基于ARM控制的I/F轉換電路設計

吳帥

摘要：電流/頻率（I/F）轉換電路是一種將模擬電流信號轉換為頻率脈沖信號的一種模數(shù)轉換電路，相比于基于ADC芯片的模數(shù)轉換電路具有抗干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定的優(yōu)點，在特殊要求的模數(shù)轉換電路中具有廣泛的應用。本文根據I/F轉換電路的基本原理，設計了一種ARM控制的I/F轉換電路，電路中考慮模擬電路與數(shù)字電路的隔離，結構邏輯嚴謹，以脈沖或字符形式傳遞到下一級電路。本文設計實現(xiàn)1mA/800Hz的脈沖計數(shù)，并通過計數(shù)算法實現(xiàn)對于電流值的量化。

關鍵詞：I/F轉換電路，模數(shù)轉換，ARM

引言

電子信號根據其連續(xù)性分為模擬信號與數(shù)字信號，模擬信號是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號的幅值、頻率、相位隨時間連續(xù)變化;與之相對，數(shù)字信號是指自變量和因變量均是離散分別的信號。實際生活中，傳感器檢測的信號大部分都是自然界中存在的模擬信號，再通過采樣、保持、量化、編碼轉換為數(shù)字信號，以供計算機進一步處理。

隨著電子技術的發(fā)展，很多物理量通過傳感器方式直接轉換為電壓信號或者電流信號，例如，熱電偶傳感器，通過“熱點效應”將溫度信息轉化為電壓信號;石英撓性加速度計，通過對敏感器件的偏移，計算與檢測電極板之間的距離，將加速度信號轉化為模擬電流信號等。本文設計了一種基于ARM控制的I/F轉換電路，將模擬電流信號通過一系列模擬數(shù)字電路，轉化為十六進制編碼表示的數(shù)字信號，實現(xiàn)了-20mA～+20mA范圍的模數(shù)轉換。刻度為1mA/800Hz，線性度為;

1I/F轉換電路原理

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

1）積分器前端電流為Ic，通過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，比較結果Dc傳遞至ARM控制器;

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

4）ARM處理器內部根據比較輸出結果，控制模擬開關通斷，即控制恒流源的通斷;ADC傳入處理器的數(shù)據由于驗證積分比較過程，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遠遠大于輸入電流，從而使得積分器清零時間足夠短。Ic輸入恒定情況下，積分器輸出端電壓逐漸變大，當大于閾值電壓時導通的恒流源輸出對積分器進行清零，同時數(shù)字端記錄脈沖信號，量化為電壓值。積分器電壓增減速率與輸入電流信號有關，且成正相關。因此輸出脈沖的頻率與輸入電流信號呈正比關系，且積分過程對整段時間進行電荷積累，能夠消除器件自身的高斯白噪聲對系統(tǒng)造成的影響。

2硬件系統(tǒng)設計

根據I/F轉換的電路原理，本文設計了一種基于ARM控制器的I/F轉換電路，應用于三軸加速度計信號的采集，整體系統(tǒng)包括電源電路、采集電路、I/F轉化電路、嵌入式系統(tǒng)四個部分。結構設計如圖X所示。

電源電路通過高精度的參考電壓芯片為核心進行設計，電路中對傳感器須提供±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。

采集電路主要對電流信號進行比例縮小，則要求的反饋電流減小，從而抑制電路的發(fā)熱問題。I/F轉換部分則對電流進行積分，應用OPA2134運算放大器，比較器輸出的信號至嵌入式系統(tǒng)進行判斷。在傳統(tǒng)的I/F轉換電路中，比較器后端輸出的信號通過D觸發(fā)器、與門進行脈沖生成，脈沖的寬度也對應反饋電流的開通時間。本文設計中考慮后端還需要進行十六進制數(shù)的輸出，選擇用ARM嵌入式處理器來實現(xiàn)該部分功能。

ARM嵌入式系統(tǒng)通過定時器開定時檢測比較器的輸出信號。當接收高電平信號時輸出并保持一段時間的輸出，實現(xiàn)D觸發(fā)器和與門的功能，定時器的時間同等于D觸發(fā)器受控時鐘。ARM輸出的脈沖信號控制模擬開關來實現(xiàn)恒流源的通斷，同時也對脈沖進行計數(shù)，模擬開關導通的上升時間不大于200μs，本文設計中實現(xiàn)了1mA/800Hz的脈沖計數(shù)，并根據刻度系數(shù)對輸入的電流信號進行量化。最后按照十六進制數(shù)據包格式進行輸出，實現(xiàn)在加速度計信號采樣應用中的模擬電流信號轉化為數(shù)字信號。

3試驗測試

對I/F轉換電路整體硬件系統(tǒng)進行測試，選用恒流源發(fā)生器作為輸入信號模擬傳感器的電流信號，輸出范圍為0～10mA，電路系統(tǒng)按照要求對輸出脈沖個數(shù)以及量化的數(shù)值進行采集。通過試驗得出，在0～10mA范圍內，I/F轉換電路的全量程線性度為1.7×10-4，滿足設計要求。

4結語

本文設計一種應用于加速度信號采集的I/F轉換模擬電路。通過ARM的設計簡化了邏輯控制電路，實現(xiàn)了1mA/800Hz的模數(shù)轉換刻度系數(shù)，全量程線性度為1.7×10-4，滿足系統(tǒng)的設計要求與模數(shù)轉換的需求。

參考文獻

[1]程遠超，黃偉，趙新強，呂成方，楊洋.基于FPGA的大比例系數(shù)高精度I/F電路設計[J].導航與控制，2018，17（02）：59-66.

[2]孟俊芳，魯浩，張彥.慣導裝置中I/F變換器靜態(tài)測試方法研究[J].航空兵器，2009（02）：18-21.