通用于采集控制實(shí)驗(yàn)的接口設(shè)備硬件電路的設(shè)計(jì)

文/徐喆 李承澤 張子超

1 電壓分級(jí)處理電路的設(shè)計(jì)

電壓信號(hào)是最基本的物理量信號(hào)，電壓的采集是控制實(shí)驗(yàn)中重要的環(huán)節(jié)，但當(dāng)被測量電壓等級(jí)為mV級(jí)到V級(jí)變化時(shí)，用相同的單元處理電路不能保障數(shù)據(jù)采集的精度，所以當(dāng)電壓信號(hào)輸入時(shí)，便立刻對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)分級(jí)處理，將不同電壓等級(jí)的信號(hào)傳輸?shù)较鄳?yīng)的電路進(jìn)行處理，電路如圖1所示。

此電路可將電壓以1V為界分級(jí)，采集到不同等級(jí)的電壓處理電路中。運(yùn)算放大器LM358可以將輸入電壓和設(shè)定電壓等級(jí)進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整滑動(dòng)變阻器RV2的阻值，使反相輸入端電壓為1V，當(dāng)采樣信號(hào)輸入到同相輸入端大于1V時(shí)，輸出信號(hào)為1；當(dāng)同相輸入端小于1V時(shí)，輸出信號(hào)為0，多路模擬開關(guān)將比較器輸出信號(hào)作為地址控制通道的選通。例如采樣電壓為1.5V，則LM358輸出為1，則多路模擬開關(guān)的C、B、A地址為001，控制X1發(fā)出信號(hào)，晶閘管Q2導(dǎo)通，RL1線圈通電，觸點(diǎn)吸合，信號(hào)被采集進(jìn)入大于1V的電壓處理電路。

對(duì)于小于1V的電壓信號(hào)，首先通過放大器對(duì)其放大，繼而進(jìn)行信號(hào)隔離、低通濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換，其中要特別注意的是，AD轉(zhuǎn)換器中一般會(huì)有一個(gè)小電容，起到樣本保持的作用，而濾波常采用的RC低通濾波器，含有一個(gè)較大電容，會(huì)與AD中的電容串聯(lián)盡享相互充放電，這樣RC濾波器的電容會(huì)有壓降，使采樣電壓有所損失，這對(duì)小電壓信號(hào)的影響是巨大的，所以為了盡量彌補(bǔ)這種損失，應(yīng)使RC濾波器的電容遠(yuǎn)大于AD轉(zhuǎn)換器中的電容；對(duì)于大于1V的電壓信號(hào)，處理方式類似，但在器件的選擇上應(yīng)與小電壓信號(hào)處理電路不同以保證信號(hào)的精度。

2 電流處理電路的設(shè)計(jì)

電流信號(hào)采集一般的方式有三種：低端采樣、高端采樣和采樣電阻在負(fù)載上方運(yùn)放電源地懸浮在負(fù)載上。這里采用低端采樣，即采樣電阻在負(fù)載下方，運(yùn)放電源地和采樣電阻同地。圖2所示的就是這種常見的電流采樣電路。

圖1

圖2

假設(shè)采樣電流為1A，則電流流過電阻時(shí)，轉(zhuǎn)化為微小電壓，經(jīng)過LM358差分放大后，放大為0.491V的電壓信號(hào)，經(jīng)過RC濾波后輸入AD進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。但這種采樣電路有一些弊處，只有當(dāng)R1、R4、R6、R7的阻值是準(zhǔn)確且恒定的，并且運(yùn)放是理想的，電流轉(zhuǎn)換成電壓的數(shù)據(jù)才比較準(zhǔn)確。

電阻的誤差對(duì)差分電路的性能有很大的影響，理論上可以通過提高4個(gè)電阻的精度來減小差分電路的誤差，但實(shí)際上即使電阻有0.1%的誤差也會(huì)使差分電路產(chǎn)生非常大的誤差，普通的運(yùn)算放大器即使共模抑制比很高也不能彌補(bǔ)電阻產(chǎn)生的誤差，所以一般采用儀表放大器。

3 多路模擬開關(guān)的應(yīng)用

多路模擬開關(guān)是實(shí)現(xiàn)接口設(shè)備通用性的關(guān)鍵，本項(xiàng)目采用CD4051多路模擬開關(guān)，共設(shè)有八個(gè)輸入通道和八個(gè)輸出通道，傳輸信號(hào)為差動(dòng)輸入，所以共需要四片CD4051。八個(gè)輸入通道具有通用性，采集數(shù)據(jù)時(shí)可接入任意一個(gè)通道，而八個(gè)輸入通道分別對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)處理電路。

CD8051是先斷后通型多路模擬開關(guān)，可以有效避免兩個(gè)通道短接的問題。通過STM32單片機(jī)對(duì)寄存器的配置，先對(duì)多路模擬開關(guān)U1、U3進(jìn)行選通，根據(jù)信號(hào)類型，再對(duì)U2、U4進(jìn)行選通，將信號(hào)接入相應(yīng)的單元處理電路。其中U1和U2、U3和U4之間分別接入緩沖放大器，緩沖放大器不起放大信號(hào)的作用，由于其高阻抗輸入、低阻抗輸出，可用于阻抗匹配、信號(hào)隔離和增強(qiáng)電路輸出能力。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)基于STM32單片機(jī)，對(duì)多路模擬開關(guān)進(jìn)行配置，將輸入信號(hào)采集到不同的單元電路進(jìn)行處理，再通過RS485串口通信將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)LabVIΕW界面進(jìn)行顯示，可以實(shí)現(xiàn)硬件接口設(shè)備的通用性，適用于不同的實(shí)驗(yàn)場景，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的便捷性。