（电气工程专业论文）封闭母线多点温度计算机检测系统.pdf

摘要 在工业生产中，经常要对生产系统的各项参数进行准确的测量，并根据实际情况迸行 实时控制。温度检测就是其中重要的环节。 封闭母线是连接发电机与变压器的段特殊导线，其工作特点是低电压，高电流，电 流可达数万安培，电压值为3 8 v 。由于现有母线热故障测试手段有限，使得很多热故障不 能在温度超限前被发现；特别在开关柜和封闭母线内，温度超限点的问题更不易发现。随 着时间的推移，湿度超眼处将因发热面加速氧化，进而造成烧毁母线或接点的更大事故。 本次设计的主要任务就是利用计算机控制系统对封闭母线的温度进行检测与显示，以保证 封闭母线的正常工作。 随着计算机的普及，自动化程度的提高，自动检测应用的领域也r 益广泛。计算机运 算速度快，处理能力强，所以采用计算机检测完全能实现对封闭母线进行实时检测，打印 与输出的任务。而且智能化也是发展的大趋势。 设计的主要内容：系统设计原理，硬件电路的设计，系统软件设计和抗干扰措施。 关键词：封闭母线；温度检测；抗干扰 a b s t r a c t i nt h ec o u r s eo fi n d u s 仃i a lp r o d u c t i o na n dp r a c t i c e ，w eo f t e nn e e dt om e a s u r ea c u a t l ya l l k i n d so fp a r a m e t e r si nt h ep r o d u c i n gs y s t e ma n dt h u sh a v et h ec o n t r o la c c o r d i n gt ot h es p e c i f i c c o n d i t i o n s t h et e s t i n go f t e m p e r a t u r ei sav e r yi m p o r t a n tp a r t t h ec l o s e db u si sas e c t i o no fs p e c i a ll e a dt h a tc o n n e c t st h eg e n e r a t o ra n dt r a n s f o r m e r i t w o r k sa tl o wv o l t a g ea n dh i g he l e c t r i cc u r r e n tc a nr e a c ht e n so ft h o u s a n d so fa m p e r e s b e c a u s e t h et e s tm e a n so ft h ec l o s e db u sh e a tb r e a kd o w ni sl i m i t e dn o w , m a k eal o to fh e a tb r e a k d o w n c a n tb ef o u n db e f o r et h et e m p e r a t u r ee x c e e d i n gt h el i m i t e dv a l u e ；e s p e c i a l l yi nt h es w i t c h c a b i n e ta n dc l o s e db u s ，t h ep r o b l e mt h a te x c e e d i n gl i m i to ft e m p e r a t u r ec a n tb ed i s c o v e r e d e a s i l y a l o n gw i t hc h a n g eo ft i m e ，t h ee x c e e d i n gl i m i to ft e m p e r a t u r ew i l la c c e l e r a t et oo x i d i z e b e c a u s eo ft h eh e a t ，t h e nr e s u l ti nd e s t r o yo fc l o s e db u so rl a r g e rt r o u b l eo ft h ep o i n to fc o n t a c t s ， t h ep u r p o s eo ft h i sd e s i g n i n gi st ot e s ta n ds h o ws i m u l t a n e o u s l yt h et e m p e r a t u r eo ft h ec l o s e d b u su s i n gt h ec o m p u t e rc o n t r o l l i n gs y s t e m w i t ht h ep o p u l a r i z e du s eo fc o m p u t e ra n dt h ei m p r o v e m e n to fa u t o m a t i o nl e v e l ，t h eu s eo f a u t o m a t i ct e s t i n gi sv e r yw i d e c o m p u t e rh a st h ea d v a n t a g e so fh i 曲s p e e da n dp o w e r f u l p r o c e s s i n ga b i l i t y , s oi tn o to n l yh a v es i m u l t a n e o u sc o n t r o lo ft h et e m p e r a t u r eo ft h ec l o s e db u s b u ta l s os h o wa n dp r i n tm a n yp o i n t so f t e m p e r a t u r et ot h er e q u i r e m e n t a n dt h ei n t e l l i g e n t i z ei s a l s oam a i nt r e n do ft h ed e v e l o p m e n t m a i nc o n n e c t so f m yd e s i g n i n gi n c l u d e ：t h ep r i n c i p l eo f s y s t e md e s i g n i n g ，t h ed e s i g n i n go f s y s t e me l e c t r i c c i r c u i th a r d w a r e ，t h ed e s i g n i n go fs y s t e ms o f t w a r ea n da n t i i n t e r f e r e n c e m e a s u r e s k e yw o r d s ：c l o s e db u s ；t e s t i n go f t e m p e r a t u r e ；a n t i i n t e r f e r e n c e 辽宁丁= 程投术大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景及意义 温度是物体冷热程度的标志，是工业牛产、日常牛活中重要的热工参数之一。在生产过 程的检测和控制中，温度参数的及时而准确无误的测量是最重要而又最普遍的检测项目之一。 封闭母线是用来连接发电机与变压器的特殊导线，其工作特点是低电压，高电流，电流可达 数万安培，电压值为3 8 v 。由于现有母线热故障测试手段有限，使得很多热故障不能在温度超 限前被发现；特别在开关柜和封闭母线内，温度超限点的问题更不易发现。随着时间的推移， 温度超限处将因发热而加速氧化，进而造成烧毁母线或接点的更大事故。因此，温度检测对 封闭母线的正常工作起着非常重要的作用。 检测与转换技术是自动检测与自动转换技术的总称，是信息技术的重要组成部分是自动 检测系统中信息提取，信息转换以及信息处理的理论和技术。 在信息社会的一切活动领域中，从日常牛活，牛产活动到科学实验，时时处处都离不开 检测。现代化的检测于段在很大程度上决定了生产、科学技术的发展水平，而科学技术的发 展又为检测技术提出了更高的要求。 从2 0 世纪7 0 年代微处理器问世后，人们逐渐将微机技术应用到测量技术中，使检测仪 器智能化，从而扩展了功能，提高了精度和可靠性，目前新研制的检测系统大多带微处理器。 微机检测系统一般由以下几个部分组成：传感器，输入输出( i o ) 接口，微型机，控制台或 控制键盘。检测系统的工作过程可归纳为： 1 传感器 传感器处于被测对象与测试系统的接口位置，是一个信号变换器。它直接从被测对象中 提取被测量的信息，感受其变化并变换成便于测量的其它量。传感器是检测系统的重要组成 部件。 2 信号调理器 信号调理器又称中间转换器，它的作用是将传感器的输出进行放大，转换和传输等，使 其适合于显示，记录，数据处理或控制。 3 输出环节 输出环节包括显刁专和打印记录装置，数据通信接口和控制执行器装置等，从而使检测系 辽宁i 程技术人学硕十学位论文 统不仅用于检测，还能完成控制和保护操作等功能。 本系统设计参照以上原则，采用热电偶对温度进行采集，利用微机和a d 实现数据处理， 最后利用显示器或打印机打印输出。 1 2 系统的工作原理及本文主要作的研究工作 1 2 1 系统的工作原理 操作人员选择一路采集通道，通过下拉式菜单选择检测方式，采用系统的电压信号，然 后经信号处理将电压信号放大到5 v + 5 v ，再通过模数转换器( a d ) 变成数字信号，经接 1 3 芯片和i s a 总线送给c p u 处理。最后在显示器上显示检测值，并可以将结果输出打印。 1 2 2 本文主要作的研究工作 1 计算机机型的选择： 选择计算机机型，通常要考虑以下因素：国内国际用户的多寡；硬件和软件资源的支持； 用户的熟悉和普及情况。 从目前市场情况看，i b m p c 计算机及其兼容机占有手导地位。并且i n t e l 系列芯片和 i b m p c 计算机具有广泛的用户，丰富的软件资源和雄厚的硬件支持。所以本设计采用 i b m p c 4 8 6 以上微机及其兼容机作为主机。 2 系统总线的选择： p c ( a t ) b u s 系统与当今广泛应用的个人计算机完全兼容，而个人计算机的普及，开放式 的标准，丰富的软件，硬件资源，以及p c 计算机产品价格低廉，使得p c 工业控制机在各个 领域的应用越来越普遍了，并且逐步形成了手流。 根据设计的实际要求，能够进行8 位数据传递和1 6 位寻址即可，另外，总线要与乇机匹 配，所以选择了p c ( a t ) b u s 总线结构。 3 模拟量输入模块设计： 在计算机检测系统中，模拟量输入通道的任务是把从系统中检测到的信号变成二进制数 字信号，经过接1 ：3 送彳辛计算机。它是计算机模测系统的重要组成部分。本次设计中模拟量输 入通道由热电偶传感器，c d 4 0 5 l 多路温度扫描开关，译码器( 7 4 l s l 3 9 ) ，i c l 7 6 5 0 高精度放 大器，i c l 7 1 3 5 双积分a d 转换器，8 2 5 5 接口芯片等组成，实现了对传感器送来的模拟信号 进行放大，滤波，并转化为数字信号，最后将信号送给c p u 进行处理。 辽宁【程技术人学硕十学位论文 2 系统设计原理 整个检测系统的工作过程为操作人员将程序输入计算机，计算机发出命令，选通四十路 检测通道中的第路，开始循环检测，把检测结果在屏幕上显示出来，并作记录。 2 1 信号采集原理 采集温度信号有多种传感器可供选择。工业用热电偶作为一种温度传感器，通常和显示 仪表、记录仪表和电予调节器配套使用。它可以直接测量各种牛产中的液体蒸汽和气体介质 以及固体的表面温度。热电偶结构简单，制造方便，测量范围广精度高，惯性小，输出信号 便于运传，测量时不需外加电源，由于这些优点，这里选用热电偶采集信号。 典型的热电偶输出信号大约为5 0 p v ，测温范围2 7 0 c + 2 7 0 0 。c ，其精确度( 经校核) 可达约0 5 2 c ( 例如，k 型热电偶) 。首先介绍一下塞贝克效应( s e e b e c k ) ： 当温度梯度( 通常发生在一个长丽宰的杆内以降低热导率) 作用下建立的电场的作用方 向与温度梯度相反时，就会发牛赛北克效应。对由温度引起的电动势的测量是热电偶的基础。 塞贝克效应的物理摹础可以用下面的事实来解释，即电荷载流了( 电了和空穴，前者仅在金 属中出现) 不仅运载电荷也运载能量。只要有载流了通量，当然就有电荷通量( 即电流) ，同 时也有能量通量热通量。在金属的塞贝克效应中，在热的一边的热电子迁移或扩散到冷 的一边，建立起的电场将阻止其与电了的扩散( 假设电流可以通过) 。这非常像二极管中由于 浓度梯度而形成的内电场，只不过此处是温度梯度而已。 联系材料中电场幅值和温度之间关系的常数被称作赛贝克常数，用口来描述。物理学中， 它长按电场来定义，即v m k ；f u 是在工程上，常以v k 给出。物体上产生的电场( 或电压) 可以用温度梯度和赛贝克系数乎导出 v = a a t ( 2 1 ) 双金属热电偶结上的赛贝克电压与温度之间具有复杂的函数关系，采用高阶多项式数学 模型最为适合。但常用简化的低阶函数近似。赛贝克电压与两个结点的温度t i ( 冷端) 和t 2 ( 热 端】关系近似为 v = 盯( 正一疋) + y ( 1 2 一巧) ( 2 2 ) 其中o r 和y 是热电偶对常量( 通常口代表热电了能量，或是上文提到的斯阿贝克常数) 。 绝大多数的赛贝克系数很小，大约为1 0 一v k ，但半导体的赛贝克系数要大很多对于n 辽宁j = 程技术人学硕十学位论文 型半导体口。为 铲一学 其中e c 是导带能级，单位；e v ；e f 是费米能级， 矿一坠等塑 ( 2 3 ) 单位e v 。对于n 型半导体口。为 ( 2 4 ) 其中e 。是价电了带能级，单位：e v 。 热电偶的测温原理就是基于以上介绍的塞贝克效应。 由两种不同但符合一定要求的导体或半导体( 热电极) ，将其一端焊接作为测量端，另一 端为参考端，利用两端温差与热电势的函数关系来测量温度的一种温度传感器。把两种不同 的导体或半导体连接成闭合回路时，如图2 1 所示热电偶回路，若两个结点温度不同，回路就 会出现热电动势和温差电动势，并产牛电流，这个电流的大小与导体材料性质及该点温度有 关，该电势与温度有准确的单值对应关系。 温差电动势是同一导体的两端因其温度的不同而产牛的一种热电动势。由于高温端( t ) 的电了能量比低温端的电子能量大，因而从高温端跑到低温端的电了数比从低温端跑到高温 端的电子数要多。结果高温端失左电了而带有正电荷，低温端得到电了而带负电荷，从而形 成一个静电场。此时在导体两端便形成一个相应的电位差u t u t o ，此即温差电势。 接触电动势产生的原因是：当两种导体a 和b 接触时，由于两者电子密度不同( 如n a n b ) ， 电子在两个方向上扩散的速率就不同，从a 到b 的电了数比从b 到a 的电予数多，a 结果因 失去电了而带正电荷，b 因得到电了而负正电荷在a ，b 的接触面上便形成了一个从a 到b 的静 电场e s ，这样在a ，b 之间形成一个电位差u a u b ，此即接触电动势，其数值取决于两种不同导 体的性质和接触点的温度。 热电偶回路产牛的总电势，实际上势由接触电动势和温差电动势组成。在热电偶回路中， 在温度不同的两个接点上，分别存在两个数值不同的电势e a b ( t ) 及e a b ( t 0 ) ，回路中的总电势 为： e ( t ，t 。) = e a b ( t ) 一e a b ( t 。)( 2 5 ) 式中e 的下脚标表示电势的方向，e n b 表示由a 到b 的电势。 对一定的热电偶材料若将一端自由端( 冷端) 温度t 。维持恒定，而将另一端( 热端) 插 辽宁t 程技术大学硕士学位论文 在需要测量温度的地方，则热电势e 为被测温度t 单值函数，用电表或仪器测定此电势的数 值，确定被测温度t 。 图2 1 热电偶原理 2 2 信号转换原理 随着数字技术，特别是计算机技术的飞速发展与普及，在现代控制、通信及检测等领域， 为了提高系统的性能指标，对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统的实际对象 往往都是一些模拟量( 如温度、压力、位移、图像等) ，要使计算机或数字仪表能识别、处理 这些信号，必须首先将这些模拟信号转换成数字信号；而经计算机分析、处理后输出的数字 量也往往需要将其转换为相应模拟信号才能为执行机构所接受。这样，就需要一种能在模拟 信号与数字信号之间起桥梁作用的电路模数和数模转换器。 本次设计中系统所采用的a d 转换器是双积分式a d 转换器。其优点是；消除干扰和电 源噪声的能力强，精度高，但速度较慢。因此在信号变化缓慢。对模拟量输入速率要求较低， 转换精度要求高，并且现场干扰较严重的情况下，可采用这种a i d 转换器。a d 转换器是将 模拟电压或电流转换成数字量器件或设置，它是模拟系统与数字系统或计算机间的接口。下 面来介绍一下双积分转换器a d 的转换原理。 双积分式转换器的原理是将输入的模拟量变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后由 脉冲发牛器和计数器来测量时间间隔以获得数字量。即双积分式a d 转换器实际上是一种v t ( 电压时间) 的转换。典型双积分式a d 转换器的摹本组成可由图2 2 表示。它的一次转换 工作原理可分成3 个阶段来描述。 辽宁 ：程技术人学硕十学位论文 图2 2 双积分a d 转换器摹本组成原理图 第一阶段t l ：模拟开关s 1 导通，其综合模拟开关断开，此阶段为对输出电压积分采样 阶段。通常，在进入此阶段之前。积分器的输入已被复零，所以当出入电压v t 为正时，积分 器输出向负增长，当输入电压v i 为负时，积分器输出向正渐增。如图2 3 所示： 。么沁 t l 型。剧 l 专 0 v t 较小时积分器输出波形v i 较小时积分器输出波形 v t 较大时积分器输出波形v t 较大时积分器输出波形 v i 0v i 0 则t 2 阶段s 2 导通，s 3 断开，使积分器的输入从一开始 的一w r l r c 回积到0 。反之，如果t 1 阶段中v i q lh p 1 。图3 5 是其等效电 路： 图3 5 误差检测与寄存阶段等效电路 2 误差补偿与放大阶段 在时钟的下半周期，开关s 2 接通，s l 断开，等效电路如图3 6 所示，此时辅助放大器a 2 和丰放大器a l 部分都接通输入信号，辅助放大器的输出为： 喘= a 。：( 一。+ k 。：+ l 。c m r r ：) 一：4 ：2 ：彳。：( 。+ k 。2 + 。c m r r 2 ) 一a 0 2 1 譬( 以。：+ 。c m r r 2 ) 月d 2 = 吃：。 ( 3 2 ) l 宁工程技术人学硕十学位论文 该式说明，此时a 2 运放本身的失调和共模误差全部被消除，只输出放大了a 0 2 倍的输入 信号，送入主放大器的第三输入端，并记忆在c 1 上，因此，主放大器的输出为： 屹= ，1 ( 。+ + 。c m r r 2 ) + a 。l a 。2 。 = ( a , , 1 + a o l a 0 2 ) 。+ 4 l v o i + 面a o l 面v l ( 3 3 ) 式中，第二，三项为输出误差成分，该式说明系统的性能大为改善，系统增益增大为： a o = 4 l + 凡la 0 2 = a o l a 0 2 ( 3 4 ) 系统的输入失调减小为： = a o j 巧o l a o l + 4ja 0 2 = 二攀 ( 3 5 ) # 0 2 系统的共模抑制比提高为 c m r r 2 竽5 a o l a 。2 a 。l 。c m r r l i v , 。= a ( 3 6 ) 由此可见，主放大器本身的输入失调和共模抑制能力虽未被消失和提高，但由于系统的 增益提高了a 0 2 倍，因而系统的有关性能得到极大的提高。 运算放大器在应用时，需使用钳位保护时，将输出钳位端和反相输入端连接，如图3 7 所示是输出钳位在同相放大，反相放大应用中的具体接法。图中要求r i r _ 2 1 0 0 k ，输出钳 位端电路内部是一个n 沟管和一个p 沟管，当输出达到v + 或v - 时，相应的管子导通，使输 出和输入的电阻值下降，从而降低增益，实现钳位，缩短输出过载恢复时间。 工作时，开关s 1 和s 2 通断转换时，由于栅漏极间存在分布电容，会产牛微分效应，影响 输出电平精度，在低频或直流应用时，输出端可以加简单的p c 低通滤波器把尖峰干扰滤去。 滤波元件可取r = 1 m q ，c = 0 1 灯或r = i k q ，c = i p f 。 辽宁i 程技术人学硕十学位论文 强 图3 6 误差补偿与信号放大阶段等效电路 ( a ) 同相放大器( b ) 反相放大器 图3 71 c l 7 6 0 5 应用的两种接法 3 5 传感器的选择 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的重要部件，如果没有传感器对原始 被测信号进行准确可靠的采集和转换，那么一切准确的控制和测量都将无法实现。工业牛产 过程的自动化测量和控制几乎辛要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各个参量，使 设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证牛产的高效率和高质量。 传感器亦称换能器，变换器。广义而言，传感器是将被测信号的某一物理量按一定规律 转换成与对应的另一种( 或同种) 物理量( 或信号) 的输出装置。一般是将被测的非电信号 转换成与之对应的易于精确处王单的电量或电参量。 热电偶是温度测量中使用最广泛的传感器之一，其工作原理在第二章第一节中已详细介 绍。它的测量温区宽。一般在一1 8 0 c + 2 8 0 0 c 的温度范围内均可使用，测量的准确度和灵 望主三型丝查叁兰堡堂些堡苎二三三二 敏度都较高。 如果对被测对象的测量温度的精确度要求较高，而且可用接触方式进行测量或可使传感 器较接近被测对象，这时就可以选用热电偶作为温度传感器，低电温区的温度测量，宜选用 使用于低温测量的特殊热电偶。 作为传感器使用的物体一般需要具备下述条件： 1 物体的特性随温度的变化较大变化，而且该变化量易于测量。 2 对温度的变化有交好的一一对应关系，即对温度外其他物理量变化不敏感。 3 性能误差及老化小，重复性好，尺寸小。 4 具有较强的耐机械，化学及热作用的特点。 5 与被检测的温度范围和精度相适应。 6 价格便宜。 7 热电偶传感器具有结构简单，制造方便，温范围宽，热惯性小，准确度高，输出信号便 于远传等优点。 基于以上介绍及系统设计要求，在本次设计中选用康铜热电偶，它在电路中的连接如图 3 8 所示： n 图3 8 热电偶在电路中的连接 3 6 多路模拟开关的选择 模拟开关是数据采集系统中丰要部件之一，它的作用是切换各路输入信号。在测控系统 中，被测量经常是几个或几十个。为了降低成本和减小体积，系统中通常使用公用的放大器， a i d 转换器等器件。因此需要使用多路开关把各路被测信号分别地与这些分用器件接通。本 堑主三堡垫查点望堡主兰垡堡三二! ：生 次设计中需要把由热电偶采集到的3 2 路信号分时地送往计算机中进行处理，因此也需要使用 多路开关。 多路模拟开关有机械触点开关和半导体模拟开关，机械触点式开关导通电阻小，但切换 速度慢。集成模拟电j 了开关体积小，切换速度快，无抖动，耗电少，工作可靠，容易控制。 其缺点是导通电阻较大，输入电压电流容量有限，动态范围小。 3 6 1 多路模拟开关的主要参数 多路模拟开关的丰要参数如下： 1 通道数量： 通道数量是模拟开关的主要指标之一，表示最多输入信号的路数。通道数量对输入信号 传输的精度和切换的速率有直接的影响。当其一路被选通时，其他被阻断的通道并不能完全 断开，而是处于高阻状态，泄露电流将对导通的那一路产牛影响。显然，通道数越多，漏电 流越大，寄生电容的影响也越大。 2 泄露电流： 一个理想开关要求通时电阻为零，断开时电阻无限大，漏电流为零。实际上开关断开时 漏电流不为零，常规c m o s 漏电流为1 m a ，如果信号源内阻很高，传输的是电流信号，就特 别需要考虑模拟开关的漏电流影响。一般希望漏电流越小越好。 3 导通电阻： 导通电阻会使输入损失，精度降低，尤其当开关串联的负载为低阻抗时信号损失更大。 应用时要求根据实际情况选择导通电阻足够低的开关。导通电阻与电源电压有直接关系，通 常电源电压越高，导通电阻越小，则应扩大沟道使开关体积变大，其结果是泄露电流增大。 4 导通电阻的平均度ar o n ： 导通电阻随着输入电压的变化产牛波动。导通电阻的平均度是指在指定的输入电压范围 内，导通电阻的最大起伏值a r o n = a r o n m a x - - a r o n m i n ，它表明导通电阻的平均程度。a r o n 越小越好。 5 切换速度： 切换速度是模拟开关的重要指标，表明模拟开关的接通和断开的速度，一般用接通时间 t o n 和断开时间t o f f 来表示。传输快速变化的信号，要求开关的切换速度快。选择时还要充 分考虑与后级的采样保持器及a d 转换器的速度相适应。 辽宁i 。程技术大学硕十学位论文 t o n 从选通信号e n ( 或i n h ) 达到5 0 时起到开关接通时的时间延迟。 t o f f 一从选通信号e n ( 或1 n h ) 达到5 0 时起到开关断开时的时间延迟。 6 电源电压范围： 器件的工作电压也是一个重要的参数，它不仅与开关的导通电阻的大小及转换速度的快 慢有直接关系，而且决定输入信号的动态范围。电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越 小：电源电压越低，切换速度越慢，导通电阻越大，导通性变差。 3 6 2 多路模拟开关的选择 在本次设计中选用八选一模拟开关c d 4 0 5 l ，其结构图如图3 9 所示。 译码电路 电平转换电路 图3 9 c d 4 0 5 1 结构图 主要由8 路c m o s 开关，译码电路和电平转换电路三部分组成。模拟开关作为输入信号 的通路，开关闭合时，该路信号可以通过；开关断开时，该路信号被阻断。模拟开关受来自 计算机或其他数字电路的信号控制。为了适应不同的电平没有电平转换电路，可将输入的t t l 电平的控制信号转换为c m o s 电平。c d 4 0 5 1 的控制信号可以是t t l 电平或c d o s 电平。译 码电路控制各模拟开关的开启，将输入的控制信号进行译码后，选出相应的通道。使之闭合。 1 n h 为高电平时，禁止八个通道的所有开关。其真值表如表3 8 所示。 辽宁i ：程技术大学硕十学位论文 表3 8c d 4 0 5 i 真值表( 其中x 表示任意态，0 或1 ) 地址输入通道号地矧输入通道号 l n ha 2a la 0 k c l n ha 2 a 1 a 0k c ixxx0 lo 0k 4 ooo o k o ojolk 5 0o olk 10ll0k 6 0o10k 2ol1lk 7 0 0llk 31xxx 在本次设计中需要对3 2 路信号进行转换，需要4 片c d 4 0 5 1 进行通道扩展。在设计过程 中，将控制信号经7 4 l s l 3 9 译码器译码。然后再控制4 个多路模拟开关的功能端，这样就可 以用4 片c d 4 0 5 1 组成3 2 通道的温度检测。7 4 l s l 3 9 为双2 - 4 译码器，其引脚图如图3 1 0 所 示，真值表如表3 9 所示。 图3 1 07 4 l s l 3 9 引脚图 辽宁_ i j 程技术人学硕十学位论文 - 2 6 表3 97 4 l s l 3 9 真值表 输入输出 使能 g ba y oy 1 y 2 y 3 lll1l 0ooo11l 001l0ll 010ll01 011lll0 c d 4 0 5 l 和7 4 l s l 3 9 组成的3 2 通道示意图3 1 1 所示。 ( 到运 一 1 州 一 c o 吲 争 。【 【 ， r ： 睡 _ 巢 【 # i 【 c jr 。【 ；。e 【 c jr p c o【 p c l # 目p c o 图3 1 17 4 l s l 3 9 和c d 4 0 5 1 组成3 2 通道 i 宁程技术大学硕十学位论文 3 7 基准温度校准信号的测量 前面介绍热电偶工作原理时，式( 2 1 ) 指出：e ( t i ，t o ) = e a b ( t ) 一e a b ( t 0 ) ，由这个 式| 了可知，系统要准确地进行温度检测，不仅需要测出e ( t i ，t o ) ，而且需要测出e a b ( t o ，) 式( 2 1 ) 中e n b ( t o ) 的测量是由集成电路温度传感器来完成的。 所谓集成电路温度传感器( a d 5 9 0 ) 是把热敏晶体仟和放大电路，偏置电源及特性电路 等，用集成化技术制作在同一芯片上。集传感器与放大为一体。这种传感器输出信号大，与 温度的线性关系好，使用方便。按其输出方式可分为电压输出型与电流输出型两种。在本次 设计中根据式( 2 i ) 选用电压输出型。 集成电路温度传感器的设计依据是，利用两个晶体管l 和2 集电极电流之比一定，其两 者的u b e 之差a u b e 与温度的关系。a u b e 由下式给出： aube；ubelube2ktt n a l j e l j s 2 ( 3 7 ) 9 0 订2 。庙2 - 詹l 式中，a l ，8 2 为电流放大系数。j m ，j e ：为发射极电流密度；j s l ，j s 2 为发射极饱和电流密度。 当选择两个晶体符特性相同时，则a l = a 2 ，j s l = j s 2 ；并令r = j c l j 0 2 ，则式( 3 7 ) 可变为： a u b e = 墅l 。，( 3 8 ) 9 0 上式表明a u b e 与绝对温度成正比。可利用两个特性相同的晶体管1 和2 使它们工作电流不 同，由a u a e 大小测定温度，构成集成电路温度传感器。 用图3 1 2 为电压输出型温度传感器的工作原理图。性能相同的两个晶体管v i 和v 2 的集 电极电流分别为1 1 和1 2 。此时两者的发射极电压差au b e 为 a u b e = k ti n 1 1( 3 9 ) 卯2 u b e 经过放大后，可输出随温度变化的电压，变化量为1 0 m v 。c ，表3 1 0 给出了电压输出型 温度传感器的部分丰要性能参数。 在本次设计中，a d 5 9 0 测量的基准温度经o p 0 7 放大后，与热电偶送来的温度检测信号由 c d 4 0 5 2 ( 双二一四模拟开关) ，工作原理与c d 4 0 5 1 相同分时送往a d 转换器中进行转换， 计算接收到数据后，根据式( 2 1 ) 得出被测点的温度。图3 1 3 为a d 5 9 0 在设计中的连接图。 里主三壁丝查查竺堡主兰些堡苎 ：型： g h d 图3 1 2 电压输出型温度传感器原理图 表3 1 0 电压输出型温度传感器主要参数 参数工作温度额定值 输出电压t a = 2 5 2 4 8 0 1 2 t a = 2 5 。c ( t 作点) 2 9 8 o 1 t a = 8 5 3 5 8 o 1 2 线性度 1 0 0 c ( 温度范同1 o 5 长期稳定性 o 3 重复性 o 3 辽宁i 程技术大学硕十学位论文 到 a d 5 9 0 接8 2 5 5 a p c 图3 1 3a d 5 9 0 连接电路图 3 8a d 转换电路设计 3 8 1a d 转换器的选择 1 在前面已详细介绍了双积分式a d 转换器的基本原理。在这次设计中，我们选用了4 三位 z 双积分式a d 转换器i c l 7 1 3 5 。采用芯片i c l 7 1 3 5 作为高速a d 转换芯片为转换核心，该 1 芯片为4 三位b c d 码输出的c m o s 集成电路，具有精度高，抗干扰能力强，分辨率能达到二 上 万分之一，对电源变化稳定性高、高输入阻抗、自动调零、自动判别极性，性能价格比高。 其输出为4 位b c d 码，5 根扫描线，l 根符号位以及“忙”、“运行保持”、“过量程”、“欠量程” 等辅助信号。完全能满足题目摹本要求和发挥部分的精度指标。是数字电压表专用电路第二 代高性能产品，其性能如下： 1 总读数达2 0 0 0 0 - - + 2 0 0 0 0 ( 满标电压2 ，0 0 0 0 v ) ，精度达到一1 + l 记数。 2 自较零，保证零电压输入时为零。 3 输入阻抗大于1 0 0 0 m q 。 4 全部输入与t t l 相容。 5 采用位扫描与b c d 码输出。 辽宁 程技术大学硕十学位论文 6 只要求单一基准电压。 7 用闪烁显示的方法直观的表明超量程状态。 8 具有适用自动量程能力超量程和欠量程信号。 9 自动判别信号极性，保证零读数附近极性准确。 1 0 ，设有6 个i 0 辅助信号，适用多个通用异步收发机，微处理机或其他组合线路。具有精 确的差分输入。 图3 1 4i c l 7 1 3 5 高速a d 转换原理图 i c l 7 1 3 5 内部模拟部分电路结如图3 15 所示。 辽宁= 程技术大学硕十学位论文 1 f j i l l i _ 图3 1 5i c l 7 1 3 5 模拟部分电路结构 图中参考电压有存储电容c r 积分电阻r i n t ，积分电容c m r 以及较零存储电容c a z ，是 外接元件，单极性的参考电压需外加，一般情况下v r = 1 v 。电源电压为+ 5 v 。在v r = i v 时， 可作为普通的数显表。 整个模拟电路在逻辑电路的控制下，由1 2 个模拟开关的导通或截止状态的组合把一次转 换周期分为4 个阶段：自较零阶段( a z ) ，对被电压积分采样阶段( i n t ) ，对参考电压回积 阶段( d e ) ，积分器加零阶段( z i ) 。各个阶段功能如下： a z 阶段：在此阶段二件事。第一，输入高，低端与外引线分离后，在芯片内部接模拟公 共端；第二，让基准电容充电；第二，闭和反馈回路使自零电容c a z 充电，以补偿缓冲放大 器，积分器，比较器的失调电压。由于比较器包含在回路中，自零精度仅受系统噪声限制。 在任何情况下，失调电压小于1 6 , u v 的等效输入信号。 i n t 阶段：在信号积分阶段，断开自零回路：输入高，低端的内部短路消失，而直接与 外部引线相连；i c l 7 1 3 5 对输入高，低端之间的信号电压进行积分，积分电压可以具有很宽的 共模范围，可在高正，负电源l v 范围之内。在某些场合，输入信号对i c l 7 1 3 5 的电源不形成 回路，这时输入低端1 n 可以连接到模拟公共端c o m ，用确定的共模电压。在本阶段末，信 号极性被锁入极性触发器。 d e 阶段：此阶段也叫摹准积分，这时输入低端v i 一在芯片内部与模拟公共端c o m 短路， 辽宁i 程技术人学硕十学位论文 而输入高端v i + 接到预先充电的基准电容c r e f 上。 的极性与转换器相连接。使积分器的输出返回零， 小成正比，相应的读数显示为1 00 0 0 ( v i v r ) 。 芯片内部的模拟开关确保基准电容以正确 积分器输出返回零的时间与输入信号的大 z i 阶段：在此阶段，第一，输入低端v i 与模拟公共端c o m 短路；第二，反馈回路闭合， 比较器的输出绕过系统与输入高端v i + 短接，使积分器返回零。一般情况下，这个阶段用1 0 0 致2 0 0 个时钟完成，但在超量程转换后将增至6 0 0 个时钟脉冲。 i c l 7 1 3 5 可以接收输入放大器共模电压范围的任一差分电压，确切地说，可以低于正电源 0 5 v 到高于负电源1 v 。在这个范围内，系统具有8 6 d b 的典型共模抑郁比。由于积分器的输 出随共模电压摆动，必须注意不要使积分器的输出饱和，最坏的情况是一个大的共模电压用 完之后，将驱动积分器的负极性。对于这种临界的应用，积分器的摆幅可以减小至建议的4 v 满标摆幅值，从而减小精度的损失。 模拟公共端c o m 作为输入低端，v i 一为自较零与清除积分期间的返回电位。如果输入低 端v i 一与c o m 分离而不同电位，系统就存在一个共模电压，因i c l 7 3 1 5 具有良好的共模抑郁 比，故能满足这种要求。大多数应用中，输入低端将设定在一个已知的电位上，这时模拟公 共端c o m 将连在同点上，以消除转换器的共模电压。摹准电压是以模拟公共端c o m 为参 考的，c o m 端即模拟地a g n d 。 i c l 7 1 3 5 的基准电压必须对c o m 端为止电压，基准电压的获取可以用齐纳基准，能隙基 准，也可以通过m c l 4 0 3 等集成电路基准得到。 i c l 7 1 3 5 的数字部分电路结构如图3 一1 6 所示。其逻辑功能在第二章第二节“信号转换原理” 中已介绍。其丰要电路包括：b c d 码计数器，锁存器，数字多路选通开关及分配器，极性触 发器，过零检测器和逻辑控制电路等。 极嘲自出f o li ) 5m d i 图3 1 6 i c l 7 1 3 5 数字部分电路结构 图中：d s d 为字位选通输出b 3 、b 1 为b c d 码输出 d g n d 为数字地c l k 为f c p 输入 r h 为转换停顿 o r 为过程量u r 为欠量积 s t 为选通b u s x 为转换状态 3 8 2i c l 7 1 3 5 的引脚功能 i c l 7 1 3 5 的引脚图如图3 1 7 所示。 辽中i ：程技术大学硕士学位论文 各引脚功能如下 l 2 8 2 2 7 3 2 6 4 2 5 5 2 4 6 i c l 2 8 77 1 3 5 诧 8 2 i g鼬 1 0 1 9 i 1 8 1 21 7 1 3 1 6 1 幸1 5 图3 1 7i c l 7 1 3 5 的封装图 1 端：v - ，负电源。一般可用3 8 v 典型值为5 v 1 1 端：v + ，正电源。一般可用+ 4 - 一- 6 v 典型值为+ 5 v 2 端：v r ，参考电压输入端。一般可以用较精确的l v 电压输入。 3 端：c o m ，模拟输入端，即模拟地。 4 端：i n t ，积分器输出端，同时也是积分电容c i n t 的一个外接端，还可以作为双积分波形的 观察端。 5 端：a z ，自较零端，也是自动调零电容c a z 的一个外接端。 6 端：b u f ，缓冲放大器输出端，也是积分电阻r i n t 的一个外接端。 7 8 端：c r ，c r + ，基准贮存电容c r 的两个外接端，该电容用来寄存参考电压v r 。 1 0 端：v i + ，v 1 ，模拟输入的两个差分输入端。其中9 是负端，1 0 是正端。 1 3 1 4 1 5 1 6 端：b 1 ，b 2 ，b 4 ，b 8 ，b c d 码输入端。其中1 3 ( b 1 是最低位，1 6 ( b 8 ) 是 最高位，他们用高电平“l ”表示有效。 1 2 ，1 7 ，1 8 ，1 9 ，2 0 端：d 5 一d l ，十进制位数输出区别端。该信号是宽度小于2 0 0 个计数脉 冲的正跳变信号，扫描顺序是：d 5 ( 最高位) ，0 4 ，d 3 ，d 2 ，d i ( 最 低位) 。这5 个位驱动信号，除出现超量程状态外，将一直不断地进 i 宁j 二程技术人学硕十学位论文 行扫描。 2 1 端：b u s y ，是一个a d 转换是否在执行的标志和控制信号。在信号积分开始时，b u s y 跳到高电平“l ”，这个高电平一直持续到0 后的第一个脉冲( 或在超量程的测试结束 后) 。在b u s y 跳变后的第一个记数脉冲里，内部锁存器进行操作，接受新的数据， 锁存时间为一个脉冲。当b u s y 跳回零后，内部线路自动转入自较零阶段。相应地可 以认为，b u s y 是一个z i + a z 信号。当数据从较远的锁存器沿信号线传送时，个 非常重要的方法是将b u s y 与时钟信号进行逻辑“与”，从接收的脉冲数中减去1 1 0 1 个记数脉冲。 2 2 端：c l k ，时钟输入端，从该端加入的外部时钟信号为4 0 k h z l m h z 。 2 3 端：p o l ，极性输出端。当该端输出信号“1 ”时，表示v i 0 ，反之v i q lh p q l h xhh 3 1 0 模拟通道设计 计算机作用温度巡检，系统总要有被测信号的输入通道。由计算机获取必要的输入信息。 对测量系统而言，如何准确获取被测信号是核心任务。 系统需要的被测信号，一般可分为开关量和模拟量。我们采到的是模拟信号，在任何时 刻都有意义，因此对象处理较为复杂。 对被测对象状态的获取，选用热电偶传感器转换后得到的电信号，尤其是模拟量的信号， 往往是小信号，需要经过放大后才能进行有效处理。为了抑制电磁干扰等影响，需对该信号 进行滤波处理，这个功能由i c l 7 6 5 0 完成。模拟通道框图如下： 图3 1 9 模拟通道框图 辽宁工程技术人学硕士学位论文 4 系统软件设计 对温度测点的采集与数据处理是根据式( 2 1 ) 的变换型： e a b ( t ，0 ) = e ( t ，t o ) + e a a ( t 0 ，o ) ( 4 1 ) 式中e a b ( t ，0 ) 表示热电偶的测量端温度为t ，参考端温度为0 c 时的热电势，也就是实测 的热电势值。e a b ( t o ，0 ) 表示热电偶的参考端温度为t 0 的时候所应加的校正值