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工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號產(chǎn)生與測量儀表設(shè)計

作者: 時間:2013-05-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

該儀表采用16位ADC測量0~10V的電壓信號,為使輸入阻抗大于10MΩ,使用了OP27運(yùn)放組成了儀表放大器的輸入結(jié)構(gòu),同時還使用差動輸出結(jié)構(gòu)的運(yùn)放THS4130連接ADC的差動輸入端。這樣THS4130輸出信號為VOD=(RF/RG)*(1+2R2/R1)*VI,在滿量程為10V時,選擇R1=R2=1kΩ RC=30kΩ,RF=1k,則最大VOD=1.0V;在滿量程為1.0V時,選擇R1=R2=1kΩ,RG=30kΩ,RF=10k,則最大VOD=1.0V,量程由開關(guān)S1選擇。為滿足ADC的需求,將VCM端與VREF相連,使輸出電壓偏移+1.2V。
該儀表采用一路16位ADC測量該儀表的輸出電壓或電流,對輸出信號進(jìn)行校正,使輸出電壓和電流的誤差更小。
ADC時鐘選擇MCLK,采用鎖相環(huán)使頻率穩(wěn)定到1.048MHz,采樣率為4096,定時3路連續(xù)轉(zhuǎn)換,32個轉(zhuǎn)換結(jié)果相加取平均值。
測量部分的單片機(jī)采用SPI接口順序輸出3路ADC的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理與顯示部分。
(2)數(shù)據(jù)處理與顯示部分
數(shù)據(jù)處理與顯示功能由MSP430F449實現(xiàn),其原理圖如圖2所示。
從圖2可以知道,數(shù)據(jù)處理與顯示電路中具有4×4鍵盤和7位液晶顯示器。其F449的SPI0引腳P3.3、P3.1與測量部分的F425單片機(jī)的P1.6、P2.1引腳相連,F(xiàn)425擔(dān)當(dāng)主機(jī),定時向從機(jī)F449發(fā)送數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理與顯示部分將測量的數(shù)據(jù)乘以按鍵輸入的比例系數(shù),并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)后,輸出到液晶顯示器上。液晶顯示器在按鍵控制下,可以單獨顯示輸入的電壓或是電流,也可以顯示輸出的電壓和電流,或是順序定時顯示它們。該部分以同樣的方式處理被測量的頻率和顯示輸出的頻率。

2 產(chǎn)生電壓與電流信號
該儀表產(chǎn)生的4~20mA電流和0~10V電壓信號,其原理圖如圖3所示。

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由圖3可以看出,電壓信號與電流信號都是采用PWM實現(xiàn)。為使輸出電壓和電流數(shù)值準(zhǔn)確,采用了反饋控制原理,就是使F425單片機(jī)測量輸出的電壓或者電流,然后將測量數(shù)據(jù)與電壓或電流的設(shè)定值比較后,用誤差值校正輸出。
PWM由F449單片機(jī)的定時器B輸出模式7實現(xiàn),對于20mA的滿度電流,為達(dá)到0.1%的精度,需要每一個定時器B的計數(shù)數(shù)字代表的電流為22μA。這里取5μA,設(shè)置CCRO=4000,若時鐘頻率為8MHz,則PWM的頻率為2000Hz。對于10V電壓信號,為達(dá)到0.1%精度,需要每一個定時器B的計數(shù)數(shù)字代表的電壓為10mV,這里取2.5mV,設(shè)置CCR0=4000,取時鐘頻率為8MHz,則PWM的頻率同樣為2000Hz。
由于輸出的是直流電壓和電流信號,所以采用簡單的RC濾波就能滿足要求。
F449實現(xiàn)電壓輸出的過程:鍵盤輸入需要輸出的電壓值后,計算出相應(yīng)的CCR1的數(shù)值,則輸出TB1按照CCR1給定的占空比輸出頻率為2000Hz的脈沖,經(jīng)過濾波后輸出穩(wěn)定直流電壓;該電壓的1/10反饋到16位ADC的輸入端,產(chǎn)生當(dāng)前輸出電壓的數(shù)值數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)經(jīng)過32次累加平均后,與設(shè)定值比較,其誤差值與CCR1數(shù)值相加產(chǎn)生新的CCR1數(shù)值,也就調(diào)整了輸出電壓。由于CCR1數(shù)值中的一個數(shù)字代表的電壓值比10mV誤差小的多,所以肯定有一個CCR1數(shù)值使輸出電壓滿足要求。
F449實現(xiàn)準(zhǔn)確電流輸出的過程與實現(xiàn)電壓輸出的過程基本相同,只是采樣輸出電流。

3 測量與產(chǎn)生頻率信號
(1)頻率信號的測量
由F449中的定時器B實現(xiàn)頻率的測量,1~1000Hz頻率信號從CCP模塊輸入引腳輸入,在第一個被測脈沖上升沿捕獲定時器的TBR數(shù)值,在第二個脈沖上升沿再次捕獲TBR的數(shù)值,則兩次TBR數(shù)值之差就是被測脈沖周期。
(2)頻率信號輸出
F449的TB6引腳輸出頻率信號,其范圍為1~1000Hz,使定時器B工作在連續(xù)計數(shù)的比較模式,根據(jù)輸出頻率,不斷設(shè)置CCR6的數(shù)值,則在TBR數(shù)值與CCR6數(shù)值相同時,使輸出端TB6產(chǎn)生置位與復(fù)位,輸出頻率信號。
輸入的頻率信號與輸出的頻率信號,都要經(jīng)過信號處理電路,使其滿足接口電路的邏輯電平。

4 結(jié)論
本文設(shè)計了工業(yè)電壓、電流與頻率信號的測量與產(chǎn)生儀表的工作原理,給出了主要部分的電原理圖。設(shè)計采用16位ADC測量電流與電壓信號,使該儀表可以在工業(yè)現(xiàn)場測量變送器是輸出信號;而采用反饋誤差消除方法輸出的電壓和電流信號,可以檢查數(shù)據(jù)采集儀表的準(zhǔn)確性。經(jīng)過驗證,利用MSP430系列MCU實現(xiàn)的測量與儀表是成功的和實用的。
另外,需要注意的是在電路板的設(shè)計及實際調(diào)試當(dāng)中,對于模擬信號應(yīng)進(jìn)行有效的屏蔽與可靠的接地,只有這樣才能保證該設(shè)備的正常使用與測量精度。

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