【文章內(nèi)容簡介】 大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。所以，此種方案不宜采用。 方案二、主要由高精度低漂移運算放大器構(gòu)成差動放大器，而構(gòu)成的前級處理電 路；差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點，可以利用普通運放 (如 OP07)做成一個差動放大器。其設(shè)計電路如圖 3 所示： 方案（三）：采用專用儀表放大器，如： INA126， INA121 等構(gòu)成前級處理電路。下面舉例用 INA128 儀用儀表放大器來實現(xiàn)。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 +P1A1+P2A3+P3A210KR110KR610KR720KR220KR820KR3R44KR5+U1U2U0 圖 3 利用普通運放設(shè)計的差動放大器 一般說來，集成化儀 用 放大器具有很高的共模抑制比和輸入阻抗，因而在傳統(tǒng)的電路設(shè)計中都是把集成化儀器放大器作為前置放大器。然而，絕大多數(shù)的集成化儀器放大器，特別是集成化儀器放大器，它們的共模抑制比與增益相關(guān)：增益越高，共模抑制比越 大。而集成化儀器放大器作為 心 電前置放大器時，由于極化電壓的存在，前置放大器的增益只能在幾十倍以內(nèi)，這就使得集成化儀器放大器作為前置放大器時的共模抑制比不可能很高。有學(xué)者試圖在前置放大器的輸入端加上隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）來避免極化電壓使高增益的前置放大器進入飽和狀態(tài)，但由于信號源的內(nèi)阻高，且兩輸入端不平衡，隔直電容（高通網(wǎng)絡(luò)）使等共模干擾轉(zhuǎn)變?yōu)椴钅８蓴_，結(jié)果適得其反，嚴重地損害了放大器的性能。 為了實現(xiàn)信號的放大，設(shè)計電路如下： 圖 4 采用 INA128設(shè)計的放大電路 1. 前級采用運放 A1 和 A2 組成并聯(lián)型差動放大器。理論上不難證明，在運算放大器為理想的情況下，并聯(lián)型差動放大器的輸入阻抗為無窮大，共模抑制比也為黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 無窮大。更值得一提的是，在理論上并聯(lián)型差動放大器的共模抑制比與電路的外圍電阻的精度和阻值無關(guān)。 2． 阻容耦合電路放在由并聯(lián)型差動放大器構(gòu)成的前級放大器和由儀器放大器構(gòu)成的后級放大器之間，這樣可為后級儀器放大器 提高增益，進而提高電路的共模抑制比提供了條件。同時，由于前置放大器的輸出阻抗很低，同時又采用共模驅(qū)動技術(shù)，避免了阻容耦合電路中的阻、容元件參數(shù)不對稱（匹配）導(dǎo)致的共模干擾轉(zhuǎn)換成差模干擾的情況發(fā)生。 3. 后級電路采用廉價的儀器放大器，將雙端信號轉(zhuǎn)換為單端信號輸出。由于阻容耦合電路的隔直作用，后級的儀器放大器可以做到很高的增益，進而得到很高的共模抑制比。 從理論上計算整個電路的共模抑制比為： CMRTotal =CMR1 CMR2 =A1d/A1c A2d/A2c =A1d/1 CMR2=A1d CMR2 或 CMRRTotal=20lgA1d+CMR2 式中： CMRTotal 或 CMRRTotal－放大器的總共模抑制比； CMR1－第一級放大器的共模抑制比； CMR2 或 CMRR2－第二級放大器的共模抑制比； A1d、 A1c、A2d 和 A2c－分別為第一級放大器和第二級放大器的差模增益和共模增益。 經(jīng)過實際測量，圖 3 所示的電路采用 上式 中所給出的參數(shù)時，電路的共模抑制比在 120dB 以上。 有以上分析以及基于電子秤的要求精確度不是很高，所以選擇由普通放大器所組成的差動放大器作為本設(shè)計的信號放大電路。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 A/D 轉(zhuǎn)換部分是整個設(shè)計的關(guān)鍵，這一部分處理不好，會使得整個設(shè)計毫無意義。 目前，世界上有多種類型的 ADC，有傳統(tǒng)的并行、逐次逼近型、積分型 ADC，也有近年來新發(fā)展起來的 ∑Δ型和流水線型 ADC，多種類型的 ADC 各有其優(yōu)缺點并能滿足不同的具體應(yīng)用要求。目前， ADC 集成電路主要有以下幾種類型 ： （ 1） 并行比較 A/D 轉(zhuǎn)換器：如 ADC080 ADC0809 等 。 并行比較 ADC 是現(xiàn)今速度最快的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率在 1GSPS 以上，通常稱為 “閃爍式 ”ADC。它由電阻分壓器、比較器、緩沖器及編碼器 四種分組成。這種結(jié)構(gòu)的 ADC 所有位的轉(zhuǎn)換同時完成，其轉(zhuǎn)換時間主取決于比較器的開關(guān)速度、編碼器的傳輸時間延遲等。 缺點是：并行比較式 A/D 轉(zhuǎn)換的抗干擾能 力差，由于工藝限制，其分辨率一般不高于 8 位，因此并行比較式 A/D 只適合于數(shù)字示波器等轉(zhuǎn)換速度較快的儀器中，不適合本系統(tǒng)。 (2） 逐次逼近型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ADS780 ADS7804 等。 逐次逼近型 ADC是應(yīng)用非常廣泛的模 /數(shù)轉(zhuǎn)換方法，這一類型 ADC 的優(yōu)點：高速，采樣速率可達 1MSPS；與其它 ADC 相比，功耗相當?shù)?；在分辨率低?12 位時，價格較低。缺黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 點：在高 于 14 位分辨率情況下，價格較高；傳感器產(chǎn)生的信號在進行模 /數(shù)轉(zhuǎn)換之前需要進行調(diào)理，包括增益級和濾波，這樣會明顯增加成本。 (3） 積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器：如： ICL713 ICL710 ICL154 MC14433 等。積分型 ADC 又稱為雙斜率或多斜率 ADC，是應(yīng)用比較廣泛的一類轉(zhuǎn)換器。它的基本原理是通過兩次積分將輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與其平均值成正比的時間間隔。與此同時，在此時間間隔內(nèi)利用計數(shù)器對時鐘脈沖進行計數(shù)，從而實現(xiàn) A/D 轉(zhuǎn)換。積分型 ADC 兩次積分的時間都是利用同一個時鐘發(fā)生器和計數(shù)器來確定，因此所得到 的表達式與時鐘頻率無關(guān)，其轉(zhuǎn)換精度只取決于參考電壓 VR。此外，由于輸入端采用了積分器，所以對交流噪聲的干擾有很強的抑制能力。若把積分器定時積分的時間取為工頻信號的整數(shù)倍，可把由工頻噪聲引起的誤差減小到最小，從而有效地抑制電網(wǎng)的工頻干擾。這類 ADC 主要應(yīng)用于低速、精密測量等領(lǐng)域，如數(shù)字電壓表。其優(yōu)點是：分辨率高，可達 22 位；功耗低、成本低。缺點是：轉(zhuǎn)換速率低，轉(zhuǎn)換速率在 12 位時為 100～ 300SPS。 (4 ） 壓頻變換型 ADC：如： AD574 等。 其優(yōu)點是：精度高、價格較低、功耗較低。缺點是： 類似于積分型 ADC，其轉(zhuǎn)換速率受到限制， 12 位時為 100～ 300SPS。 考慮到本系統(tǒng)中對物體重量的測量和使用的場合，精度要求不是很苛刻，轉(zhuǎn)換速率要求也不高，而雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器精度高，具有精確的差分輸入，重要的是輸入阻抗高（大于 ?M310 ），可自動調(diào)零，有超量程信號輸出，全部輸出于 TTL電平兼容。且雙積分型 A/D 轉(zhuǎn)換器具有很強的抗干擾能力。對正負對稱的工頻干擾信號積分為零，所以對 50Hz 的工頻干擾抑制能力較強，對高于工頻干擾（例如噪聲電壓）已有良 好的濾波作用。只要干擾電壓的平均值為零，對輸出就不產(chǎn)生影響。尤其對本系統(tǒng)，緩慢變化的壓力信號，很容易受到工頻信號的影響。 根據(jù)系統(tǒng)的精度要求以及綜合的分析其優(yōu)點和缺點，本設(shè)計采用了 12 位 A/D轉(zhuǎn)換器 AD574 鍵盤處理部分方案論證 由于電子秤需要設(shè)置單價（十個數(shù)字鍵），還具有確認、刪除等功能，總共需設(shè)置 17 個鍵（包括一個復(fù)位鍵）。鍵盤的擴展有使用以下方案： 采用矩陣式鍵盤：矩陣式鍵盤的特點是把檢測線分成兩組，一組為行線，一組列線，按鍵放在行線和列線的交叉點上。圖 5 給出了一個 4 4 的矩陣鍵盤結(jié) 構(gòu)的鍵盤接口電路，圖中的每一個按鍵都通過不同的行線和列線與主機相連這。 4 4矩陣式鍵盤共可以安裝 16 個鍵，但只需要 8 條測試線。當鍵盤的數(shù)量大于 8 時，一般都采用矩陣式鍵盤。 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 圖 5 矩陣式鍵盤 結(jié)合本設(shè)計的實際要求， 16 個按鍵使用 4 4 矩陣式鍵盤，另外一個復(fù)位鍵使用獨立式按鍵實現(xiàn)。 顯示電路部分的選擇 數(shù)據(jù)顯示是電子秤的一項重要功能，是人機交換的主要組成部分，它可以將測量電路測得的數(shù)據(jù)經(jīng)過微處理器處理后直觀的顯示出來。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩 種方案供選擇。的組成有以下兩種方案可供選擇：一是 LED 數(shù)碼管顯示 ,二是LCD 液晶顯示兩種選擇 . LCD 液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計算器，從袖珍時儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都廣泛利用了液晶顯示器。 超量程報警部分選擇 智能儀器一般都具有報警和通訊功能，報警主要用于系統(tǒng)運行出錯、當測量的數(shù)據(jù)超過儀表量程或者是超過用戶設(shè)置的上下限時為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報警的目的就是在超出電子秤測量范圍時，發(fā)出聲光報警信號，提示用戶，防止損壞儀器。 超限報警電路是由單片機的 I/O 口來控制的，當稱重物體重量超過系統(tǒng)設(shè)計所允許的重量時，通過程序使單片機的 I/O 值為高電平，從而三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器SPEAKER 發(fā)出報警聲，同時使報警燈 D1 發(fā)光。 S13 S9 S5 S1 S2 S3 S4 S6 S7 S8 S10 S11 S12 S14 S15 S16 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 3 硬件電路設(shè)計 根據(jù)設(shè)計要求與設(shè)計思路，此電路由一塊 AT89S5按鍵輸入電路、時鐘電路、復(fù)位電路、 LCD 顯示段碼驅(qū)動電路、 LCD 顯示位碼驅(qū)動電路、 12 位 LCD 顯示器電路、蜂鳴器電路。 圖 6 硬件電路設(shè)計框圖 在本系統(tǒng)中用于稱量的主要器件是稱重傳感器（一次變換元件），稱重傳感 器在受到壓力或拉力時會產(chǎn)生電信號，受到不同壓力或拉力是產(chǎn)生的電信號也隨著變化，而且力與電信號的關(guān)系一般為線性關(guān)系。 由于稱重傳感器一般的輸出范圍為 0～ 20mV，對 A/D 轉(zhuǎn)換或單片機的工作參數(shù)來說不能使 A/D 轉(zhuǎn)換和單片機正常工作，所以需要對輸出的信號進行放大。由于傳感器輸出的為模擬信號，所以需要對其進行 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以便單片機接收。單片機根據(jù)稱重傳感器輸出的電信號和速度傳感器輸出的速度信號計算出物體的重量。 在本系統(tǒng)中，硬件電路的構(gòu)成主要有以下幾部分： AT89C52 的最小系統(tǒng)構(gòu)成、電源電路、數(shù)據(jù)采集、 人 機交換電路等。 AT89S52 的最小系統(tǒng)電路 單片機芯片 AT89S52 介紹 單片機采用 MCS51 系列單片機。由 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全 單片機 壓力傳感器 放大電路 A/D 轉(zhuǎn)換電路 LCD1602顯示電路 16 個鍵盤輸入 電路 復(fù)位電路 時鐘電路 蜂鳴器電路 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標準功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。而且，它還具有一個看門狗（ WDT）定時 /計數(shù)器，如果程序沒有正常工作，就會強制整個系統(tǒng)復(fù)位，還可以在程序陷入死循環(huán)的時候，讓單片機復(fù)位而不用整個系統(tǒng)斷電，從而保護 你的硬件電路。 AT89S52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其芯片引腳圖如下圖 7 所示。 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U4AT89S52 圖 7 AT89S52引腳圖 VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0