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智能無線信號變送器是針對主流變送器和典型傳感器輸出信號設(shè)計的，所以首先分析一下它們各自的輸出信號。通常變送器的輸出是4～20mA標準電流信號。而對于傳感器來說，其輸出信號的類型非常多。鑒于本系統(tǒng)設(shè)計所面向的對象，對于專業(yè)應(yīng)用針對性強，應(yīng)用較少的非電形式的信號、較大的電壓信號不予考慮。另外，對于較為常用的頻率信號，在進行系統(tǒng)樣機設(shè)計時，也沒有考慮，這在產(chǎn)品樣機的研制中可以加入，以增加系統(tǒng)的柔性。綜合分析，重點就是弱電壓信號了。那如何確定系統(tǒng)設(shè)計針對的弱電壓信號范圍呢?一般情況下，mV級的電壓信號被認為是弱電壓信號，但這個概念很模糊，不易于定量的設(shè)計。根據(jù)應(yīng)用的廣泛程度、代表性以及規(guī)范的程度，在此不妨以熱電偶為例進行分析。
熱電偶產(chǎn)生的是電壓(電勢)信號，屬于緩變的毫伏級弱信號，表1是常用的各種熱電偶的溫度測量范圍和對應(yīng)的熱電勢范圍。
表1常用熱電偶主要技術(shù)參數(shù)
由表中可以看出，熱電偶的輸出熱電勢基本上在0～60mV的范圍內(nèi)，因此，可以認為0～60mV具有較好的代表性，能夠覆蓋很多的應(yīng)用環(huán)境，也應(yīng)該作為系統(tǒng)輸入的另一種信號類型。這樣系統(tǒng)前端輸入信號就有兩類：4～20mA標準電流信號和0～60mV電壓信號。這兩類信號經(jīng)過不同的調(diào)理電路調(diào)理為適合A/D芯片輸入量程的電壓信號后，經(jīng)多路開關(guān)選通進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過MCU處理，最后可以與其他現(xiàn)場設(shè)備或監(jiān)控中心進行通信。系統(tǒng)原理框架圖見圖1.
圖1 系統(tǒng)原理框架圖
硬件設(shè)計
下面分別從信號調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、GPRS MODEM接口電路這幾個方面來介紹硬件電路的設(shè)計。
1 信號調(diào)理電路
信號調(diào)理電路的功能是對前述4～20mA標準電流信號和0～60mV電壓信號這兩路輸入信號進行放大處理，并通過多路開關(guān)實現(xiàn)對其選通輸入，為后面的AD轉(zhuǎn)換所用。
由于本系統(tǒng)設(shè)計輸入信號動態(tài)范圍為0～60mV，相對于常見的A/D芯片輸入量程(2V、5V、±10V等)來說數(shù)值偏小，如果直接予以轉(zhuǎn)換的話，則達不到應(yīng)有的轉(zhuǎn)換精度，影響系統(tǒng)總的測量精度，因此需要首先對輸入信號進行放大，經(jīng)過綜合考慮，采用了儀用運放INA118.
圖2 INA118內(nèi)部電路圖
INA118通過在腳1～8腳之間外接電阻Rg來實現(xiàn)不同的增益，該增益可從1～1000不等。電阻Rg的大小由Rg=50kΩ/(G-1)決定，式中：G為增益。
由于Rg的穩(wěn)定性和溫度漂移對增益有影響，因此，在需要獲得高精度增益的應(yīng)用中對Rg的要求也比較高，應(yīng)采用高精度、低噪聲的金屬膜電阻。此外，高增益的電路設(shè)計中的Rg值較小，如G=100時的Rg值為1.02kΩ;G=1000時的Rg值為50.5Ω。因此，在高增益時的接線電阻不能忽略，由于它的存在，實際增益可能會有較大的偏差，因而，計算得到的Rg值需要修正。修正的具體方法是用一個可調(diào)電位器替代Rg，調(diào)節(jié)電位器使得輸出電壓與輸入電壓的比值達到設(shè)計所要求的增益值。
4～20mA電流信號使用不同阻值的采樣電阻即可以轉(zhuǎn)換為不同動態(tài)范圍的電壓信號。根據(jù)本系統(tǒng)需求，使用120Ω的精密電阻可以實現(xiàn)4～20mA電流信號轉(zhuǎn)換為0.48～2.4V的電壓信號，與后級A/D芯片量程相匹配。信號調(diào)理電路如圖3所示。
圖3 信號調(diào)理電路
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