)的 SFR 地址空間。數(shù)據(jù) RAM 的低 128 字節(jié)可用直接或間接尋址方式訪問(wèn)。前32個(gè)字節(jié)為 4個(gè)通用寄存器區(qū)，接下來(lái)的 16字節(jié)既可以按字節(jié)尋址也可以按位尋址；程序存儲(chǔ)器包含 8KB 的 FLASH。該存儲(chǔ)器以 512 字節(jié)為一個(gè)扇區(qū)，可以在系統(tǒng)編程，且不需特