小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的作用、電路原理及可編程模擬器件在其的應(yīng)用介紹

1 引 言

在系統(tǒng)可編程模擬電路(In System ProgrammabilityProgrammable Analog Circuits，ispPAC)是可編程模擬器件的一種，其內(nèi)部有可編程的模擬單元(如放大、比較、濾波)，他可在不脫離所在應(yīng)用系統(tǒng)的情況下，通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)模擬單元電路指標(biāo)參數(shù)的調(diào)整和模擬單元電路之間的連接等，從而獲得功能相對(duì)獨(dú)立的模擬電路。

在系統(tǒng)可編程模擬電路提供以下3種可編程性能：

(1) 功能可編程

在系統(tǒng)可編程器件可實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)理(對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大、衰減、濾波)、信號(hào)處理(對(duì)信號(hào)進(jìn)行求和、求差、積分運(yùn)算)、信號(hào)轉(zhuǎn)換(數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào))。

(2) 互連可編程

能把器件中的多個(gè)功能塊進(jìn)行互連，對(duì)電路進(jìn)行重構(gòu)，具有百分之百的電路布通率。

(3) 指標(biāo)特性可編程

能調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值。

ispPAC器件可以被允許反復(fù)編程，編程次數(shù)可達(dá)10 000次。通常，編程軟件還提供仿真功能。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)系統(tǒng)提供的仿真結(jié)果重新修改電路，直至滿意為止。然后將編程結(jié)果通過(guò)isp接口電纜下載至芯片，從而完成了模擬電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，即把高集成度、精確的設(shè)計(jì)集于一片ispPAC中，取代了由許多獨(dú)立標(biāo)準(zhǔn)模擬器件所實(shí)現(xiàn)的電路功能。

2 小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的硬件框圖

小信號(hào)的測(cè)量歷來(lái)是智能儀器儀表及測(cè)控領(lǐng)域中的關(guān)鍵技術(shù)。一般傳統(tǒng)的小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

在圖1中可以看到小信號(hào)在測(cè)量之前必須被濾波整流和放大，但考慮到放大器本身的漂移，所以還要加入調(diào)零網(wǎng)絡(luò)。如果采用通常的模擬電路搭建方法，將需要6～8個(gè)高精密運(yùn)算放大器和大量的電阻電容。像這樣設(shè)計(jì)的電路調(diào)試復(fù)雜繁瑣，且測(cè)試精度不高。

用ispPAC器件替代其中一部分的模擬電路，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)過(guò)程，降低了成本。加上單片機(jī)和ADC的使用，使得增益可控，并可用LED顯示測(cè)量值。其框圖如圖2所示。圖中單片機(jī)可采用89C51常用8位單片機(jī)，ADC是ICL7135 4位半雙積分ADC，抗干擾能力較強(qiáng)，輸入為差分信號(hào)，輸出為4位半十進(jìn)制數(shù)0.000 0～±1.999 9，數(shù)據(jù)采取BCD碼動(dòng)態(tài)掃描輸出形式。

2.2 用ispPAC10做測(cè)量放大器

ispPAC10實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)前端的模擬測(cè)量功能，即對(duì)信號(hào)整形濾波和放大。在系統(tǒng)可編程器件所用的開(kāi)發(fā)軟件為PAC Designer。該軟件采用原理圖設(shè)計(jì)輸入方式，并可對(duì)電路的幅頻特性和相頻特性直接進(jìn)入模擬分析。不同的參數(shù)(R，C)值可以得到相應(yīng)的幅頻／相頻曲線，從仿真曲線上可對(duì)原理圖設(shè)計(jì)進(jìn)行適當(dāng)修改，直到滿足設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)完成設(shè)計(jì)輸入和仿真操作后，最后一步工作是對(duì)PAC器件進(jìn)行編程。ispPAC器件的硬件編程接口電路是IEEEll49.1-1990定義的JTAG測(cè)試接口。ispPAC器件的JTAG串行接口通過(guò)編程電纜和PC并口連接，這樣就可以對(duì)ispPAC10進(jìn)行下載，電路如圖3所示。

信號(hào)采用單端輸入，為了減少系統(tǒng)本身的零漂，使用簡(jiǎn)單的精密電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行零漂的調(diào)整，500 kΩ的可調(diào)電阻幾乎能覆蓋可能出現(xiàn)的所有參考電壓的偏差。信號(hào)輸入后，首先經(jīng)過(guò)一個(gè)低通濾波器，減少高頻雜波的干擾和影響，然后再經(jīng)過(guò)放大，由OUT3輸出。為了調(diào)整系統(tǒng)本身的零漂，需外輸入一個(gè)1 mV的小電壓，根據(jù)ispPAC10的可編程特點(diǎn)，以步進(jìn)為1 mV達(dá)到調(diào)整范圍-10～+10 mV，這樣可以消除PAC器件本身的零漂。當(dāng)然，如果增益不夠的話，可以再級(jí)聯(lián)一級(jí)放大器，即：OUT3輸出和OUT4輸入相連，輸出電壓由OUT4輸出。最后得到一個(gè)差分輸出信號(hào)，送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其中，低通濾波器的設(shè)計(jì)可用雙二次電路用于實(shí)現(xiàn)二階濾波。典型的二階濾波器傳遞函數(shù)為：

當(dāng)M=C=0時(shí)為低通濾波器；M=D=0時(shí)為帶通濾波器；C=D=0時(shí)為高通濾波器。

2.3 小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的電原理圖

小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的電原理圖如圖4所示。為了充分利用和擴(kuò)大ICL7135測(cè)量范圍以及提高精度，可使用雙4路模擬開(kāi)關(guān)C4052，并利用ICL7135的過(guò)量程和欠量程示意功能實(shí)現(xiàn)了量程的自動(dòng)切換。

圖4中用P3.4控制A／D轉(zhuǎn)換。如果置P3.4=1不變，則ICL7135連續(xù)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換而不會(huì)停止。

如果用軟件在P3.4輸出一個(gè)正脈沖則啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完一次便不再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，并不斷輸出數(shù)據(jù)。把STB與P3.3(INT0)相連，可實(shí)現(xiàn)INT0中斷，在A／D轉(zhuǎn)換期間STB為高電平。在A／D轉(zhuǎn)換完畢后，在STB出現(xiàn)5個(gè)負(fù)脈沖，可以利用STB的下降沿請(qǐng)求中斷，每個(gè)STB負(fù)脈沖可使相應(yīng)的顯示位獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)，而a8～a1是相應(yīng)位的BCD碼。因此軟件設(shè)計(jì)是采用連續(xù)響應(yīng)5次中斷(或進(jìn)行5次查詢)，讀出5個(gè)BCD碼的方法。在數(shù)據(jù)讀入后單片機(jī)通過(guò)查表的方式，將得到的BCD碼轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的LED七位顯示碼，接著通過(guò)串行口方式發(fā)送給移位寄存器74LS164進(jìn)行顯示。符號(hào)位和精度位分別由獨(dú)立的引腳進(jìn)行控制。當(dāng)發(fā)現(xiàn)量程過(guò)大時(shí)會(huì)預(yù)警，當(dāng)放大增益不足時(shí)會(huì)自動(dòng)切換量程。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 關(guān)于漂移的問(wèn)題

工作狀態(tài)中出現(xiàn)漂移時(shí)，如果是線性的可以使用調(diào)節(jié)零漂的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)；如果是非線性的可以建立與輸入電壓相關(guān)聯(lián)的步進(jìn)電壓進(jìn)行調(diào)整；如果是離散的可采取軟件取平均的方法。

3.2 ICL7135的參數(shù)選擇

為了抑制交流干擾信號(hào)(最大的干擾頻率為供電電源的干擾)，ICL7135的時(shí)鐘頻率設(shè)為fck，應(yīng)該使：

其中：K為正整數(shù)，ff為于擾信號(hào)的頻率，即50 Hz。

對(duì)于ICL7135而言，N=10 000，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，考慮到通用性，K取值為2，則fck=250 kHz。假設(shè)單片機(jī)的工作頻率為6 MHz，那么ALE腳輸出的信號(hào)為晶振的6分頻即1 MHz，然后通過(guò)計(jì)數(shù)器74LS163進(jìn)行4分頻就可以得到ICL7135所需要的工作頻率250 kHz 。假設(shè)滿量程為2 V，那么根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)可得參考電壓VREF=1 V；積分電阻Rint=Vxm／20μA=100 kΩ；積分電容Cint≥N*20 μA／(fckVm)=0.2μF，其中Vm為積分器輸出的可能最大值，對(duì)于ICL7135而言Vm在3.5～4 V之間。調(diào)零電容和基準(zhǔn)電壓濾波電容應(yīng)該取足夠大的值，一般為1μF，而且要使用優(yōu)質(zhì)電容。其余的電容可按常規(guī)方法選用，均取0.1μF。

3.3 單片機(jī)的外圍電路

應(yīng)該注意NMOS和CMOS結(jié)構(gòu)的單片機(jī)相應(yīng)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路是不同的，否則會(huì)引起不必要的器件損壞。圖4給出的是NMOS型單片機(jī)的電路，在一些輸入輸出口上需要加上上拉電阻(圖中未畫出)。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在可能的情況下，還可以使用硬件看門狗。

3.4 數(shù)字和模擬混合電路

對(duì)于數(shù)字和模擬混合的電路，布線時(shí)應(yīng)避免相互的干擾，而作為小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，這一點(diǎn)尤為重要。在必要之處應(yīng)加上隔直和濾波電容。

4 結(jié) 語(yǔ)

在系統(tǒng)可編程模擬器件結(jié)合單片機(jī)等系統(tǒng)構(gòu)成的各種應(yīng)用系統(tǒng)，特別是用在系統(tǒng)可編程模擬器件構(gòu)成的各類智能化測(cè)量系統(tǒng)，由于體積小、功能多、精度高、使用方便靈活，已成為測(cè)量的發(fā)展方向。用在系統(tǒng)可編程模擬器件設(shè)計(jì)的小信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了其整流濾波和放大的功能，且電路的調(diào)試簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高。隨著模擬可編程技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的增加，可編程模擬器件的類型和品種也會(huì)日益豐富和完善。