韓 晨 曹興岡 昝 勇

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

一種模擬量輸入接口模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓 晨 曹興岡 昝 勇

（中國航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

當(dāng)前國內(nèi)外接口技術(shù)發(fā)展迅速，高可靠性、高功率、高效率等特性成為主要的發(fā)展趨勢。文章介紹了一種模擬量輸入接口模塊的設(shè)計(jì)，采用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)，選用低功耗、小體積的器件，處理來自傳感器的模擬量信號。在測控領(lǐng)域，具有一定的使用和參考價(jià)值。

模擬量接口；多路選擇；A/D轉(zhuǎn)換

在測控系統(tǒng)中，模擬量輸入接口的設(shè)計(jì)是一個(gè)不可缺少的環(huán)節(jié)，重要性也逐步提升，對于某些外部設(shè)備的控制，只能通過模擬量進(jìn)行控制，在有些測量儀表中，也常常采用模擬量信號傳送的方法。在模塊具體設(shè)計(jì)中主要考慮的因素包括：選用低功耗、小體積的器件；采用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)，主要處理來自傳感器的模擬量輸入信號。

1 模塊的主要功能和組成

模塊的主要功能包括：處理12路直流模擬量輸入信號；處理4路交流400Hz模擬量輸入信號；對處理后的模擬量進(jìn)行多路選擇和A/D轉(zhuǎn)換；通過D/A轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生直流激勵(lì)信號和交流激勵(lì)信號，其中直流激勵(lì)信號用于測試直流模擬量輸入處理電路，交流激勵(lì)信號用于測試交流模擬量輸入處理電路；提供±10V基準(zhǔn)電壓信號。

模塊主要功能部分組成包括：模擬量輸入接口電路；多路選通電路；AD采集電路；基準(zhǔn)電壓輸出接口；模擬量輸入激勵(lì)。

2 模擬量輸入接口電路

模擬量輸入接口電路包括抗噪低通濾波電路，輸入比例調(diào)節(jié)電路和故障注入電路?？乖霝V波電路使用阻容網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的低通濾波器對差分輸入信號進(jìn)行濾波，用以減小共模電壓和雜波引起的誤差。輸入比例調(diào)節(jié)電路對經(jīng)前端預(yù)處理的信號進(jìn)行比例變換，將輸入的任意量程的信號變換成適應(yīng)A/D的信號范圍，并提供輸入與后端的隔離，提高系統(tǒng)的故障安全特性。同步解調(diào)電路對模擬量輸入信號以36V400Hz為基準(zhǔn)進(jìn)行同步解調(diào)。二階濾波電路對同步解調(diào)后的直流信號按所要求的截止頻率濾波。故障注入電路用于電路故障注入進(jìn)行故障注入測試。A/D轉(zhuǎn)換電路將變換后的直流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，供CPU讀取使用。A/D轉(zhuǎn)換器采用AD1674芯片，12位精度，轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于15μs。模塊功能框圖見圖1。

圖1 模塊功能圖

2.1 直流模擬量輸入處理

（1）抗噪濾波

截止頻率：

第一級比例放大倍數(shù)為：

（2）二階濾波環(huán)節(jié)

傳遞函數(shù)：

此二階濾波器的傳遞函數(shù)為：

其中：

此二階濾波器的比例放大倍數(shù)為：

截止角頻率：

故障注入電路由運(yùn)放、電阻R10、R11、R12、R13組成。

故障注入電路中正常信號的放大倍數(shù)為：

橡膠內(nèi)胎慢撒氣，應(yīng)將內(nèi)胎空氣盡量放盡，用硬紙做個(gè)漏斗插入氣門嘴，取兩湯勺滑石粉灌入內(nèi)胎，完畢后裝上氣門蕊按標(biāo)準(zhǔn)充好氣?；墼谔?nèi)散開后呈彌漫狀粘附在胎壁上，可有效阻止微小氣孔緩慢撒氣，效果很好。

故障注入電路中故障注入信號的放大倍數(shù)為：

（3）總放大倍數(shù)

直流模擬量輸入處理電路總放大倍數(shù)為：

2.2 交流模擬量輸入處理

性能計(jì)算參見圖2和圖3。

圖2 直流模擬量輸入處理電路

圖3 交流模擬量輸入處理電路

（1）半波整流電路

半波整流電路由運(yùn)放、電阻R22、R23、R24、電容C5、二極管V3、V4組成。

半波整流電路放大倍數(shù)為：

（3）低通濾波

低通濾波的截止角頻率為：

2.3 多路選擇

模塊負(fù)責(zé)對單通道內(nèi)所有需要采集的模擬量信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，多路選通電路功能是將單通道內(nèi)所有經(jīng)過前端處理過的信號選擇性的輸出至下一級的A/D轉(zhuǎn)換電路，用于完成信號的采集。

多路選通電路由兩級多路器組成。多路選擇地址源于系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，同時(shí)經(jīng)隔離緩沖輸出。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換

A/D采集電路如圖4所示。多路選通電路將選擇的信號以差分形式輸出，通過隔離電阻后經(jīng)過電壓跟隨器送至比例求和電路。比例求和電路將差分的雙端信號求和后轉(zhuǎn)單端輸出。模擬信號通過過壓保護(hù)后，由A/D轉(zhuǎn)換電路完成模擬向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。

（4）總放大倍數(shù)

36V400Hz信號處理電路的總放大倍數(shù)為：

圖4 A/D采集電路

（1）比例求和電路O點(diǎn)電壓VO：

取R3=R4=R5=R6，則：VO=VH－VL

（2）過壓保護(hù)電路

此電路用來將輸入至A/D轉(zhuǎn)換器的模擬信號的范圍限定在±10V之間，用于保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換器的輸入。

（3）A/D轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器選用AD1674集成芯片。A/D轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換時(shí)間10μS，可通過查詢STS信號的狀態(tài)判別A/D轉(zhuǎn)換是否完成。STS信號由AD1674芯片產(chǎn)生，當(dāng)STS信號為‘0’時(shí)表示A/D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成。

3 結(jié)束語

介紹了一種模擬量輸入接口模塊的設(shè)計(jì)，采用大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)，選用低功耗、小體積的器件，處理來自傳感器的模擬量信號。在測控領(lǐng)域，具有一定的使用和參考價(jià)值。

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Design And Realization Of A Kind Of Analog Input Connects

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TP334.8

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1008-1151(2015)03-0037-03

2015-02-11

韓晨（1985－），男，陜西西安人，中國航空計(jì)算技術(shù)研究所工程師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。