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东北大学硕士学位论文 摘要 工业温度信号处理器的研制与可靠性研究 摘要 在工业生产过程中，温度是重要的热工参数之。目前主要的测温方式有热 电偶和辐射测温的两种，其特点是感温元件输出信号较小。然而在工业现场，由 于现场用电负荷较大，电磁干扰严重：工况环境温度较高，并且常常伴有灰尘、 水气等，这些对于工业过程温度信号的准确测量带来一定的难度。因此，高精度 高可靠性的冶金工业过程测温度装置的研制有着重要的现实意义。 本处理器的研制从器件入手，适应工业生产过程实际温度的情况，并详细地 分析了影响测量精度关键器件的温度特性，分析器件的性能。针对工业生产温度 测量信号输出信号小，并且感温元件输出信号易受环境温度变化的影响，因此， 本次设计以微安级电流信号和毫伏级的电压信号测量为背景，模拟工业现场的温 度信号的情况，实现工业生产温度信号处理器的研制。同时，针对生产过程温度 变化大的特点，采用了测量电路漂移自动校准的测量方法，提高了信号的测量精 度。对于生产过程温度高的情况下，对现场温度感温元件实行冷却风流量的自动 控制，为现场温度信号测量提供了可靠的方案。 在数据处理方面，采用了浮点数据格式进行数据运算，减小了数据处理的误 差。适当选择数据的物理量纲，提高有效数字的位数。采用以统计理论为基础的 分批估计数据融合的方法，进一步提高了信号的测量精度。对于微安级的电流信 号测量得到了0 0 2 的线性度。 在误差分析方面，利用最小二乘法对各个环节的测量数据进行分析，得到各 个环节的性能指标。详细地分析在各个环节误差产生的原因和大小，以及影响信 号测量误差的主要因素。本文给出了数据的测量结果和性能指标。 关键词信号处理器可靠性硬件设计数据处理误差分析 东北大学硕士学位论文摘要 d e v e l o p m e n to f t h et e m p e r a t u r e s i g n a lp r o c e s s i n g i n s t r u m e n ta n ds t u d yf o rr e l i a b i l i t y i ni n d u s t r yp r o c e s s a b s t r a c t i nt h e i n d u s t r yp r o d u c e ，t h et e m p e r a t u r e i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n t t h e r m o t e c h n i c a lp a r a m e t e r s n o wt h em a i nm e a s u r i n gm e t h o d sa r et h et h e r m o c o u p l ea n d r a d i a t i o nt h e r m o m e t r yc u r r e n t l y t h e i rc h a r a c t e t i s t i c si st oo u t p u tt h es m a l l e rs i g n a lo f t h es e n s i t i v et e p e r a t u r ec o m p o n e n t b u ti n t h ei n d u s t r yp r o c e s st h ee l e c t r i cl o a d e q u i p m e n t i s h e a v y ，t h ee l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e i sm o r es e r i o u s ，t h ew o r k c o n d i t i o n e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r ei s h i g h e r ，u s u a l l yi nv e r y b a de n v i r o n m e n t c o n d i t i o n ，s u c ha sd u s ta n dt h ew a t e rv a p o u r e t c ，t h e s eb r i n gt h ed i 施c u l tf o rt h e m e t a l l u r g yi n d u s t r yp r o c e s st e m p e r a t u r es i g n a lo f a c c u r a t em e a s u r e m e n t t h e r e f o r e ，t h e d e v e l o p m e n to ft h ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gh a si m p o r t a n tr e a l i s t i cm e a n i n gi nt h e i n d u s t r yp r o c e s s w i t ht h ec h o i c eo fc o m p o n e n ta n df o ra d o p t i n gt h ee i m u m s t a n c eo ft h ef a c t i n p r o d u c t i o n l i n e t e m p e r a a t r c , t h ep a p e ra n a l y z ep a r t i c u l a r l y t h e t e m p e r a t u r e c h a r a c t e r i s t i co fk e yc o m p o n e n t ，w h i c hi st oa f f e c tm e a s u r e m e n tp r e c i s i o n f o r t e m p e r a t u r eo u t p u t ss m a l l e rs i g n a l sa n dt h es i g n a l si sl i a b l et oa m b i e n tt e m p e r a u r e ，t h e p a p e rw i t ht h es m a l l e rc u r r e n ts i g n a la n dm i l l i v o l t a g e l e v e ls i g n a lm e a s u r e m e n tf o r b a c k g r o u n d ，i m i t a t e st h es i g n a lc i r c u m s t a n c eo ft h es p o t ，c a r r y i n go u t t h ed e v e l o p m e n t o f t h ei n s t r u m e n tf o rm e a s u r i n gt e m p e r a t u r ei nt h em e t a l l u r g yi n d u s t r y u s i n ga u t o m a t i c c a l i b r a t i o nm e t h o df o rm e a s u r i n gc i r c u i t ，r a i s e st h em e a s u r e da c c u r a c yo ft h es i g n a l s f o rt h ea c t u a lc i r c u m s t a n c eo ft h em e t a l l u r g yp r o d u c t i o n ，p r a c t i c et h ea u t o m a t i cc o n t r o l o fc o o l i n go f ft h es e n s i t i v ec o m p o n e n tf o rt e m p e r a t u r e ，p r o v i d e st h ed e p e n d a b l ep r o j e c t f o rt h ea c c u r a t em e a s u r e m e n to f t h es p o tt e m p e r a t u r es i g n a l i nt h ed a t ap r o c e s s i n g , u s i n gf l o a td a t af o r m a tf o ro p e r a t i n gt h ed a t ar e d u c e st h e o p e r a t i o ne r r o r t h ec h o i c eo fa p p r o p r i a t ep h y s i c sd e m e n s i o n r a i s ee f f e c t i v ef i g u r e a d o p t i n gd a t af u s i o nm e t h o df o rt h em e a s u r e ds i g n a ld a t a , t h em e t h o dw h i c hi sb a s e d b a t c h i n ge s t i m a t eo fs t a t i s t i ct h e o r y ，f u r t h e rr a i s e s t h em e a s u r i n ga c c u r a c yo ft h e s i g n a l f o rt h em i c r o a m p e r e l e v e le l e c t r i cc u r r e n tt h el i n e a rl e v ei so 0 2 一i i i 东北大学硕士学位论文 i nt h ee l t o ra n a l y s i s ，i tm a k e su s eo fl e a s ts q u a r e st o a n a l y s ee a c hs e g m e n to f m e a s u r i n gd a t a ，g a i nt h ef u n c t i o ni n d e xs i g no fe a c hl i n k a n da n a l y z e sd e t a i l e d l yt h e p e r f o r m a c ei n d e xo ft h ek e ys e g m e n t s ，i te l a b o r a t e dr e a s o na n ds i z e si nt h ee a c h s e g m e n te r r o r ，a n da f f e c t s i n gm a i nf a c t o ro f t h es i g n a lm e a s u r i n ge r r o r t h i sp a p e rg i v e s t h em e a s u r e dr e s u l ta n dt h ep e r f o r m a n c ei n d e xo f t h ed e v e l o p e di n s t r u m e n t k e yw o r d s ：t h es i g n lp r o c e s s i n gi n s t r u m e n t ，t h er e l i a b i l i t y , h a r d w a r ed e s i g n ， d a t ap r o c e s s i n g ，e r r o ra n a l y s i s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论 文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其它 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其它学 位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人虢勃咖 日期：2 0 0 5 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、 使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同 意东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为 不同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： 一t 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论弟一早珀了匕 1 1 工业温度测量的特点 温度是各种工业生产过程和科学实验中非常普遍、非常重要的热工参数之一。 自然界的许多物质，其物理特性如体积、电导率、热电势和辐射功率等都与温度 有关。利用不同的物理特性制作出各种温度传感器，这样就可以通过测量某些物 理参数的变化量间接地获得温度值。 对于工业过程温度测量而言【i j ，多数采用热电偶或辐射测温的方式进行测量。 采用这两种测温方式往往所输出信号幅度较小，输出信号信号易受环境温度的影 响，并且一般传输距离远，对温度信号准确测量提出了更高的要求。现场温度测 量难点主要有以下几方面： ( 1 ) 现场电网干扰严重 在工业生产现场，由于冶金工业现场用电负荷较大、用电设备较多，电网工 况环境比较复杂。 ( 2 ) 环境恶劣 在工业生产现场，常常环境温度变化较大，伴有灰尘、水气等恶劣环境，对 于现场的信号准确测量提出了更高的要求。 ( 3 ) 感温元件输出信号幅度小 在生产过程中，热电偶和辐射测温应用较多。采用这两种测温方法一般信号 幅度小，远距离传输易受现场信号的干扰。同时，感温元件输出的信号易受环境 温度变化的影响。 ( 4 ) 感温元件输出信号的非线性1 2 】 对于有些感温器件，由于其输出的信号与温度信号有着严重的非线性关系， 导致温度信号在一定感温元件输出信号范围无法分辨。 由于上述几点原因，对现场温度信号的准确测量会有一定的难度。另外，随 着工业生产的发展，生产过程控制自动化程度越来越高，对于过程控制信号检测 的准确性和可靠性提出了更高的要求。同样，对重要的热工参数一温度信号的检 测也提出了更高的要求。在复杂工况环境下，实现工业生产过程温度信号准确测 量有着重要的实际意义。 东北太学硕士擘位论文 第一章绪论 1 2 本课题的提出 针对工业生产的环境恶劣、环境温度变化较大以及被测信号幅度较小等特点， 对实现小信号的准确测量有一定难度的情况下，研制了工业温度信号测量。该装 置针对现场温度传感器输出的电流信号和毫伏级的电压信号进行准确测量。测温 处理器的设计，主要考虑以下几方面的内容： ( i ) 关键器件的选取 为满足冶金工业现场的环境温度变化大的特点，对于器件的选择满足工业现 场的要求。对影响测量精度的关键器件进行了温度实验分析，为实现精确测量提 供了可靠保障。 ( 2 ) 选用恰当的测量方法 针对工业现场环境温度变化较大的现状，对测量电路中的运算放大器、电阻 等元件均有影响，测量电路受环境温度的影响很大。因此，采用测量电路漂移自 动补偿的方法，部分或绝大部分消除了测量电路受环境温度变化的影响，从而提 高了信号的测量精度和处理器的可靠性。 ( 3 ) 在程序设计方面 充分考虑了软件设计的容错性、实时性和足够的时序裕度。通过合理地配置 程序，使程序运行稳定可靠。 ( 4 ) 在数据处理方面 对于具有非线性特性的铂电阻元件温度电阻特性方程，采用适当的方法进行 数据处理：对测量数据，采用数据融合的处理方法川，保证测温系统的测量精度 和数据可靠性。 因此，考虑上述几点，设计了工业温度处理器，并着重地考虑了温度测量的 可靠性，进而提高在工业生产过程中产品质量、节约能耗。 1 3 本文主要工作内容 本文具体工作内容如下： ( 1 ) 进行了工业现场温度信号测量的整体设计，系统地分析了所采用测量方 案的可行性和实用性。 ( 2 ) 进行了工业现场温度信号准确测量的硬件设计，着重从器件的选择和器 件性能的分析入手，详细测量了关键器件的线性度和温度特性，并使用计算机仿 真的方法论证了器件特性对实际测量精度的影响。 ( 3 ) 在软件设计方面，利用c p u 中断资源及合理的程序结构 4 】，充分考虑 ( 3 ) 在软件设计方面，利用c p u 中断资源及合理的程序结构 4 】，充分考虑 。2 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 了系统运行的实时性；选取恰当的物理量纲，确保数据的有效位数；为了确保测 量数据的准确性，自动地对基准点校验；为了确保输出数据的可靠性，对输出通 道进行反馈校验；对风量输出控制使用回滞特性，避免频繁投切误动作。 ( 4 ) 采用对测量电路漂移自动校准的测量方法【”。针对测量线路以下两方面 的特点，一方面，测量线路的信号漂移随着时间的变化而变化；另一方面，温度 的变化会引起测量线路中的电阻、放大器的信号漂移及增益变化。为此，在程序 设计时，采用定时方式和温度变化阀值方式进行自动校准，提高了线路的测量精 度。 ( 5 ) 在数据处理方面，利用计算机辅助分析，使用最小二乘法离线的分段 线性化的方法以及在线的使用割线迭代法两种方法求解铂电阻非线性方程，保证 了方程求解的精度。采用以分批估计的数据融合方法对测量数据处理，提高了测 量数据的可靠性。 ( 6 ) 采用了信号周期测频法来确定测量信号的频率，保证了小信号的测量 精度。 ( 7 ) 在误差分析方面1 6 ，详细分析了误差产生的原因、在各个环节误差产生 的大小以及误差的主要来源。 3 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 第二章工业温度信号处理器的总体设计 2 1 温度信号处理器的总体构成 本次设计以温度传感器输出微安级的电流信号作为检测对象。由于工业现场 温度感温元件件易受环境温度变化的影响，因此需要测量感温元件的环境温度作 信号的补偿依据，从而才能实现准确获得现场的温度信号。 基于工业生产过程的状况，设计了温度信号测量装置，主要由以下部分组成： 供电电源、显示电路、基准源电路、现场信号的输入信道、模拟量信号隔离输出 通道、模拟量输出信号隔离反馈电路、串行通讯电路与风量控制电路。 ( 1 ) 供电电源 提供测量系统所需的电源，包括c p u 电源、显示电路电源、模拟量信号隔离 电源、i 0 信号隔离电源等。 ( 2 ) 显示电路 作为人机接口的重要组成部分，用以显示所需显示的数据，供现场观察使用。 显示方式采用静态方式，有较好的视觉效果。 ( 3 ) 基准源电路”1 提供了标准的模拟量信号，基准源电路性能的优劣直接影响到现场信号的测 量精度。现场温度信号的测量，依据基准源产生的基准信号的大小由计算机采集 并经数据处理，采用一定的测量方法，最终获得现场的温度信号。 ( 4 ) 现场信号的输入信道 包括生产过程现场温度信号和传感器感温元件的环境温度信号的输入电路、 放大电路、信号通道选择与滤波电路、电压频率转换电路、频率信号隔离与采集 电路等部分组成。现场信号经运算放大电路放大，以及信号通道选择和滤波后， 再经过电压频率变换器转变成频率信号，将频率信号隔离后送入微处理器c p u 。 ( 5 ) 模拟量信号隔离输出信道 包括d a 转换电路、模拟电压信号隔离电路、标准电压电流信号变换及信号 输出接口电路等。模拟电压信号隔离电路由非线性小于0 0 1 、温度系数较小的 线性光电耦台器及运算放大器组成，可以实现较高的隔离转换精度，可以满足工 业现场的需求。电压电流信号变换电路选用专用集成信号变换器件，典型非线性 一4 一 东北大学硕士学位论文第二章工业温度信号处理嚣的总体设计 0 0 0 2 。 ( 6 ) 模拟输出信号隔离反馈电路 使用线性光电耦合器，利用其电流传输比在一定条件下基本保持不变的特性。 用于判断输出信道的运行情况是否正常，具有类似“闭环”的特点，提高了信号 输出的可靠性。 ( 7 ) 通讯与风量控制接口 包括r s 4 8 5 通讯接口。1 和风量控制接口。r s 4 8 5 通讯接i z l 芯片选用速度可达 2 ，5 m b p s 全双工的隔离通讯芯片。保证了通讯的可靠性。风量控制接口用于控制 传感器冷却风流量的控制接口。 图2 1 襁 量系统整体构成框图 f i g 2 it h ef r a m ed i a g r a mo ft h ew h o l em e a s u r e m e n ts y s t e m 5 - 东北大学硕士学位论文 第二章 工业温度信号处理器的总体设计 2 2 前向通道的设计 由于前向通道靠近现场，易受现场干扰，并且传感器常常输出微弱模拟信号， 转换成计算机可识别的数字信号时，需要借助模拟电路技术，因此，前向通道常 常是一个模拟、数字电路的混杂电路。 对于前向通道，一般由于被测信号幅度较小，为了能达到准确测量的目的， 尽量克服地线电位的扰动以及减小电路的漂移和增益参数的变化对测量精度的影 响。为此，在前向通道设计了两个基准点，利用线性放大电路的性质和测量电路 的特点，由两个基准点的输入输出关系便确定一条直线。由于测量线路的特点， 对于输入信号也同样满足该直线方程，从而可以部分或大部分地消除测量电路的 漂移和增益参数变化的影响，使测量精度进一步提高。 2 2 1 基准点电路的设计 基准点电路是由基准源器件和四个精密电阻组成。基准源器件提供了基准电 压输出值，用于现场温度信号的测量，并在程序内部直接参与运算。另外，将这 个基准源输出的基准电压值通过精密低温度系数的线绕电阻分压，得到两个电压 基准点信号，用于现场温度信号感温元件环境温度的测量。因此，基准源的精度 决定了现场温度信号的测量精度，是信号测量精度的一个参考源。 对于现场温度信号和感温元件的环境温度信号测量时，由于测量电路满足线 性关系，分别使用两个基准点电压的输入和输出信号来确定一条直线，即作为外 部输入信号测量时的参考直线。这是由测量电路的特点所决定的，在后面的章节 作进一步的说明。这样，可以消除或减4 , n 量电路漂移变化引起的测量误差。 ( 1 ) 基准源器件的选定 由于现场传感器的输出信号一般幅度较小，若在要求测量精度较高时，必须 要求基准源器件有足够高的精度和稳定性要求，才能满足实际测量精度的要求。 由于温度信号处理以基准点的大小作为外部信号的参考源，现场温度信号测 量的准确程度主要依赖于基准源的特性。因此，基准源的稳定性及准确性是至关 重要的。为此，选用具有极低的l p p m o c 的温度系数，0 0 0 2 的线性度，极好的 传输响应的基准源。 通过基准源的输出与工作环境温度的实验，将基准源的电路板置于个温度 可以调节的温度控制箱内，使用一块f l u k e l 8 7 型万用表测量电路板基准源的电 压输出。实验数据参见表2 1 。从表中可以看出，基准源在2 5 1 1 0 0 c 以内，得到 了良好的输出特性。在2 s 6 0 。c 时，基准源的输出基本保持不变；在6 5 7 5o c 时， 6 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 表2 1 基准源输出与温度的关系表 t a b l e 2 it h e t a b i co f v o | a g er e f e r e i i c eo u t p u t v se n v i r o n m e n t t c m p e r a t u r e 序号 环境温度( o c )基准源电压( v ) 12 5 a c2 5 0 0 0 23 0 2 5 0 0 0 33 5 。c2 5 0 0 0 44 0 2 5 0 0 0 54 5 2 5 0 0 0 65 0o c2 5 0 0 0 75 5 2 5 0 0 0 86 0 2 5 0 0 0 96 5o c2 4 9 9 9 1 07 0o c 2 4 9 9 9 1 l 7 5o c2 4 9 9 9 1 28 0o c 2 4 9 9 8 1 3 8 5 。c 2 4 9 9 8 1 4 9 0 2 4 9 9 8 1 59 5 2 4 9 9 7 1 6i 0 0 。c 2 4 9 9 7 1 71 0 5 2 4 9 9 8 8 1 1 0 2 4 9 9 6 洼：基准源的输出经电位器调整后得到的结果。 基准源的输出仅下降了0 i m v ；在8 0 1 1 0o c 时，基准源的输出仅下降了0 3 m v 。 ( 2 ) 分压电阻的选定 测量感温元件的环境温度时，同样，使用两个基准点所确定的参考直线作为 环境温度信号测量的直线方程，从而可求解输入信号的大小。为此，通过分压电 阻产生两个基准源来满足测量时所需的要求。 为了得到基准点，将基准源器件的输出电压信号利用精密电阻进行分压，产 生用于环境温度测量的两个基准点。分压电阻的性能指标直接影响感温元件环境 温度测量的准确程度，也就是影响现场温度信号的准确性。因此，选用阻值允许 偏差o 0 2 、温度系数1 0 p p m o c 精密线绕电阻。 由于基准点的大小是通过电阻分压得到的，若后续电路负载电阻较小，会对 7 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 基准点的电压产生影响。为了减小负载电流对基准点的大小影响，使用运算放大 器的射极跟随器作为阻抗变换电路。通常情况下，运算放大器的输入阻抗在几十 兆欧以上，对基准点的影响可以忽略不计。 表2 2 环境温度与基准点电压的关系表 ta b l e 2 2t h et a b l eo f v o l t a g er e f e r e n c eo u t p u tv se n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e 序号环境温度( o c )基准点电压( m v ) l2 5 p c 3 9 9 0 7 23 0o c 3 9 9 0 7 33 5 0 c 3 9 9 0 7 44 0 3 9 9 0 7 54 5 0 c3 9 9 0 7 65 0 0 c 3 9 9 ，0 5 75 5o c3 9 9 0 4 8 6 0 0 c 3 9 9 0 4 9 6 5 。c3 9 9 0 3 1 0 7 5 0 c 3 9 9 0 3 l l8 0o c3 9 9 。0 2 1 28 5o c3 9 9 0 2 注：分压电阻选用精密低温度系数的电阻。 根据测量精度的要求，选用满足温度系数和精度要求的分压电阻，作为基准 点的分压电阻。 2 ，2 2 前置放大电路的设计叫 由于现场温度传感器输出的信号幅度较小，需要经过信号放大后再做信号变 换，最终送入到微处理器进行处理。为了得到准确的测量结果，一方面必须选用 合适的运算放大器，使其性目& 指标满足信号测量的要求；另一方面，选择恰当的 测量方法，减小或消除因线路参数变化引起的测量误差。 根据输入信号阻抗的大小来选择合适输入阻抗的前暨运算放大器，只有运算 放大器输入阻抗与信号阻抗相珏配，才能保证测量信号的正确拾取。 在数据采集系统中，来自传感器的微弱信号往往要用漂移和失调极小的岗精 度放大器进行放大。因此，选用了高精度、低温漂的运算放大器，其分辨率小于 1 0 u v ，能够自动检测放大器的失调电压和共模电压引起的漂移，并自动地动态校 零。另外，选用的放大器具有输入失调电压极低、在整个工作温度范围内只有 8 东北大学硕士学位论文第二章工业温度信号处理器的总体设计 l u v 失调电压、温度漂移仅o 0 1 u v o c 、输入阻抗达l o 控q 、共模抑制比达1 3 0 d b 、 单位增益带宽达2 m h z 的放大器。 信号检测和信号处理是工业生产过程温度测量的重要环节。首先将探测器输 出的微弱信号进行放大，并进行电压频率信号转换，再将信号频率信号送给微处 理器，由微处理器进行频率采集、数据运算、显示和信号输出等。 前置放大器是测量微弱信号的放大器。信号的放大不仅选用高精度集成运放， 还必须正确地使用运算放大器，精心地设计电路才能使放大器达到高精度、高灵 敏度的要求。 下面给出了前置放大器工作原理图2 2 。 图2 2 前置放大器电路的原理 f i g 2 2t h ep r i n c i p l eo f p r e a t n p l i t e rc i r c u i t 在信号进行测量时，首先，微处理器测量基准点v r 4 信号转换后的频率量，节点 q 1 和q 2 断开，这时得到一个基准点的值；其次，节点q 】断开和q 2 闭合，此 时得到另一个基准点的值：最后，节点q 1 闭合和q 2 断开，测量输入信号。值得 注意的是，基准点v r 4 作为电路的固定偏置，可以提高信号的强度。在小信号测 量时，会减小因电气参数改变时的测量误差，避免小信号被淹没。 2 。2 3 有源滤波器的设计。邮” 由于在电路中存在着各种频率成分，为了得到准确稳定的测量结果，必须对 放大后的传感器信号进行滤波处理。滤波电路是一种能使信号某一部分频率顺利 地通过而另一部分频率受到较大衰减的装置，在信号的处理、数据的传送和干扰 的抑制有着广泛的应用。为了提高信号测量的可靠性，采用二阶有源滤波器，其 ，9 一 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 结构如图2 3 。 图2 3 二阶有源滤波器原理 f i g 2 3t h ep r i n c i p l eo f s e c o n do r d e ra c t i v ef i l t e r 为了便于分析和计算，两级滤波电路中的电容、电阻值相等，根据理想运算 放大器的工作特点，令如= 蜀“一1 ) ，其中a ，为通频带内的电压放大倍数。根据 理想运算放大器工作在线性工作区时，满足“虚短”和“虚短”原则，即放大器 输入端流入放大器电流为零以及放大器两个输入端输入电压相等的原则，可求得 理想运算放大器输入端的电压 k ：艮，：忐v a ：丘 “ 。体1 + 彤ja ， 然后可列出以下两个节点方程 可解得 一扣睁叫纠井万l 石v o = 。 h + ( 去+ ，葩) = 。 ( 2 ，1 ) 拈詈2 币矗丽2 谰a 谣v ( 2 2 ) ( 2 3 ) 东北大学硕士学位论文第二章工业温度信号处理器的总体设计 其中，4 = 1 + 鲁；q = i 与；= 而1 。4 为通频带内的电压放大倍数，吉通 称为阻尼系数，1 2 ) 。为截至角频率。 利用( 2 3 ) 式子的传递函数，利用计算机仿真“”，进一步分析二阶滤波器在 不同q 值时的幅频特性曲线。 0 9 t o o 图2 4 二阶有源滤波器幅频特性 f i g 2 4t h ea m p l i t u d ev sf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i co f s e c o n do r d e ra c t i v ef i l t e r 图中横坐标为信号频率与截止角频率的比值，纵坐标为在不同频率下的电 压放大倍数。对于曲线1 而言，只有直流信号没有衰减，其它信号均有不同程度的 衰减；对于曲线2 、3 ，信号频率在旦= l 附近，幅频增益有所增大。针对现场温度 信号输出的特点，一般温度信号变化非常缓慢，接近直流信号。选用q ：0 5 的曲线 l 特性曲线，对于不同的交流成分信号均有衰减，同时，在高频段对交流信号有较 大的约4 0 d b 十倍频程的衰减。在工业现场，由于使用工频5 0 h z 交流电源供电，对 于现场的小信号常常会伴有工频干扰，因此，针对工频信号干扰面设计了二阶有 源滤波器。 下面以一。= 1 、q = o 5 参数，设计7 - - - 阶滤波器，使其在工频信号作用时衰减 4 0 d b ，并计算出滤波电阻r 与电容c 的大小。 由于工频信号的角频率为国= 2 z 厂= 1 0 0 石弧度秒，将设计在出的亩处， 使工频信号衰减近4 0 d b ，那么，2 1 0 0 丌。亩2 1 0 石，即2 亩。1 0 ，r ，从而选 取r = 3 0 k q ，c = l u f 。 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 当4 ，= 1 ，q = o 5 ，= 丽1 = 3 3 3 时，分别在单位阶跃输入信号和正弦信号 “，= s i n l 0 0 7 r t 伏特的工频信号作用下，通过在m a t l a b 中的s i m u l i n k 进行仿真，分 别得到了二阶滤波器的阶跃响应曲线图2 5 和给定的正弦信号响应曲线图2 6 。 一暑 薹亳 雹箬 塞差 鑫蠹 时间( 单位：杪) 时问濞倥：秒) t l - t ( t m i t ：s e c j t i m e t ：s c ) 图2 5 阶跃响应图2 65 0 h z 正弦信号响应 f i g 2 5s t e pr e s p o n s e f i g 2 6 5 0 i - i zs i n es i g n a lr e s p o n s e 通过以上分析和响应曲线可以看出，二阶滤波器阶跃响应时间大约0 1 4 秒； 对于工频输入信号，二阶滤波器衰减近1 0 0 倍。因此，按上述方案设计的二阶滤 波器可满足温度变化较慢的输入信号，同时，对工频干扰信号有较大的衰减抑制 作用。 2 2 4 电压频率信号转换电路的设计 在前向信道设计时，使用电压频率( v f ) 变换方式，用作模数转换具有的 独特优点。v f 转换器具有良好的精度、线性度和积分输入特性，常能提供其它 类型转换器无法达到的性能。采用v f 转换器与计算机接口具有优点： 接口简单、占用计算机资源少。 频率信号输入灵活。可以输入微处理器的任意一根i 0 线或作为中断源输 入、计数输入等。 抗干扰性好。频率测量本身是一个计数过程，v f 转换过程对输入信号的不 断积分，因而能对噪声或变化的输入信号进行平滑。另外，v f 转换与计算机接 口很容易采用光电隔离。 便于远距离传输。它可以调制在射频信号上，进行无线传输，实现遥控。 在特定的情况下，可以调节频率采集的转换时间和精度。对不同的应用场 1 2 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 合可以选择相应的转换精度，但转换精度越高，一般需要转换时间较长。 2 2 4 1 电压频率信号转换电路的设计 电压频率转换器件，在信号的测量过程中起着重要的作用。每路信号都要电 压频率变换，电压频率器件性能指标的优劣决定了信号的变换精度，电压频率转 换电路直接决定着信号准确测量的成败。因此，必须对电压频率转换电路的相关 器件进行时恰当的选择，从而使电压频率转换电路达到最佳的性能。 ( 1 ) 电压频率转换电路的输入输出关系 为了使现场信号便于隔离，便于实现对测量精度的控制，选用了电压频率转 换器件，将现场温度信号转换为频率信号，通过光电隔离电路，将频率量送入到 微处理器。选用的电压频率转换器件满足如下关系式 、，| 口 。= o 1 5 二丛= 盟百 ( 2 4 ) c 。+ 4 4 1 0 “ 其中，为输入电压，单位为伏特；r 。为输入电阻，单位为欧姆；c l 为定时电 容，单位为法拉。 罐 基5 ，” 童 w k fr 、 飞 i k l 、 心毽 曳 l 1黥 l叫l + _ 、珏 陵 、 、。、l f ； 1 1 l p 臻 蒜i 辅 一 溺。 ， - v 】ohul；kt噜#嘻 h”撼一堪甫)*酷睡嚣 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 一蔫 主：| 蠡 墨 黝 攀! 耋：。一：王 j _ i 、 碍事 菱 、 、l 、= 、_中 t i 宣畦电霰：h 删搿0 秘n 黜lc i i d # b 0 图28 盂嚣、与爽翻强e 性 隐8 两雌氇嘲- 蟛墨时珊最、已j ( 2 ) 输入电阻、定时电容的确定 定时电容c 0 和输入电阻r 。的选择决定了器件的线性度和信号的分辨率，以 及电压频率转换的稳定性。同时，在给定的误差要求的情况下影响着频率量的采 集时间。一方面，为了提高输入电压信号的分辨率，应尽量提高电压频率转换器 件的输出频率满幅值。，那么，由图2 7 可知，应尽量减少定时电容c 。和输入 电阻月。：另一方面，由图2 8 可知，增大定时电容c 。和输入电阻矗，。可以减小电 压频率转换器件的非线性，从而提高信号的测量精度。基于上述两点的矛盾关系， 因此，适当的选取定时电容c 。，和输入电阻r ，对于保证输入信号的分辨率和减小 电路非线性是至关重要的。 频率量的采集精度应根据实际的需要选用恰当的测量方法。频率量的测量方 法可分为定时计数测频法和信号周期测频法，应根据软硬件合理地配置来灵活处 理。 定时计数测频法是测量固定对间内的脉冲个数，从而得到信号的频率。一般 情况下，对频率采集计数的时间越长，其转换精度越高，但转换时间过长会影响 系统的测量响应时间，往往不能满足实际要求。而信号周期测频法是采用固定信 号脉冲个数所占用的时间，从而可得到信号的频率。 对于频率信号的采集，利用微处理器的1 6 位的定时器，计数器对外部信号脉冲 进行计数。对于定时测频法，本次频率采样时间确定为t s = l o o m s 。由于1 6 位的定 时器计数器所能采集最大数值为6 5 5 3 5 ，由此可确定外部信号频率不宣超过 6 5 0 k h z ，考虑器件参数变化等因素来避免计数的溢出，满幅频率f 。应小于5 0 0 k h z 。 为了尽量提高输入电压的分辨率，电压频率转换器件输出的最大频率应大于 1 0 0 k h z ；同时，兼顾定时电容c 0 ，的大小对非线性的影响，由图2 7 和图2 8 可得 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章工业温度信号处理器的总体设计 出，输入电阻尺，。标称值为2 0 k q 的电阻。为了提高频率信号的稳定性，输入电阻 r ，。选用温度系数较小的金膜电阻。 在选定输入电阻r ，。后，进一步来确定定时电容c 。，的大小。若选用的定时电 容c 。，较小时，易受线路走线因素的影响，另外，在积分电容c 。，越小的情况下， 非线性度会增大，在这个意义作用下，定时电容c 。，要大些。输入电阻r i 选定为 2 0 k q 的情况下，根据输入电阻五。和定时电容e ，对非线性的影响，参见图2 8 ， 选定定时电容c 。为3 0 0 p f 的时，电压频率转换电路的非线性约3 0 p p m 。由于定时 电容c 。，在电压频率转换中的作用，此电容应具有稳定性和温度系数较佳的性能指 标，此定时电容选用云母电容。下面给出了在输入电阻r t = 2 0 k q 的情况下，定时 电容c 。与满幅频率k ；的关系，如表2 3 。 表2 。3 积分电容与满幅频率f 。的关系 序号 电容c 。( 单位：p f ) 满幅频率f i 。( 单位：l e l z ) 1 4 7 01 4 5 9 1 24 3 01 5 8 2 3 3 3 3 02 0 0 5 3 43 0 02 1 8 0 2 52 0 02 8 4 0 9 61 0 05 2 0 8 3 注：在输入电阻为2 0 k 2 的金膜电阻情况下得到的性能指标 由电压频率转换器件的特性及转换时间方面考虑，转换器件满幅输出频率与 非线性密切相关的，不能片面要求满幅输出频率，同时要兼顾转换时间、定时器 的位数。 2 2 4 2 频率采集电路的设计。对 现场温度信号和基准点信号，通过信号选择器，分时的使用电压频率转换电 路，只有正确的使用信号选择器，才能在频率采集时保证频率信号的稳定性。频 率量采集是否可靠、准确直接影响着测量结果，频率量的采集电路是测量电路重 要的环节。 ( 1 ) 频率采集电路的硬件构成 对于频率信号采集的方法尽管有所不同，大致分为两种方法，一种方法是定 时计数测频法，即固定时间内对信号脉冲计数，从而可计算出输入信号频率；另 一种方法是信号周期测频法，即测量信号脉冲的一个或多个周期所用的时间，从 ，1 5 东北大学硕士学位论文第二章工业温度信号处理器的总体设计 而计算出输入信号的频率。 针对两种频率信号的测量方法，充分地利用微处理器具有的硬件资源，使用 了微处理器中的可编程计数器阵列，使频率测量电路更为简单，并满足两种方法 测量频率的要求。具体硬件构成参见图2 9 。 待测信号频率引脚t 1 为信号频率计数的c p u 引脚，弓j 脚c e x 0 、c e x l 、 c e x 2 均为可编程计数器阵列的c p u 引脚。 图2 9 频率采集电路的硬件设计 f i g ，2 9t h eh a r d w a r ed e s i g no f f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tc i r c u i t ( 2 ) 频率采集的原理 针对两种频率的测量方法，结合给出的硬件原理图2 9 来说明两种频率测量 方法的工作原理。 定时计数测频法 采用固定时间内对信号脉冲计数的方法测量频率时，t 1 作为c p u 的计数引脚， 对信号脉冲进行计数，由引脚c e x 2 输出高电平启动计时，这时与非门被打开， c p u 可以对脉冲信号进行计数。当固定时间到来时，由引脚c e x 2 输出低电平， 由于非门封锁信号脉冲，结束计数过程。此时，由引脚c e x 2 输出的下降沿触发 了引脚c e x l ，由引脚c e x l 采用查询或中断的方式告知c p u ，便结束了固定时 间方式测量信号频率。 几门几几几几几几几 图2 1 0 定时计数测频法 1 6 - 东北大学硕士学位论文第二章工业温度信号处理器的总体设计 f i g 2 - 1 0t h ef r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm e t h o do f t i m ec o u n t 定时计数测频法是在确定的闸门定时时间内测得待测信号的脉冲数量，从而 根据闸门定时时间和在此时间内测得的脉冲数量可计算出待测信号的频率。由定 时计数测频法的