通用于采集控制实验的接口设备硬件电路的设计

2019-07-12徐喆李承泽张子超

电子技术与软件工程 2019年9期

文/徐喆李承泽张子超

1 电压分级处理电路的设计

电压信号是最基本的物理量信号，电压的采集是控制实验中重要的环节，但当被测量电压等级为mV级到V级变化时，用相同的单元处理电路不能保障数据采集的精度，所以当电压信号输入时，便立刻对其进行自动分级处理，将不同电压等级的信号传输到相应的电路进行处理，电路如图1所示。

此电路可将电压以1V为界分级，采集到不同等级的电压处理电路中。运算放大器LM358可以将输入电压和设定电压等级进行对比，调整滑动变阻器RV2的阻值，使反相输入端电压为1V，当采样信号输入到同相输入端大于1V时，输出信号为1；当同相输入端小于1V时，输出信号为0，多路模拟开关将比较器输出信号作为地址控制通道的选通。例如采样电压为1.5V，则LM358输出为1，则多路模拟开关的C、B、A地址为001，控制X1发出信号，晶闸管Q2导通，RL1线圈通电，触点吸合，信号被采集进入大于1V的电压处理电路。

对于小于1V的电压信号，首先通过放大器对其放大，继而进行信号隔离、低通滤波及模数转换，其中要特别注意的是，AD转换器中一般会有一个小电容，起到样本保持的作用，而滤波常采用的RC低通滤波器，含有一个较大电容，会与AD中的电容串联尽享相互充放电，这样RC滤波器的电容会有压降，使采样电压有所损失，这对小电压信号的影响是巨大的，所以为了尽量弥补这种损失，应使RC滤波器的电容远大于AD转换器中的电容；对于大于1V的电压信号，处理方式类似，但在器件的选择上应与小电压信号处理电路不同以保证信号的精度。

2 电流处理电路的设计

电流信号采集一般的方式有三种：低端采样、高端采样和采样电阻在负载上方运放电源地悬浮在负载上。这里采用低端采样，即采样电阻在负载下方，运放电源地和采样电阻同地。图2所示的就是这种常见的电流采样电路。

图1

图2

假设采样电流为1A，则电流流过电阻时，转化为微小电压，经过LM358差分放大后，放大为0.491V的电压信号，经过RC滤波后输入AD进行模数转换。但这种采样电路有一些弊处，只有当R1、R4、R6、R7的阻值是准确且恒定的，并且运放是理想的，电流转换成电压的数据才比较准确。

电阻的误差对差分电路的性能有很大的影响，理论上可以通过提高4个电阻的精度来减小差分电路的误差，但实际上即使电阻有0.1%的误差也会使差分电路产生非常大的误差，普通的运算放大器即使共模抑制比很高也不能弥补电阻产生的误差，所以一般采用仪表放大器。

3 多路模拟开关的应用

多路模拟开关是实现接口设备通用性的关键，本项目采用CD4051多路模拟开关，共设有八个输入通道和八个输出通道，传输信号为差动输入，所以共需要四片CD4051。八个输入通道具有通用性，采集数据时可接入任意一个通道，而八个输入通道分别对应不同的信号处理电路。

CD8051是先断后通型多路模拟开关，可以有效避免两个通道短接的问题。通过STM32单片机对寄存器的配置，先对多路模拟开关U1、U3进行选通，根据信号类型，再对U2、U4进行选通，将信号接入相应的单元处理电路。其中U1和U2、U3和U4之间分别接入缓冲放大器，缓冲放大器不起放大信号的作用，由于其高阻抗输入、低阻抗输出，可用于阻抗匹配、信号隔离和增强电路输出能力。