可编程性扫描式集成测量头调理电路设计

吴昱桦，王科健

(白银矿冶职业技术学院 机电工程系，甘肃 白银 730900)

可编程性扫描式集成测量头调理电路设计

吴昱桦，王科健

(白银矿冶职业技术学院 机电工程系，甘肃 白银 730900)

针对扫描式LVDT电感式集成测量头噪音大、测量精度底等问题。文中采用了一种可编程性且灵活性高的扫描式LVDT电感式集成测量头调理电路，其使用同步解调器和模拟滤波器ADA2200在模拟域中提取位置信息和抑制模拟电路噪声，通过内部集成的高速、16位高精度 A/D 转换器以及其他功能模块的单片机C8051F060对调理电路进行可编程控制和数据采集读取。对所开发电路进行了测试和实验，实验结果达到了预期要求。

测量头；调理电路；可编程控制；数据采集读取；测试实验

齿轮测量中心由计算机系统、测控系统和机械系统3大部分组成。测量控制系统取决于测量过程中对测量所得数据的处理方式、效率和精确度，是其测量中的关键技术。坐标式齿轮测量机由3个方向的直线轴和1个回转主轴运动来控制测量头的缓慢运动，进而接触工件轮廓以致测头探针通过接触工件产生相应压入量形变。因此测量头性能是测量中心的关键，是测量设备整体性能的决定因素之一。目前大多数测量机上使用的扫描式测头是LVDT差动电感式的传感器，测量头设备也有多种设计方法。本文设计特点：首先，将测头的传感器与信号调理电路集成在测头机械结构内部，这样避免了分立结构中因信号传输路径造成的干扰，降低了信号噪声；其次，设计中的传感器初级线圈激励频率为SPI可编程，可通过单片机控制模拟电压带宽并对其动态范围进行适当调整。

1 总体系统设计方案

总体设计方案如图1所示，测头接触工件轮廓产生压入量，将位移信号比例转换为电压信号，此信号通过信号调理电路输出给A/D转换模块，MCU通过控制A/D转换的控制和数据的读取，将转换好的数据通过串口传输给上位机进一步处理。

图1 总体方案设计图

信号调理电路主要为LVDT传感器提供激励电压及输出调解信号、滤波和增益功能，A/D将模拟信号进行采样转换成16二进制位数字信号，MCU负责完成转换数据的读取与发送。此处设置JTAG接口是为了便于在线调试程序，观察和修改程序。

2 电路设计

测头信号调理电路采用ADI公司的同步解调器和可配置模拟滤波器ADA2200[1]和低压、300 MHz、4通道2:1多路复用模拟高清电视音频/视频开关ADG794[2]构成，能以较高精度和可重复性将传感器机械位置转换为双极性直流电压[3]。

控制激励电压带宽和A/D数据转换和读取的核心是Silicon Labs公司CIP51内核的SOC型单片机C8051F060[4]，此单片机内部集成了高速率、高精度A/D转换器以及数据接口等其他功能模块，大幅减少了外部电路及电路布板面积，减少了因外部电路复杂等器件种类繁多带来的噪声，提高电路系统的稳定性。

2.1 信号调理电路设计

信号调理电路的设计如图2～图4所示，主要由ADA2200、ADG794、差分转单端以及电源电路构成。ADA2200集成式同步解调器组成电路核心。它采用独特的电荷共享技术来执行模拟域内的离散时间信号处理。具有全差分信号路径，由高阻抗输入缓冲器后接一个固定低通滤波器(FIR抽取滤波器)、一个可编程IIR滤波器、一个解调器和一个差分输出缓冲器组成。其输入和输出共模电压等于1.65 V(3.3 V电源电压的1/2)，可在信号解调至与LVDT核心位移成比例的低频输出电压之前，对LVDT次级信号进行滤波，从而提取位置信息。ADA2200产生同步LVDT激励信号，而ADG794开关将CMOS电平激励信号转换为精密3.3 V方波信号，驱动LVDT初级绕组。LVDT是将线性位移转换为比例电信号，是特殊的绕线变压器，具有活动核心，其位置与待测位置贴合。激励信号施加于初级绕组，随着核心的移动，次级绕组上的电压成比例发生变化，根据该电压即可计算位置。

图2中的H1、H2及VR2和LVDT构成半桥式电桥，其平衡由VR2调节。电路中的主时钟CLKIN由MCU内部分频产生。ADA2200接受主时钟并产生其内部的所有时钟，包括用作LVDT激励信号的参考时钟。ADA2200上的时钟分频器配置为产生4.8 kHz激

励信号。ADG794将激励信号转换为精密±3.3 V的方波信号，该系统3.3 V来自于AS1117降压产生，后者由5 V电源驱动。

图2 信号激励电路

电路中选择ADG794 CMOS开关是因为它具有低导通电阻、快速开关时间、先开后合式开关动作以及低成本等特点。它能将ADA2200的低压CMOS电平RCLK输出转换为低阻抗差分输出方波源，然后驱动LVDT。LVDT半桥式电感可调节RCLK和ADA2200输入之间的相对相位。该电路配置为具有最大正交(相位=90°)响应以及最小同相(相位= 0°)响应。这使其可以仅通过测量正交输出就能确定位置，进而使ADA2200输出电压对电路中相位的变化不甚敏感。其中，LVDT的温度变化导致有效串联电阻和电感发生改变，是相位变化的主要来源。图2中的ADG794 VDD输入采用5 V电源供电。

经上述处理后，ADA2200输出全差分信号，将信号经过滤波后传输给AD8429进行放大和转单端处理，且经过放大处理的信号将于单片机中的A/D模拟输入电压相匹配。电路中AD8429[5-9]是ADI公司的一款精密仪表放大器，擅长测量微小而快速变化的信号，低失真度，在数据采集领域具有很强的抗干扰性；AD8429由三运放拓扑结构组成，此种结构由两级组成：一级提供差分放大器，其后是一个消除共模电压并提供额外放大的差动放大器，可使共模信号经其放大后在差分信号中移除。图3中，10 kΩ的电位器VR1和一个5 kΩ的电阻组成它的增益电阻，以便放大器的增益倍数可在一定范围内进行调节。

图3 后级信号处理电路

图3中前端的R11、C10和R7、C2分别组成RC低通网络滤波器，可以滤除高频信号，而且防止较小的直流失调电压的影响。根据设计电路中相关参数得出计算结果，放大器输入电压信号频率范围限制在150 Hz～3 kHz，其符合测头电压带宽频率的范围。设计中需要注意的是图中C10影响输入差动信号，C6影响共模信号，而且正输入端的R11×C10与负输入R7×C2要匹配，否则会降低AD8429的CMRR性能。使C10容值比C6容值大一个数量级可以降低不匹配影响，从而改善性能。

图3中AD8429的双轨电源由TI公司的低压降线性稳压器TPS7A4901和TPS7A3001为其提供[10-11]。该种系列的LDO线性稳压器的特点有：超低噪声、高PSRR、所得到的电压噪声低、纹波小，稳定性好；且输入、输出电压范围宽，图3中产生10 V输出的电路中R17为电路输出端较大的反馈电阻，R19为较小的反馈电阻，VOUT为输出电压，VREF为器件内部参考电压。产生-10 V的电路中R18为输出端较大的反馈电阻，R20+VR3为较小的反馈电阻，其中VR3为电位器可微调输出电压值，作用是为了与正电压值相匹配。其中，VFB(nom)为理论下的反馈电压，一般取值1.185 V，经计算R1=30 kΩ，R2>3.6 kΩ，电路如图4所示。

图4 高精度双轨电源

2.2 A/D转换与数据总线接口设计

此部分电路由SOC型单片机C8051F060为核心进行构建。该芯片内部集成有16 位分辨率、1 MSample·s-1速率的 A/D 转换器，同时还具备具有帧错误检测和地址识别硬件的增强型串行口，可以工作在全双工异步方式或半双工同步方式，并支持多处理器通信。

图3P1中的ADin是由AD8429单端输出的信号，将此信号连接至 C8051F060中16位A/D的AIN0构成单端双极性输入。A/D转换器的数据采集采用中断方式，其启动与数据读取均在其中断服务程序中完成，提高了系统实时性。

3 数据采集软件设计

数据采集软件主要是先进行基本配置再由C8051F060控制A/D进行连续转换等处理。系统基本配置主要包括系统时钟、交叉开关阵列、看门狗以及A/D转换器。A/D转换器的配置和控制是为了完成数据采集与传输[10-11]。

图5为采集系统流程图。在系统进行上电初始化后，C8051F060内部A/D模块第一次开始转换数据，每次转换完成后会产生一个拉高的完成标志触发中断条件来启动下次转换，同时将每次转换的数据存储在滤波寄存器组中，当寄存器组存储满后在内部进行中值计算，完成后触发中断锁存并通过串口发送给上位机[12-13]。这里考虑到数据采集的实时性，在满足采样定律的前提下，取3～5个数据进行中值滤波为最佳[14]。

图5 数据采集系统流程图

4 系统测试

对系统进行线性度的测量主要是观察系统输出信号与输入信号之间线性关系是否符合欲达到的要求[15]。试验中主要分析系统校准曲线与拟合曲线之间的最大偏差和满量程输出的百分比关系，值越小，线性度越好。图6所示为试验中线性度测量。

图6 线性度测量结果

图6中横坐标为信号调理电路前端输入信号；纵坐标为通过MCU所采集到的与输入信号相对应的 A/D 转换器输出数据的相对线性偏差，该偏差是ADA2200、ADG794以及AD8429差分转单端放大电路及 A/D4者总线性度的综合反映。此外，电路设计中使用了差动电阻电桥代替差动电感电桥，排除了差动电感本身的非线性度对测量结果的影响。从图中可知，在不考虑测头悬空电压的前提下，整个电路的线性度<±0.12%，比测量头使用的电感线性度高(线性度为±0.40%)。

5 系统噪声测量

使用设计的测量头在某齿轮测量机上，使用上位机诊断软件，通过利用读取的A/D数据来测定元件噪声。测试方法是将测头悬空下将使用测量诊断软件在1 500点连续数据采样下对原件噪声测量的σ值取样10次，观看此状态下测头采集数据标准差的波动范围。同理，将使测头产生压入量，同样取10次测量的标准差样本。表1为在1 500点连续采样数据测量的标准差取样结果。

表1 连续1 500点数据采样下标准差值的取样结果

由表1可知，在测头悬空下测量结果显示数据的标准差较高，这是由于在测头悬空下，测头的测量力为零，容易受到测量过程中测量坏境中的机械振动等干扰。在有压入量的产生下，测头受力，抗干扰性强，所测量的标准差较小，而且测量过程中测头处于有压入量状态，因此后者测量的标准差更符合实际情况。

6 结束语

(1)本文设计的新型测头调理电路以及数据采集与读取系统，构建了信号调理解调电路，并通过SOC型高集成单片机C8051F060来控制激励信号的带宽。采用精密仪表放大器对前级电路输出的差分信号进行差分转单端，同时对信号进行了再次滤波和放大处理，使其符合后级A/D电路的要求；

(2)为了整体的净化电路模拟电源，利用TPS7A4901和TPS7A3001来提供精密仪表放大器的双轨电源，提高后级模拟信号的质量；

(3)通过单片机中集成的A/D模块对传感器最终的模拟量输出进行采集，通过单片机串口输出，对其采样值进行线性度的测量计算，其线性度不小于±0.12%，并在测量机上通过测头悬空与产生压入量两种情况下，通过测量诊断软件上对其元件噪声进行了测量与分析，采样数据标准差分别在0.74～0.87和0.29～0.53的范围内变化。经各项指标的测量与分析，设计满足要求。

[1] Analog Devices.Synchronous demodulator and configurable analog filter[M].CA,USA:Analog Devices,2014.

[2] Analog Devices.Low voltage,300 MHz quad 2:1 mux analog HDTV audio/video switch[M].CA,USA:Analog Devices,2014.

[3] 王友仁,祝鸣涛,崔江,等.电流模式可重构模拟信号处理电路[J].南京航空航天大学学报,2011(4):532-537.

[4] 潘琢金.C8051F060/1/2/3/4/5/6/7混合信号ISP Flash微控制器数据手册[M].深圳:新华龙电子有限公司,2004.

[5] 常海龙,张丕状,闫加胜,等.液体质量流量计放大电路温度漂移补偿方案[J].仪表技术与传感器,2014(9):28-29,51.

[6] 吴志抄,谭业双,李召瑞,等.基于可编程器件的通信检测系统接口设计[J].电子技术应用,2014(10):72-75.

[7] 张勇,文丰,单彦虎,等.矢量水听器微弱信号调理电路设计[J].科学技术与工程,2015(32):147-151.

[8] 冯思奇,王黎明,常海龙.同模块测温电路的一致性方案[J].山西电子技术,2015(6):17-19.

[9] 刘素贞,李丽滨,蔡智超,等.电磁超声检测系统中消除电磁干扰电路的设计[J].电工技术学报,2016(1):80-84.

[10] 丛秋波.高精度LDO为低噪声应用提高效率与准确度[J].电子设计技术,2010(10):20-24.

[11] 孙丽君.TI推出-36V 200mA LDO[J].世界电子元器件,2010(10):62-64.

[12] 江贤志,刘华章,张教育,等.基于C8051F020单片机的RS485串行通信设计[J].电子测量技术,2014(3):121-124.

[13] 于丽娜,秦丽.C8051F单片机信号采集系统[J].仪表技术与传感器,2011(7):53-55.

[14] 吴忻生,唐萍,秦瀚.数字滤波技术在称重系统信号采集中的应用[J].传感器与微系统,2010(9):131-134.

[15] 李少康,王林艳,卢春霞.用于齿轮检测的集成式测量头电路设计[J].电子设计工程,2014,22(6):11-12.

Programmable Integrated Scanning Probe Conditioning Circuit Design

WU Yuhua，WANG Kejian

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Baiyin Vocational and Technical College of Mining and Metallurgy,Baiyin 730900,China)

Based on a large scanning LVDT inductive probe integrated noise shortcomings, the measurement accuracy of the end, this paper presents a high flexibility and programmability of scanning integrated inductive LVDT probe conditioning circuit. The use of synchronous demodulator and ADA2200 analog filter in the analog domain to extract the location information and suppress noise analog circuits, MCU through the internal integration of high-speed, high-precision 16-bit A / D converters, and other functional modules of C8051F060 conditioning circuit programmable control and data acquisition read. Finally, the development of the circuit has been tested and experimental results achieved expectations.

probe;programmable control;programmable control;data acquisition read;testing laboratory

2016- 10- 10

吴昱桦(1989-)，男，硕士，助教。研究方向：精密仪器设计。

TN79

A

1007-7820(2018)01-075-04