小信號測量系統(tǒng)的作用、電路原理及可編程模擬器件在其的應用介紹

1 引 言

在系統(tǒng)可編程模擬電路(In System ProgrammabilityProgrammable Analog Circuits，ispPAC)是可編程模擬器件的一種，其內(nèi)部有可編程的模擬單元(如放大、比較、濾波)，他可在不脫離所在應用系統(tǒng)的情況下，通過計算機編程實現(xiàn)模擬單元電路指標參數(shù)的調(diào)整和模擬單元電路之間的連接等，從而獲得功能相對獨立的模擬電路。

在系統(tǒng)可編程模擬電路提供以下3種可編程性能：

(1) 功能可編程

在系統(tǒng)可編程器件可實現(xiàn)信號調(diào)理(對信號進行放大、衰減、濾波)、信號處理(對信號進行求和、求差、積分運算)、信號轉換(數(shù)字信號轉換成模擬信號)。

(2) 互連可編程

能把器件中的多個功能塊進行互連，對電路進行重構，具有百分之百的電路布通率。

(3) 指標特性可編程

能調(diào)整電路的增益、帶寬和閾值。

ispPAC器件可以被允許反復編程，編程次數(shù)可達10 000次。通常，編程軟件還提供仿真功能。設計人員可根據(jù)系統(tǒng)提供的仿真結果重新修改電路，直至滿意為止。然后將編程結果通過isp接口電纜下載至芯片，從而完成了模擬電路的設計與實現(xiàn)，即把高集成度、精確的設計集于一片ispPAC中，取代了由許多獨立標準模擬器件所實現(xiàn)的電路功能。

2 小信號測量系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 小信號測量系統(tǒng)的硬件框圖

小信號的測量歷來是智能儀器儀表及測控領域中的關鍵技術。一般傳統(tǒng)的小信號測量系統(tǒng)的硬件框圖如圖1所示。

在圖1中可以看到小信號在測量之前必須被濾波整流和放大，但考慮到放大器本身的漂移，所以還要加入調(diào)零網(wǎng)絡。如果采用通常的模擬電路搭建方法，將需要6～8個高精密運算放大器和大量的電阻電容。像這樣設計的電路調(diào)試復雜繁瑣，且測試精度不高。

用ispPAC器件替代其中一部分的模擬電路，簡化了設計過程，降低了成本。加上單片機和ADC的使用，使得增益可控，并可用LED顯示測量值。其框圖如圖2所示。圖中單片機可采用89C51常用8位單片機，ADC是ICL7135 4位半雙積分ADC，抗干擾能力較強，輸入為差分信號，輸出為4位半十進制數(shù)0.000 0～±1.999 9，數(shù)據(jù)采取BCD碼動態(tài)掃描輸出形式。

2.2 用ispPAC10做測量放大器

ispPAC10實現(xiàn)系統(tǒng)前端的模擬測量功能，即對信號整形濾波和放大。在系統(tǒng)可編程器件所用的開發(fā)軟件為PAC Designer。該軟件采用原理圖設計輸入方式，并可對電路的幅頻特性和相頻特性直接進入模擬分析。不同的參數(shù)(R，C)值可以得到相應的幅頻／相頻曲線，從仿真曲線上可對原理圖設計進行適當修改，直到滿足設計的要求。當完成設計輸入和仿真操作后，最后一步工作是對PAC器件進行編程。ispPAC器件的硬件編程接口電路是IEEEll49.1-1990定義的JTAG測試接口。ispPAC器件的JTAG串行接口通過編程電纜和PC并口連接，這樣就可以對ispPAC10進行下載，電路如圖3所示。

信號采用單端輸入，為了減少系統(tǒng)本身的零漂，使用簡單的精密電阻網(wǎng)絡進行零漂的調(diào)整，500 kΩ的可調(diào)電阻幾乎能覆蓋可能出現(xiàn)的所有參考電壓的偏差。信號輸入后，首先經(jīng)過一個低通濾波器，減少高頻雜波的干擾和影響，然后再經(jīng)過放大，由OUT3輸出。為了調(diào)整系統(tǒng)本身的零漂，需外輸入一個1 mV的小電壓，根據(jù)ispPAC10的可編程特點，以步進為1 mV達到調(diào)整范圍-10～+10 mV，這樣可以消除PAC器件本身的零漂。當然，如果增益不夠的話，可以再級聯(lián)一級放大器，即：OUT3輸出和OUT4輸入相連，輸出電壓由OUT4輸出。最后得到一個差分輸出信號，送給模數(shù)轉換器。其中，低通濾波器的設計可用雙二次電路用于實現(xiàn)二階濾波。典型的二階濾波器傳遞函數(shù)為：

當M=C=0時為低通濾波器；M=D=0時為帶通濾波器；C=D=0時為高通濾波器。

2.3 小信號測量系統(tǒng)的電原理圖

小信號測量系統(tǒng)的電原理圖如圖4所示。為了充分利用和擴大ICL7135測量范圍以及提高精度，可使用雙4路模擬開關C4052，并利用ICL7135的過量程和欠量程示意功能實現(xiàn)了量程的自動切換。

圖4中用P3.4控制A／D轉換。如果置P3.4=1不變，則ICL7135連續(xù)進行A／D轉換而不會停止。

如果用軟件在P3.4輸出一個正脈沖則啟動A／D轉換，轉換完一次便不再進行A／D轉換，并不斷輸出數(shù)據(jù)。把STB與P3.3(INT0)相連，可實現(xiàn)INT0中斷，在A／D轉換期間STB為高電平。在A／D轉換完畢后，在STB出現(xiàn)5個負脈沖，可以利用STB的下降沿請求中斷，每個STB負脈沖可使相應的顯示位獲得驅動信號，而a8～a1是相應位的BCD碼。因此軟件設計是采用連續(xù)響應5次中斷(或進行5次查詢)，讀出5個BCD碼的方法。在數(shù)據(jù)讀入后單片機通過查表的方式，將得到的BCD碼轉換成相應的LED七位顯示碼，接著通過串行口方式發(fā)送給移位寄存器74LS164進行顯示。符號位和精度位分別由獨立的引腳進行控制。當發(fā)現(xiàn)量程過大時會預警，當放大增益不足時會自動切換量程。

3 系統(tǒng)調(diào)試

3.1 關于漂移的問題

工作狀態(tài)中出現(xiàn)漂移時，如果是線性的可以使用調(diào)節(jié)零漂的方法進行調(diào)節(jié)；如果是非線性的可以建立與輸入電壓相關聯(lián)的步進電壓進行調(diào)整；如果是離散的可采取軟件取平均的方法。

3.2 ICL7135的參數(shù)選擇

為了抑制交流干擾信號(最大的干擾頻率為供電電源的干擾)，ICL7135的時鐘頻率設為fck，應該使：

其中：K為正整數(shù)，ff為于擾信號的頻率，即50 Hz。

對于ICL7135而言，N=10 000，在工業(yè)現(xiàn)場，考慮到通用性，K取值為2，則fck=250 kHz。假設單片機的工作頻率為6 MHz，那么ALE腳輸出的信號為晶振的6分頻即1 MHz，然后通過計數(shù)器74LS163進行4分頻就可以得到ICL7135所需要的工作頻率250 kHz 。假設滿量程為2 V，那么根據(jù)數(shù)據(jù)手冊可得參考電壓VREF=1 V；積分電阻Rint=Vxm／20μA=100 kΩ；積分電容Cint≥N*20 μA／(fckVm)=0.2μF，其中Vm為積分器輸出的可能最大值，對于ICL7135而言Vm在3.5～4 V之間。調(diào)零電容和基準電壓濾波電容應該取足夠大的值，一般為1μF，而且要使用優(yōu)質電容。其余的電容可按常規(guī)方法選用，均取0.1μF。

3.3 單片機的外圍電路

應該注意NMOS和CMOS結構的單片機相應的時鐘電路和復位電路是不同的，否則會引起不必要的器件損壞。圖4給出的是NMOS型單片機的電路，在一些輸入輸出口上需要加上上拉電阻(圖中未畫出)。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在可能的情況下，還可以使用硬件看門狗。

3.4 數(shù)字和模擬混合電路

對于數(shù)字和模擬混合的電路，布線時應避免相互的干擾，而作為小信號測量系統(tǒng)，這一點尤為重要。在必要之處應加上隔直和濾波電容。

4 結 語

在系統(tǒng)可編程模擬器件結合單片機等系統(tǒng)構成的各種應用系統(tǒng)，特別是用在系統(tǒng)可編程模擬器件構成的各類智能化測量系統(tǒng)，由于體積小、功能多、精度高、使用方便靈活，已成為測量的發(fā)展方向。用在系統(tǒng)可編程模擬器件設計的小信號測量系統(tǒng)實現(xiàn)了其整流濾波和放大的功能，且電路的調(diào)試簡單、測試精度高。隨著模擬可編程技術的不斷進步和應用需求的增加，可編程模擬器件的類型和品種也會日益豐富和完善。