一种模拟量输入接口模块的设计与实现

韩 晨 曹兴冈 昝 勇

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

一种模拟量输入接口模块的设计与实现

韩 晨 曹兴冈 昝 勇

（中国航空计算技术研究所，陕西 西安 710068）

当前国内外接口技术发展迅速，高可靠性、高功率、高效率等特性成为主要的发展趋势。文章介绍了一种模拟量输入接口模块的设计，采用大规模集成电路实现逻辑设计，选用低功耗、小体积的器件，处理来自传感器的模拟量信号。在测控领域，具有一定的使用和参考价值。

模拟量接口；多路选择；A/D转换

在测控系统中，模拟量输入接口的设计是一个不可缺少的环节，重要性也逐步提升，对于某些外部设备的控制，只能通过模拟量进行控制，在有些测量仪表中，也常常采用模拟量信号传送的方法。在模块具体设计中主要考虑的因素包括：选用低功耗、小体积的器件；采用大规模集成电路实现逻辑设计，主要处理来自传感器的模拟量输入信号。

1 模块的主要功能和组成

模块的主要功能包括：处理12路直流模拟量输入信号；处理4路交流400Hz模拟量输入信号；对处理后的模拟量进行多路选择和A/D转换；通过D/A转换电路产生直流激励信号和交流激励信号，其中直流激励信号用于测试直流模拟量输入处理电路，交流激励信号用于测试交流模拟量输入处理电路；提供±10V基准电压信号。

模块主要功能部分组成包括：模拟量输入接口电路；多路选通电路；AD采集电路；基准电压输出接口；模拟量输入激励。

2 模拟量输入接口电路

模拟量输入接口电路包括抗噪低通滤波电路，输入比例调节电路和故障注入电路。抗噪滤波电路使用阻容网络构成的低通滤波器对差分输入信号进行滤波，用以减小共模电压和杂波引起的误差。输入比例调节电路对经前端预处理的信号进行比例变换，将输入的任意量程的信号变换成适应A/D的信号范围，并提供输入与后端的隔离，提高系统的故障安全特性。同步解调电路对模拟量输入信号以36V400Hz为基准进行同步解调。二阶滤波电路对同步解调后的直流信号按所要求的截止频率滤波。故障注入电路用于电路故障注入进行故障注入测试。A/D转换电路将变换后的直流信号转换成数字量，供CPU读取使用。A/D转换器采用AD1674芯片，12位精度，转换时间不大于15μs。模块功能框图见图1。

图1 模块功能图

2.1 直流模拟量输入处理

（1）抗噪滤波

截止频率：

第一级比例放大倍数为：

（2）二阶滤波环节

传递函数：

此二阶滤波器的传递函数为：

其中：

此二阶滤波器的比例放大倍数为：

截止角频率：

故障注入电路由运放、电阻R10、R11、R12、R13组成。

故障注入电路中正常信号的放大倍数为：

橡胶内胎慢撒气，应将内胎空气尽量放尽，用硬纸做个漏斗插入气门嘴，取两汤勺滑石粉灌入内胎，完毕后装上气门蕊按标准充好气。滑石粉在胎内散开后呈弥漫状粘附在胎壁上，可有效阻止微小气孔缓慢撒气，效果很好。

故障注入电路中故障注入信号的放大倍数为：

（3）总放大倍数

直流模拟量输入处理电路总放大倍数为：

2.2 交流模拟量输入处理

性能计算参见图2和图3。

图2 直流模拟量输入处理电路

图3 交流模拟量输入处理电路

（1）半波整流电路

半波整流电路由运放、电阻R22、R23、R24、电容C5、二极管V3、V4组成。

半波整流电路放大倍数为：

（3）低通滤波

低通滤波的截止角频率为：

2.3 多路选择

模块负责对单通道内所有需要采集的模拟量信号进行A/D转换，多路选通电路功能是将单通道内所有经过前端处理过的信号选择性的输出至下一级的A/D转换电路，用于完成信号的采集。

多路选通电路由两级多路器组成。多路选择地址源于系统数据总线，同时经隔离缓冲输出。

2.4 A/D转换

A/D采集电路如图4所示。多路选通电路将选择的信号以差分形式输出，通过隔离电阻后经过电压跟随器送至比例求和电路。比例求和电路将差分的双端信号求和后转单端输出。模拟信号通过过压保护后，由A/D转换电路完成模拟向数字信号的转换。

（4）总放大倍数

36V400Hz信号处理电路的总放大倍数为：

图4 A/D采集电路

（1）比例求和电路O点电压VO：

取R3=R4=R5=R6，则：VO=VH－VL

（2）过压保护电路

此电路用来将输入至A/D转换器的模拟信号的范围限定在±10V之间，用于保护A/D转换器的输入。

（3）A/D转换器

A/D转换器选用AD1674集成芯片。A/D转换器的最大转换时间10μS，可通过查询STS信号的状态判别A/D转换是否完成。STS信号由AD1674芯片产生，当STS信号为‘0’时表示A/D转换已经完成。

3 结束语

介绍了一种模拟量输入接口模块的设计，采用大规模集成电路实现逻辑设计，选用低功耗、小体积的器件，处理来自传感器的模拟量信号。在测控领域，具有一定的使用和参考价值。

[1] 凌纪平,高沁翔.一种模拟量输出接口的设计[M].自动化与仪器仪表,2006,(6):33-36.

[2] 曹海建,高岩,纪进.基于PowerPC的模拟量输入接口扩展[M].微计算机信息,2008,(28):248-250.

[3] 陈烛夜,陈炳泉.基于AD1674实现双通道并行高速数据采集卡的设计[J].家电科技,2006,(6):49-51.

[4] 敖凯军,冯雷星,汪洋.高性价比的多通道高速数据采集系统的设计与实现[J].测控技术,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

韩晨（1985－），男，陕西西安人，中国航空计算技术研究所工程师，研究方向为计算机应用。