劉海寧

（南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 前言

信號(hào)處理過(guò)程中，很多情況是根據(jù)信號(hào)的突然變化來(lái)判別檢測(cè)的物理過(guò)程是否發(fā)生了變化，比如各類報(bào)警器的設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制應(yīng)用以及機(jī)床上用于進(jìn)行接觸檢測(cè)的信號(hào)。信號(hào)的突然上升趨勢(shì)和突然下降趨勢(shì)都是表征物理過(guò)程變化的特征。信號(hào)的判別一般是運(yùn)用比較電路實(shí)現(xiàn)的，為了判別信號(hào)的變化，需要在比較電路的輸入端設(shè)定一個(gè)閾值，作為同傳感信號(hào)電壓比較的值，當(dāng)信號(hào)超過(guò)了或者低于閾值，說(shuō)明檢測(cè)的物理過(guò)程產(chǎn)生的變化。由于信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波和放大后，信號(hào)電壓的波動(dòng)范圍并不確定，所以要進(jìn)行設(shè)定的閾值也不能確定。要達(dá)到預(yù)期的目的，只能通過(guò)調(diào)整比較電路的閾值來(lái)實(shí)現(xiàn)。以往的比較器電路的比較電壓通常是固定的值，不可更改，或者通過(guò)采用滑動(dòng)變阻器進(jìn)行比較電壓輸入端輸入電壓的調(diào)節(jié)，如圖1所示。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)卻不容易，而且在很多的工作環(huán)境下，比較電路芯片集成在不容易接觸到的地方，故無(wú)法進(jìn)行對(duì)滑動(dòng)變阻器的調(diào)節(jié)，只能通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)定比較電壓閾值。針對(duì)該問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種數(shù)字可調(diào)閾值的比較電路是有必要的［1-2］。

圖1 常見(jiàn)閾值可調(diào)的比較電路

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及組成

電壓比較器的基本功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高電平或者低電平，據(jù)此判斷輸入信號(hào)的大小和極性。電壓比較器的基本元件是集成運(yùn)算放大器，由于僅用于電壓比較，集成運(yùn)放大多處于開(kāi)環(huán)或者正反饋的狀態(tài)。電壓比較器是將一個(gè)模擬輸入信號(hào)Ui與一個(gè)固定的參考電壓Ur進(jìn)行比較的電路。使比較器輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)的輸入電壓值，稱為閾值Uth。閾值的確定是一個(gè)重要的過(guò)程，要對(duì)信號(hào)進(jìn)行估算后才能得到，確定后的閾值不可調(diào)節(jié)，或者無(wú)法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，因此首先要解決的問(wèn)題是設(shè)計(jì)一個(gè)可調(diào)輸出電壓的電路。

電路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是輸出可調(diào)的模擬電壓作為比較器的閾值。要輸出可調(diào)的穩(wěn)定模擬電壓，則需要用到數(shù)模轉(zhuǎn)換器件D/A轉(zhuǎn)換器。D/A能將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量輸出，只要控制D/A轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓Vref及輸入端的數(shù)字量，便可以輸出所需電壓。輸入D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量可以采用單片機(jī)控制，由單片機(jī)的引腳輸出給D/A轉(zhuǎn)換器，輸出的數(shù)字量的值時(shí)由上位機(jī)及單片機(jī)內(nèi)部軟件控制。同時(shí)在信號(hào)的判別過(guò)程中為了防止出現(xiàn)判斷錯(cuò)誤，要利用單片機(jī)及軟件部分進(jìn)行信號(hào)的防抖動(dòng)檢測(cè)?；谏鲜鏊悸罚撾娐返南到y(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成框圖

可調(diào)閾值電壓輸出電路由上位機(jī)、單片機(jī)、鎖存器以及D/A轉(zhuǎn)換器和外圍電路組成。由上位機(jī)發(fā)送設(shè)定的閾值給單片機(jī)，發(fā)送過(guò)程可通過(guò)RS232串口通信實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)將相應(yīng)的閾值轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信息，轉(zhuǎn)換的過(guò)程可以看做是數(shù)模轉(zhuǎn)換的逆過(guò)程模數(shù)轉(zhuǎn)換，采用逐次逼近式的轉(zhuǎn)換原理。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)通過(guò)輸出引腳將所得到的數(shù)字量輸出到D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端口，通過(guò)給定的基準(zhǔn)電壓和接入外圍電路使其輸出穩(wěn)定的模擬電壓閾值。數(shù)值轉(zhuǎn)換過(guò)程如下所示:

信號(hào)的比較和結(jié)果輸出是由運(yùn)算放大器和光耦設(shè)備組成，最終由其他的設(shè)備進(jìn)行輸出結(jié)果的處理。

2 電路硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字可調(diào)電壓輸出電路

該電路輸出系統(tǒng)由AT89C52單片機(jī)、DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器、74HC573鎖存器以及外部EEPROM存儲(chǔ)器24C02等器件組成。

電路系統(tǒng)微處理器采用AT89C52單片機(jī)。D/A轉(zhuǎn)換器的選擇需要根據(jù)設(shè)定閾值精度的要求而定。D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率決定了輸出電壓的精度，通常定義為輸出滿刻度值與2n之比，故位數(shù)越多分辨率越高。本電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精度要求達(dá)到0.1 V，電壓輸出范圍為0～10 V，故將基準(zhǔn)電壓設(shè)定為10 V，選擇8位D/A轉(zhuǎn)換器，即n=8，分辨率為10 V/28=39.1 mV，即二進(jìn)制數(shù)最低位的變化可引起輸出模擬電壓變化39.1 mV，滿足閾值設(shè)定精度要求，故選擇8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為1 μs，滿量程誤差為 ±1LSB，參考電壓為（-10～ +10）V，供電電源為（+5～+15）V，邏輯電平輸入與TTL兼容［4］。

為了實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出信號(hào)之后能夠繼續(xù)其他的工作，需將單片機(jī)輸出的數(shù)字量進(jìn)行鎖存，故選用芯片74HC573進(jìn)行數(shù)字量的鎖存。每次啟動(dòng)電路進(jìn)行工作的時(shí)候，需要輸出前一次設(shè)定的電壓值，即需要外部存儲(chǔ)芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，此處選用EEPROM芯片24C02進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)記錄。此外還有時(shí)鐘電路和復(fù)位電路等外圍電路［5］。輸出可調(diào)穩(wěn)定電壓的硬件電路圖如圖3所示。

圖3 可調(diào)輸出電壓電路原理圖

DAC0832輸出端IOUT1、IOUT2是電流輸出端，只有外圍接運(yùn)算放大器之后才能實(shí)現(xiàn)電壓輸出，故采用LM358運(yùn)放連接外圍電路構(gòu)成電壓輸出回路，并對(duì)其他引腳進(jìn)行控制，使DAC0832工作于單緩沖工作狀態(tài)，增加數(shù)據(jù)的吞吐量并滿足了設(shè)計(jì)要求。此時(shí)電路輸出電壓VOUT即作為比較電路的閾值Uth。

2.2 比較電路及防反跳檢測(cè)設(shè)計(jì)

比較電路選用運(yùn)放LM324進(jìn)行電壓比較，輸入端分別是信號(hào)電壓Us和數(shù)字可調(diào)電壓輸出電路輸出的閾值電壓Uth，對(duì)兩者進(jìn)行比較后輸出運(yùn)算結(jié)果。

傳感器檢測(cè)信號(hào)的過(guò)程中由于干擾的存在，會(huì)使運(yùn)放的輸出結(jié)果產(chǎn)生突然的跳變，可能會(huì)使輸出結(jié)果產(chǎn)生誤動(dòng)作，故借助所用的微處理器AT89C52對(duì)其進(jìn)行放抖動(dòng)檢測(cè)，避免錯(cuò)誤的出現(xiàn)。將LM324的輸出信號(hào)給AT89C52，當(dāng)其引腳接受到高電平之后，進(jìn)行一段時(shí)間Ts的延時(shí)，如果引腳電平保持不變，則表示信號(hào)發(fā)生了跳變，由AT89C52的其它引腳輸出高電平。由于其輸出的信號(hào)可能是脈沖信號(hào)，為了保持電壓輸出，需要進(jìn)行光電耦合，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了比較器與外部電路的隔離［3］。比較電路部分的電路原理圖如圖4所示。

圖4中的微處理器AT89C52與圖3中微處理器可合用一個(gè)單片機(jī)，這樣節(jié)省硬件資源，簡(jiǎn)化電路。

3 電路軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上位機(jī)通過(guò)串口通信發(fā)送閾值數(shù)值給單片機(jī)AT89C52，單片機(jī)通過(guò)外部中斷檢測(cè)并接受到數(shù)值Uth，并進(jìn)行DA轉(zhuǎn)換的逆運(yùn)算得出要輸入DAC0832的八位數(shù)字量d0～d7，然后將數(shù)字量發(fā)送給DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化。dn值的計(jì)算方法如下:

圖4 電壓比較電路原理圖

上述算法是軟件的主程序部分，軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

軟件編寫(xiě)采用C語(yǔ)言編程，總體包括初始化程序、串口通信中斷程序、讀寫(xiě)EEPROM程序、延時(shí)程序以及防抖動(dòng)程序組成。與硬件電路共同實(shí)現(xiàn)閾值電壓可調(diào)的比較電路，且具有一定的抗干擾能力。

4 Protues電路仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)好硬件電路，編寫(xiě)好C語(yǔ)言程序，便可以進(jìn)行電路的仿真。本文采用PROTUES軟件進(jìn)行電路的仿真。仿真過(guò)程，數(shù)字可調(diào)電壓輸出電路和比較電路進(jìn)行分別仿真，上位機(jī)設(shè)定輸出閾值電壓Uth=5.64 V，參考電壓Vref=10 V，信號(hào)輸入采用單頻率調(diào)頻波信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)源，電壓偏移量8 V，幅值4 V，載波頻率500 Hz，信號(hào)頻率1 500 Hz，比較結(jié)果由示波器輸出。仿真結(jié)果及輸出如圖6所示。

圖6 Protues仿真結(jié)果顯示

DAC0832輸出的電壓值為5.62 V，與設(shè)定的5.64 V有微小的差別，但在誤差范圍之內(nèi)，是由于D/A轉(zhuǎn)換元件位數(shù)少，分辨率低造成的。要提高輸出精度，只要使用10位或者12位的D/A轉(zhuǎn)換器，就可實(shí)現(xiàn)所需要的精度。

5 結(jié)語(yǔ)

采用單片機(jī)AT89C52和數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832組成數(shù)字可調(diào)輸出電壓的電路，并將輸出的電壓作為比較電路的閾值，最終由電壓輸出電路和比較電路共同組成閾值電壓數(shù)字可調(diào)的比較電路，應(yīng)用于報(bào)警器的設(shè)計(jì)與自動(dòng)控制等場(chǎng)合。由于其閾值可調(diào)，該電路有很強(qiáng)的適應(yīng)性和靈活性，并且有很好的實(shí)用性，可以根據(jù)需要設(shè)定不同的閾值電壓，調(diào)節(jié)方法較滑動(dòng)變阻準(zhǔn)確方便。經(jīng)Protues仿真驗(yàn)證可行，該電路理論誤差范圍為0.391%，如需要高精度的電路，只需要選擇位數(shù)更高的D/A轉(zhuǎn)換芯片就可以實(shí)現(xiàn)。同時(shí)設(shè)計(jì)了防抖動(dòng)的檢測(cè)過(guò)程，避免干擾信號(hào)對(duì)電路輸出結(jié)果的影響。

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