電位器在電力和電子學(xué)的最早期就已經(jīng)是一個(gè)重要的無源電路組件。電位器是一種三端子設(shè)備，帶有一個(gè)可訪問的電阻元件，可通過旋轉(zhuǎn)軸上用戶可設(shè)置的滑動(dòng)臂實(shí)現(xiàn)分壓功能。電位器已用于無數(shù)的模擬和混合信號(hào)電路，能滿足各種各樣的應(yīng)用要求。全電子數(shù)字電位器仿真了機(jī)電式電位器的功能，但這是通過一個(gè)沒有活動(dòng)部件的集成電路來實(shí)現(xiàn)的。數(shù)字電位器可接受多種格式的數(shù)字代碼，并確立一個(gè)相應(yīng)的電阻值。因此，這種器件有時(shí)被稱為電阻式數(shù)模轉(zhuǎn)換器(RDAC)。在傳統(tǒng)電位器中，可以用手(有時(shí)甚至是小型電機(jī))來設(shè)定滑臂位置，以此設(shè)置分壓比。然而，在數(shù)字電位器中，計(jì)算機(jī)控制器通過數(shù)字接口與數(shù)字電位器IC連接，并建立一個(gè)與滑臂位置等效的數(shù)值。
數(shù)字電位器可代替機(jī)械式電位器，具有使用靈活、調(diào)節(jié)精度高、無觸點(diǎn)、低噪聲等顯著優(yōu)點(diǎn)。由于某型檢測(cè)系統(tǒng)是用于某有線通信線路的在線檢測(cè)，這類線路通過二線差分方式可傳輸多類通信信號(hào)，其標(biāo)稱電平峰值范圍為0.8～9V，頻率范圍為50～2.5MHz，匹配阻抗為120Ω、600Ω，其在檢測(cè)過程中無法預(yù)先知道傳輸信號(hào)類型；因而本文運(yùn)用數(shù)字電位器可編程控制阻值功能，設(shè)計(jì)了增益可自適應(yīng)調(diào)整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以較好地解決了這一問題。
1.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通常由信號(hào)調(diào)理電路﹑模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路和信號(hào)傳輸電路3部分組成。信號(hào)調(diào)理電路主要完成阻抗匹配﹑信號(hào)幅度調(diào)節(jié)和濾波;ADC主要完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換;信號(hào)傳輸電路主要用于將ADC輸出的數(shù)字信號(hào)傳送到上位機(jī)，并從上位機(jī)獲取控制信號(hào)完成采集系統(tǒng)的功能控制。
依據(jù)前文所述，為完成對(duì)信號(hào)的采集，采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)略有富余：輸入阻抗大于6MΩ，輸入信號(hào)幅值范圍大于0.5～10V，電路頻率范圍大于30～3MHz。
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，ADC芯片是核心，整個(gè)電路設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)圍繞ADC芯片展開，所以首先要完成ADC芯片的選型工作。根據(jù)采樣定理，為得到完整的信號(hào)信息，采樣頻率只需大于信號(hào)最大頻率的2倍即可，而在工程實(shí)踐中，通常選擇采樣頻率為信號(hào)最大頻率的5～10倍，這就要求系統(tǒng)中數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的采樣頻率應(yīng)大于20MHz。按照功能性和經(jīng)濟(jì)性的原則，ADC芯片選擇ADS822，其主要參數(shù)為：分辨率為10位;采樣速率為40MSPS;動(dòng)態(tài)輸人范圍為2V;信噪比(SNR)為60dB;無動(dòng)態(tài)失真范圍(SFDR)為72dBFS;微分非線性誤差(DNL)為0.5LSB;可選擇單端或差分輸入;+5V單電源供電。
2.硬件電路設(shè)計(jì)
圖1是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，信號(hào)調(diào)理電路由儀表放大器、增益調(diào)節(jié)放大器、ADC輸入緩沖放大器組成。儀表放大器的主要功能是提供高輸入阻抗(通?？梢赃_(dá)到109～1012Ω)，用于提高電路共模抑制比和完成差分輸入到單端輸出的轉(zhuǎn)換。增益調(diào)節(jié)放大器用于完成信號(hào)增益控制，以匹配ADC的輸人范圍。ADC輸入緩沖器配合ADC使用，用于隔絕前后級(jí)電路的干擾，同時(shí)完成ADC單端信號(hào)的輸入調(diào)整。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)電路以ADC芯片為核心組成，用于完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。信息傳輸電路以FPGA芯片為核心組成，用于為ADC提供采樣時(shí)鐘，讀取ADC輸出數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行初步信號(hào)處理，將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，并通過SPI控制線對(duì)增益調(diào)節(jié)放大器進(jìn)行控制。
圖1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.1儀表放大器電路
儀表放大器是一種具有差分輸入和相對(duì)參考端單端輸出的閉環(huán)增益單元。通常由3個(gè)運(yùn)放組成，圖2是儀表放大器原理圖，U1A、U1B組成差分放大電路，為同相差分輸入方式，用于提高電路的輸入阻抗，減少電路對(duì)小信號(hào)的衰減，同時(shí)該電路只對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，而共模信號(hào)只起跟隨作用，其對(duì)差分信號(hào)的增益G=1+(R1+R2)/R3。U2A為減法器電路，用于完成差分信號(hào)到單端信號(hào)的轉(zhuǎn)換，當(dāng)R4=R5，R6=R7時(shí)，其增益G=R6/R4。圖2所示儀表放大器的總增益為2。R1與C1，R2與C2，R6與C3，R7與C4，分別組成一階低通濾波器，能夠抑制放大器噪聲，同時(shí)可防止電路產(chǎn)生高頻自激。
圖2 三運(yùn)放組成儀表放大器
運(yùn)放芯片選擇雙通道集成芯片AD8620，該芯片為高精度的JFET輸人放大器，其供電電源為±5V或±13V，使用±13V供電時(shí)其性能參數(shù)為：最大輸入失調(diào)電壓：150μV;最大輸入偏置電流：±10pA;最大輸入失調(diào)電流：±10pA;輸入電壓范圍：-10.5～+10.5V;最小共模抑制比(CMRR)：90dB;輸出電壓范圍典型值：-11.84～+11.84V;輸出短路電流：±65mA。
2.2增益調(diào)節(jié)放大器電路
增益調(diào)節(jié)放大器電路主要對(duì)輸入信號(hào)幅值進(jìn)行衰減或放大，根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)和ADC芯片的技術(shù)參數(shù)，信號(hào)調(diào)理電路的增益范圍應(yīng)當(dāng)大于0.2～4，由于儀表放大器的增益為2，所以該電路的增益調(diào)節(jié)范圍應(yīng)當(dāng)大于0.1～2。目前很多公司已經(jīng)生產(chǎn)了可編程增益放大器(PGA)來完成增益調(diào)節(jié)的功能，已有的產(chǎn)品雖然使用方便，但是PGA大部分用于小信號(hào)放大電路中，其增益大于1。因而該電路選擇集成運(yùn)放芯片和數(shù)字電位器來完成信號(hào)增益調(diào)節(jié)功能。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)增益放大器用于輸入ADC信號(hào)的增益控制。如圖3所示，增益調(diào)節(jié)放大器電路由AD8620芯片的另一個(gè)運(yùn)放和一個(gè)數(shù)字電位器芯片AD5141組成。AD5141芯片為單通道，10kΩ，100kΩ可選數(shù)字電位器，控制方式SPI、可選，256個(gè)游標(biāo)位置，其主要性能參數(shù)為：最大電阻容差：8%，10kΩ帶寬：3MHz，A、B、W端允許通過電流值范圍：-6～+6mA。
圖3 增益放大器電路
數(shù)字電位器W端和B端的阻值為RBW，其調(diào)節(jié)范圍為40～10kΩ，步進(jìn)值39.23Ω，運(yùn)放芯片應(yīng)用為反相放大器，其增益G=-RBW/R8，R8=5kΩ時(shí)，該電路增益調(diào)節(jié)范圍0.008～2。R9為匹配電阻，通常選擇R9=RBW/R8，在這里由于R,BW是可變，因此選擇R0=2kΩ。
儀表放大器輸出的信號(hào)經(jīng)過增益調(diào)節(jié)放大器后，調(diào)整為2Vp-p信號(hào)，傳送到ADC輸入緩沖器中。圖4為ADC輸入緩沖器和ADC工作電路。ADS822工作在單端輸入狀態(tài)時(shí)，其輸入信號(hào)范圍為0～2V，因而從增益調(diào)節(jié)放大器過來的信號(hào)不能直接送到ADC的輸入端，需要增加一個(gè)輸入緩沖器，將信號(hào)范圍調(diào)節(jié)成0～2V，圖4中的U4組成電路即為ADC輸入緩沖器，該電路是依據(jù)ADS822的使用手冊(cè)提供參考電路設(shè)計(jì)。
圖4 輸入緩沖器與ADC電路
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)形成
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件主要是完成系統(tǒng)控制﹑數(shù)字信號(hào)處理和信號(hào)傳輸?shù)裙δ?，通過FPGA芯片XC3S400來完成。FPGA芯片為ADC電路提供時(shí)鐘，讀取ADC輸出數(shù)據(jù)，并對(duì)通過對(duì)數(shù)據(jù)大小的分析，判斷ADC的輸入信號(hào)幅值范圍，如果信號(hào)幅值過大或者過小，就通過輸出控制信號(hào)調(diào)節(jié)數(shù)字電位RBW器大小來改變?cè)鲆嬲{(diào)節(jié)放大器的增益，使輸入ADC的信號(hào)幅值保持在ADC工作的最佳范圍之內(nèi)。FPGA同時(shí)可對(duì)接收到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，將處理后的數(shù)據(jù)通過USB2.0接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。
圖5 軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)軟件基于ISE環(huán)境開發(fā)，采用模塊化設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示，依據(jù)功能不同整個(gè)軟件可以分為以下7個(gè)模塊：
(1)主控協(xié)調(diào)模塊，用于接收控制端輸入的工作模式和控制信息，完成整個(gè)系統(tǒng)功能的控制，并為數(shù)據(jù)在FPGA內(nèi)部傳輸提供通道，同時(shí)向各個(gè)模塊提供時(shí)鐘和復(fù)位信號(hào)。
(2)數(shù)據(jù)采集模塊，用于控制ADC芯片工作，為ADC芯片提供采樣時(shí)鐘，讀取ADC芯片輸出的數(shù)字信號(hào)，采用FIFO方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖，并將數(shù)據(jù)傳送到主控協(xié)調(diào)模塊和數(shù)據(jù)判斷模塊。
(3)數(shù)據(jù)判斷模塊，主控單元通過JOE控制該模塊是否工作，該模塊工作時(shí)用于分析、判斷ADC的輸入信號(hào)幅值范圍，并將判斷結(jié)果轉(zhuǎn)換為增益控制信號(hào)傳送到電位器控制模塊。
(4)電位器控制模塊，接收主控協(xié)調(diào)單元的輸出的工作狀態(tài)控制信號(hào)，可工作于3種固定增益方式或增益自適應(yīng)方式。3種固定增益方式應(yīng)用于能夠確定信號(hào)類型得場(chǎng)合。工作在增益自適應(yīng)方式時(shí)，通過接收數(shù)據(jù)判斷模塊輸出的控制信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字電位器控制信號(hào)輸出，調(diào)節(jié)數(shù)字電位器RBW變化。
(5)信號(hào)處理模塊，用于補(bǔ)償因?yàn)椴杉到y(tǒng)增益造成的數(shù)據(jù)變化，將ADC采集到的數(shù)據(jù)還原成輸入系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并可依據(jù)應(yīng)用需要，進(jìn)行部分運(yùn)算量大、運(yùn)算實(shí)時(shí)性要求高的數(shù)字信號(hào)處理，并將最終處理結(jié)果傳送到數(shù)據(jù)傳輸模塊和波形顯示模塊。
(6)數(shù)據(jù)傳輸模塊，用于采集系統(tǒng)與上位機(jī)的通信，完成上位機(jī)控制信號(hào)的接收和采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送。該模塊分為兩部分，一部分是RS232接口，用于低速控制信號(hào)的接收，一部分是USB2.0接口，用于高速數(shù)據(jù)的傳輸。
(7)波形顯示模塊，用于將信號(hào)處理模塊傳輸來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以用顯示器顯示的波形信號(hào)，并輸出到顯示器顯示，可用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在主控協(xié)調(diào)單元的使能信號(hào)下工作。
4.關(guān)于數(shù)字電位器的常見問題
4.1數(shù)字電位器的用途是什么?
數(shù)字電位器(也稱為電阻式數(shù)模轉(zhuǎn)換器，或非正式的數(shù)字電位器)是一種模擬電位器模擬功能的數(shù)字控制電子元件。它通常用于微控制器微調(diào)和縮放模擬信號(hào)。
4.2數(shù)字電位器是如何工作的?
數(shù)字電位器(也稱為數(shù)字電阻器)具有與普通電位器相同的功能，但與普通電位器相比，數(shù)字電位器使用數(shù)字信號(hào)和開關(guān)代替機(jī)械動(dòng)作。任何時(shí)候都只關(guān)閉一個(gè)開關(guān)，閉合的開關(guān)決定了“雨刷”的位置和電阻比。
4.3數(shù)字電位器的電阻容差是多少?
數(shù)字電位器往往具有大的的端到端公差。Maxim數(shù)字電位器通常具有20%至30%的電阻容差。當(dāng)數(shù)字電位器用作與其他電阻器串聯(lián)的分壓器時(shí)，電阻容差可能會(huì)出現(xiàn)問題。
4.4如何將數(shù)字電位器連接到Arduino?
將數(shù)字電位器的時(shí)鐘引腳(SCL)的引腳4連接到Arduino上的模擬引腳5，將數(shù)據(jù)線(SDA)的引腳5連接到模擬引腳4。在SCL和SDA線上，添加4.7K歐姆拉上電阻，將兩條線連接到+5V。最后，將LED連接到引腳1，即AD5171的“雨刷器”，串聯(lián)一個(gè)680歐姆LED。
圖6 數(shù)字電位器連接到Arduino
結(jié)語
以上就是基于數(shù)字電位器的增益自適應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)介紹了。數(shù)字電位器是一種數(shù)字設(shè)置的IC，在許多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計(jì)中取代了經(jīng)典的機(jī)電式電位器。數(shù)字電位器不僅減少了產(chǎn)品尺寸和因意外移動(dòng)而出錯(cuò)的可能性，而且還增加了與處理器的兼容性，從而增加了軟件的兼容性，還具有更高的精度和分辨率(如果需要)以及其它的有用功能。本文通過分析論證，給出了完整的硬件設(shè)計(jì)電路和軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過仿真，系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，可為類似的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考借鑒。
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