【正文】 有幾個(gè)或幾十個(gè)皮法，屏蔽環(huán)境干擾、導(dǎo)線布置、溫度等引起的寄生電容比傳感電容大得多，例如屏蔽電纜電容一般為100PF/m，多路開關(guān)輸入電容一般為8pF，而傳感器的電容約為1pF，雜散電容將待測(cè)電容傳感器信號(hào)淹沒，如何消除寄生電容的影響，把有用的微小信號(hào)拾取出來(lái)成為難點(diǎn)之一。選擇檢測(cè)電路時(shí)主要從輸出信號(hào)的穩(wěn)定性和精度兩方面分別進(jìn)行對(duì)比。因此，本課題采用運(yùn)算放大器檢測(cè)電路作為本課題的電容檢測(cè)電路。這些基本環(huán)節(jié)的靜特性都與環(huán)境溫度有關(guān)。因此對(duì)于測(cè)量?jī)x器特別是精密測(cè)量?jī)x器來(lái)說(shuō)，溫度補(bǔ)償?shù)馁|(zhì)量直接影響儀器的總精度。為降低環(huán)境對(duì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)工作的影響，應(yīng)設(shè)法減小系統(tǒng)對(duì)溫度的有害靈敏度。常用的溫度補(bǔ)償方法有以下兩種：(1) 并聯(lián)式溫度補(bǔ)償并聯(lián)式溫度補(bǔ)償即是人為地附加一個(gè)溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié)，并與被補(bǔ)償自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)(或其組成環(huán)節(jié))成并聯(lián)形式，為達(dá)到溫度補(bǔ)償目的，應(yīng)按下列條件選擇溫度補(bǔ)償環(huán)節(jié) (21)式中——自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的零點(diǎn)(其值隨T而變，是T的函數(shù)) ——自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度(其值隨T而變，是T的函數(shù))式(21)表明，按選擇參數(shù)，可使自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)靈敏度提高一倍。適用于檢測(cè)系統(tǒng)中溫度敏感參數(shù)的單一溫度補(bǔ)償。反饋式溫度補(bǔ)償有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：一是把自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸出零點(diǎn)、靈敏度通過(guò)某個(gè)環(huán)節(jié)(電路)檢測(cè)出來(lái)，并變換成適于進(jìn)行比較的信號(hào)，如電壓信號(hào)；二是通過(guò)某一控制過(guò)程產(chǎn)生控制作用，自動(dòng)改變和以達(dá)到自動(dòng)補(bǔ)償?shù)舡h(huán)境溫度T對(duì)口和的影響。已有的溫度補(bǔ)償一般采用軟硬件結(jié)合的辦法進(jìn)行補(bǔ)償，本設(shè)計(jì)中也采用這種方法，使用溫度傳感器作為測(cè)溫元件對(duì)儀器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同時(shí)使用查表的方法進(jìn)行軟件補(bǔ)償。傳統(tǒng)的儀表調(diào)零大多采用在控制面板上安裝機(jī)械電位器進(jìn)行調(diào)整。這種方法不僅操作麻煩，也不利于實(shí)現(xiàn)傳感儀表的小型化和便攜式。 傳感器的選擇傳感器的分類方法多種多樣，按照其測(cè)量原理可分類為電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器[12]。當(dāng)殼體傾斜時(shí)，傳感器輸出并不靈敏，輸出值的誤差也相當(dāng)大，原因是要驅(qū)動(dòng)電阻式傳感器需要比較大的力，而機(jī)械系統(tǒng)無(wú)法提供那么大的力，因此電阻式傳感器不適于本課題，本課題中的傾角傳感器采用非接觸式的比較合適。 電容傳感器(1) 電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)電容式傳感器具有一系列突出的優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、分辨率高、可非接觸式測(cè)量等。電子水平儀采用一個(gè)具有可變參數(shù)的電容作為傳感器，有兩個(gè)平行板組成的電容器的電容量為： (22)當(dāng)被測(cè)參數(shù)使得A、d或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。1．變極距型電容傳感器圖23變極距型電容傳感器原理圖定極板ε動(dòng)極板如圖23變極距型電容傳感器原理圖所示。由式(22)可知其初始電容量，當(dāng)動(dòng)極板因被測(cè)量變化而向上移動(dòng)使減小，電容量增大則有： (23)可見,傳感器輸出特性是非線性的。由于變極距型的分辨力很高，可測(cè)小至的線位移，故在微位移檢測(cè)中應(yīng)用很廣。它與變極距型不同的是，被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)，引起兩極板有效覆蓋面積A改變，從而得到電容的變化。因而其量程不受線性范圍的限制，適合于測(cè)量較大的直線位移和角位移。傳感器的總電容量C為兩個(gè)電容和的并聯(lián)結(jié)圖25變介質(zhì)型電容傳感器原理圖定極板定極板果。若電介質(zhì)l為空氣，當(dāng)時(shí)傳感器的初始電容 (214)當(dāng)介質(zhì)2進(jìn)入極間后引起電容的相對(duì)變化為 (215)可見，電容的變化與電介質(zhì)2的移動(dòng)量成線性關(guān)系。差動(dòng)電容式傳感器的靈敏度高、非線性誤差小，同時(shí)還能減小靜電引力給測(cè)量帶來(lái)的影響，并能有效地改善由于溫度等環(huán)境影響所造成的誤差，因而在許多測(cè)量控制場(chǎng)合中，用到的電容式傳感器大多是差動(dòng)式電容傳感器。本課題采用差動(dòng)式變極距型傾角傳感器。本節(jié)主要按轉(zhuǎn)換電路和工作原理的不同對(duì)ADC進(jìn)行粗略的分類介紹。1．逐次逼近型這種ADC是用一個(gè)電壓比較器將模擬輸入電壓與一個(gè)n位DAC的輸出電壓進(jìn)行比較，這個(gè)n位DAC的數(shù)字輸入是由一個(gè)逐次逼近寄存器提供的。在中低速場(chǎng)合得到廣泛的應(yīng)用。跟蹤計(jì)數(shù)型ADC的電路結(jié)構(gòu)比逐次逼近型簡(jiǎn)單，計(jì)數(shù)器能及時(shí)跟蹤模擬輸入電壓，特別適用于需要快速跟蹤的伺服系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換器中的積分器把模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的時(shí)間間隔，在這時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)n位計(jì)數(shù)器對(duì)頻率固定的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，最終的計(jì)數(shù)值與時(shí)間間隔成正比，反映了輸入平均電壓的大小。積分器和計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，此外積分器具有低通特性，能抑制高頻噪聲，但工作速度低，因此積分型ADC被廣泛用于低頻、高精度的數(shù)字儀表電路中．4．壓頻轉(zhuǎn)換型壓頻轉(zhuǎn)換又稱為VF轉(zhuǎn)換，首先把模擬電壓轉(zhuǎn)換成頻率與該電壓成正比的脈沖信號(hào)，然后在單位時(shí)間內(nèi)用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與頻率成正比，反映了模擬電壓的大小．顯然，VF型也屬于間接轉(zhuǎn)換型，中間變量是頻率。5．ΣΔ型ΣΔ型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號(hào)數(shù)字化，利用過(guò)采樣計(jì)數(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波計(jì)數(shù)增加有效分辨率。 本課題中對(duì)AD轉(zhuǎn)換器的選擇由于本課題設(shè)計(jì)的水平儀精度較高，所以需要選用高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器，考慮轉(zhuǎn)換速度、成本等因素選用ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器AD7706。目前ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器主要用于高分辨率的中、低頻(直至直流)測(cè)量中。它是根據(jù)信號(hào)的包絡(luò)形狀進(jìn)行量化編碼。另一方面它采用了極高的采樣頻率和ΣΔ調(diào)制技術(shù)，可獲得極高的分辨率。ΣΔ型AD轉(zhuǎn)換器以極低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣頻率將模擬信號(hào)數(shù)字化，通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率，去除多余信息，減輕數(shù)據(jù)處理的負(fù)擔(dān)。 單片機(jī)的選擇單片機(jī)由于集成度高、功能強(qiáng)、通用性好、體積小、重量輕、能耗低、價(jià)格便宜、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和使用方便等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，使得單片機(jī)得到迅速推廣和應(yīng)用，它已成為測(cè)量控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。本系統(tǒng)中采用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能的CMOS 8位單片機(jī)AT89C55WD。AT89C55WD有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)l6位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，以及片內(nèi)時(shí)鐘電路。本測(cè)量系統(tǒng)采用AT89C55WD的主要原因是，程序中計(jì)算部分所占用的ROM空間較大，若采用普通內(nèi)置8KROM的單片機(jī)，由于空間不夠會(huì)導(dǎo)致燒寫失敗，而AT89C55WD有20K Flash ROM，足夠使用。 本章小結(jié)本章對(duì)水平儀的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了整體上的設(shè)計(jì)，機(jī)械系統(tǒng)，位移傳感器、AD模塊、微處理器、數(shù)碼顯示五部分構(gòu)成了水平儀的測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)單片機(jī)及AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了分析和選擇，最后根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要選擇了AT89C55WD單片機(jī)和AD7706轉(zhuǎn)換器。所謂比例信號(hào)處理法即用傳感器中兩電容之差與兩電容之和的比值來(lái)線性地反映被測(cè)量。近年來(lái)，人們?cè)谔岣呔群退俣确矫娌粩嗵剿?，提出了各種提高精度和速度的方法，本設(shè)計(jì)采用A/D轉(zhuǎn)換法。圖31差動(dòng)電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖懸絲底座動(dòng)極板固定極板固定極板與水平儀底座和測(cè)量平面固定在一起，動(dòng)極板由懸絲懸掛，當(dāng)被測(cè)平面有一定傾角時(shí)，由于重力作用，動(dòng)極板始終保持豎直狀態(tài)，與一固定極板的極距減小，而與另一極板極距增大，形成差動(dòng)輸出。由式(31)可以看出θ與Δd之間成線性關(guān)系。電路結(jié)構(gòu)主要由傳感器角度測(cè)量和電信號(hào)調(diào)理2部分組成，其工作原理如圖33所示：圖33 角度轉(zhuǎn)換模塊工作原理框圖待測(cè)角度傾角傳感器激勵(lì)源測(cè)量電橋第一級(jí)運(yùn)算放大器整流濾波第二級(jí)運(yùn)算放大器直流輸出 激勵(lì)源電路設(shè)計(jì)為了減小激勵(lì)源輸出電壓波形失真及減小干擾信號(hào)對(duì)傳感器輸出信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)中采用精密波形發(fā)生器集成芯片ICL8038作為激勵(lì)源?？赏瑫r(shí)輸出任意的三角波、矩形波和正弦波等，占空比范圍為2%～98%，低失真正弦波為1%，低溫度漂移為50ppm/℃，%，工作電源為 177。12V 或者+ 12V～+ 25V。圖35 ICL8038內(nèi)部電路方框圖V+V OR GND恒流源CS1恒流源CS2比較器1比較器2觸發(fā)器緩沖區(qū)緩沖區(qū)三角波—正弦波變換電路C93211610I2I1恒流源CSCS2主要用于對(duì)外接電容C進(jìn)行充電放電，可利用5腳外接電阻調(diào)整恒流源的電流，以改變電容C的充放電時(shí)間常數(shù)，從而改變10腳三角波的頻率。使兩個(gè)比較器必須在大于23Vs或小于13Vs的范圍內(nèi)翻轉(zhuǎn)。當(dāng)C上電壓上升到比較器1的門限電壓23Vs時(shí)，觸發(fā)器輸出Q=1。S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。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。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(見圖36)，這樣連接后失真會(huì)減小為0．5％左右。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。令，則，則上式變?yōu)? (33)因?yàn)?，所以上式?jiǎn)化為 (34)式中為靈敏度。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)。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。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。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。～177。如圖38所示為AD620引腳圖，圖39為AD620電路原理圖。為了減小輸人端的噪聲干擾采用屏蔽電纜方法。 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。該集成芯片外圍電路簡(jiǎn)單，性能優(yōu)越。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。18V。MAX536A采用雙電源供電模式，供電電壓為177。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，%。其中R1=500Ω，R2=365Ω，R3=750KΩ，R4=50KΩ。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。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。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。用兩級(jí)器件級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)十階濾波電路腳。為實(shí)現(xiàn)巴特沃思特性要求，要求滿足RC=(2πf)。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。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。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。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。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。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。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。％的誤差。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。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。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。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。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)。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。ICL7650的工作原理如圖315所示。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。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，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。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。另外，外接采樣/保持電容C1=C2=，電源為177。 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