电路硬件设计.docx

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电路硬件设计

第3章电路硬件设计

3.1系统总体设计

如何通过热电偶将温度信号转化为电压信号，再得到正确的数字信号，是本文面临一大难点。

得到数字信号后，还需要对信号进行计算、显示、存储与传输。

3.1.1系统硬件结构框图

图3.1控制部分结构图

硬件系统的结构图如图3.1，从功能上可划分为采集部分与控制部分，在结构上以中间的电气隔离为界。

采集部分包括多路复用器、ADC、电气隔离器；控制部分包括微控制器（单片机）及其外围电路、扩展存储器、通信接口等。

3.1.2采集部分

为了将热电偶的小幅值电压信号转换为数字信号，我们需要对信号进行放大、模数转换、以及数字信号传输。

为了使用单个AD转换器测量多路信号，我们也需要多路复用器。

（1）温度信号至数字信号转换

热电偶电压信号为mV量级，并且可能出现双极性电压。

采集如此微小的信号需要首先对电压进行放大，另外不同种类的热电偶的温差电动势也不同。

用自己搭建的放大电路，获得稳定而且精确的放大倍数具有一定困难，更重要的是增益大小不可调。

为了获得精确的放大信号，以及能够适应不多种电偶，决定选用集成了可编程增益放大器（PGA）的ADC作为信号采集的核心。

PGA具有高精度的增益倍数，一致性好，可通过程序设定增益大小。

（2）多路复用器

在离线应用场合下不方便布置多个采集设备，多路采集能力是必须的功能。

多路复用器是一个多对一的模拟开关，通过数字信号控制哪一路导通，而其他端口出于高阻状态。

通过分时复用，就能使用单个ADC转换多路模拟信号。

（3）电气隔离

电气隔离能够保护被测电路和测试电路以及操作人员的安全，例如被测电路上遭遇闪电、放电，或者被测电路不慎与其它电源短路。

另外，电气隔离还能减小环境噪声对测试电路地影响，例如电网切换、电机启动和其它电网噪声引起的干扰，高频电磁加热设备的辐射干扰。

在火灾实验中，经常遇到设有强电动力设备、电磁加热设备、电打火或者距离变压器、配电柜等强电网噪声设备的场合，热电偶也经常被固定到金属外壳上。

3.1.3控制部分

（1）微控制器与外部存储

微控制器是控制部分的核心，它负责控制采样，数据处理、存储与通信。

具体包括设置ADC相关参数，控制采样率；对采集到数据的格式进行整理，简单计算；按照一定的格式存储或读出；与上位机通信。

外部存储器为离线工作模式提供存储空间，应具有足够的空间和写入速度，并且具有掉电不易失的能力。

（2）数据通信接口

为采集模块与PC间通信提供通信，应具有匹配的协议与电平型号。

协议由微控制器负责，接口电路负责电平信号转换。

（3）供电

这一部分供电要满足整个模块的能耗需求，并且需要适应宽幅输入电压，并具有高转换效率、低输出纹波噪声，具有相应保护电路。

3.2主要芯片选型

3.2.1采集部分

（1）模数转换器（ADC）

在集成PGA的ADC中，Sigma-Delta型ADC具有超高分辨率，低噪声，高增益倍数，高输入阻抗，低价格的特点，特别适合热电偶电压信号，电桥信号等低速高分辨率小信号的采集应用。

在现有商品化多路热电偶温度采集模块中被广泛应用。

AD7190[7]是美国ADI公司于2009年最新推出的新一代高速、高分辨率Sigma-DeltaADC，其24Bit的分辨率、最高4.8KHz的采样率、最低7nV的超低噪声，在同类产品中性能突出。

相比广泛用与商品化热电偶采集模块的前辈AD7714等，由于新技术的采用，其性能指标更高，功能更强大，价格却更低。

下表为ICPCONi-7018采用的AD7712与小麻雀RSM-02采用的AD7714与AD7190的主要参数对比：

表3.1不同型号AD主要参数对比

型号

AD7190

AD7712

AD7714

共同特性

24BitsNoMissingCodes

0.0015%Nonlinearity

PGAGainsfrom1to128

LowGainDrift;LowGainError;LowNoise

CanBeConfiguredasFullyDifferential

Three-WireSerialInterface；SPI™,QSPI™,MICROWIRE™andDSPCompatible

最大采样率

4.8KHz

1KHz

1KHz

1KHz采样率下有效位数

19bits@960Hz

10bits@1KHz

10.5bits@1KHz

50Hz噪声抑制

120db

100db

100db

其它特性

InputBuffered

TwoFullyDifferential

BridgePowerDown

FourDigitalOutput

VoltageAttenuation

InternalReference

InputBuffered

ThreeFullyDifferential

LowCurrent（350mA）

最低价格（1K）

$5.9

$15.89

$8.38

得益于技术的发展，新产品的性能更高，价格却更低（按时间先后：

AD7712（1998年），AD7714（2004年），AD7190（1998年））。

从表3.1的对比可以看出，AD7190最突出的优点是高速采样模式下有绝对优势的有效分辨率。

对于多路热电偶数据采集，每次切换输入通道后需要对数字滤波器进行重新建立。

例如对与AD7190来说，其960Hz采样率模式下的建立时间为4.17ms，等效239.8Hz，即如果对8路信号循环采样，每路的采样率只有30Hz。

也就是说对于AD7712与AD7714来说，它们最大只能做到8路30Hz的可靠采样，从同时也能看到表3.1，在高采样率下以上二者的有效分辨率远不及16位。

即便模块工作在低速模式下，高的AD转换速率能降低各路采样不同时引起的误差。

AD7190主要特性如下[3]

RMSnoise:

8.5nV@4.7Hz

（gain=128）

16noisefreebits@2.4kHz

（gain=128）

Upto22.5noisefreebits（gain=1）

Offsetdrift:

5nV/°C

Gaindrift:

1ppm/°C

Specifieddriftovertime

2differential/4pseudodifferentialinputchannels

Automaticchannelsequencer

Programmablegain（1to128）

Outputdatarate:

4.7Hzto4.8kHz

Internalorexternalclock

Simultaneous50Hz/60Hzrejection

4general-purposedigitaloutputs

Powersupply

AVDD:

4.75Vto5.25V

DVDD:

2.7Vto5.25V

Current:

6mA

Temperaturerange:

–40°Cto+105°C

Interface

3-wireserial

SPI,QSPI™,MICROWIRE™,andDSPcompatible

SchmitttriggeronSCLK

APPLICATIONS

Weighscales，Straingaugetransducers，Pressuremeasurement，Temperaturemeasurement

AD7190结构图如下，封装为24-leadTSSOP。

图3.2AD7190结构图

AD7190除了优秀的精度与采样速度外，其附加外设也十分便利;内部集成15pF电容，使用外部晶振时无需增加谐振电容。

特别是P1~P4的四个可编程数字输出端口，可通过更改片内寄存器改变其输出状态，这样当需要增添多路复用器时，只需要通过ADC的数字输出来控制通道的选通，不需微控制器与多路复用器之间建立直接通信。

如此在隔离应用的设计时，大大减少了隔离器件的数目，减小了布线压力，提高系统可靠性。

同时AD7190集成了温度传感器，可直接作为热电偶的冷锻补偿。

（2）电压基准

根据AD转换的原理

其中：

n——电压数字化后的值；

Vx——待测电压值；

Gain——放大倍数；

Vref——参考电压；

N——ADC的最大分辨率；

可见电压基准对转换精度的影响也是决定性的。

图3.3MC1403DIP－8封装

MC1403[8]是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、采用激光修正的带隙基准电压源。

DIP－8封装引脚排列如图3.3所示。

MC1403主要特性如下：

OutputVoltage:

2.5V±25mV

InputVoltageRange:

4.5Vto40V

QuiescentCurrent:

1.2mATypical

OutputCurrent:

10mA

TemperatureCoefficient:

10ppm/°CTypical

GuaranteedTemperatureDriftSpecificationEquivalenttoAD580

Standard8–PinDIP,and8–PinSOICPackage

陶瓷封装的MC1403具有极高的漂移稳定性，典型温漂特性<1ppm/°C。

MC1403外围电路简单，只需在电压输出脚并联一个解耦电容，抗噪声能力很强。

（3）多路复用器

利用多路复用器可以使用单个AD转换单元分时采集多路模拟信号，代价是降低每一路的采样率，并引起采集时间误差。

常用多路复用器有继电器式与模拟开关式。

继电器式具有极低的导通电阻，并与控制电路隔离，可通过任意极性信号，常用于大电流或者超高精度采样的应用中，但其切换速度低，占用体积与能耗巨大。

模拟开关式结构简单体积小，切换速度高，也可具有很低的导通电阻，能耗低。

可用于高精度高速信号的切换。

本文设计中ADC的输入阻抗很高，故不需要低导通电阻特性。

考虑到还需要设置一级RC滤波，滤波电阻可直接利用

74HC4051是单8通道数字控制模拟电子开关，有三个二进控制输入端A、B、C和INH输入，具有低导通阻抗和很低的截止漏电流。

幅值为4.5～20V的数字信号可控制峰值至20V的模拟信号。

例如，若VDD＝+5V，VSS＝0，VEE＝-13.5V，则0～5V的数字信号可控制-13.5～4.5V的模拟信号。

这些开关电路在整个VDD-VSS和VDD-VEE电源范围内具有极低的静态功耗，与控制信号的逻辑状态无关。

当INH输入端＝“1”时，所有的通道截止。

三位二进制信号选通8通道中的一通道，可连接该输入端至输出。

74HC4051具有低导通电阻（Ron）特性:

80Ω（typ）@VCC-VEE=4.5V

70Ω（typ）@VCC-VEE=6.0V

60Ω（typ）@VCC-VEE=9.0V

其阻值接近100Ω，配合0.1uF电容可构成适用AD7190的典型RC滤波器。

（4）电气隔离

电气隔离包括电源隔离与信号隔离。

电源隔离一般使用隔离变压器，而信号隔离具有多种方式，最常见的信号隔离方式是光耦隔离。

光电耦合器将电信号转换为光信号，接收端再将光信号转化为电信号。

信号单向传输，输出端无法影响输入端，实现完全电气隔离。

光耦隔离应用广泛，但其输出信号表现为阻值变化，需要上拉电阻转化为电压信号。

其边沿时间长，