通用于采集控制實驗的接口設備硬件電路的設計

文/徐喆 李承澤 張子超

1 電壓分級處理電路的設計

電壓信號是最基本的物理量信號，電壓的采集是控制實驗中重要的環節，但當被測量電壓等級為mV級到V級變化時，用相同的單元處理電路不能保障數據采集的精度，所以當電壓信號輸入時，便立刻對其進行自動分級處理，將不同電壓等級的信號傳輸到相應的電路進行處理，電路如圖1所示。

此電路可將電壓以1V為界分級，采集到不同等級的電壓處理電路中。運算放大器LM358可以將輸入電壓和設定電壓等級進行對比，調整滑動變阻器RV2的阻值，使反相輸入端電壓為1V，當采樣信號輸入到同相輸入端大于1V時，輸出信號為1；當同相輸入端小于1V時，輸出信號為0，多路模擬開關將比較器輸出信號作為地址控制通道的選通。例如采樣電壓為1.5V，則LM358輸出為1，則多路模擬開關的C、B、A地址為001，控制X1發出信號，晶閘管Q2導通，RL1線圈通電，觸點吸合，信號被采集進入大于1V的電壓處理電路。

對于小于1V的電壓信號，首先通過放大器對其放大，繼而進行信號隔離、低通濾波及模數轉換，其中要特別注意的是，AD轉換器中一般會有一個小電容，起到樣本保持的作用，而濾波常采用的RC低通濾波器，含有一個較大電容，會與AD中的電容串聯盡享相互充放電，這樣RC濾波器的電容會有壓降，使采樣電壓有所損失，這對小電壓信號的影響是巨大的，所以為了盡量彌補這種損失，應使RC濾波器的電容遠大于AD轉換器中的電容；對于大于1V的電壓信號，處理方式類似，但在器件的選擇上應與小電壓信號處理電路不同以保證信號的精度。

2 電流處理電路的設計

電流信號采集一般的方式有三種：低端采樣、高端采樣和采樣電阻在負載上方運放電源地懸浮在負載上。這里采用低端采樣，即采樣電阻在負載下方，運放電源地和采樣電阻同地。圖2所示的就是這種常見的電流采樣電路。

圖1

圖2

假設采樣電流為1A，則電流流過電阻時，轉化為微小電壓，經過LM358差分放大后，放大為0.491V的電壓信號，經過RC濾波后輸入AD進行模數轉換。但這種采樣電路有一些弊處，只有當R1、R4、R6、R7的阻值是準確且恒定的，并且運放是理想的，電流轉換成電壓的數據才比較準確。

電阻的誤差對差分電路的性能有很大的影響，理論上可以通過提高4個電阻的精度來減小差分電路的誤差，但實際上即使電阻有0.1%的誤差也會使差分電路產生非常大的誤差，普通的運算放大器即使共模抑制比很高也不能彌補電阻產生的誤差，所以一般采用儀表放大器。

3 多路模擬開關的應用

多路模擬開關是實現接口設備通用性的關鍵，本項目采用CD4051多路模擬開關，共設有八個輸入通道和八個輸出通道，傳輸信號為差動輸入，所以共需要四片CD4051。八個輸入通道具有通用性，采集數據時可接入任意一個通道，而八個輸入通道分別對應不同的信號處理電路。

CD8051是先斷后通型多路模擬開關，可以有效避免兩個通道短接的問題。通過STM32單片機對寄存器的配置，先對多路模擬開關U1、U3進行選通，根據信號類型，再對U2、U4進行選通，將信號接入相應的單元處理電路。其中U1和U2、U3和U4之間分別接入緩沖放大器，緩沖放大器不起放大信號的作用，由于其高阻抗輸入、低阻抗輸出，可用于阻抗匹配、信號隔離和增強電路輸出能力。

4 結束語

本設計基于STM32單片機，對多路模擬開關進行配置，將輸入信號采集到不同的單元電路進行處理，再通過RS485串口通信將數據傳至上位機LabVIΕW界面進行顯示，可以實現硬件接口設備的通用性，適用于不同的實驗場景，節省了實驗成本，增強了實驗的便捷性。