一種智能縮水率機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)
鑒這種傳感器為微壓傳感器,輸出為毫伏級(jí),所以用儀表放大器進(jìn)行放大。
儀表放大器選用美國(guó)TI公司的INA128,它是一種低電壓通用型儀表放大器,其特點(diǎn)如下:
· 低失調(diào)電壓:50μVmax;
· 低漂移:0.5μV/℃max;
· 低輸入漂流:5nA max;
· 高共模抑制比:120dB min;
· 寬通帶:200kHz (G=100);
· 輸入過(guò)壓保護(hù):±40V;
· 寬電源電壓范圍:±2.25~±18V;
· 低靜態(tài)電流:700μA;
· 8腳塑料DIP和SO-8封裝。
由于特性?xún)?yōu)良,加之體積小,并可用一個(gè)外部電阻方便地從1到10000設(shè)定增益,使得INA128能夠廣泛應(yīng)用于信號(hào)采集放大、醫(yī)用儀器及多通道系統(tǒng)等很多領(lǐng)域,可以在低至±2.25V的電源電壓下工作并且靜態(tài)工作電流很小,是便攜式和其它用電池供電系統(tǒng)的理想器件。
A. INA128應(yīng)用注意事項(xiàng)
增益設(shè)定
圖二表示了INA128的基本連接。用一個(gè)獨(dú)立的外部電阻RG可以獲得的放大倍數(shù)為:G=1+50kΩ/RG。
式中50kΩ為INA128內(nèi)部的兩個(gè)放大器反饋電阻之和,它們都經(jīng)過(guò)激光校正,具有很高的精度和很小的溫度系數(shù),手冊(cè)給定的器件性能已經(jīng)包括了它們的影響。外接電阻的精度及溫度穩(wěn)定性直接影響增益,特別是增益較大時(shí)(G≥100),連線及插口的電阻也會(huì)對(duì)增益帶來(lái)附加誤差。也就是說(shuō),式中的RG值應(yīng)為外接電阻與連線等雜散電阻的總和。
噪聲干擾
INA128的內(nèi)部噪聲很小,當(dāng)G≥100時(shí),0.1到10Hz的低頻噪聲大約只有0.2μVp-p,這比目前最新的低噪聲斬波放大器還要小很多。為減小外部干擾和電源噪聲的影響,應(yīng)在緊靠電源引腳的地方加接去耦電容器。
另外,輸出電壓是以Ref端為參考點(diǎn)的,一般情況下,Ref應(yīng)該良好接地,以保證放大器良好的共模抑制比。在引腳Ref增加8Ω的串聯(lián)電阻,就會(huì)使共模抑制比下降80dB(G=1)。
本例中在Ref端接1.2V基準(zhǔn)是為了配合微壓傳感器SMI5551的輸出范圍以及后級(jí)AD轉(zhuǎn)換的輸出范圍。
失調(diào)補(bǔ)償
INA128經(jīng)過(guò)激光校正,因此,失調(diào)和溫漂都很小,多數(shù)情況下無(wú)需調(diào)整,必要時(shí)可對(duì)電路進(jìn)行外部補(bǔ)償。加電壓跟隨器將調(diào)零電路與儀表放大器加以隔離,維持引腳Ref的低阻抗,保證了放大器良好的共模抑制比。電流源可用集成電路(例如REF200),也可用電阻代替。當(dāng)然,用電阻時(shí),電源不穩(wěn)會(huì)對(duì)輸出產(chǎn)生影響。
輸入端電荷泄放通路
INA128的輸入阻抗很高,容易產(chǎn)生電荷積累,使輸入端電壓超過(guò)共模電壓容許范圍,造成輸入放大器飽和。但可為電荷提供泄放通路的幾種方法。利用變壓器的次級(jí)中心抽頭作為泄放通路。對(duì)于熱電偶這類(lèi)低阻抗信號(hào)源,在一端接泄漏電阻。而對(duì)于高阻信號(hào)源,象話(huà)筒和水下檢測(cè)器等,應(yīng)采用對(duì)稱(chēng)電路,以減小輸入失調(diào),提高共模抑制比。
共模輸入信號(hào)范圍
若輸入信號(hào)中的共模電壓過(guò)大時(shí),會(huì)使輸入放大器飽和。在臨界飽和時(shí),VO的輸出電壓為VO=VCM-VO/2。INA128的線性輸入范圍大約從負(fù)電源以上1.7V到正電源以下1.4V。對(duì)于確定的電源電壓,輸出電壓Vo越大,允許的共模信號(hào)越小。如果過(guò)大的共模輸入AO使得飽和。
低電壓運(yùn)行
INA128的最大特點(diǎn)是適用的電源電壓范圍很寬。電源電壓從±2.25V到±18V變化時(shí),大部分參數(shù)仍能維持很好的性能,INA128可在低電壓下使用,可以作為便攜式或電池供電系統(tǒng)的理想器件。但在低電壓使用時(shí)要特別注意,保證輸入信號(hào)被限制在線性范圍之內(nèi),共模輸入電壓也不能太大。
輸入保護(hù)
INA128的輸入保護(hù)電路都可提供±40V的過(guò)壓保護(hù),即是說(shuō),一個(gè)輸入端加-40V電壓、另一個(gè)輸入端加+40V電壓也不會(huì)帶來(lái)?yè)p壞。在正常信號(hào)條件下,過(guò)壓保護(hù)電路呈現(xiàn)低串聯(lián)阻抗;當(dāng)輸入電壓過(guò)大時(shí),保護(hù)電路可使輸入電流限制在1.5~5mA的安全范圍之內(nèi)。INA128在不加電源的情況下,對(duì)輸入端可能產(chǎn)生的靜電電荷也具有過(guò)壓保護(hù)作用。
3. AD轉(zhuǎn)換電路(圖二)
INA128把毫伏級(jí)信號(hào)放大為1.2V---5V,再由AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。
AD轉(zhuǎn)換器選用用美國(guó)TI公司的高速8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC0820AC。
TLC0820AC是先進(jìn)LinCMOS 8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。均由兩個(gè)4位快閃轉(zhuǎn)換器、一個(gè)4位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、一個(gè)加法(誤差)放大器、控制邏輯及一個(gè)結(jié)果鎖定電路構(gòu)成。改進(jìn)的快閃技術(shù)可使低功率集成電路在整個(gè)溫度范圍內(nèi)以1.18μs完成8位轉(zhuǎn)換。片內(nèi)采樣與保持電路具有100ns采樣窗,允許這些器件以高達(dá)100mV/μs的斜升速率轉(zhuǎn)換連續(xù)模擬信號(hào)而無(wú)需外部采樣器件。與TTL兼容的3態(tài)輸出驅(qū)動(dòng)器及兩種工作方式允許與不同微處理器接口。其特點(diǎn)如下:
· 先進(jìn)的LinCMOS硅門(mén)技術(shù)
· 8位分辨率
· 差分基準(zhǔn)輸入
· 并行微處理器接口
· 在溫度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換及存取時(shí)間,讀方式:2.5μs Max
· 無(wú)需外部時(shí)鐘或振蕩器
· 片內(nèi)采樣與保持
· 單5伏電源
用TLC0820AC轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后,再參照量化曲線算出水位,并且取多次水位的平均值以消除由于滾桶的轉(zhuǎn)動(dòng)而引起水位的變化。用軟件自動(dòng)完成了放大器的漂移的消除和調(diào)零功能。
4.通訊接口電路(圖四)
圖四主從兩CPU之間采用半雙工RS485接口進(jìn)行串行通訊,抗干擾能力很強(qiáng)。同時(shí),由于從CPU已將溫度、水位等數(shù)據(jù)處理整合,打包后發(fā)給主CPU,減輕了主CPU的負(fù)擔(dān)。
RS485串行通訊接口選用用美國(guó)TI公司75LBC184,并通過(guò)光藕TIL191和SN7400進(jìn)行電氣隔離。
SN75LBC184差分?jǐn)?shù)據(jù)線收發(fā)器商業(yè)標(biāo)準(zhǔn)兼容,片內(nèi)A、B引腳接有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置,這種結(jié)構(gòu)能承受峰值為400W(典型值)的過(guò)壓瞬變(如雷電、靜電放電和交流電故障),從而顯著地提高了器件抗過(guò)壓瞬變的可靠性。普通的RS-485收發(fā)器很容易被過(guò)壓瞬變損壞,如果要有效地加以保護(hù),一般需外加包括隔離變壓器在內(nèi)的保護(hù)器件。若使用LBC184,可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件,這提供了一種可靠、低價(jià)和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。
本器件還具有適合于電噪聲環(huán)境中的合用數(shù)據(jù)總線應(yīng)用的許多特點(diǎn)。差分驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)成限斜率的,這種設(shè)計(jì),通信數(shù)據(jù)率仍可達(dá)250kbit/s,并使電磁干擾減到最小,同時(shí)能減少傳輸線終端不匹配引起的反射,因而可降低對(duì)傳輸線匹配的要求。接收器的獨(dú)特設(shè)計(jì)是當(dāng)輸入端開(kāi)路時(shí),其輸出為高電平,這一特性保證接收器輸入端電纜有開(kāi)路故障時(shí),不影響系統(tǒng)的正常工作。接收器的另一特點(diǎn)是輸入阻抗為RS-485標(biāo)準(zhǔn)輸入阻抗的2倍(≥24kΩ),故可以在總線上連接64個(gè)收發(fā)器。
SN75LBC184將RS485通信中各種故障(包括瞬變電壓、ESD、電磁干擾、總線開(kāi)路、熱故障等)的防范措施集成到一個(gè)芯片內(nèi)。SN75LBC184不僅可以抑制瞬變電壓(如雷電等),還有其它多種故障抑制特性,是RS485通信中常見(jiàn)故障最完全的集成解決方案。
特性
· 具有瞬變電壓抑制功能,能防雷電和抗靜電放電沖擊
· 限斜率驅(qū)動(dòng)器,使電磁干擾減到最小,并能減少傳輸線終端不匹配引起的反射
· 總線上可掛64個(gè)收發(fā)器
· 具有熱關(guān)斷保護(hù)
· 低禁止電源電流:300μA(最大)
· 接收器輸入端開(kāi)路故障保護(hù)
· ESD電壓可達(dá)±8kV
· 將收發(fā)器和瞬變電壓抑制器集成在一起,節(jié)省電路板空間,特別適合于野外或工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的通信。
· SN75LBC184提供8腳塑料DIP(N)封裝和SOIC(D)封裝。
· SN75LBC184:0℃~70℃
5.總結(jié)
通過(guò)以上對(duì)硬件的介紹,再配合適當(dāng)?shù)能浖鞠到y(tǒng)就可穩(wěn)定可靠的完成各傳感器的數(shù)據(jù)采集并實(shí)時(shí)發(fā)送給主CPU以實(shí)現(xiàn)對(duì)整各系統(tǒng)的控制。
6.一點(diǎn)體會(huì)
在整個(gè)系統(tǒng)中,TI的器件用的特別多,原因有很多方面,主要有以下幾方面。
第一是TI的器件涉及很多領(lǐng)域,產(chǎn)品線很長(zhǎng),特別是在收購(gòu)了BB公司以后,我們就有了更多的選擇余地,系統(tǒng)中所要用的器件在TI一個(gè)公司就可以買(mǎi)到,不要去找別的公司,很方便,這在我用的系統(tǒng)中也可以體現(xiàn)出來(lái)。
第二是TI產(chǎn)品的品質(zhì)非常好,質(zhì)量非??煽浚F(xiàn)在外面有很多的TI的替代品,其產(chǎn)品質(zhì)量參次不齊,除非以前用過(guò),否則真的不大敢用。另外還有許多垃圾片經(jīng)打磨后印上TI的商標(biāo),這中芯片更是不敢恭維。
第三是TI的產(chǎn)品有許多免費(fèi)樣片可以申請(qǐng),在樣機(jī)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中可以先申請(qǐng)TI的樣片從而進(jìn)行先期的開(kāi)發(fā),待整個(gè)樣機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)測(cè)定完成后就可以定貨了。而且TI的代理也比較多,我們可以就進(jìn)定貨。
第四我想說(shuō)的是對(duì)于我們有的產(chǎn)品,當(dāng)每次的出貨量不是太大時(shí),代理商所要求的最小定貨量(如一個(gè)包裝)防礙了我們用TI產(chǎn)品的信心,當(dāng)然這只是在心里上。
以上就是我個(gè)人的一點(diǎn)體會(huì),完全是發(fā)自?xún)?nèi)心的,謝謝!
參考文獻(xiàn)
1. TI數(shù)據(jù)手冊(cè).TI公司(光盤(pán)板)
2. 黃正瑾.在系統(tǒng)編程技術(shù)及其應(yīng)用.南京:東南大學(xué)出版社,1999,5
3. 紀(jì)宗南.單片機(jī)外圍器件實(shí)用手冊(cè)輸入通道器件分冊(cè).北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1998,8
模數(shù)轉(zhuǎn)換器相關(guān)文章:模數(shù)轉(zhuǎn)換器工作原理
電荷放大器相關(guān)文章:電荷放大器原理
評(píng)論