基于ARM控制的I/F轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

吳帥

摘要：電流/頻率（I/F）轉(zhuǎn)換電路是一種將模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率脈沖信號(hào)的一種模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，相比于基于ADC芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路具有抗干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，在特殊要求的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中具有廣泛的應(yīng)用。本文根據(jù)I/F轉(zhuǎn)換電路的基本原理，設(shè)計(jì)了一種ARM控制的I/F轉(zhuǎn)換電路，電路中考慮模擬電路與數(shù)字電路的隔離，結(jié)構(gòu)邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，以脈沖或字符形式傳遞到下一級(jí)電路。本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1mA/800Hz的脈沖計(jì)數(shù)，并通過(guò)計(jì)數(shù)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)于電流值的量化。

關(guān)鍵詞：I/F轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換，ARM

引言

電子信號(hào)根據(jù)其連續(xù)性分為模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)，模擬信號(hào)是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號(hào)的幅值、頻率、相位隨時(shí)間連續(xù)變化;與之相對(duì)，數(shù)字信號(hào)是指自變量和因變量均是離散分別的信號(hào)。實(shí)際生活中，傳感器檢測(cè)的信號(hào)大部分都是自然界中存在的模擬信號(hào)，再通過(guò)采樣、保持、量化、編碼轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以供計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，很多物理量通過(guò)傳感器方式直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)或者電流信號(hào)，例如，熱電偶傳感器，通過(guò)“熱點(diǎn)效應(yīng)”將溫度信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào);石英撓性加速度計(jì)，通過(guò)對(duì)敏感器件的偏移，計(jì)算與檢測(cè)電極板之間的距離，將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化為模擬電流信號(hào)等。本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM控制的I/F轉(zhuǎn)換電路，將模擬電流信號(hào)通過(guò)一系列模擬數(shù)字電路，轉(zhuǎn)化為十六進(jìn)制編碼表示的數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了-20mA～+20mA范圍的模數(shù)轉(zhuǎn)換。刻度為1mA/800Hz，線性度為;

1I/F轉(zhuǎn)換電路原理

I/F轉(zhuǎn)換電路原理如圖X所示，輸入電流信號(hào)為Ia，輸出頻率信號(hào)為fout，其功能按照以下步驟實(shí)現(xiàn)：

1）積分器前端電流為Ic，通過(guò)積分器得到積分電壓Uc;

2）比較器將積分電壓與閾值電壓VREF2比較，比較結(jié)果Dc傳遞至ARM控制器;

3）同時(shí)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片ADC采集積分電壓Uc，得到的信息傳遞到ARM處理器;

4）ARM處理器內(nèi)部根據(jù)比較輸出結(jié)果，控制模擬開(kāi)關(guān)通斷，即控制恒流源的通斷;ADC傳入處理器的數(shù)據(jù)由于驗(yàn)證積分比較過(guò)程，保證系統(tǒng)穩(wěn)定;其中恒流源的輸出電流Ia

在I/F電路中，要求反饋電流If遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸入電流，從而使得積分器清零時(shí)間足夠短。Ic輸入恒定情況下，積分器輸出端電壓逐漸變大，當(dāng)大于閾值電壓時(shí)導(dǎo)通的恒流源輸出對(duì)積分器進(jìn)行清零，同時(shí)數(shù)字端記錄脈沖信號(hào)，量化為電壓值。積分器電壓增減速率與輸入電流信號(hào)有關(guān)，且成正相關(guān)。因此輸出脈沖的頻率與輸入電流信號(hào)呈正比關(guān)系，且積分過(guò)程對(duì)整段時(shí)間進(jìn)行電荷積累，能夠消除器件自身的高斯白噪聲對(duì)系統(tǒng)造成的影響。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)I/F轉(zhuǎn)換的電路原理，本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM控制器的I/F轉(zhuǎn)換電路，應(yīng)用于三軸加速度計(jì)信號(hào)的采集，整體系統(tǒng)包括電源電路、采集電路、I/F轉(zhuǎn)化電路、嵌入式系統(tǒng)四個(gè)部分。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖X所示。

電源電路通過(guò)高精度的參考電壓芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路中對(duì)傳感器須提供±15V的供電電壓，選用LMxx15系列芯片;在于采集電路和I/F轉(zhuǎn)換部分，主要涉及積分器、電壓跟隨器、比較器，須提供±5V供電電壓，選用LMxx05系列芯片;對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，選用STM32系列芯片，須提供3.3V供電電壓，選用CAT-330芯片。

采集電路主要對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行比例縮小，則要求的反饋電流減小，從而抑制電路的發(fā)熱問(wèn)題。I/F轉(zhuǎn)換部分則對(duì)電流進(jìn)行積分，應(yīng)用OPA2134運(yùn)算放大器，比較器輸出的信號(hào)至嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行判斷。在傳統(tǒng)的I/F轉(zhuǎn)換電路中，比較器后端輸出的信號(hào)通過(guò)D觸發(fā)器、與門(mén)進(jìn)行脈沖生成，脈沖的寬度也對(duì)應(yīng)反饋電流的開(kāi)通時(shí)間。本文設(shè)計(jì)中考慮后端還需要進(jìn)行十六進(jìn)制數(shù)的輸出，選擇用ARM嵌入式處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)該部分功能。

ARM嵌入式系統(tǒng)通過(guò)定時(shí)器開(kāi)定時(shí)檢測(cè)比較器的輸出信號(hào)。當(dāng)接收高電平信號(hào)時(shí)輸出并保持一段時(shí)間的輸出，實(shí)現(xiàn)D觸發(fā)器和與門(mén)的功能，定時(shí)器的時(shí)間同等于D觸發(fā)器受控時(shí)鐘。ARM輸出的脈沖信號(hào)控制模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒流源的通斷，同時(shí)也對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的上升時(shí)間不大于200μs，本文設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了1mA/800Hz的脈沖計(jì)數(shù)，并根據(jù)刻度系數(shù)對(duì)輸入的電流信號(hào)進(jìn)行量化。最后按照十六進(jìn)制數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行輸出，實(shí)現(xiàn)在加速度計(jì)信號(hào)采樣應(yīng)用中的模擬電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。

3試驗(yàn)測(cè)試

對(duì)I/F轉(zhuǎn)換電路整體硬件系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，選用恒流源發(fā)生器作為輸入信號(hào)模擬傳感器的電流信號(hào)，輸出范圍為0～10mA，電路系統(tǒng)按照要求對(duì)輸出脈沖個(gè)數(shù)以及量化的數(shù)值進(jìn)行采集。通過(guò)試驗(yàn)得出，在0～10mA范圍內(nèi)，I/F轉(zhuǎn)換電路的全量程線性度為1.7×10-4，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一種應(yīng)用于加速度信號(hào)采集的I/F轉(zhuǎn)換模擬電路。通過(guò)ARM的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)了1mA/800Hz的模數(shù)轉(zhuǎn)換刻度系數(shù)，全量程線性度為1.7×10-4，滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與模數(shù)轉(zhuǎn)換的需求。

參考文獻(xiàn)

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