工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)產(chǎn)生與測量儀表設(shè)計(jì)

該儀表采用16位ADC測量0～10V的電壓信號(hào)，為使輸入阻抗大于10MΩ，使用了OP27運(yùn)放組成了儀表放大器的輸入結(jié)構(gòu)，同時(shí)還使用差動(dòng)輸出結(jié)構(gòu)的運(yùn)放THS4130連接ADC的差動(dòng)輸入端。這樣THS4130輸出信號(hào)為VOD=(RF／RG)*(1+2R2／R1)*VI，在滿量程為10V時(shí)，選擇R1=R2=1kΩ RC=30kΩ，RF=1k，則最大VOD=1．0V；在滿量程為1．0V時(shí)，選擇R1=R2=1kΩ，RG=30kΩ，RF=10k，則最大VOD=1．0V，量程由開關(guān)S1選擇。為滿足ADC的需求，將VCM端與VREF相連，使輸出電壓偏移+1．2V。
該儀表采用一路16位ADC測量該儀表的輸出電壓或電流，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行校正，使輸出電壓和電流的誤差更小。
ADC時(shí)鐘選擇MCLK，采用鎖相環(huán)使頻率穩(wěn)定到1．048MHz，采樣率為4096，定時(shí)3路連續(xù)轉(zhuǎn)換，32個(gè)轉(zhuǎn)換結(jié)果相加取平均值。
測量部分的單片機(jī)采用SPI接口順序輸出3路ADC的數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)處理與顯示部分。
(2)數(shù)據(jù)處理與顯示部分
數(shù)據(jù)處理與顯示功能由MSP430F449實(shí)現(xiàn)，其原理圖如圖2所示。
從圖2可以知道，數(shù)據(jù)處理與顯示電路中具有4×4鍵盤和7位液晶顯示器。其F449的SPI0引腳P3．3、P3．1與測量部分的F425單片機(jī)的P1．6、P2．1引腳相連，F(xiàn)425擔(dān)當(dāng)主機(jī)，定時(shí)向從機(jī)F449發(fā)送數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)處理與顯示部分將測量的數(shù)據(jù)乘以按鍵輸入的比例系數(shù)，并轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)后，輸出到液晶顯示器上。液晶顯示器在按鍵控制下，可以單獨(dú)顯示輸入的電壓或是電流，也可以顯示輸出的電壓和電流，或是順序定時(shí)顯示它們。該部分以同樣的方式處理被測量的頻率和顯示輸出的頻率。

2 產(chǎn)生電壓與電流信號(hào)
該儀表產(chǎn)生工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流和0～10V電壓信號(hào)，其原理圖如圖3所示。

由圖3可以看出，電壓信號(hào)與電流信號(hào)都是采用PWM實(shí)現(xiàn)。為使輸出電壓和電流數(shù)值準(zhǔn)確，采用了反饋控制原理，就是使F425單片機(jī)測量輸出的電壓或者電流，然后將測量數(shù)據(jù)與電壓或電流的設(shè)定值比較后，用誤差值校正輸出。
PWM由F449單片機(jī)的定時(shí)器B輸出模式7實(shí)現(xiàn)，對(duì)于20mA的滿度電流，為達(dá)到0．1％的精度，需要每一個(gè)定時(shí)器B的計(jì)數(shù)數(shù)字代表的電流為22μA。這里取5μA，設(shè)置CCRO=4000，若時(shí)鐘頻率為8MHz，則PWM的頻率為2000Hz。對(duì)于10V電壓信號(hào)，為達(dá)到0．1％精度，需要每一個(gè)定時(shí)器B的計(jì)數(shù)數(shù)字代表的電壓為10mV，這里取2．5mV，設(shè)置CCR0=4000，取時(shí)鐘頻率為8MHz，則PWM的頻率同樣為2000Hz。
由于輸出的是直流電壓和電流信號(hào)，所以采用簡單的RC濾波就能滿足要求。
F449實(shí)現(xiàn)電壓輸出的過程：鍵盤輸入需要輸出的電壓值后，計(jì)算出相應(yīng)的CCR1的數(shù)值，則輸出TB1按照CCR1給定的占空比輸出頻率為2000Hz的脈沖，經(jīng)過濾波后輸出穩(wěn)定直流電壓；該電壓的1／10反饋到16位ADC的輸入端，產(chǎn)生當(dāng)前輸出電壓的數(shù)值數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過32次累加平均后，與設(shè)定值比較，其誤差值與CCR1數(shù)值相加產(chǎn)生新的CCR1數(shù)值，也就調(diào)整了輸出電壓。由于CCR1數(shù)值中的一個(gè)數(shù)字代表的電壓值比10mV誤差小的多，所以肯定有一個(gè)CCR1數(shù)值使輸出電壓滿足要求。
F449實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確電流輸出的過程與實(shí)現(xiàn)電壓輸出的過程基本相同，只是采樣輸出電流。

3 測量與產(chǎn)生頻率信號(hào)
(1)頻率信號(hào)的測量
由F449中的定時(shí)器B實(shí)現(xiàn)頻率的測量，1～1000Hz頻率信號(hào)從CCP模塊輸入引腳輸入，在第一個(gè)被測脈沖上升沿捕獲定時(shí)器的TBR數(shù)值，在第二個(gè)脈沖上升沿再次捕獲TBR的數(shù)值，則兩次TBR數(shù)值之差就是被測脈沖周期。
(2)頻率信號(hào)輸出
F449的TB6引腳輸出頻率信號(hào)，其范圍為1～1000Hz，使定時(shí)器B工作在連續(xù)計(jì)數(shù)的比較模式，根據(jù)輸出頻率，不斷設(shè)置CCR6的數(shù)值，則在TBR數(shù)值與CCR6數(shù)值相同時(shí)，使輸出端TB6產(chǎn)生置位與復(fù)位，輸出頻率信號(hào)。
輸入的頻率信號(hào)與輸出的頻率信號(hào)，都要經(jīng)過信號(hào)處理電路，使其滿足接口電路的邏輯電平。

4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了工業(yè)電壓、電流與頻率信號(hào)的測量與產(chǎn)生儀表的工作原理，給出了主要部分的電原理圖。設(shè)計(jì)采用16位ADC測量電流與電壓信號(hào)，使該儀表可以在工業(yè)現(xiàn)場測量變送器是輸出信號(hào)；而采用反饋誤差消除方法輸出的電壓和電流信號(hào)，可以檢查數(shù)據(jù)采集儀表的準(zhǔn)確性。經(jīng)過驗(yàn)證，利用MSP430系列MCU實(shí)現(xiàn)的測量與信號(hào)產(chǎn)生儀表是成功的和實(shí)用的。
另外，需要注意的是在電路板的設(shè)計(jì)及實(shí)際調(diào)試當(dāng)中，對(duì)于模擬信號(hào)應(yīng)進(jìn)行有效的屏蔽與可靠的接地，只有這樣才能保證該設(shè)備的正常使用與測量精度。