光电传感器混合信号调理电路的设计

作者:   发布时间:2014/6/27 10:20:19   浏览次数:2636

光电传感器混合信号调理电路的设计
压阻式光电传感器应用于很多场合，其典型满量程输出为mV级，因此，需要采用增益级和其他信号处理电路。设计采用经典的三运放组成仪表放大电路实现模拟信号的放大输出及归一化，使用AVR单片机对模拟信号进行采样处理，通过RS232通信电路实现下位机与上位机的通讯，并且通过上位机对多路开关量进行设置。
1电路硬件设计
光电传感器混合信号调理电路包括模拟部分和数字部分。模拟电路包含：恒流源电路、放大电路和滤波电路。其中，恒流源电路为光电传感器供电；放大电路对传感器的输出信号进行放大并归一化；滤波电路抑制放大输出信号中的干扰。数字电路包括开关量控制电路和RS232通信电路，RS232通信电路主要用于下位机与上位机的通信。
1.1恒流源电路设计
用恒流源供电时，由于采用的传感器具有灵敏度温度自补偿功能，无需外加电路补偿，简化了电路，节省了成本。图中c点电压v是稳定的电压，由运放的“虚短、虚断”原理可知：B点电压VB=VC，则给传感器供电的电流激励I=VB/R。需要注意的是，运算放大器的负载包含传感器电阻桥和电阻R，其中电阻桥l、3端所对应的阻值很大，同时电阻桥的电阻值随温度而改变，因此这两端的压降也会很大，再加上R的压降后会更大，因此运算放大器输出电压的最大幅值必须足够大。
1.2运算放大电路设计
仪表放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、高共模抑制比。通常，由集成运算放大器构成的仪表放大器价格较低，适应性较宽；单片式结构在生产时已经调整到很高的精度，但是价格比较昂贵。为了降低成本，采用三运放仪表运算放大电路。
在使用三运放仪表运算放大器时，注意以下3点问题：
(1)这种结构放大差模信号，抑制共模信号。两级电路之间的中间节点承载着大约一半差分信号与共模信号之和的电
荷量，须确保这个信号处于运放的工作范围之内。当改变输入电压的共模成分时，如果看到类似于饱和的现象，则应首先检查这里。
(2)流过R4的电流。当把仪表放大器的增益设置得很高时，凡会很小，这意味着当差分电压很大的时候，R4上产生的电流也会相当大。需要检查这种情况对系统是否有负面作用。
(3)反馈通路中存在电容。反馈通路的走线应尽可能短，反馈通路中过大的电容在高频时会使共模抑制比性能降低。
1.3滤波电路设计

光电传感器混合信号调理电路的设计
干扰抑制包括RC滤波电路以及软件编写的数字滤波。RC滤波电路是为了抑制广谱噪声和模数转换前的抗混叠噪
声；而软件编写的数字滤波是为了使单片机的采集信号更准确。RC滤波电路采用二阶RC有源低通滤波电路，RC有源滤波器的谐振频率可由RC网络任意设定，网络的损耗由运算放大器补偿。
电路同时引入了正反馈和负反馈，当U1信号频率趋于0时，由于C1的电抗趋于无穷大，正反馈很弱；当U1信号频率趋于无穷大时，由于C2的电抗趋于O，UP趋于0。因此只要正反馈引入得当，就能在f=fo时，使电压放大倍数数值增大，又不会因正反馈过强而产生自激振荡。Q决定了滤波器的幅频特性。当，>fo时，幅频特性曲线下降斜率为-40 dB/十倍颇。应用该电路，可以有效地滤除电路中的噪声。
为了避免模数转换时可能出现的脉冲干扰和误差，应用了数字滤波技术。数字滤波技术所使用的方法有：算术平均值法和中值滤波法，编写程序时，把这两种方法结合起来使用，既可以对随机干扰信号进行滤波，也能防止突发的脉冲干扰，达到了良好的滤波效果。
1.4 RS232通信电路设计
RS232通信是PC机与单片机用2根线方式进行全双工异步通讯。由于AVR单片机输入输出电平为TTL电平，PC机配置的是RS232标准串行接口，二者电气规范不一致，因此必须进行电平转换。MAX232芯片是一种新类型的电平转换器，仅需+5V电源供电。这种电平转换器可将2路TTL电平转换成RS232电平，也可将2路RS232电平转换成TTL电平。
1.5开关控制电路设计
开关量控制电路是根据传感器的信号大小，打开相应的开关，如图6所示。由于单片机上电具有一定的延时，在刚上电时无法马上输出电平控制开关量，为改进这个缺点，加入了CMOS反相管控制开关量，CMOS反相管能在上电时马上工作。
2软件设计
软件分2部分：单片机程序和上位机串口通讯程序。单片机程序要完成上电初始化、数字滤波、ADC采集、开关量控制和与上位机的通讯。上位机将设定的开关量通过RS232电路传给单片机，并保存在EEPROM中，传感器输出的压力值经过混合信号调理电路放大以及归一化后，单片机对其进行模数转换，将转换得到的结果与EEPROM中的值比较，根据结果所在的开关阈值范围，打开相应的开关量。
上位机串口通讯程序实现开关量的设定功能。通讯过程中数据都是以字符型进行传输，这样就能避免控制字符和数据的重复，使通讯更安全。上位机的程序是用Visual C++提供的MFC编写，MFC中的MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为应用程序提供串行通讯功能。

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