可編程模擬器件在小信號測量系統中的應用

1 引 言
　　在系統可編程模擬電路(In System ProgrammabilityProgrammable Analog Circuits，ispPAC)是可編程模擬器件的一種，其內部有可編程的模擬單元(如放大、比較、濾波)，他可在不脫離所在應用系統的情況下，通過計算機編程實現模擬單元電路指標參數的調整和模擬單元電路之間的連接等，從而獲得功能相對獨立的模擬電路。

　　在系統可編程模擬電路提供以下3種可編程性能：

　　(1) 功能可編程

　　在系統可編程器件可實現信號調理(對信號進行放大、衰減、濾波)、信號處理(對信號進行求和、求差、積分運算)、信號轉換(數字信號轉換成模擬信號)。

　　(2) 互連可編程

　　能把器件中的多個功能塊進行互連，對電路進行重構，具有百分之百的電路布通率。

　　(3) 指標特性可編程

　　能調整電路的增益、帶寬和閾值。

　　ispPAC器件可以被允許反復編程，編程次數可達10 000次。通常，編程軟件還提供仿真功能。設計人員可根據系統提供的仿真結果重新修改電路，直至滿意為止。然后將編程結果通過isp接口電纜下載至芯片，從而完成了 
模擬電路的設計與實現，即把高集成度、精確的設計集于一片ispPAC中，取代了由許多獨立標準模擬器件所實現的電路功能。

　　2 小信號測量系統的實現

　　2.1 小信號測量系統的硬件框圖

　　小信號的測量歷來是智能儀器儀表及測控領域中的關鍵技術。一般傳統的小信號測量系統的硬件框圖如圖1所示。

　　在圖1中可以看到小信號在測量之前必須被濾波整流和放大，但考慮到放大器本身的漂移，所以還要加入調零網絡。如果采用通常的模擬電路搭建方法，將需要6～8個高精密運算放大器和大量的電阻電容。像這樣設計的電路調試復雜繁瑣，且測試精度不高。

　　用ispPAC器件替代其中一部分的模擬電路，簡化了設計過程，降低了成本。加上單片機和ADC的使用，使得增益可控，并可用LED顯示測量值。其框圖如圖2所示。圖中單片機可采用89C51常用8位單片機，ADC是ICL7135 4位半雙積分ADC，抗干擾能力較強，輸入為差分信號，輸出為4位半十進制數0.000 0～±1.999 9，數據采取BCD碼動態掃描輸出形式。

　　用ispPAC器件替代其中一部分的模擬電路，簡化了設計過程，降低了成本。加上單片機和ADC的使用，使得增益可控，并可用LED顯示測量值。其框圖如圖2所示。圖中單片機可采用89C51常用8位單片機，ADC是ICL7135 4位半雙積分ADC，抗干擾能力較強，輸入為差分信號，輸出為4位半十進制數0.000 0～±1.999 9，數據采取BCD碼動態掃描輸出形式。

　　2.2 用ispPAC10做測量放大器

　　ispPAC10實現系統前端的模擬測量功能，即對信號整形濾波和放大。在系統可編程器件所用的開發軟件為PAC Designer。該軟件采用原理圖設計輸入方式，并可對電路的幅頻特性和相頻特性直接進入模擬分析。不同的參數(R，C)值可以得到相應的幅頻／相頻曲線，從仿真曲線上可對原理圖設計進行適當修改，直到滿足設計的要求。當完成設計輸入和仿真操作后，最后一步工作是對PAC器件進行編程。ispPAC器件的硬件編程接口電路是IEEEll49.1-1990定義的JTAG測試接口。ispPAC器件的JTAG串行接口通過編程電纜和PC并口連接，這樣就可以對ispPAC10進行下載，電路如圖3所示。

　　信號采用單端輸入，為了減少系統本身的零漂，使用簡單的精密電阻網絡進行零漂的調整，500 kΩ的可調電阻幾乎能覆蓋可能出現的所有參考電壓的偏差。信號輸入后，首先經過一個低通濾波器，減少高頻雜波的干擾和影響，然后再經過放大，由OUT3輸出。為了調整系統本身的零漂，需外輸入一個1 mV的小電壓，根據ispPAC10的可編程特點，以步進為1 mV達到調整范圍-10～+10 mV，這樣可以消除PAC器件本身的零漂。當然，如果增益不夠的話，可以再級聯一級放大器，即：OUT3輸出和OUT4輸入相連，輸出電壓由OUT4輸出。最后得到一個差分輸出信號，送給模數轉換器。其中，低通濾波器的設計可用雙二次電路用于實現二階濾波。典型的二階濾波器傳遞函數為：

　　當M=C=0時為低通濾波器；M=D=0時為帶通濾波器；C=D=0時為高通濾波器。

　　2.3 小信號測量系統的電原理圖

　　小信號測量系統的電原理圖如圖4所示。為了充分利用和擴大ICL7135測量范圍以及提高精度，可使用雙4路模擬開關C4052，并利用ICL7135的過量程和欠量程示意功能實現了量程的自動切換。

　　圖4中用P3.4控制A／D轉換。如果置P3.4=1不變，則ICL7135連續進行A／D轉換而不會停止。

    如果用軟件在P3.4輸出一個正脈沖則啟動A／D轉換，轉換完一次便不再進行A／D轉換，并不斷輸出數據。把STB與P3.3(INT0)相連，可實現INT0中斷，在A／D轉換期間STB為高電平。在A／D轉換完畢后，在STB出現5個負脈沖，可以利用STB的下降沿請求中斷，每個STB負脈沖可使相應的顯示位獲得驅動信號，而a8～a1是相應位的BCD碼。因此軟件設計是采用連續響應5次中斷(或進行5次查詢)，讀出5個BCD碼的方法。在數據讀入后單片機通過查表的方式，將得到的BCD碼轉換成相應的LED七位顯示碼，接著通過串行口方式發送給移位寄存器74LS164進行顯示。符號位和精度位分別由獨立的引腳進行控制。當發現量程過大時會預警，當放大增益不足時會自動切換量程。

　　3 系統調試

　　3.1 關于漂移的問題

　　工作狀態中出現漂移時，如果是線性的可以使用調節零漂的方法進行調節；如果是非線性的可以建立與輸入電壓相關聯的步進電壓進行調整；如果是離散的可采取軟件取平均的方法。

　　3.2 ICL7135的參數選擇

　　為了抑制交流干擾信號(最大的干擾頻率為供電電源的干擾)，ICL7135的時鐘頻率設為fck，應該使：

　　其中：K為正整數，ff為于擾信號的頻率，即50 Hz。

　　對于ICL7135而言，N=10 000，在工業現場，考慮到通用性，K取值為2，則fck=250 kHz。假設單片機的工作頻率為6 MHz，那么ALE腳輸出的信號為晶振的6分頻即1 MHz，然后通過計數器74LS163進行4分頻就可以得到ICL7135所需要的工作頻率250 kHz 
。

　　假設滿量程為2 V，那么根據數據手冊可得參考電壓VREF=1 V；積分電阻Rint=Vxm／20μA=100 kΩ；積分電容Cint≥N*20 μA／(fckVm)=0.2μF，其中Vm為積分器輸出的可能最大值，對于ICL7135而言Vm在3.5～4 V之間。調零電容和基準電壓濾波電容應該取足夠大的值，一般為1μF，而且要使用優質電容。其余的電容可按常規方法選用，均取0.1μF。

　　3.3 單片機的外圍電路

　　應該注意NMOS和CMOS結構的單片機相應的時鐘電路和復位電路是不同的，否則會引起不必要的器件損壞。圖4給出的是NMOS型單片機的電路，在一些輸入輸出口上需要加上上拉電阻(圖中未畫出)。為了確保系統的穩定運行，在可能的情況下，還可以使用硬件看門狗。

　　3.4 數字和模擬混合電路

　　對于數字和模擬混合的電路，布線時應避免相互的干擾，而作為小信號測量系統，這一點尤為重要。在必要之處應加上隔直和濾波電容。

　　4 結 語

　　在系統可編程模擬器件結合單片機等系統構成的各種應用系統，特別是用在系統可編程模擬器件構成的各類智能化測量系統，由于體積小、功能多、精度高、使用方便靈活，已成為測量的發展方向。用在系統可編程模擬器件設計的小信號測量系統實現了其整流濾波和放大的功能，且電路的調試簡單、測試精度高。隨著模擬可編程技術的不斷進步和應用需求的增加，可編程模擬器件的類型和品種也會日益豐富和完善。