信号测量电路

信号测量电路（共7篇）

信号测量电路 篇1

0前言

江河的流速测量是水文工作的重要内容。传统的测量方法如涉水、人工船测、缆道测量等[1]，都要将探头放入水中来测量水流的速度，这些传统施测方法费工费时，效率低下，并且对工作人员的安全保障较差。近些年从国外引进的声学多普勒水流剖面仪 ADCP[2]，由于价格昂贵，测量成本高，并且为保证 ADCP 测验精度，还常需添加差分全球卫星定位接收系统和外部罗经，所以其应用往往局限于专项的测量任务和重要的水文站。当水中漂浮物较多时，还会导致 ADCP 工作不可靠，严重时会出现仪器无法使用的状况。

利用雷达测速原理[3]，基于多普勒效应[4]，可以进行非接触式测量。从江河岸边或桥上的测量点，通过天线向河道中流动的水体发射一定频率的微波信号，通过对反射波进行信号处理后得出多普勒频率，该频率为低频信号，对该信号进行滤波放大和软件处理后求出频率值，就可以计算出水流的速度。

由于仪器应用在野外，仪器的电路设计和软件技术在保证测量精度的前提下要尽可能的低功耗、测量速度快，以达到长时间实时流速监测的目的。另外由于水面回波波形复杂，不同季节不同河道的水流速度差别较大，使水面的反射信号强度差别很大，所以程控放大电路和跟踪滤波器是本文讨论及电路优化设计的关键。

1 设计原理

设发射的微波信号本振频率为ƒ0，该信号经定向天线发射，以一定的方位角和俯角照射到水面，依靠水面的波纹，把一部分微波反射回天线。根据多普勒原理，当水面有一径向运动时，反射波的频率就会变化，现用ƒ1表示。ƒ1和ƒ0混频后得到的多普勒频率Δƒ为：

式中：υ为水流速度;C为光速，即电波在空气中的传播速度;k为系数，与ƒ0及入射的方位角和俯角等因素有关。

处于河道岸上或桥上的天线发射微波作用到江河水面上，微波照射的水面是1个比信号发射天线口径大得多的范围，而水流分布并不是单1的速度，并且有动态的旋涡干扰等情况，从这样1个区域反射回来的波，就变成复杂的合成波，反映到信号的频率上就不是1个单纯的离散频率线，而是1个频谱分布。为了从这样的合成波中分析出水流速度，采用如图1所示的设计原理框图。经过混频后得到的低频多普勒信号，需先经过前置放大，由于水体流速大小和测量角度不同，该低频信号幅度大小差别很大，因此该前置放大器设计成有增益控制功能，可以把信号调整到适当的幅度，再送到跟踪滤波器。由于反射波是1个反射面形成的，因而其合成波产生的多普勒频率在频率分布上呈现出中间高两边低的形状，为了精确地测量出流速，要求跟踪滤波器的通带特性也具有这样的分布形状，因此该滤波器设计成1个中心频率可调的程控带通滤波器[5]。

2 主要信号处理电路设计

主要信号处理电路设计以MSP430为控制处理机[6]，以增益可设置放大器AD623作为放大电路，以高性能开关电容滤波器LMF100为程控带通滤波器电路，通过软件控制，实现测量要求。信号处理电路如图2所示。

MSP430系列单片机是1种16位、具有精简指令集、超低功耗的混合型单片机。AD623是1种使用单电源、输出摆幅能达到电源电压的仪表放大器，AD623仅用1只外接电阻就可以设置增益，本设计采用74LS138译码器进行选择的精密电阻网络。因此只要选择不同大小的外接电阻就可以满足放大增益可调的要求，增益设置可高达1 000倍，并且具有优良的直流特性和共模抑制比。LMF100是滤波器集成电路，包含2个相互独立的通用高性能开关电容滤波器，可外接时钟和电阻组成多种二阶滤波器。每个滤波器单元各有3个输出，其中1个输出可组成全通、高通和带阻滤波器，另2个输出可组成带通或低通滤波器。每个滤波器的中心频率可通过外接时钟来调整。因此仅使用1片LMF100器件就能实现四阶双二次函数滤波器。LMF100滤波器允许的最大时钟频率是1 MHz，时钟频率与中心频率的比值有2种方式，分别为50:1和100:1，在比率为100:1的情况下，最大的中心频率(或截止频率)是10 kHz。根据应用要求，本系统选择100:1方式。产生LMF100中心频率的模块是Intel公司的8254可编程计数器/定时器，其内部有3个独立的16位计数器/定时器通道，每个计数器通道均可按6种不同的方式工作，并且都可以按2进制或10进制计数。8254的计数频率可高达10 MHz，工作方式3是1种方波速率发生器，通过编程改变计数初值，可以改变输出方波的频率，从而达到程序控制滤波器中心频率的目的。

由微处理机软件控制8254的计数值，使滤波器LMF100的输入频率由低向高再由高到低来回移动，即把带通滤波器中心频率在回波频率上下限的范围内移动，找到频谱的中心。由于实际流速是连续变化的，所以该滤波器还要在中心位置跟踪调整，一直保持带通滤波器窗口跟踪频谱中心，滤波的信号再经放大整形电路后，就可以送至微处理机进行软件处理分析。

微处理机从A/D采样得到回波幅度信息，以此选择程控放大器的外接电阻来确定放大增益，并给8254送计数初值，产生不同的滤波器输入频率，从而实现中心频率的改变，实现程控扫频滤波。这样经过不断调整和处理分析，便完成1个测量结果，进入下一个测量周期。微处理机通过软件完成对AD623和MF100及8254的控制，并通过软件的抗干扰设计，进一步提高测量精度和稳定度。

3 结语

经过电路优化设计的仪器，测验历时变短，耗电减少，便于携带，也解决了因无法跟踪滤波而出现的死机现象。由于功耗小，可由电池供电，适合野外流动测量。

但该仪器也存在不足，主要是测得的水流速度只是水体的表面速度，而无法测量各断面的流速，并且当测量距离较远时，由于天线口径较小，天线照射的水面有一定的范围，而不是确定的1点。因此雷达式电波流速仪还需要做进一步的改进，以使测得的水流速度更为精确。

参考文献

[1]向治安.水文测验[M].北京:水利电力出版社,1983,9.

[2]魏进春.声学多普勒测流技术在国内推广应用的问题探讨[J].水利水文自动化,2005,(3),17-19.

[3](美)斯科尼克.雷达手册(第2版)[M].王军等译.北京:电子工业出版社,2003,7.

[4]胡建民.电波流速仪的设计[J].舰船科学技术,1997,(增刊):49-50.

[5](美)赫金.自适应滤波器原理(第四版)[M].郑宝玉等译.北京:电子工业出版社,2003,7.

[6]秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京:中国电力出版社,2005,7.

信号测量电路 篇2

目前,工程中电缆故障诊断包括:故障性质和类型诊断、初步探测或粗测(pre-location)以及精确定位或精测(pinpoint)。 如何在电缆敷设环境复杂、电磁干扰和噪声干扰严重条件下, 当电缆故障源发生有效冲击放电时,对产生的信号进行分析、处理,成为快速精确定位的关键。 本文设计了故障源放电信号测量电路,实现对信号的精确测量。

1故障源有效冲击放电

电缆故障精确定位的首要问题是故障点的有效冲击放电, 释放出故障定位所需的所有声波和电磁波信息。 实际地埋电缆故障源发生有效冲击放电释放出多种信息。 包含声波信号、电磁波信号,故障周围电磁场变化,特殊环境下还会有臭氧的产生,电缆受潮绝缘损坏时还会有特殊化学信号产生。 电缆发生相间断路或短路故障时,将冲击能控信号发生器加在故障电缆上,注入高能脉冲信号, 使得电缆故障的两相之间的空气击穿, 释放电能。 有效击穿的瞬间,高能信号源的脉冲能量达到400 J左右,会在故障点的不同方位释放出的“啪、啪” 放电声和电磁波信号,形成电缆故障点的多模式信号。

2声传感器的选择与工作原理

有效冲击放电时,故障点周围的空气被击穿,故障源周围介质发生振动,声音会以声波的形式通过介质向周围辐射传播。 压电陶瓷材料具有压电效应的特性。 由压电陶瓷材料制作成的压电陶瓷片能灵敏接收介质中传来的放电声信号, 使得压电陶瓷片两极机械振动,把放电声信号转变成电信号。

将压电陶瓷片固定在一个半球形的金属隔音器中, 压电陶瓷片位于球心处,声波进入隔音器中,通过声波反射汇聚在位于球心的焦点,会增强声音的强度,增加压电陶瓷片两极的形变,获得更强的电信号,利于后级测量电路对信号进行调理。 通过大量的实验验证,压电陶瓷片选择中心频率为2.5 kHz时,接收到的信号最佳。 传感器声波反射工作原理如图1所示。

3信号测量电路的设计

声传感器通过将故障点发出的声信号转换为电信号,电信号往往很微弱,需要经过放大以电压的形式输出,其质量和性能直接影响到系统的精度和能否正确反映被测信号的全部信息。 要进行高精度测量,其测量电路中与传感器相配套的放大器必须具有高输入阻抗[1]。 信号最后的输出不能过大或者过小,并且对弱信号检测需要低噪声的测量电路。 针对弱信号检测设计了信号测量电路,从而实现高输入阻抗,低噪声,高增益,输出稳定。 其信号测量电路的框图如图2所示。

3.1前置放大电路

用场效应管做测量电路放大器的输入级是设计高输入阻抗放大器的最简单方案,但是必须用高阻值的电阻做偏置电路,但是高阻值的电阻无论是稳定性或者噪声方面,都会给放大器带来不利和影响[2]。 由线性集成电路构成的自举反馈高输入阻抗放大器是一个很好的选择。 具体电路如图3所示。

微弱信号放大和检测电路要求精密、温漂小,噪声干扰低,则应选择高精度、低温漂、低噪声的集成电路[4]。 电路中采用ADI公司的OP-27型号运算放大器, 该运算放大器的特点就是低温漂、低噪声、高精度,满足微弱信号测量电路的要求。 电路利用自举反馈,使得输入回路的信号主要由运算反馈电路流过电阻R4来提供,因此输入电路向信号源吸取电流就大大降低。 利用Pspice仿真软件对前置放大器电路进行仿真,其输入阻抗非常大,阻值超过了100 MΩ,输出阻抗很小,只有6.9 Ω,实现增益达到34 dB。 Pspice仿真结果图4所示。

3.2带通滤波器

通过前置放大电路后,得到的信号不仅有故障源放电信号,还有许多环境干扰噪声,包括市电50 Hz信号、 故障源周围管道中发出的干扰噪声以及其他高频噪声等。 需要通过一个带通滤波器滤除干扰噪声,设计一个中心频率在3.5 kHz,带宽为3 kHz的带通滤波器,可以滤除低频和高频干扰,保证故障源放电信号的通过。 滤波器采用有源多反馈带通电路(MFBP),这种电路的特点是元器件的数量少,对元件容差的灵敏度低[3,4]。 滤波器电路如图5所示。

运用Pspice仿真对设计的滤波器进行仿真,得出带通滤波器的幅频特性曲线如图6所示。

3.3自动增益控制电路

自动增益控制电路能实现测量电路的输出信号的稳定,当输入信号变小时,自动增益电路控制电路的增益变大,提高输出信号;当输入信号变大时,自动增益电路控制电路的增益变小,降低输出信号。 电路采用ADI公司的可变增益放大器AD8337来实现信号的自动增益,能实现的增益范围为0 dB~24 dB。 AD8337优点是低噪声,单信号输入输出,增益控制电压与实现的增益具有线性关系,通过直流耦合控制可变增益放大,带宽达到100 MHz, 对于实现电缆故障源放电信号的自动增益具有快速、精确、输出噪声低。 AD8337由一个6 dB增益的前置放大器、 一个-24 dB的梯形衰减网络和一个18 dB增益的后置放大器组成。 增益控制端输入的直流电压通过增益控制器控制梯形网络来实现增益的线性控制, 其增益控制电压范围为-0.7 V~0.7 V。 增益控制电压与增益关系图如图7所示。

自动增益控制电路通过将AD8337的输出信号利用精密绝对值电路将交流信号转换为直流信号,再通过直流电平的比较运算得到控制AD8337增益的电压信号。 精密绝对值电路首先对交流信号进行全波整流,然后低通滤波,得到的直流电压是已整流信号的均值[5]。

式中Vavg为整流信号的均值,Vm为交流信号的峰值幅度。 利用AD8337实现自动增益控制电路的系统框图如图8所示。

由于增益控制电压与增益成线性关系, 当AD8337前置增益放大器的增益为6 dB时,该关系式为:

可以假设增益控制电压与绝对值电路得到的直流电压关系表达式为[6]:

通过测量电路的实际要求计算公式中的参数K1、 K2的值。 通过运算放大器实现上述表达式,从而得到控制增益的电压。

实际测量电路需要将前面得到的前置放大电路得到的信号输出控制在1 V~2 V内,在信号最小时,需要电路的增益最大,就是控制增益电压为0.7 V,在信号最大时,需要电路的增益最小,就是控制增益电压为-0.7 V, 代入到上式中,得出K1=-2.2 ,K2=2.1 , 即:

由上面的关系式可以设计AD8337自动增益控制电路,将精密绝对值电路的输出通过反向比例放大器放大2.2倍, 再利用电阻分压把电平抬高2.1 V作为AD8337的增益控制电压。 实现该自动增益控制电路如图9所示。

电路中AD8337的信号输出端接在INPUT端口, OUTPUT接在增益控制端口, 通过Pspice仿真观察当信号在1 V和2 V时自动增益控制电压的变化, 其仿真结果如图10所示。

从仿真结果图可以看出,该电路可以很好地实现增益电压输出, 在-0.7 V~0.7 V的控制电压之间,AD8337的增益成线性变换。 当输入信号过小时,增益控制电压往0.7 V方向增大,AD8337的增益变大, 使得输出信号增大;当输入信号过大时,增益控制电压往-0.7 V方向减小,AD8337的增益减小,使输出信号减小。

4电路参数的调整与分析

在测量电路的前置放大电路中,R4和R5要选用精度高的电阻,当它们的电阻值相差不大时,前置放大电路可以获得极高的输入阻抗。 为了降低电路的噪声,前置放大电路选用的电阻需要噪声系数小和温度系数小的精密电阻。 自动增益控制电路中的电容C6如果取值太大则会使响应时间太长,如果电容值太小,则会使最后的增益控制电压的纹波很大,带入噪声。 所以在增益控制电压的输入端还要加上10 μF和0.01 μF的旁路电容,去掉控制电压的纹波。 C6应选择低漏电流和低介质吸收的电容,这些包括聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等型号[5]。

交流信号转直流信号电路设计 篇3

工业测量和控制系统中, 传感器输出信号为多种形式的模拟量, 其多数不能被直接使用, 而需要经过变送电路将其转换成统一的直流模拟信号 (1~5V或4~20m A) , 再根据系统需要, 用数据采集卡将直流模拟信号转换成可参与计算和完成过程控制的数字量。目前市场上的仪器仪表多以直流输入信号为主, 而交流信号是传感器输出信号中较为多见的一种, 为此需要设计一个交直流信号变送模块, 将多种交流信号转换成统一的直流信号量, 以便于能够被控制仪表、计算机或PLC等系统中的控制单元所识别。

变送模块整体结构

该模块共由五个主要部分组成:输入缓冲电路, 全波精密整流电路, 光电隔离电路, 线性输出电路和隔离电源。结构框图如图1所示。

输入缓冲电路

传感器的交流输出多为电压信号。为了降低信号源的负载, 通常需要提高下一级的信号输入阻抗, 采用以运放为核心的电压跟随器作为模块的输入级是有效的解决方式。由于传感器产生的交流信号频率范围比较宽, 选择运算放大器时得考虑选择宽频, 高速的特殊放大器。例如, AD711就符合这方面要求, 它具有1012Ω输入阻抗, 小信号输入带宽可达到4MHz[5]。

全波精密整流电路

该部分为全波精密整流电路, 是整个模块的核心部分。其输出电压为变送模块输入电压的绝对值, 因此也叫绝对值电路[1]。二极管具有单向导电性, 是常用的整流元件, 但二极管非线性比较大且有一个正向导通电压, 当信号幅度小于二极管的导通电压时, 二极管处于截止状态, 使得整流出来的信号误差非常大, 为了提高精度, 可利用运算放大器的放大作用和深度负反馈来克服二极管非线性和正向导通压降造成的误差。

全波精密整流电路分为两部分, 第一部分由运放U1A及周边器件构成半波精密整流电路, 第二部分由U1B及周边器件构成反相求和电路。详见图2。

半波精密整流电路

该部分电路工作分两种情况:交流输入信号Ui>0与Ui<0。

当Ui>0时, 运放U1A的输出电压U1a<0, 二极管D2导通, D1截止, 运放U1A工作在深度负反馈状态。此时这个电路相当于反相比例电路[1],

因此时式 (1) 中Ui>0, 故Uo1为负值。

当Ui<0时, 运放U1A的输出电压U1a>0, 二极管D1导通, D2截止, 运放U1A也处于深度负反馈状态, 其反相输入端为虚地点, 因此D2的正极电压Uo1=0。

由于R1=R2, 故Uo1的电压波形为变送模块输入信号Ui同幅值的负半周波形。见图3负半轴波形[3]。

反相求和电路

该部分电路由U1B及周边器件构成。由反相求和电路[1]可得:

由图2可知, R6=R4=2*R5, Uo2=Ui, 而Uo1为Ui的负半周。由公式 (2) 得:

当Ui>0时, Uo1=-Ui, Uo=Ui;

当Ui<0时, Uo1=0, Uo=-Ui;

所以Uo=|Ui|。经过半波整流和反相求和电路之后, 输入的正弦波形已变成频率为原来2倍, 幅值与原来相同, 脉动系数为0.67的直流电 (没有电容C1和C2的情况) 。见图3正半轴波形[3]。此直流电还需要通过滤波电容C2变成平滑的直流电, 以便后面的光电隔离电路使用。

光电隔离电路

交流转直流变送模块作为过程控制系统信号采集的前级仪器, 其直流信号输出通常是连接到二次仪表或其他数据采集模块上。为了降低输入交流信号对输出直流信号以及后级仪表干扰, 采取了在模块的输入级和输出级之间增加线性光耦和隔离电源的措施。借助光耦, 输入信号在经过了电压→电流→发光→电流→电压的传递过程同时也实现了信号前后级无电气联系的光电隔离。因此线性光耦是模块中实现光电隔离功能的重要器件, 其性能将对整个变送模块的精度产生重要影响。此处设计采用的线性光耦是SLC800, 它具有线性度好, 隔离电压高, 可靠性好, 价格低等优点。其内部结构原理图及在此次设计中的应用电路如图4所示。

隔离电路工作原理

由SLC800的LED, 二极管PD1及运放U2A组成隔离电路的信号输入部分, 二极管PD2及电阻R10构成隔离电路的输出部分。假定该隔离电路的输入电压为Vi, 输出电压为Vo, SLC800的LED、PD1、PD2产生的电流分别为If、I1、I2, LED发光二极管与在PD1、PD2上产生的电流比分别为K1、K2, 同时PD1与PD2的电流比定为K3[2]。当电压信号经过R7→U2A+→R8→LED→PD1→U2A-/R9, 此时运放U2A正好工作于深度负反馈中, 使得SLC800产生一个稳定的输出。

从S L C 8 0 0数据手册可知, I2=K3*I1, I1=K1*If, 由于If=Vi/R8, Vo=I2*R10, 故:

式 (3) 中K1和K3为每个芯片的特性参数[2], 因此根据输入信号范围可适当选取R8和R10的阻值, 以获取合适的输出电压范围。隔离电路中R8不仅用于调节电流If大小, 同时还用来调节由于芯片之间K值的分散度而导致的SLC800实际输出电压与设计值之间的偏差。

线性输出电路

线性输出电路主要是实现线性电流的输出和调节整个变送模块的输出零点与量程。其构成及具体功能如下:

可调电阻R21和U3A组成线性输出电路的调零电路。2.5V直流参考电压从稳压管TL431获得, 通过可变电阻器R21分压调节整个电路最终输出电流的零点。U3B用作光耦SLC800输出的直流电压Vo (见图4) 的输入缓冲器, 用来提高信号输入阻抗, 降低信号的负载。

运放U3A、U3B、U4A构成同相求和电路, 可调电阻R22为线性输出电路的量程调节电阻器。U4B与R17、R18、Q1构成深度负反馈, 实现输出直流电流与输入信号成线性关系的功能。具体原理图详见图5。

隔离电源

信号隔离不仅需要信号回路的前后级隔离, 同时也要把信号回路前后级的供电隔离, 这样以避免因干扰通过供电电源对后级输出产生影响。本次设计采用的隔离电源是金升阳公司生产的A1209D-2W, 它具有体积小, 隔离电压高, 温度特性好等优点[4]。

测试结果

分别选正弦波、三角波、锯齿波3种不同交流信号作为输入, 此次测试输入的有效值为0~1.2V, 测试结果显示整个电路误差保持在0.1%之内, 满足了一般现场的精度要求, 测试数据详细见表1。

结束语

经过多次测试和现场用户使用反馈, 该模块不仅精度高、线性度好而且稳定。同时其体积比较小, 对现场空间要求不高, 便于安装。模块中所用的器件多为通用元件, 价格低且易于购买, 大量使用时具有明显的成本优势。使其不仅可以作为独立仪器使用, 也可嵌入到现有的直流输入仪表及数据采集单元中, 扩展其信号输入种类。因此, 在解决交直流信号转换问题上该模块具有很好的应用空间和市场价值。

摘要：为了解决传感器交流输出与仪器仪表直流输入之间信号不匹配问题, 根据二极管的单向导电性和运算放大器的深度负反馈原理, 设计了精密全波整流电路。经实测证明, 当交流信号有效值在一定范围内变化时, 该电路可以实现交流信号到直流信号的精确转换。本文网络版地址:http://www.eepw.com.cn/article/192736.htm

关键词：全波整流,有效值,运算放大器,线性光耦,隔离电压

参考文献

[1]童诗白, 模拟电子技术基础[M].第二版.北京:高等教育出版社, 1998

[2]Solid State Optronics.SLC800数据手册[Z].Rev 2.0, 2012-09-17

[3]NI Multisim Fundamentals

[4]Mornsun.A_D-2W&B_D-2W系列数据手册[Z].2012

超音频信号功率放大电路 篇4

设计的功率放大器采用了多级级联的结构。第一级为输入缓冲和前置放大级, 如图1所示, 它由AD812设计成, 缓冲放大级的输入阻抗为50欧左右, 起到了阻抗匹配作用, 其输出接前置放大级, 它的放大增益通过高精可调电位器可进行调整。选用的AD812是双运放, 一片AD812便能同时作为输入缓冲和前置放大级, 其中的增益带宽积为150MHz, 压摆率1600V/us, 用它对5MHz以下的频率信号能进行20倍以上的放大。

2 驱动级

第二级为驱动级, 如图2所示, 由3个放大管组成, 其中2SD669构成共射放大电路, 它具有较大的电压、电流及功率放大作用且输入, 输出电阻适中, 由Q1 (2SD669) 和Q5 (2SD649) 及D4 (FR107) 和D5 (FR107) 组成甲乙类双电源互补对称功率放大电路作为输出级, 其特点是电压放大倍数约为1, 但是效率高, 波形失真较小, D4和D5上的压降使得Q1和Q5一直处于微导通状态, 可以减小交越失真。第三级为场效应管功率放大级, 如图3所示, 由IRF640和IRF9640构成OCL电路, 其特点是是电压放大倍数约为1, 但是效率高, 波形失真较小。为了减小交越失真, 利用R18, R15和Q3构成微导通电路, 调节R18即可改变IRF640和IRF9640的导通状态, 该方法较直接利用二极管的固定偏压要好。采用这类三级结构, 具有如下优点:一是易于安排电路元件, 且可使级间的相互作用忽略不计。二是放大器之间可采用交流耦合, 各级放大器的补偿比较简单。实验发现, 该部分电路可将峰峰值0.1V的1MHz正弦信号放大到峰峰值48V且基本无失真, 最大输出功率可达100W以上。当ui=0时, 应通过调整静态工作点, 得到uo=0。

3 输出级

为了获得一个200V以上的输出信号幅度, 采用了1:6的升压变压器来放大输出幅度。采用这样的结构, 避免了用上百伏电压作为功放驱动电压时存在的一些问题, 例如需要实现一个上百伏的直流电源及电路调试较危险等。缺点是由于变压器属于感性元件, 需仔细调试输出匹配电路, 如图4所示。

4 电源

功放的电源采用了开关电源电路, 设计了基于继电器的短路保护电路, 它主要包括输出电流检测, 比较器部分, 继电器及其控制电路组成。为了减小电源噪声的影响, 采用了电感电容滤波电路。在元器件的布局方面, 尽量把相互有关的元件放得靠近一些, 在设计硬件的过程中, 电源线的布置除了要根据电流的大小尽量加粗走线宽度外, 在布线时应使电源线与数据线、地线的走线方向相一致, 在布线工作的最后, 用地线将电路板的底层没有走线的地方铺铜, 这有助于增强电路的抗干扰能力。功率放大电路实物如图5所示, 实验发现, 该功放电路能很好的放大测试信号。

5 结束语

功率放大电路是一种在大信号状态工作电路, 放大电路工作是否正常, 性能指标是否达到要求, 除要按照一定的工艺进行安装焊接外, 还要借助于仪器仪表进行调试和测试。

参考文献

[1]吴丽峰.基于互补推挽结构的MOS功率放大电路设计[J].电子科技.2011.10

[2]李圣清.一种新型功率放大电路设计[J].中南工学院学报.1998.6

[3]王文如.射频大功率放大器的设计研究[J].压电与声光.1987.4

脉冲信号测速电路模块设计 篇5

关键词：电机,光电编码器,脉冲测速电路,脉冲信号采集

1 总体设计思路

本模块首先通过光电编码器获得脉冲信号，将脉冲整形后[1]，输送给单片机进行计数，经过一定时间（200 ms）后计算出电机转动的速度值，通过4位数码管显示出来（此时如果转速超过设定的上限值则启动声光报警），显示范围为0～9 999。同时，单片机将速度信号通过比例计算，得到对应的电压值（1 500 r/min对应5.0 V），输出0.0～5.0 V的电压模拟信号，通过PCB板上两个接头，实现连接外部设备的使用和测量，同时将电压值显示在两位八段数码管上，显示精度为小数点后一位（0.0 V）。

为实现对电机的远程控制，通过键盘设置转速上限（初始值为1 500 r/min）的报警值，当转速超过设置值时声光报警。模块本身可以通过电位器实现对电机的手动调速。系统基本设计如图1所示。

2 各部分设计

2.1 单片机选择

经过综合考虑各功能的实现，选用宏晶公司推出的小型单片机STC12C5202AD-LQFP-32。它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度增快了8～12倍。

2.2 单片机功能实现

该模块采用按键电平复位方式实现复位功能；利用E2PROM保证键盘设置的转速上限值得以保存，当断电后再次通电时，上限值为设置后的数值而不是设定的初始值；通过单片机自带的A/D转换口进行输出显示前必要的A/D转换。

设定T1接口为外部计数器，T0用于数码管显示及形成闸门信号，选用工作状态1（即M1M0=01时，定时器所选择的状态）。系统使用最常见的11.059 2 MHz的晶振，设定定时/计数器T0每10 ms中断一次，用以数码管的显示，每200 ms读取一次计数器T1中的数值[2]。

2.3 硬件电路设计

本设计使用一个4位共阳数码管显示电机转速，一个2位共阳数码管显示0.0～5.0 V的电压（其中5.0 V对应1 500 r/min的转速）。

用于设定上限转速的键盘电路由3个按键组成（K1,K2,K3),K1用于进入（此时数码管显示由实际的转速值切换为需要设定的报警上限值）或退出电机转速上限报警值设置界面，K2用于调整数值的大小，K3用于选择需要调整数值的某一位数码管。

A/D转换通过单片机内部引脚实现。STC12C5202AD单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型ADC转换器具有速度高、功耗低等优点。

D/A转换的实现采用了美国德州仪器公司生产的TLC5615。它具有串行接口的数/模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍；带有上电复位功能，即把DAC寄存器复位至全零；性能比早期电流型输出的DAC要好，只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入。

2.4 软件部分

2.4.1 主程序设计

主程序设计流程如图2所示。

在显示部分，显存分别为D＿MEM,D＿MEM+1,D＿MEM+2，其中D＿MEM,D＿MEM+1用于显示转速，D＿MEM+2用于显示电压，BLINK(20H）（位地址00H～07H）为闪烁位控制，2FH（位地址70H～7FH）用作标志位。

P2口控制8段数码管显示，分别由P0.0,P0.1,P0.2,P0.3,P1.1,P1.0控制显示速度的4位数码管和显示电压的两位数码管。

2.4.2 其他子程序

脉冲计算程序、速度转换对应电压程序、键盘设置程序、比较报警上限程序、A/D转换程序、D/A转换程序、E2ROM保存程序、数码显示程序、延时子程序以及其他数值转换和计算子程序[3]。

3 误差分析

根据综合调试实测速度值得出表1，误差波动范围如图3所示。

平均误差分析：

根据数据分析，该模块的设计达到了很好的准确度。

4 结论

本模块的实用性非常强，在运用电机的场合检测电机的实时转速是十分必要的，采用光电式测速系统正是由于其低惯性、低噪声、高分辨率和高精度的优点，同时本文的设计也实现了对电机转速的简单控制和转速过快时的报警提示。设计中通过软件硬件各种手段尽可能地减小了误差，保证了检测数据的可靠性。

参考文献

[1]汤鸿来,吴显祥,李璐莹.光电编码器的输出接口和电路系统[J].电子技术,1990(10):34-36.

[2]段晨东.单片机原理与接口技术[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1990.

[4]吴勇,李林涛,陈世纯,等.基于Arduino开发环境的光电编码器检测仪的设计[J].现代电子技术,2014,37(2):124-126.

[5]冯希,梁雁冰,张涛.基于FPGA的多路增量式光电编码器测角电路设计方法[J].现代电子技术,2008,31(19):175-177.

微弱信号采集处理电路研究 篇6

关键词：血小板聚集,微弱信号,处理电路

由血小板聚集功能异常可检测出因聚集功能低下所造成的出血倾向疾病,或因聚集功能过高所形成的血栓,诊断血栓栓塞并发症,如中风、心梗等疾病元监测,并可提早预防避免发生。同时可用于研究,如血小板药物学研究、中西药节选抗血小板药物之测定研究中医药活血化淤机理等。全血经低速离心,去除红细胞、白细胞,制备富含血小板血浆(PRP)。在特定的连续搅拌条件下于富含血小板血浆(PRP)中加入诱导剂时,由于血小板发生聚集,悬液的浊度就会发生相应的改变,光电池将浊度的变化转换为电信号的变化,在记录仪上予以记录,根据聚集曲线可计算出血小板聚集的程度和时间。

一、总体设计

1.整体设计。上述血小板聚集功能检测过程很容易受到外界电信号和客观环境的干扰,为了抗干扰,准确的采集有用信号,应系统采用调制解调电路。调制电路使用的是光电调制,解调电路采用精密整流型相敏检波电路。整体设计主要包括激励电路、采集电路、调理电路三部分,功能主要是进行检测信号的采集。整个硬件功能齐全,结构简单,成本低廉,易生产。

2.影响检测精度的因素。(1)机械定位的准确性。根据检测的原理,检测装置的光电发射与光电接收的光轴应一致,因此要求发射部件与接收部件应该水平,中心对应,并且为了避免引入杂光,发射部件与接收部件都一定要采用黑色阳极氧化的工艺,且光轴应在试样中心。另外,我们设置了4条并行的检测通道,为了达到一致性,要求各通道发射部件发射的光束平行,光强一致,发射部件的发射面积相同,同时各接收部件的接收面积也要相同,这就对机械定位要求很高,这将直接影响检测的重复性、一致性。(2)供电电压的稳定性。按照检测原理我们知道供电电压一个微小变化就会改变检测结果。为了滤出供电电压的干扰,我们设置了4条并行的检测通道和一个参考通道,所有通道的硬件电路完全相同,只是检测通道的激励光源发出的光线透过检测血液照射到光电池上,而参考通道光线是直接照射到光电池上的,这样采用差动的方法就可以有效地滤除电源的窜扰信号,提高检测的精度。(3)标准容器的误差。检测中使用的反应试管的透光率也会引起检测误差,这个透光率误差是与更高精度的标准容器比对修正而得到的,这里我们未做任何补偿,进行总体系统误差分析时不能忽略。

二、电路设计

1.激励电路。本系统是使用双光束发光二极管来作为激励光源,分别能发出波长为405纳米的蓝光和660纳米的红光,这样既能满足多种血液检测项目检测光源波长不同的要求,又能降低电路的成本。但这样易于受到外界自然光的影响,而检测信号又均为微弱信号,因此为了减少噪声,提高检测精度,我们一方面对仪器装置做了准确的机械定位,一方面对光源进行了调制。因而该部分电路包含有两部分:一部分是振荡电路,一部分是光电调幅调制电路。(1)振荡电路。这里采用RC正弦波振荡电路,稳幅环节采用的是稳压管,后面又采用了滞回比较器电路将一定频率的正弦波信号变为方波信号来作为载波信号。这样可以消除振荡效应,提高电路的抗干扰能力,保证信号同步。这里注意运放参数的选取,滞后的范围不宜过小,否则会降低抗干扰的能力,但也不宜过大,否则将会影响调解参考信号与调制信号的相位关系,对相敏解调不利。(2)调制光源。这里检测的信号变化微小,很容易淹没到噪声信号中,我们加了调制解调。本系统中使用的是光电调幅调制电路,将方波信号作为载波,发光二极管光强的变化为调制信号。由于检测信号的频率不太高,载波信号频率应大于调制信号频率的10倍以上,方能得到一个良好的调制效果。

2.采集电路。这里采集电路包括光电接收转换电路和精密相敏解调电路两部分,其中的光电接收转换电路为关键部分,它将直接影响电路的成功与否。(1)光电接收与转换电路。这里我们采用的检测传感器为硅光电池,它价格便宜、寿命长、性能稳定。我们通过硅光电池来讲透过检测试剂光强的变化转化为电流的变化,再通过一定的电路将电流的变化转化为电压的变化。因为电压变化信号微小,且检测信号的频率较低,我们选用OP27运算放大器对信号进行去噪和放大处理。OP27精密运算放大器兼有低失调电压和漂移特性与高速、低噪声的特性。失调电压低至25μV,最大漂移为0.6μV/°C,因而该器件是精密仪器仪表应用的理想之选。极低噪声(10Hz时en=3.5n V/√Hz),低1/f噪声转折频率(2.7Hz)以及高增益(180万),能够使低电平信号得到精确的高增益放大。8MHz增益带宽积和2.8V/μs压摆率则可以在高速数据采集系统中实现出色的动态精度。(2)精密相敏解调电路。精密相敏检波电路具有判别信号相位和频率的能力,能够提高抗干扰能力,所以我们选用它。相敏检波电路的主要特点是,除了所需解调的调幅信号外,还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。在本电路设计中,采用方波信号作参考信号。这时输入信号不是与单位参考信号相乘,而是与归一化的方波载波信号相乘。这时的输出电压对所有的n为偶数的偶次谐波,输出为零;而奇次谐波的传递系数随谐波增高而衰减,因而相敏检波电路具有抑制高次谐波干扰的能力。

3.调理电路。我们设计采用一阶有源低通滤波电路来作为调理电路,具体的做法是在一阶RC低通电路的输出端,再加上一个同相比例放大电路,使之既能起放大作用,又与负载很好隔离开来。

从幅频响应来看,一阶滤波器的效果还不够好,它的衰减率只是20d B/十倍频。我们后面还设计了数字滤波再进行更深层次的滤波。

实验结果表明该信号采集系统在凝血检测单通道的重复性和多通道的一致性方面均达到检测规程的要求,但对检测系统的安全性和稳定性还需进行运行可靠性分析和其他相关的运行评定。从检测结果可以看出该技术设计方案是切实可行的,在技术上和经济上都具有比较高的优越性。

参考文献

[1]阙英男,宋晓萍,邹琳.比浊法测定血小板聚集功能在临床中的应用[J].江西医学检验,2007,(1).

[2]苍金荣.凝血/止血检测的质量保证[J].现代检验医学杂志,2004,(9):33-35.

[3]张国雄.测控电路[M].北京:机械工业出版社,2013.

汽车信号电路与故障检修分析 篇7

汽车信号电路中的各种信号装置互相独立工作, 分别由各自的控制开关控制。典型汽车信号电路如图1所示。该汽车信号电路设有喇叭继电器, 因为该车型信号系统采用了双音喇叭, 所需的电流较大, 若直接由喇叭按钮控制, 按钮触点容易烧蚀。危险警告开关14的1、4端子连接闪光器, 2、3端子分别连接左转向灯和右转向灯。当按下危险警告开关时, 开关内部触点将1、2端子和3、4接通, 使之右转向灯均闪光。

2 汽车信号电路故障诊断

2.1 喇叭不响

发动机能起动 (电源正常) , 但按喇叭按钮时喇叭不响。 (1) 故障原因。 (1) 电喇叭电路中的熔丝 (10A) 烧断, 线路连接处有断脱; (2) 喇叭按钮触点接触不良或搭铁不良; (3) 喇叭继电器触点接触不良、线圈烧坏; (4) 电喇叭内部触点接触不良或触点间短路、线圈烧坏、电喇叭搭铁不良。 (2) 故障诊断方法。 (1) 检查熔丝盒中连接电喇叭电路的l0A熔丝是否烧断。如果熔丝已烧断, 更换新的熔丝, 并检查电喇叭电路有无搭铁故障;如果熔丝正常, 则进行下一步故障诊断; (2) 将喇叭继电器16的电源接柱B与连接电喇叭的接柱H搭接, 听喇叭是否响。如果喇叭不响, 需检查继电器与熔丝盒、电喇叭之间的连接线路, 若线路良好, 则需拆修或更换电喇叭;如果喇叭响, 则进行下一步诊断; (3) 将喇叭继电器连接喇叭按钮的S接柱直接搭铁, 听喇叭是否响。如果喇叭不响, 则需检修或更换喇叭继电器;如果喇叭响, 需检查继电器与喇叭按钮之间的连接线路, 若线路良好, 则需检修喇叭按钮。

2.2 喇叭声音低哑

汽车电源正常, 但喇叭发出的声音低哑。 (1) 故障原因。 (1) 电喇叭触点接触不良、线圈有局部短路、喇叭膜片有破裂等; (2) 喇叭继电器触点接触不良 (烧蚀、接触压力过低) ; (3) 电喇叭线路连接有松动接触不良之处; (4) 电喇叭安装松动而使其搭铁不良。 (2) 故障诊断方法。将喇叭继电器的电源接柱B与连接电喇叭的接柱H直接短接, 听喇叭响声是否正常。如果仍不正常, 需检查电喇叭线路连接及电喇叭的安装, 若均正常, 先将电喇叭触点的接触压力适当调大, 响声仍不能正常则需拆修或更换电喇叭;如果喇叭响声正常, 则需检修或更换喇叭继电器。

2.3 转向灯不亮

接通转向灯开关 (左或右) 时, 所有转向灯均不亮。 (1) 故障原因。 (1) 转向灯电路的10A熔丝烧断; (2) 转向灯开关、闪光器、熔断器盒处线连接不良或之间的线路有断路或搭铁; (3) 闪光器有故障; (4) 转向开关内部接触不良。 (5) 所有转向灯均烧坏。 (2) 故障诊断方法。 (1) 检查熔丝盒中连接转向灯电路的10A熔丝是否烧断。如果熔丝已烧断, 更换新的熔丝, 并检查转向灯, 电路有无搭铁故障;如果熔丝正常, 则进行下一步故障诊断; (2) 检测闪光器1电源接线端子B对地电压。如果无电压, 则需检修闪光器至熔断器之间、熔丝之前的电源线路;如果有蓄电池电压.则进行下一步诊断; (3) 将闪光器的接线端子B与转向灯开关13接线端子L直接相连, 并接通转向开关, 看转向灯是否亮。如果转向灯亮, 则说明闪光器有断路故障, 需拆修或更换;如果转向灯不亮, 则进行下一步诊断; (4) 将转向灯开关的电源接线端子B分别与左、右转向灯接线端子L、R直接连接, 看转向灯是否闪亮。如果闪亮, 则说明转向开关有故障, 需拆修或更换如果不闪亮, 则需检修转向开关至转向灯、闪光器之间的线路及转向灯。

2.4 转向灯不闪亮

接通转向灯开关后, 转向灯常亮不闪烁。 (1) 故障原因。 (1) 闪光器故障; (2) 灯向灯开关前的连接线路有短路之处。 (2) 故障诊断方法。断开闪光器的连接导线, 则两线端子对地电压, 正常应为0V。如果有蓄电池电压, 则需检修线路;如果无蓄电池电压, 则需更换闪光器。

2.5 闪光频率不当

接通某侧转向灯开关时, 转向灯的闪光频率明显过高或过低。 (1) 故障原因。 (1) 闪光器不良; (2) 转向灯电路连接导线或转向灯接触不良; (3) 两侧的转向灯功率不一致或有灯泡烧坏。 (2) 故障检修方法。检查灯泡有无烧坏、左右侧转向灯灯泡的功率是否相同。如果有灯泡烧坏、灯泡的功率不符或两边的灯泡不相同, 则需更换灯泡;如果灯泡检查无问题, 则需检查转向灯电路的线路连接, 看是否有接触不良之处, 若线路连接良好, 则需更换闪光器。

2.6 汽车信号灯与闪光器调整

(1) 故障现象。 (1) 汽车灯光除照明用外, 还有一些是信号灯, 作为汽车使用中对其他车辆或行人的灯光信号标志。汽车信号灯往往配有闪光器以提醒注意。当闪光器不工作时, 由于电热丝的拉力大于弹片弹力, 使触点保持张开状态。在汽车转向时, 先把开关拨到所要转向的一方, 电流便从蓄电池一附加电阻丝一电热丝一转向开关一转向灯搭铁构成回路, 使转向灯D微微发亮。由于电热丝通过电流逐渐被加热且膨胀伸长, 就放松了对触点臂的拉力, 触点在弹片的作用下便闭合, 使附加电阻和电热丝短路, 电流从蓄电池—电磁线圈———触点—灯开关———转向灯一搭铁构成回路, 使转向灯Zx及转向指示灯Zs正式点亮。另外, 此时由于电热丝短路无电流通过, 便冷却收缩, 从而又重新拉开触点, 使转向灯及其指所灯熄灭, 此时又有电流通过附加电阻和电热丝, 如此反复循环, 使转向灯一亮一灭地闪烁。一般每秒内亮1～2次为正常。 (2) 故障与排除。 (1) 转向灯全不亮。当左右侧转向灯全不亮时, 多为保险丝熔断或接触不良, 也有蓄电池到转向开关之间线路断路接触不良, 可以用万用表电压挡测量并排除之;转向灯单边亮度低闪光失常。此故障特征是将转向灯开关拨至某…边时, 例如左转向, 左边转向灯亮度及闪光正常, 而拨向右边时, 两边转向灯都发光微弱。出现这种情况大多是不正常的一边的灯泡搭铁不良所致。接好该灯的搭铁, 故障即可排除; (3) 转向灯闪光频率不正常。当左右转向灯的闪光频率不一致或闪光频率都不正常, 此时应检查闪光器及转向灯另一关接线是否松动。还应检查左右灯泡功率是否相同, 对于电热丝式闪光器, 灯泡功率对闪光频率影响很大, 若灯泡功率小于规定值, 闪频低, 反之闪频高。若左右转向灯闪光频率都高于或低于规定, 一般调整电热丝拉力即可, 若调整无效, 应换新品。

摘要：主要介绍了汽车信号电路的特点、汽车电路故障诊断及部件检修方法等。

关键词：汽车,信号电路,故障检修

参考文献

[1]陆刚.东风汽车充电指示灯电路故障检修[J].中国设备工程, 2006, 6.

[2]陆刚.东风汽车充电指示灯的控制电路故障检修[J].电子世界, 2005, 11.