吳昱樺，王科健

(白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，甘肅 白銀 730900)

可編程性掃描式集成測(cè)量頭調(diào)理電路設(shè)計(jì)

吳昱樺，王科健

(白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，甘肅 白銀 730900)

針對(duì)掃描式LVDT電感式集成測(cè)量頭噪音大、測(cè)量精度底等問題。文中采用了一種可編程性且靈活性高的掃描式LVDT電感式集成測(cè)量頭調(diào)理電路，其使用同步解調(diào)器和模擬濾波器ADA2200在模擬域中提取位置信息和抑制模擬電路噪聲，通過內(nèi)部集成的高速、16位高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器以及其他功能模塊的單片機(jī)C8051F060對(duì)調(diào)理電路進(jìn)行可編程控制和數(shù)據(jù)采集讀取。對(duì)所開發(fā)電路進(jìn)行了測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求。

測(cè)量頭；調(diào)理電路；可編程控制；數(shù)據(jù)采集讀??；測(cè)試實(shí)驗(yàn)

齒輪測(cè)量中心由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)3大部分組成。測(cè)量控制系統(tǒng)取決于測(cè)量過程中對(duì)測(cè)量所得數(shù)據(jù)的處理方式、效率和精確度，是其測(cè)量中的關(guān)鍵技術(shù)。坐標(biāo)式齒輪測(cè)量機(jī)由3個(gè)方向的直線軸和1個(gè)回轉(zhuǎn)主軸運(yùn)動(dòng)來(lái)控制測(cè)量頭的緩慢運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而接觸工件輪廓以致測(cè)頭探針通過接觸工件產(chǎn)生相應(yīng)壓入量形變。因此測(cè)量頭性能是測(cè)量中心的關(guān)鍵，是測(cè)量設(shè)備整體性能的決定因素之一。目前大多數(shù)測(cè)量機(jī)上使用的掃描式測(cè)頭是LVDT差動(dòng)電感式的傳感器，測(cè)量頭設(shè)備也有多種設(shè)計(jì)方法。本文設(shè)計(jì)特點(diǎn)：首先，將測(cè)頭的傳感器與信號(hào)調(diào)理電路集成在測(cè)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這樣避免了分立結(jié)構(gòu)中因信號(hào)傳輸路徑造成的干擾，降低了信號(hào)噪聲；其次，設(shè)計(jì)中的傳感器初級(jí)線圈激勵(lì)頻率為SPI可編程，可通過單片機(jī)控制模擬電壓帶寬并對(duì)其動(dòng)態(tài)范圍進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示，測(cè)頭接觸工件輪廓產(chǎn)生壓入量，將位移信號(hào)比例轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，此信號(hào)通過信號(hào)調(diào)理電路輸出給A/D轉(zhuǎn)換模塊，MCU通過控制A/D轉(zhuǎn)換的控制和數(shù)據(jù)的讀取，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給上位機(jī)進(jìn)一步處理。

圖1 總體方案設(shè)計(jì)圖

信號(hào)調(diào)理電路主要為L(zhǎng)VDT傳感器提供激勵(lì)電壓及輸出調(diào)解信號(hào)、濾波和增益功能，A/D將模擬信號(hào)進(jìn)行采樣轉(zhuǎn)換成16二進(jìn)制位數(shù)字信號(hào)，MCU負(fù)責(zé)完成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送。此處設(shè)置JTAG接口是為了便于在線調(diào)試程序，觀察和修改程序。

2 電路設(shè)計(jì)

測(cè)頭信號(hào)調(diào)理電路采用ADI公司的同步解調(diào)器和可配置模擬濾波器ADA2200[1]和低壓、300 MHz、4通道2:1多路復(fù)用模擬高清電視音頻/視頻開關(guān)ADG794[2]構(gòu)成，能以較高精度和可重復(fù)性將傳感器機(jī)械位置轉(zhuǎn)換為雙極性直流電壓[3]。

控制激勵(lì)電壓帶寬和A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和讀取的核心是Silicon Labs公司CIP51內(nèi)核的SOC型單片機(jī)C8051F060[4]，此單片機(jī)內(nèi)部集成了高速率、高精度A/D轉(zhuǎn)換器以及數(shù)據(jù)接口等其他功能模塊，大幅減少了外部電路及電路布板面積，減少了因外部電路復(fù)雜等器件種類繁多帶來(lái)的噪聲，提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)如圖2～圖4所示，主要由ADA2200、ADG794、差分轉(zhuǎn)單端以及電源電路構(gòu)成。ADA2200集成式同步解調(diào)器組成電路核心。它采用獨(dú)特的電荷共享技術(shù)來(lái)執(zhí)行模擬域內(nèi)的離散時(shí)間信號(hào)處理。具有全差分信號(hào)路徑，由高阻抗輸入緩沖器后接一個(gè)固定低通濾波器(FIR抽取濾波器)、一個(gè)可編程IIR濾波器、一個(gè)解調(diào)器和一個(gè)差分輸出緩沖器組成。其輸入和輸出共模電壓等于1.65 V(3.3 V電源電壓的1/2)，可在信號(hào)解調(diào)至與LVDT核心位移成比例的低頻輸出電壓之前，對(duì)LVDT次級(jí)信號(hào)進(jìn)行濾波，從而提取位置信息。ADA2200產(chǎn)生同步LVDT激勵(lì)信號(hào)，而ADG794開關(guān)將CMOS電平激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密3.3 V方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)LVDT初級(jí)繞組。LVDT是將線性位移轉(zhuǎn)換為比例電信號(hào)，是特殊的繞線變壓器，具有活動(dòng)核心，其位置與待測(cè)位置貼合。激勵(lì)信號(hào)施加于初級(jí)繞組，隨著核心的移動(dòng)，次級(jí)繞組上的電壓成比例發(fā)生變化，根據(jù)該電壓即可計(jì)算位置。

圖2中的H1、H2及VR2和LVDT構(gòu)成半橋式電橋，其平衡由VR2調(diào)節(jié)。電路中的主時(shí)鐘CLKIN由MCU內(nèi)部分頻產(chǎn)生。ADA2200接受主時(shí)鐘并產(chǎn)生其內(nèi)部的所有時(shí)鐘，包括用作LVDT激勵(lì)信號(hào)的參考時(shí)鐘。ADA2200上的時(shí)鐘分頻器配置為產(chǎn)生4.8 kHz激

勵(lì)信號(hào)。ADG794將激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換為精密±3.3 V的方波信號(hào)，該系統(tǒng)3.3 V來(lái)自于AS1117降壓產(chǎn)生，后者由5 V電源驅(qū)動(dòng)。

圖2 信號(hào)激勵(lì)電路

電路中選擇ADG794 CMOS開關(guān)是因?yàn)樗哂械蛯?dǎo)通電阻、快速開關(guān)時(shí)間、先開后合式開關(guān)動(dòng)作以及低成本等特點(diǎn)。它能將ADA2200的低壓CMOS電平RCLK輸出轉(zhuǎn)換為低阻抗差分輸出方波源，然后驅(qū)動(dòng)LVDT。LVDT半橋式電感可調(diào)節(jié)RCLK和ADA2200輸入之間的相對(duì)相位。該電路配置為具有最大正交(相位=90°)響應(yīng)以及最小同相(相位= 0°)響應(yīng)。這使其可以僅通過測(cè)量正交輸出就能確定位置，進(jìn)而使ADA2200輸出電壓對(duì)電路中相位的變化不甚敏感。其中，LVDT的溫度變化導(dǎo)致有效串聯(lián)電阻和電感發(fā)生改變，是相位變化的主要來(lái)源。圖2中的ADG794 VDD輸入采用5 V電源供電。

經(jīng)上述處理后，ADA2200輸出全差分信號(hào)，將信號(hào)經(jīng)過濾波后傳輸給AD8429進(jìn)行放大和轉(zhuǎn)單端處理，且經(jīng)過放大處理的信號(hào)將于單片機(jī)中的A/D模擬輸入電壓相匹配。電路中AD8429[5-9]是ADI公司的一款精密儀表放大器，擅長(zhǎng)測(cè)量微小而快速變化的信號(hào)，低失真度，在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域具有很強(qiáng)的抗干擾性；AD8429由三運(yùn)放拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成，此種結(jié)構(gòu)由兩級(jí)組成：一級(jí)提供差分放大器，其后是一個(gè)消除共模電壓并提供額外放大的差動(dòng)放大器，可使共模信號(hào)經(jīng)其放大后在差分信號(hào)中移除。圖3中，10 kΩ的電位器VR1和一個(gè)5 kΩ的電阻組成它的增益電阻，以便放大器的增益倍數(shù)可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖3 后級(jí)信號(hào)處理電路

圖3中前端的R11、C10和R7、C2分別組成RC低通網(wǎng)絡(luò)濾波器，可以濾除高頻信號(hào)，而且防止較小的直流失調(diào)電壓的影響。根據(jù)設(shè)計(jì)電路中相關(guān)參數(shù)得出計(jì)算結(jié)果，放大器輸入電壓信號(hào)頻率范圍限制在150 Hz～3 kHz，其符合測(cè)頭電壓帶寬頻率的范圍。設(shè)計(jì)中需要注意的是圖中C10影響輸入差動(dòng)信號(hào)，C6影響共模信號(hào)，而且正輸入端的R11×C10與負(fù)輸入R7×C2要匹配，否則會(huì)降低AD8429的CMRR性能。使C10容值比C6容值大一個(gè)數(shù)量級(jí)可以降低不匹配影響，從而改善性能。

圖3中AD8429的雙軌電源由TI公司的低壓降線性穩(wěn)壓器TPS7A4901和TPS7A3001為其提供[10-11]。該種系列的LDO線性穩(wěn)壓器的特點(diǎn)有：超低噪聲、高PSRR、所得到的電壓噪聲低、紋波小，穩(wěn)定性好；且輸入、輸出電壓范圍寬，圖3中產(chǎn)生10 V輸出的電路中R17為電路輸出端較大的反饋電阻，R19為較小的反饋電阻，VOUT為輸出電壓，VREF為器件內(nèi)部參考電壓。產(chǎn)生-10 V的電路中R18為輸出端較大的反饋電阻，R20+VR3為較小的反饋電阻，其中VR3為電位器可微調(diào)輸出電壓值，作用是為了與正電壓值相匹配。其中，VFB(nom)為理論下的反饋電壓，一般取值1.185 V，經(jīng)計(jì)算R1=30 kΩ，R2>3.6 kΩ，電路如圖4所示。

圖4 高精度雙軌電源

2.2 A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)總線接口設(shè)計(jì)

此部分電路由SOC型單片機(jī)C8051F060為核心進(jìn)行構(gòu)建。該芯片內(nèi)部集成有16 位分辨率、1 MSample·s-1速率的 A/D 轉(zhuǎn)換器，同時(shí)還具備具有幀錯(cuò)誤檢測(cè)和地址識(shí)別硬件的增強(qiáng)型串行口，可以工作在全雙工異步方式或半雙工同步方式，并支持多處理器通信。

圖3P1中的ADin是由AD8429單端輸出的信號(hào)，將此信號(hào)連接至 C8051F060中16位A/D的AIN0構(gòu)成單端雙極性輸入。A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集采用中斷方式，其啟動(dòng)與數(shù)據(jù)讀取均在其中斷服務(wù)程序中完成，提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。

3 數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集軟件主要是先進(jìn)行基本配置再由C8051F060控制A/D進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換等處理。系統(tǒng)基本配置主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘、交叉開關(guān)陣列、看門狗以及A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器的配置和控制是為了完成數(shù)據(jù)采集與傳輸[10-11]。

圖5為采集系統(tǒng)流程圖。在系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化后，C8051F060內(nèi)部A/D模塊第一次開始轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每次轉(zhuǎn)換完成后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)拉高的完成標(biāo)志觸發(fā)中斷條件來(lái)啟動(dòng)下次轉(zhuǎn)換，同時(shí)將每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在濾波寄存器組中，當(dāng)寄存器組存儲(chǔ)滿后在內(nèi)部進(jìn)行中值計(jì)算，完成后觸發(fā)中斷鎖存并通過串口發(fā)送給上位機(jī)[12-13]。這里考慮到數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性，在滿足采樣定律的前提下，取3～5個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行中值濾波為最佳[14]。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行線性度的測(cè)量主要是觀察系統(tǒng)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間線性關(guān)系是否符合欲達(dá)到的要求[15]。試驗(yàn)中主要分析系統(tǒng)校準(zhǔn)曲線與擬合曲線之間的最大偏差和滿量程輸出的百分比關(guān)系，值越小，線性度越好。圖6所示為試驗(yàn)中線性度測(cè)量。

圖6 線性度測(cè)量結(jié)果

圖6中橫坐標(biāo)為信號(hào)調(diào)理電路前端輸入信號(hào)；縱坐標(biāo)為通過MCU所采集到的與輸入信號(hào)相對(duì)應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的相對(duì)線性偏差，該偏差是ADA2200、ADG794以及AD8429差分轉(zhuǎn)單端放大電路及 A/D4者總線性度的綜合反映。此外，電路設(shè)計(jì)中使用了差動(dòng)電阻電橋代替差動(dòng)電感電橋，排除了差動(dòng)電感本身的非線性度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。從圖中可知，在不考慮測(cè)頭懸空電壓的前提下，整個(gè)電路的線性度<±0.12%，比測(cè)量頭使用的電感線性度高(線性度為±0.40%)。

5 系統(tǒng)噪聲測(cè)量

使用設(shè)計(jì)的測(cè)量頭在某齒輪測(cè)量機(jī)上，使用上位機(jī)診斷軟件，通過利用讀取的A/D數(shù)據(jù)來(lái)測(cè)定元件噪聲。測(cè)試方法是將測(cè)頭懸空下將使用測(cè)量診斷軟件在1 500點(diǎn)連續(xù)數(shù)據(jù)采樣下對(duì)原件噪聲測(cè)量的σ值取樣10次，觀看此狀態(tài)下測(cè)頭采集數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的波動(dòng)范圍。同理，將使測(cè)頭產(chǎn)生壓入量，同樣取10次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差樣本。表1為在1 500點(diǎn)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差取樣結(jié)果。

表1 連續(xù)1 500點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣下標(biāo)準(zhǔn)差值的取樣結(jié)果

由表1可知，在測(cè)頭懸空下測(cè)量結(jié)果顯示數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差較高，這是由于在測(cè)頭懸空下，測(cè)頭的測(cè)量力為零，容易受到測(cè)量過程中測(cè)量壞境中的機(jī)械振動(dòng)等干擾。在有壓入量的產(chǎn)生下，測(cè)頭受力，抗干擾性強(qiáng)，所測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差較小，而且測(cè)量過程中測(cè)頭處于有壓入量狀態(tài)，因此后者測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差更符合實(shí)際情況。

6 結(jié)束語(yǔ)

(1)本文設(shè)計(jì)的新型測(cè)頭調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)采集與讀取系統(tǒng)，構(gòu)建了信號(hào)調(diào)理解調(diào)電路，并通過SOC型高集成單片機(jī)C8051F060來(lái)控制激勵(lì)信號(hào)的帶寬。采用精密儀表放大器對(duì)前級(jí)電路輸出的差分信號(hào)進(jìn)行差分轉(zhuǎn)單端，同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行了再次濾波和放大處理，使其符合后級(jí)A/D電路的要求；

(2)為了整體的凈化電路模擬電源，利用TPS7A4901和TPS7A3001來(lái)提供精密儀表放大器的雙軌電源，提高后級(jí)模擬信號(hào)的質(zhì)量；

(3)通過單片機(jī)中集成的A/D模塊對(duì)傳感器最終的模擬量輸出進(jìn)行采集，通過單片機(jī)串口輸出，對(duì)其采樣值進(jìn)行線性度的測(cè)量計(jì)算，其線性度不小于±0.12%，并在測(cè)量機(jī)上通過測(cè)頭懸空與產(chǎn)生壓入量?jī)煞N情況下，通過測(cè)量診斷軟件上對(duì)其元件噪聲進(jìn)行了測(cè)量與分析，采樣數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差分別在0.74～0.87和0.29～0.53的范圍內(nèi)變化。經(jīng)各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)量與分析，設(shè)計(jì)滿足要求。

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Programmable Integrated Scanning Probe Conditioning Circuit Design

WU Yuhua，WANG Kejian

(Department of Mechanical and Electrical Engineering,Baiyin Vocational and Technical College of Mining and Metallurgy,Baiyin 730900,China)

Based on a large scanning LVDT inductive probe integrated noise shortcomings, the measurement accuracy of the end, this paper presents a high flexibility and programmability of scanning integrated inductive LVDT probe conditioning circuit. The use of synchronous demodulator and ADA2200 analog filter in the analog domain to extract the location information and suppress noise analog circuits, MCU through the internal integration of high-speed, high-precision 16-bit A / D converters, and other functional modules of C8051F060 conditioning circuit programmable control and data acquisition read. Finally, the development of the circuit has been tested and experimental results achieved expectations.

probe;programmable control;programmable control;data acquisition read;testing laboratory

2016- 10- 10

吳昱樺(1989-)，男，碩士，助教。研究方向：精密儀器設(shè)計(jì)。

TN79

A

1007-7820(2018)01-075-04