一種模擬量輸入接口模塊的設計與實現

韓 晨 曹興岡 昝 勇

（中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

一種模擬量輸入接口模塊的設計與實現

韓 晨 曹興岡 昝 勇

（中國航空計算技術研究所，陜西 西安 710068）

當前國內外接口技術發展迅速，高可靠性、高功率、高效率等特性成為主要的發展趨勢。文章介紹了一種模擬量輸入接口模塊的設計，采用大規模集成電路實現邏輯設計，選用低功耗、小體積的器件，處理來自傳感器的模擬量信號。在測控領域，具有一定的使用和參考價值。

模擬量接口；多路選擇；A/D轉換

在測控系統中，模擬量輸入接口的設計是一個不可缺少的環節，重要性也逐步提升，對于某些外部設備的控制，只能通過模擬量進行控制，在有些測量儀表中，也常常采用模擬量信號傳送的方法。在模塊具體設計中主要考慮的因素包括：選用低功耗、小體積的器件；采用大規模集成電路實現邏輯設計，主要處理來自傳感器的模擬量輸入信號。

1 模塊的主要功能和組成

模塊的主要功能包括：處理12路直流模擬量輸入信號；處理4路交流400Hz模擬量輸入信號；對處理后的模擬量進行多路選擇和A/D轉換；通過D/A轉換電路產生直流激勵信號和交流激勵信號，其中直流激勵信號用于測試直流模擬量輸入處理電路，交流激勵信號用于測試交流模擬量輸入處理電路；提供±10V基準電壓信號。

模塊主要功能部分組成包括：模擬量輸入接口電路；多路選通電路；AD采集電路；基準電壓輸出接口；模擬量輸入激勵。

2 模擬量輸入接口電路

模擬量輸入接口電路包括抗噪低通濾波電路，輸入比例調節電路和故障注入電路。抗噪濾波電路使用阻容網絡構成的低通濾波器對差分輸入信號進行濾波，用以減小共模電壓和雜波引起的誤差。輸入比例調節電路對經前端預處理的信號進行比例變換，將輸入的任意量程的信號變換成適應A/D的信號范圍，并提供輸入與后端的隔離，提高系統的故障安全特性。同步解調電路對模擬量輸入信號以36V400Hz為基準進行同步解調。二階濾波電路對同步解調后的直流信號按所要求的截止頻率濾波。故障注入電路用于電路故障注入進行故障注入測試。A/D轉換電路將變換后的直流信號轉換成數字量，供CPU讀取使用。A/D轉換器采用AD1674芯片，12位精度，轉換時間不大于15μs。模塊功能框圖見圖1。

圖1 模塊功能圖

2.1 直流模擬量輸入處理

（1）抗噪濾波

截止頻率：

第一級比例放大倍數為：

（2）二階濾波環節

傳遞函數：

此二階濾波器的傳遞函數為：

其中：

此二階濾波器的比例放大倍數為：

截止角頻率：

故障注入電路由運放、電阻R10、R11、R12、R13組成。

故障注入電路中正常信號的放大倍數為：

橡膠內胎慢撒氣，應將內胎空氣盡量放盡，用硬紙做個漏斗插入氣門嘴，取兩湯勺滑石粉灌入內胎，完畢后裝上氣門蕊按標準充好氣。滑石粉在胎內散開后呈彌漫狀粘附在胎壁上，可有效阻止微小氣孔緩慢撒氣，效果很好。

故障注入電路中故障注入信號的放大倍數為：

（3）總放大倍數

直流模擬量輸入處理電路總放大倍數為：

2.2 交流模擬量輸入處理

性能計算參見圖2和圖3。

圖2 直流模擬量輸入處理電路

圖3 交流模擬量輸入處理電路

（1）半波整流電路

半波整流電路由運放、電阻R22、R23、R24、電容C5、二極管V3、V4組成。

半波整流電路放大倍數為：

（3）低通濾波

低通濾波的截止角頻率為：

2.3 多路選擇

模塊負責對單通道內所有需要采集的模擬量信號進行A/D轉換，多路選通電路功能是將單通道內所有經過前端處理過的信號選擇性的輸出至下一級的A/D轉換電路，用于完成信號的采集。

多路選通電路由兩級多路器組成。多路選擇地址源于系統數據總線，同時經隔離緩沖輸出。

2.4 A/D轉換

A/D采集電路如圖4所示。多路選通電路將選擇的信號以差分形式輸出，通過隔離電阻后經過電壓跟隨器送至比例求和電路。比例求和電路將差分的雙端信號求和后轉單端輸出。模擬信號通過過壓保護后，由A/D轉換電路完成模擬向數字信號的轉換。

（4）總放大倍數

36V400Hz信號處理電路的總放大倍數為：

圖4 A/D采集電路

（1）比例求和電路O點電壓VO：

取R3=R4=R5=R6，則：VO=VH－VL

（2）過壓保護電路

此電路用來將輸入至A/D轉換器的模擬信號的范圍限定在±10V之間，用于保護A/D轉換器的輸入。

（3）A/D轉換器

A/D轉換器選用AD1674集成芯片。A/D轉換器的最大轉換時間10μS，可通過查詢STS信號的狀態判別A/D轉換是否完成。STS信號由AD1674芯片產生，當STS信號為‘0’時表示A/D轉換已經完成。

3 結束語

介紹了一種模擬量輸入接口模塊的設計，采用大規模集成電路實現邏輯設計，選用低功耗、小體積的器件，處理來自傳感器的模擬量信號。在測控領域，具有一定的使用和參考價值。

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[4] 敖凱軍,馮雷星,汪洋.高性價比的多通道高速數據采集系統的設計與實現[J].測控技術,2004,(23):23-24.

Design And Realization Of A Kind Of Analog Input Connects

Technique development quickly at present, characters of high dependable,high power,high-efficiency etc become more important.Introduced a kind of emulation quantity importation to pick up the design of mold piece, adopt large scale integration to carry out the logic design, choose to consume with the low comsume,the spare part of the small physical volume, handle to come from the emulation quantity signal that spreads the feeling machine.Be measuring to control realm, have a certain usage and make reference to value.

Analog Input connects;Road choice;The A/D convert

TP334.8

A

1008-1151(2015)03-0037-03

2015-02-11

韓晨（1985－），男，陜西西安人，中國航空計算技術研究所工程師，研究方向為計算機應用。