（仪器科学与技术专业论文）高精度电压电流校准仪的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 过程校准仪是工作在工业过程现场的一种校准仪表，主要用于对工业过程控 制中使用的变送器、阀门、传感器等设备进行标定和检测，以保障生产过程安全、 可靠的运行。本文设计了一种高精度电压电流校准仪，讨论了系统的总体设计方 案，详细介绍了系统各部分的硬件组成及软件实现方法，完成了系统性能指标的 标定，在此基础上得出了结论并对系统的改进提出了构想。 本文的研究工作主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 精密信号调理电路的设计。从精密电路设计理论出发，提出了模拟信号 调理电路的设计方法，讨论了系统中噪声的来源与抗干扰措施，构建了为系统供 电的电源系统。 ( 2 ) 高精度数据转换电路的研究。分析了式模数转换器( a d c ) 的工作 原理，构建了基于系统级y - a a d c 芯片m s c l 2 1 0 的模数转换电路和控制电路，讨 论了发挥m s c l 2 1 0 优越性能的条件及软件实现方法。利用d a c l 2 2 0 建立了高性 能的数模转换电路。 ( 3 ) 基于d s p 的数据处理系统。给出了数据处理系统的硬件构成，介绍了几 种实用的数字滤波算法，详细叙述了有限冲激响应( f 瓜) 滤波器的设计与实现方 法。 ( 4 ) 系统性能指标的标定。利用基准源与六位半数字多用表对系统性能指标 进行了校准和标定，通过对实验数据的处理和分析指出了误差产生的原因，提出 了对系统改进的构想。 高精度过程校准仪的研究在我国起步较晚，水平相对落后，但应用却越来越 广泛。本文设计的校准仪在测量精度方面达到了较高的标准，而输出精度也接近 了国外同类产品的水平。论文的研究成果对国产高精度过程校准仪的研究能够起 到一定的推动作用。 ：l ：a n - 校准 aa d 转换器d a 转换器滤波 f i r 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t 1 h ep r o c e s sc a l i b r a t o ri sac a l i b r a t i o nt o o l su s e di nt h ei n d u s u yp r o c e s sf i c l dt o e n s l l 批t h es a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o nd u r i n gt h ep r o d u c t i o np r o c e s s w h i c hi sm a i n l y u s e dt od e m a r c a t ea n dd e t e c tt h el a - a n s m i t t e r , f l e l l s o l a a do t h e ri n s l n m i c n t su s e di nt h e i n d u s t r yc o n t r 0 1 i nt h i st h e s i sah i g hp r e c i s i o nv o l t a g e c u r r e n tc a l i b r a t o ri sd e s i g n e d t h ep a p e ri n t r o d u c e dt h ew h o l es e l a e m eo ft h es y s t e ma n dt h el e a l i z a t i o no fh a l d w a l t f c a n d 文订t w a 聆a n da c c o m p l i s h e dt h ed e m a r c a t i o no f t h es y s t e m sp e r f o r m a 舭i n d e x i n t h ee n di tp r e s e n t sap r o s p e c tb a s e d0 1 3 a l lt h ew o r k st ob e t t e rt h es y s t e m a l lt h ez 髓e a r e h e si nt h ep a p e ri n c l u d ef o u ra s p e c t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) d e s i g n i n go ft h ep r e c i s es i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t t h ep a p e rp r e s e n t e dt h e d e s i g no fc o n d i t i o n i n gc i r c u i tf o ra n a l o gs i g n a l sb a s e d o nt h ed e s i g nt h e o r yo f p r e c i s i o n c i r c u i t , d i s c u s s e dt h es 0 1 1 1 c e so ft h en o i s ea n dm e a s l 1 t e s f o ra n t i - j a m m _ i ga n d e s t a b l i s h e dt h ep o w e r s y s t e m ( 2 ) r e s e a r c h0 1 1h i g hp r e c i s i o nd a t ac o n v e r t i n gc i r c u i t m u c hw o r kw a sd o n ei nt h e p a p e rt oa n a l y z et h es i g m a - d e l t aa d c sp r i n c i p l e ，c r e a t et h ea dc o n v e r t i n ga n d c o n l z o lc i r c u i t sb a s e do i lak i n do fs y s t e m a t i c - l e v e la d cc h i pm s c l 2 1 0 , a n da l s ot o d i s c u s sh o wt ot a k ea d v a n t a g eo fm s c l 2 1 0a n dr e a l i z ei t b ys o f t w a r e ad a c o n v e r t i n gc i r c u i tw i t hh i g hp e r f o r m a n c eu s i n gt h ed a c l 2 2 0w a se s t a b l i s h e d 砒t h e f l a m c ：t i m e t ( 3 ) d a t ap r o c e s s i n gs y s t e mb a s eo nd s p t h ep a p e rp r e s e n t e dt h eh a r d w a r eo f d a t a p r o c e s s i n gs y s t e m , i n t r o d u c e ds e v e r a lp r a c t i c a la l g o r i t h m so fd i g i tf i l t e ra n dt h e n n a r r a t e dh o wt od e s i g na n dr e a l i z ef i rf i l t e ri nd e t a i l s ( 4 ) d e m a r c a t i o no ft h es y s t e m sl 螂o r m a n c ei n d e x t h ep a p e rc a l i b r a t e da n d d e m a r c a t e dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xw i t hv o l t a g er e f e r e n c ea n d6 d i g i t a lm i l l i m e t e r , p o i n t e do u tt h ec a u s eo f e r r o r sb yp r o c e s s i n gt h ee x p e r i m e n td a t aa n da n a l y s i s ，a n dt h e n b r o u g h tf o r w a r dt h eb e t t e rd e v i s e c o m p a r e dw i t hf o r e i g nc o u n t r i e s , t h e r e s e a r c ho nh i g hp r e c i s i o np r o c e s sc a l i b r a t o r c o m e so u tl a t e ra n dh a sa r e l a t i v e l yl o wl e v e li no u rc o u n l r y h o w e v e l * , i t sa p p l i c a t i o ni s b e c o m i n gm o a n dm o l ew i d e l yt o d a y t h ec a l i b r a t o rd e s i g n e di nt h ep a p e r r e a c h e sa h i g hs t a n d a r di ni n e a s u r c m c n ta n di ti sa l s oc l o s et ot h ef o r e i g np r o d u c t i o nw i t hr e s p e c t t oo u t p u t 觚司叫a 吼t h ep r o d u c t i o nc a np r o m o t et h er e s e a r c ho nh i g ha c c u r a c yp r o c e s s c a l i b r a t o ri n l a n d k e yw o r d s ：c a l i b r a t i o ns i g m a - d e l t a a d od a cf i l t e r f i r 第n 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表2 1 系统预期技术指标与f 7 1 5 的对比 表3 1o p 1 7 7 的主要参数 表6 1i o v 量程档电压测量数据对比( 单位：v ) 。 1 5 表6 2 校准仪l o o m v 量程电压输出情况( 单位：m y ) 4 8 表6 3 校准仪i o v 量程电压输出情况( 单位：v ) 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图1 1 过程校准仪产品举例 图2 1 校准回路电源供电隔离器 图2 2 校准阀门定位器 图2 3 系统硬件总体框图 图2 4d s p 软件设计框图 图2 5 单片机软件设计框图 图3 1 信号输入电路 图3 2 放大电路 图3 3 信号输出电路。 图3 4 电源升压电路 图3 5 电源降压电路 图4 1 乱c 组成框图 图4 2e - a 调制器结构图 7 1 2 1 8 1 8 图4 3 一阶- 调制器复频域框图 图4 4 一阶调制器离散模型 图4 5m s c l 2 1 0 的a d c 结构 图4 6 基于m s c l 2 1 0 的模数转换电路 图4 7s i n ，滤波器的频率响应 图4 8 模数转换软件流程 图4 9d a c l 2 2 0 结构和原理框图 。2 2 2 4 2 4 ：1 6 2 7 图4 1 0d a c l 2 2 0 与m s c l 2 1 0 接口示意图 图4 1 1d a c l 2 2 0 进行数模转换的时序逻辑3 0 图4 1 2d a c l 2 2 0 进行数模转换的软件流程。 图4 1 3m s c l 2 1 0 与外围电路的接口 图4 1 4 键盘排列示意图 图4 1 5 编码键盘的实现 图4 1 6m s c l 2 1 0 与模拟开关的接口 图5 1t m s 3 2 0 f 2 0 6 与m s c l 2 1 0 的接口电路 图5 2d s p 与液晶屏的接口 图5 3 直接型横向滤波器 。3 2 3 3 图5 4 转置型横向滤波器。 3 6 3 9 图5 5f i r 低通滤波器频率响应 第v 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图5 6 线性缓冲区实现延时4 2 图5 7 用线性缓冲区实现f i r 滤波器程序流程 图6 1 零位信号测量数据对比( 单位：v ) 。 图6 2 用1 0 v 量程测量多个电压信号的数据对比( 单位；v ) 图6 3 电流输出的误差分布 4 2 4 5 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包合为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书面使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：直擅廑量匡皇渲控造戗煎盈荭 学位论文作者签名：! 茎杰绍、 日期：? “年l f 月z z 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留，使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构遂交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内客编入有关数据库进行检索， 可以采用影印缩印或扫描等复倒手段保存j 【编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目： 壶擅廑电廷z 电速控堡丛的巫窀 学位论文作者签名：盏立2 鱼 作者指导教师签名： 日期：2 砷| 年1 1 月22 日 日期：办；年1 1 月j ，i e i 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题概述 1 1 1 课题的来源及应用背景 随着生产过程自动化技术的发展，为了保证生产过程安全、可靠的运行，需 要对过程仪表进行周期性的校准和维护。在这种情况下，传统的将过程仪表拿回 实验室进行校准的方法已经无法满足生产的要求，取而代之的是在生产过程现场 直接对过程仪表进行校准。这就要求校准仪不但具有现场校准需要的温度、压力、 电压、电流等物理量的输出和测量功能，同时还应具备便携式小型化的特点。根 据这一趋势，国外很多著名的仪表生产厂商纷纷推出自己的现场型过程仪表校准 仪产品，如美国福禄克公司的f 7 1 0 系列，日本横河公司的c a l 0 系列等i l j 这类 校准仪除了功能、应用范围以及精度指标要满足现场校准的要求外，同时还应具 有对温度、湿度变化及水溅和偶然跌落的环境适应能力。另外为了保证校准仪的 精度指标，它还应该能溯源到国家标准。图i 1 所示分别为美国福禄克公司生产的 回路校准仪f 7 1 5 ( 左) 和香港优利德公司生产的过程校准仪u t 6 8 1 ( 右) 。 图i 1 过程校准仪产品举例 现场型过程校准仪产品按功能可分为压力校准仪、温度校准仪、回路校准仪 和多功能校准仪等几类。本课题的研究对象电压电流校准仪是回路校准仪的一种， 主要用于对过程现场使用标准电流和电压信号的仪表或变送器进行校验和检查， 设计有输出和测量直流电流、电压的功能，模拟变送器输出的功能，提供2 4 v 回 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 路电压并同时测量电流的功能 1 1 2 课题研究目的 本课题希望通过硬件电路设计和软件编程，使过程校准仪能够实现电压和电 流的输出和测量功能，达到预期的精度要求。满足低功耗小型化的特点，在高精 度过程校准仪的研究方面做一次探索。 首先，可以完成高精度电压电流校准仪的设计。随着电子、传感器技术的发 展，越来越多的智能型过程仪表被应用到过程现场，电压，电流校准仪主要用于对 过程现场使用标准电流和电压信号的仪表进行校验和检查。与传统的校准仪器相 比，它具有准确度高、校准方法简单，便于携带，可进行现场校准等优点。目前， 国内同类产品还不多，本课题的研究可以作为国产过程校准仪表研究的一次有益 的探索。 其次，电压电流校准仪的开发成功，将为后续电阻、温度、压力等同系列过 程仪表校准仪的研制打下良好的基础。各种校准仪核心部分的设计基本相同，根 据实践的反馈，后续亭品的开发可以不断改进，在设计上、结构上采用更合适的 方案，使本系列过程校准仪表的设计不断趋于完善。 1 2 过程校准仪在国内外的发展现状 从过程工业的最初发展开始，就有了过程仪表的概念，特别是石油化工领域 的需要，更是过程仪表发展的原动力。进入7 0 年代，由于电子、传感器技术的迅 速进步，过程仪表进入了一个新的发展时期，其应用范围覆盖了石化、冶金、造 纸、电力、制药和食品等多个行业。， 过程仪表的校准问题始终是仪表设计者和用户关心的问题。过去由于技术的 限制，过程仪表的校准是一项复杂、繁琐、常在实验室进行的工作。近年来，由 于技术的不断进步，国外很多著名的仪表生产厂商纷纷推出自己的现场型过程仪 表校准仪产品，各种类型的手持式过程仪表校准仪越来越普遍地出现在工作现场， 过程校准呈现蓬勃发展的趋势。 过程校准仪这一市场目前群雄并起，竞争激烈，世界上有3 0 多家公司生产这 类产品，其中以美国的福禄克公司知名度最高。福禄克公司是世界三大电子测量 仪器厂商之一，福禄克的直流和低频校准器、示波器和手持式数字多用表在业界 享有很高的声誉，而过程仪表校准仪正是校准技术和便携仪表技术合二为一的产 物。1 9 9 4 年福禄克公司向市场推出第一款过程仪表认证器f 7 0 1 、f 7 0 2 ，在此后的 几年的时间内，福禄克借助于自身的优势，在这一领域取得了很大的成功。f 7 0 1 、 f 7 0 2 是现场全功能校准仪的开山之作，后来福禄克开发了它的换代产品f 7 4 1 b 、 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 f 7 4 3 b ，同时为满足用户的需要，福禄克又陆续推出了f 7 1 0 系列单功能校准器和 f 7 8 7 过程多用表等产品。福禄克过程校准仪表具有精度高、稳定、坚固、耐用、 小巧灵活和功能齐全等特点，深受用户好评。现在，福禄克产品已经占据了现场 过程校准仪2 0 以上的市场份额，居全球首位 近年来，经过不断的探索和努力，国内的一些企业也推出了自己的过程校准 仪产品，如深圳市胜利高电子科技有限公司开发的v c l 0 系列等。但是，相对于国 际知名品牌，我国仪器仪表行业的技术基础还比较薄弱，虽然技术指标与国际同 类产品的差距不大，但产品的稳定性和可靠性方面的问题依然突出，另外国内市 场也逐渐被国际知名品牌抢占。为改变现状，国家需要制定相关政策，规范市场， 支持和引导对仪器仪表行业的研发投入，科研人员也需要付出更多的努力和汗水。 总体来说，国产过程仪表校准仪今后的发展任务还十分艰巨。 过程仪表校准仪的发展趋势是：高精度、多功能、便携式。精度上要求不断 提高，努力向高精度的数字多用表接近。功能上，除数字多用表的测量功能外， 还需加入基准电压源、电流源、电阻源的输出以及模拟功能，温度、压力等物理 量的测量功能。体积上，采用适合现场校准使用的便携化设计。过程校准仪的发 展，一方面要依赖于电子技术的不断进步，另一方面也需要仪表行业的研发人员 努力攻关，在设计理论与方法上有新的突破。 1 3 课题研究的主要内容和论文结构 本文详细叙述了高精度电压，电流校准仪的设计方法。文中提出了系统总体设 计方案，包括硬件原理框图以及软件总体设计思想，对精密电路设计、高精度模 数与数模转换、基于d s p 的数据处理模块等关键技术进行了原理分析，给出了硬 件结构和软件实现方法，最后通过对实验数据的分析和处理得出结论。 论文各章节的安排如下： 第一章绪论。简单介绍课题的背景和来源，综述课题研究的目的、意义、过 程校准仪在国内外的发展现状和发展趋势，介绍了课题研究的主要内容和论文的 基本框架。 第二章系统总体设计方案。介绍校准仪的功能和性能指标，提出系统总体设 计方案，给出了硬件原理框图、软件总体设计思想及其实现方法。 第三章精密电路设计技术。介绍精密信号输入输出调理电路的构成，应用精 密电路设计理论对其进行误差预算，在此基础上得到元器件选取和匹配的方案。 讨论了系统中噪声的来源及相应的抗干扰措旖，设计了为系统供电的电源系统。 第四章高精度数据转换电路。在分析e - a 式模数转换器( a d c ) 工作原理的 基础上，构建了基于系统级a a d c 芯片m s c l 2 1 0 的模数转换电路和控制电路， 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 讨论了发挥m s c l 2 1 0 优越性能的条件及软件实现方法。利用d a c l 2 2 0 建立了高 性能的数模转换电路，介绍了d a c l 2 2 0 的操作时序和软件实现。 第五章基于d s p 的数据处理系统。给出了基于d s p 的数据处理系统的硬件 构成，介绍了限幅滤波、滑动平均滤波等数字滤波算法，详细叙述了有限冲激响 应( f 吸) 滤波器的设计及其d s p 实现方法。 第六章实验数据与误差分析。利用六位半数字多用表对系统性能指标进行了 标定，通过对实验数据的处理和分析指出了误差产生的原因，提出了对系统改进 的构想。 第七章结论与展望。对本课题所做的工作进行总结，提出了几点系统改进的 设想。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章系统总体设计方案 2 1 系统的功能和性能指标 2 1 1 系统需要具备的功能 电压，电流校准仪主要用于对工作在工业控制现场的仪表、变送器、阀门等设 备进行校准，为其提供标准的电流、电压信号，或者测量这些设备在标准输入情 况下的输出。本系统的功能主要有以下几个方面： 量程间距检查功能。校准仪允许用户给每个输出功能存储o 和1 0 0 调整 点。在存储了调整点后，量程间距检查功能就允许用户在o 和1 0 0 之间来回切 换，或以2 5 增量步进。 使用电流输出模式。校准仪能够以毫安值或百分比显示提供电流输出。在 电流源模式下，校准仪供应电流。在模拟模式下，校准仪模拟一组使用外接电流 回路的两线变送器。 用作直流电压源。为需要精确电压源进行校准的调节器提供电压输出。 测量直流电压和直流毫安电流。 图2 1 ，图2 2 所示为过程仪表进行现场校准的两个例子。在图2 1 中，校准 仪被接入控制回路，工作在模拟变送器模式，用来控制回路中的电流，同时用另 一块数字多用表监控回路电源供电隔离器( l o o p - p o w e r e di s o l a t o r ) 的输出。通过 这种方法可以检查回路电源供电隔离器的零位、满度位、线性度等指标；图2 2 中， 校准仪可以标定阀门定位器的输入输出特性。 图2 1 校准回路电源供电隔离器 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 2 系统的性能指标 图2 2 校准阀门定位器 系统的性能指标参考福禄克公司同类型校准仪f 7 1 5 设定，输出指标期望能够 与f 7 1 5 持平，测量方面则提出了更高的要求这样设计使本系统不仅达到了现场 校准仪表要求的精度，而且还可以在实验室环境下作为高精度的数字电压表。表 2 1 给出了系统预期技术指标与f 7 1 5 的对比。 表2 1 系统预期技术指标与f 7 1 5 的对比 功能量程分辨率精度 读数十计数) 福禄克f 7 1 5 0 1 0 0 m vo 0 1 m vo 0 2 十2 电压测量 o 1 0 vo o o l v 本系统 乳1 0 0 m vo 0 0 l m vo 。0 0 5 十2 o 1 0 vo 1 m v 电流测量福禄克f 7 1 5 m v 2 4 m a0 0 0 1 m ao 0 2 冶卜2 本系统 m v 2 4 m a0 1 衅 o 0 0 5 + 2 电压输出福禄克f 7 1 5 o - q o o m vo o l m v0 0 2 + 2 o l o vo 0 0 1 v 本系统 肌1 0 c i m vo 0 1 m v o 0 2 十2 o l o vo 0 0 1 v 电流输出福禄克f 7 1 5 o - - 2 4 m a0 0 0 1 m a 0 0 2 + 2 本系统 o - - 2 4 m ao o o l m a o 0 2 科2 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 2 系统总体设计方案 2 2 1 系统硬件电路设计 渡晶显示 剖眦c 卜 v 1 f t i 卜q v 一 d s r l 基准电压l j i配广：铲 驺 g l 徽控翻嚣 l ! ! 尘! _ 广丽千丽厂再雨丽 r l l l 兰兰! ! 到 1 r 。小r ：f1 t 盘 q u 数据转换 信号调理li 数据处理 。 图2 3 系统硬件总体框图 系统硬件原理框图如图2 3 所示。整个硬件电路主要由信号调理、数据转换、 控制与处理单元、键盘与液晶显示、电源等多个部分组成，各部分电路在微处理 器的控制下协调工作，完成系统的各项功能。l o o p 、v 、m a 、c o m 是校准仪的 四个输入输出端子，其不同的接线组合方式对应系统不同的功能。 系统可测量的物理量有电流和电压两种。图2 3 所示的原理框图中，测量电压 量时，信号从v 和c o m 端子问输入，模拟开关k 1 、k 2 闭合，k 3 k 7 断开。输 入的电压信号经分压电路、放大电路( 放大倍数可调) 调整后，被送入a d c 器件 实藏模数转换，转换完成后，微处理器将结果送入d s p 进行实时处理，最后测量 结果在液晶屏上得到显示。 测量电流时，信号从m a 和c o m 端子间输入，k 3 闭合，其余开关均断开。 电流信号经过检流电阻r l 被转化成电压信号，而后经过放大电路、模数转换、数 据处理等环节，最后测量结果被转换为电流量对应的数值，在液晶屏上显示出来。 除测量电流电压的功能外，校准仪还具有电压输出、模拟电流源、模拟变送 器等输出功能。校准仪输出信号时，先由高精度d a c 器件完成数字量到模拟量之 间的转换，然后经放大电路、输出电路的调整，最后得到需要的电流或电压信号。 电压信号输出时，开关k 4 、k 6 闭合，其余断开。微处理器输出的数字信号 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 先由d a c 器件转换成连续变化的模拟电压信号，再通过精确的缓冲电路和放大电 路调整，在v 端子和c o m 端子之间得到输出。可通过调整微处理器输出量大小 和后端电路放大倍数改变输出信号的量程和精度。 校准仪模拟电流源功能时开关k 5 、k 7 闭合，在l o o p 端子和v 端子之间接 入负载。由电路可知，结型场效应管q 1 的栅极无电流通过，校准仪的输出电流与 参考电阻r 2 上的电流相等，即t 。= 又由运算放大器的特性可知电阻r 2 上 的电流可由数模转换器输出电压控制，即= 恐，因而有k = 恐， 这样就实现了可控电流的输出，从而实现了模拟电流源的功能。 模拟变送器功能时，在v 端子处外加回路电源和负载。其工作原理与校准仪 模拟电流源时相同。 在整个硬件电路中，控制处理单元是最重要的核心部分，它与相关软件相互 配合，主要完成以下工作；检测键盘信息以获知使用者需要的工作模式，通过控 制模拟开关来实现各个模式之间的转换；控制a d c 和d a c 器件完成数据转换； 将得到的数据进行分析处理；控制液晶屏显示测量，输出结果以及工作状态的信息。 键盘主要用来控制校准仪的工作状态。通过键盘的使用，可以控制校准仪进 行测量输出方式的选择、物理量的选择以及量程的选择等。液晶显示器可以显示 测量结果，也可显示输出物理量的大小，同时能够通过一些标志表征校准仪的工 作状态。 2 2 2 系统软件总体设计方案 图2 4 d s p 软件设计框图 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 软件设计是系统总体设计的一个重点，控制处理电路完成的功能都需要软件 的支持。本系统软件采用模块化设计，可将不同功能的程序设计成一个个程序模 块，其中包括键盘扫描模块、模式选择模块、a d 转换模块、d a 转换模块、数 据处理模块以及显示模块等，最后将它们有机的结合起来，组成个整体，完成 系统所需的功能。系统中控制处理模块由d s p 和单片机两部分组成，其各自的软 件设计框图分别如图2 4 和图2 5 所示。 图2 , 5 单片机软件设计框图 2 3 本章小结 1 本章首先介绍了校准仪的功能和性能指标，在此基础上提出系统总体设计方 案，其中包括系统各功能模块的任务和实现方法，并给出了硬件原理框图、软件 总体设计思想及总体流程。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章精密电路设计技术 3 1 精密信号调理电路设计 精密信号输入输出电路的设计是本系统硬件电路设计的重点之一，也是整个 系统功能顺利实现、精度达到预期指标的前提和保证。如果这部分电路的精度无 法达到可以接受的标准，则后续高精度、高分辨率a d c 和d a c 器件的优势将完 全无法碍到发挥，整个系统的高精度也就无从谈起。 3 1 1 信号输入电路设计 图3 1 、图3 2 所示分别为系统的信号输入电路和放大电路简图。输入信号主 要是电流和电压信号。电压输入信号vt n 最高可达i o v ，因此需先对其进行一次 分压处理。分压电阻选取大阻值精密电阻，可以尽量减少因电源内阻带来的误差。 输入信号分压后经跟随器、模拟开关、一级放大电路和一级运算电路，最后转换 为a d c 器件可接受的信号，进行a d 转换。由于模拟开关的漏电流会引起测量误 差，这里选择的是仅有皮安级漏电流的高性能模拟开关m a x 3 1 3 。图3 2 中围绕运 算放大器u 4 搭建的电路完成信号的放大，可以根据不同的输入信号和量程选择合 适的放大倍数，其中开关k 处也由m a x 3 1 3 实现。u 5 的输出是一个电压参考信 号三r e fd c v ，与u 4 的输出d c vo u t 一起经最后的运算电路可得a d c 器件 4 一 的输入信号为： 蚀且= 吾d “一o u t + r e f d c v ( 3 1 ) 其中，r e fd c v 是由稳压芯片r e f l 9 2 提供的电压参考信号。由于后面选取的 a d 转换器采用的是差分输入方式，如果把r e f _ d c v 作为负通道输入，经过a d 转换以后( 3 1 ) 式中的r e fd c v 这一项将被消去。这样处理可以消除或大幅度减小 因参考不稳而造成的误差，同时也有利于转换结果的处理。另外，为避免或减小 电源波动对缓冲、放大电路的影响，还需要为每一片放大器配置合适的滤波电容。 电流信号输入时，先经过检流电阻i b 转换成电压信号，其后续处理过程与电 压输入时类似。 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 删 图3 1 信号输入电路 3 1 2 信号输出电路设计 图3 2 放大电路 图3 3 所示为信号输出电路设计简图。d a _ o u t 是高精度d a c 器件输出的模 拟信号，经过一级运放缓冲，由模拟开关k 选择电压输出或者电流输出。当输出 为电压信号时，只需再经过一级放大电路即可完成，且有 r o u t = 3 - d a o u t ( 3 2 ) 国防科学技术大学研究生院学位论文 图3 3 信号输出电路 当输出为电流信号时，采用图3 3 中所示的可控电流源电路。由于采用了结型 场效应管的原因，该电路的一个优点就是零基极电流误差。在该电路中，当q l 流 过o 6 m a 的漏极电流时，由于偏置电阻r 2 1 的作用，q 2 开始导通，流过电阻r 2 2 的电流与输出电流相等，即 i o u t = k 2 ( 3 3 ) 又由运算放大器的特性可知，i 吻可由电压d a _ o u t 控制，则最后可得： i o u t = d a o u t i r ( 3 4 ) 可控电流输出得以实现。 3 2 误差预算与元器件选择 几乎任何一个电路都会在所有地方产生误差，为了找出问题所在并更换元件 或更改电路以达到更好的效果，就需要在误差出现处进行标记。在一个合理的设 计中，这种误差预算是有必要的，很多时候使用一个便宜的元器件就能达到令人 满意的结果。相反，使用几种简单的方法把各种精密元件凑在一起却往往并不能 达到理想的精度。 在前面设计的电路中，误差可以划分为以下凡类：外部网络元件的误差；运 算放大器连同其输入电路引起的误差；运算放大器连同其输出电路引起的误差 2 1 。 以上三种情况的具体例子分别是电阻的容差、输入失调电压和由于有限的转换速 率引起的误差。充分考虑以上各种误差对电路的影响，合理地设计电路结构并选 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 择合适的器件，才能使电路达到预期的精度要求。 3 2 1 1 元器件误差 参考电压、电流源以及放大器增益的精密程度都取决于外部网络所使用的电 阻的精度及稳定性。即使元器件的精度并不直接起作用，对整个电路也会有巨大 的影响。可以简单地这样理解，在某些地方元器件的精度至关重要，而另外一些 地方的元器件本身的值却是决定性的。 元器件通常会有一个初始值，同时还有一个随时问和温度变化的范围。此外 还有电压系数的规定和一些特殊因素，例如记忆现象和介质吸收。完整的规范还 包括了众多环境因素的数值说明，如周期循环和焊接时的温度影响、撞击和振动、 短期过载和湿度的影响。一般来说，初始精度较高的元件在其他规范上都会相对 较好，以保证与初始精度相对应的全面的稳定性。 在前面设计的电路中，网络的增益部分选用的是o 0 1 的精密电阻，以给出很 高的可预测增益，这部分电阻包括r s r 1 4 、r 1 9 、r 2 0 、1 1 2 2 ，另外分压电阻r 1 、 1 1 2 ，检流电阻r 5 也同样需要如此选择。r 3 、r 4 、1 1 6 、1 1 7 这类电阻可以对放大器 起到一定的保护作用，其本身的初始精度不是很重要，但考虑到运放输入偏置电 流等因素的影响，取值不宜过大，而且最好选取具有良好稳定性的产品。r 1 3 、r 1 4 情况比较特殊，要同时考虑对前一级运放输出端和后一级运放输入端的影响，通 过权衡，最后选择一个折中方案。这两个电阻也是对本身初始精度的要求不高， 但必须选择稳定性良好的器件。 3 2 2 放大器的输入误差 实际的运算放大器在某些方面会偏离理想的输入特性，如有限的输入阻抗和 输入电流、电压失调、一般情况的抑制比，还有电源抑制比和由于时间和温度引 起的漂移。这些输入漂移特点会影响精密电路结构的设计、元件的选择以及特定 运算放大器的选择。 ( 1 ) 输入阻抗 有限的输入阻抗的影响是在驱动放大器的电源阻抗上形成一个电压降，从而 降低了增益。通常这个司题并不需要太多考虑，因为输入阻抗可以通过反馈大幅 度增加自身的阻值。在一个有足够开环增益的电路中，反馈甚至可以使输入电阻 提高至共模输入阻抗，即2 0 0 0 0 m q 。这完全可以满足要求。 ( 2 ) 输入偏置电流 输入偏置电流是指运放输入端的拉电流或灌电流，可定义为输入端接在一起 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时总输入电流的一半 2 1 。当电流为纳安级时，如果内阻为l k q ，就能产生微伏级的 电压误差。双级型运算放大器的偏置电流一般会有几n a ，而设计良好的场效应晶 体管放大器只有p a 级的偏置电流，但是其失调电压较大。考虑到失调电压一般能 被平衡，所以温度漂移才是更需要关注的问题。在这种情况下场效应晶体管放大 器和双级型晶体管放大器相比就要差3 至6 0 0 0 倍了，它的失调电压将会随着时间 产生相当大的漂移，因此其电流误差的改善很可能会被增加的电压误差抵消。此 外还应注意，带场效应管( 肼) 输入的运算放大器输入偏置电流实际上就是一种 栅极漏电流，它将会随着温度的上升而剧烈上升( 粗略估计，芯片温度每升高l o 电流就会翻倍) 。因为f e t 运算放大器在使用中常常会发热，所以实际输入电 流可能会明显高于数据表上2 5 的标称值。相比之下，输入端带双级型晶体管的 运算放大器的输入电流实际上是基极电流，它会随着温度的升高而降低。因此， 一个f e t 运算放大器的规格表上的输入电流值虽然令人印象深刻，但实际应用中 并不一定比一个双级型系统好多少。 ( 3 ) 电压失调 放大器输入端的电压失调也是误差源之一。关于这个参数，各种运算放大器 的区鄹很大，精密的运算放大器可以提供最坏情况下十分之一微伏的吃，而普通 运算放大器，比如l f 4 1l ，则为2 5 m v 。 尽管绝大部分好的单个运算放大器都有失调调整端，但是在选择放大器时还 是选择初始最大失调吃尽量低的较好。这样做有几个原因；第一，初始失调低的 运算放大器一般相应的随时间和温度的失调漂移也会较低；第二，使用较精密的 运算放大器可以免去外部微调元件的使用，因为微调器会占用空间，并且需要初 始设置，而且可能会随着时间而改变；第三，失调电压漂移和共模抑制都会由于 一个失调微调器所引起的不平衡而降低。 另一个应该注意的问题是，当运算放大器驱动一个低阻抗负载时自身发热导 致的漂移。通常，为了避免这个原因引起比较大的误差，负载的阻抗应该保持在 1 0 k 量2 以上。但是，这样做又会由于偏置电流的原因引起下一级电路的误差。这时 一般需要根据误差计算，得到一个折中的选择。 ( 4 ) 共模抑制 ， 有限的共模抑制比( c m r r ) 会在输入端引入失调电压而降低电路的精度。这 一影响通常都可以忽略不计，因为它只相当于一个小的增益变化，而且在任何情 况下都可以通过选择适当的电路结构来克服。比较高级的精密运算放大器，例如 o p 7 7 ，其最小共模抑制比为1 2 0 d b ，完全可以解决问题。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 2 3 放大器的输出误差 运算放大器在输出级有一些比较严重的局限性。有限的转换速度、输出交越 失真以及有限的开环输出阻抗都会引起较大的问题。但放大器输出误差一般都与 信号频率有关，即仅对交流信号起作用，而本系统中电路工作在直流，因此并不 存在任何运算放大器的输出相关误差，这里不进行展开讨论。 综合考虑以上各种因素，信号调理电路中的运算放大器可以选择双级型低失 调精密运放o p 1 7 7 ，它具有极低的失调电压、较小的偏置电流、足够大的输入阻 抗和共模抑制比，而且温度稳定性良好，基本能够满足本系统电路设计的要求。 表3 1 所示为o p - 1 7 7 的一些主要参数。 表3 1o p - 1 7 7 的主要参数 输入失调电压 输入偏置电流失调漂移共模抑制比 产品型号 ( m a x )( m a x )( 典型值)( m i n ) ( )( p a )( 删) ( d b ) o p - 1 7 72 51 5 0 0o 1 1 3 0 值得注意的是，相比于o p - 1 7 7 ，另一种斩波器稳零运算放大器在失调量方面 具有更加优越的性能，它的偏置电流达到p a 级，失调电压也小于l p v 。但这种放 大器有其不能忽略的缺点：电源电压严重受限；需要添加外部电容；共模输入范 围要求严格；输出源能力很低；输出端会产生恶劣的尖峰噪声。虽然以上这些问 题可以采取一些措施加以克服。但这样也会增加系统的复杂度并使不确定性增加。 与斩波器稳零运放相比，o p 1 7 7 虽然在失调电压和偏置电流方面性能稍差，但其 指标已经能够满足系统设计要求，且结构简单，使用条件宽松，因此o p 1 7 7 仍然 是系统中运算放大器的首选。 3 3 噪声及抗干扰措施 噪声可以理解为附加在有用信号上的不需要的信号。在几乎所有的测量领域， 探测微弱信号的最终限制都在于噪声的存在，有时这些噪声甚至和有用信号相当 甚至将其淹没 3 1 由于噪声和其他干扰的存在，即使系统中采用更高精度的元器件 及电路设计，也难于得到很高的精度。因此，必须尽量避免这些干扰和噪声，在 无法避免时应采取滤波等措麓尽量减小其影响。 3 3 1 热电势 决定热电势的两大要素是温差与金属材料，存在温差时，不同材料的连接可 以产生电耦效应。产生的热电势叠加于信号中，造成误差，尤其是温度场不稳定 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 时就难于校正 减小温差可以减少热电势，而电源、元器件耗电后的自热及人为影响均可产 生温差。因此必须通过减小元器件功耗并采取散热措施使温度均匀，减小温差电 势。提高连接材料的一致性，可以减小接触热电势。因此，测量电路中最好用铜 线、铜接线片与电路板覆铜皮相连，如条件允许，可在连接前清洁氧化铜等杂质。 3 3 2 热噪声 热噪声来源于电子运动，因此存在于所有的电子元件中，当电阻足够大时及 信号较弱时，这种噪声电压完全可以体现出来。 热噪声电压珞具有如下公式： = 2 历西 ( 3 5 ) 其中：波尔兹曼常数k = l 3 8 x 1 0 - 2 3 ，t 为元器件的绝对温度，r 为元器件阻值，口 为噪声频带。如在室温为3 0 0 k ，噪声频带为1 0 k h z ，阻值为1 0 0 i m 时，可产生 约4 u v 的噪声电压。 降低噪声可