1、 5光电系统设计5.1引言在整个测控仪器设计中，电路系统担负着信息流的传递和控制的重要任务，是感知信息、处理信息、输出指令、操纵机构和元件的工具和载体。随着机电一体化和测控一体化的不断进步，测控仪器正向着智能化、多功能化和高度集成的方向发展。电路系统是感知信息、处理信息、输出指令、操纵结构和元器件的工具和载体。测控仪器的许多功能都必须经过电路系统的参与才能完成。电路系统的好坏、可靠与否、寿命长短，都直接影响整个测控仪器的工作。一般而言，一个完整的测控仪器电路系统是由测量电路（信息输入通道）、中央处理系统（信息处理单元）、控制电路（信息输出通道）三大部分组成。测量电路是信息流的输入通道，主要由信
2、息处理电路和电源组成，其作用是将传感器输出的测量信号进行放大、滤波、细分、选通、变换和阻抗匹配等。只有经过测控电路系统的放大、滤波、细分、选通和阻抗匹配等处理，才能将传感器输出的有用信号、无用信号以及代表不同信息的各种信号分开，将微弱信号放大，鉴别被测信号的微弱变化，将模拟信号转换成数字信号，以便中央系统处理。中央处理系统是信息处理单元，它同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息输入通道和输出通道，是整个电路系统的核心，同时也是整个测控仪器的核心。中央处理系统的作用是对测量电路送来的信号进行运算、处理、显示、存储、打印等，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执
3、行器对被控参数实行控制。控制电路一般是信息流的输出通道，它主要由控制电路、驱动电路、电源等组成，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实现控制。控制电路通过接受来自中央处理器的控制命令对信号进行放大、转换、隔离、驱动等一系列操作，实现对被测参数的控制。5.2 测控电路系统性能低躁声与高抗干扰能力1为了保证高的测量精度，必须要求电路具有低躁声与高抗干扰能力，包括选用低躁声器件，合理安排电路，合理步线与接地，采取适当的隔离与屏蔽等。采用具有高共摸抑制比的电路，对抑制干扰也有重要作用。因为大多数干扰表现为共摸干扰，它同时作用于差动电路的两个输入端，采用高共摸抑制比差动电路能有效的抑制干扰。低
4、温漂、高稳定性2影响电路稳定性主要是躁声、干扰，大多数电子元器件都有失调电压和失调电流，由于电路中有电流流过，电流具有热效应，从而使得电路元件受热，发生温度的改变，因为元件的参数会受到温度的影响，从而要减小温漂可以选择受温度影响小的器件或者使电路的热量可以及时的散出，特别是关键部位的温度。电路工作稳定是保证电路精度的首要条件。噪声与干扰引起电路在短时间内的不稳定。电路长时间的工作的稳定性，元器件的老化，开关与安插件的弹性疲劳和氧化引起接触电阻变化等都是影响电路长期工作稳定性的主要原因。线性与保真度好3大多数情况下，要求系统输入与输出间具有线性关系，这是因为线性关系使用方便，在换档时不必重新定标
5、，进行数模转换、细分、伺服跟踪时不必考虑非线性因素，波形不失真等。保真度是由视、听设备中借用的概念。为使波形不失真除要求电路有良好的线性外，还要求在信号所占有的频带内，有良好的频率特性。5.3总体设计测控系统总体框图如图5-1所示。对于本电路系统，共分为四大模块，即：传感器模块，信号处理模块，接口模块和计算机模块。在系统正常工作时，传感器采集信号，经过测量电路处理输入到中央处理系统，经中央处理系统作数据处理后，输出到显示器上，同时发出控制信号到控制电路，来驱动步进电机转动一个角度，使系统进入下一个工作周期。图5-1 测控系统总体框传感器模块信号处理模块接口模块计算机模块电感传感器光栅位移传感器
6、电平平移限幅采样A/D转换信号处理4细分辩向采样控制中断控制正向计数反向计数地址译码PCIBUS步进电机 步进电机驱动显示打印键盘跟随放大图5-2 测控电路系统原理5.4光电系统功能实现电路系统主要功能是信号转换、数据传输与自动控制，主要从精度、转换速率、自动化程度等方面来考虑整个系统的构造。本系统主要从精度和自动化程度来构思整个系统的构造。测控系统电路原理图如图5-2所示。由电感传感器将测量头传递过来的齿形误差信息（X方向位移量）转换成模拟信号，并经过摸数转换成数字信号，通过I/O端口送入计算机；由光栅位移传感器获取直线导轨的位移量（Y方向位移量），其作用有两方面：一方面通过采用信号发生器产
7、生采样信号，采集齿形误差信息；另一方面通过莫尔条纹的计数单元获取导轨的准确位置，再通过计算获得齿形误差。在齿形误差测量测控电路中共有三路信号：最上路信号是由电感测头测量位移量经十字片簧和杠杆机构放大、传递出来的输出信号。经过放大、电平平移、限幅、A/D转换后通过PCI接口送入计算机处理。另一路信号由光栅位移传感器采集导轨运动方向和位移量信号，经过放大、整形、细分判向和计数处理通过PCI接口送入计算机进行处理，并在相应个数计数脉冲后产生中断。CPU 输出脉冲控制步进电机转动实现导轨移动，从而使测头随齿行方向移动.5.5电感传感器及其信号处理电路5.5.1电感传感器单元由铁心和线圈构成的将直线或角
8、位移的变化转换为线圈电感量变化的传感器，又称电感式位移传感器。这种传感器的线圈匝数和材料导磁系数都是一定的，其电感量的变化是由于位移输入量导致线圈磁路的几何尺寸变化而引起的。当把线圈接入测量电路并接通激励电源时，就可获得正比于位移输入量的电压或电流输出。电感式传感器的特点是：无活动触点、可靠度高、寿命长；分辨率高；灵敏度高；线性度高、重复性好；测量范围宽（测量范围大时分辨率低）；无输入时有零位输出电压，引起测量误差；对激励电源的频率和幅值稳定性要求较高；不适用于高频动态测量。电感式传感器主要用于位移测量和可以转换成位移变化的机械量（如力、张力、压力、压差、加速度、振动、应变、流量、厚度、液位、
9、比重、转矩等）的测量。常用电感式传感器有变间隙型、变面积型和螺管插铁型。在实际应用中，这三种传感器多制成差动式，以便提高线性度和减小电磁吸力所造成的附加误差。5.5.2 电感测量头的功能与选择功能是将测量头测量沿齿形线方向运动的偏移量通过测杆传递到片簧，计算出弹力的大小，再将弹力折算到测头的受力，电感传感器通过检测他们的受力，将测头的位移偏移量转化为电量输出。电感测量头选择的是差动电感式测量头，其参数有：型号：DGC-8ZG/C（轴向式）重复误差：0.03 um测量范围：0.5 N测量力：0.45 0.65 总行程：3.0 um装卡尺寸： 8f7 um外形尺寸： 8855.5.3 自举放大电路
10、为减少信号丢失，我们需要较高的输入阻抗与电路匹配，若采用在电压输入端接电压跟随器，这会引入跟随器的共模误差，在要求较高的情况下我们采用自举式高输入阻抗放大电路，电感传感器的输出信号一般为-50 mv50 mv，为便于处理，我们将信号放大100 倍，若采用一级放大，由于存在干扰和漂移达不到要求，因此采用二级反向放大电路，每级放大10倍。如电路5-3图示，自举放大电路就是利用反馈使电阻R1的下端电位提升到与输入端等电位，从而减小输入回路的索取电流，则整个电路的输入阻抗就被提高。取R1=R2=10 k ,R3=R=100 k 。第一级放大电路的输出电压 = - (5-1)1oUiR2第一级放大倍数=
11、 - = -10 (5-2)1uA2R1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-Jan-2009 Sheet of File: D:ZBMyDesign.ddb Drawn By:AR1OPAMPAR3OPAMPR1 10kR1210KR2 100kR610kR7 100kR9100KR820KR1110KR13RES2R2RES2R420k R5100kR1010KAR2OPAMPAR4OPAMPR12:110KUoUi+15v +15V+15v+15v-15v -15v-15v-15vU01U02ii2i1图5-3
12、 自举放大电路图Time0s 50us 100us 150us 200us 250us 300us 350us 400usV(C2:1) V(OUT2)-10V-5V0V5V图5-4自举放大电路图第二级放大电路的输出电压= - (5-3)2oU67R1o第二级放大倍数= - =-10 (5-4)2uA67R总放大倍数A= * =100 (5-5)1u2输入端电流= = (5-6)i1iUR2oi21iRU入端阻抗 = = (5-7)ii12R故当R1=R2时，输入阻抗有最大值。5.5.4电平平移电路因为要进行后面的A/D转换电路,而那是高低电平之间的转换,所以要将电路转变到010V之间的范围之
13、内,这样才好进行A/D 转换。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-Jan-2009 Sheet of File: D:ZBMyDesign.ddb Drawn By:R1510kR1710kR1810kR1920k R2010kR16 10kAR5OPAMP10VdcC1300p+15V-15VUi Uo图5-5电平平移电路图Time0s 0.5ms 1.0ms 1.5ms 2.0ms 2.5ms 3.0ms 3.5ms 4.0msV(V3:+) V(C3:2)-5V0V5V10V图5-6电平平移动波形图有运算放
14、大器的特点可以知道V+=V-，I +=I-=0 (5-8)从电流的流向计算有 = (5-9)15RiU160而又有R 15=R16=10 k代入公式中可以得到 V+=V-= (5-10)20iU而从运算放大器的正端来考虑的话，可以算出知道V-= V+=2.5 V, 就刚好变成了0-10 V了 。通过上述的电路以后电压就刚好转换为了0-10 V了。5.5.5限幅电路经过了电路平移以后电路在0-10 V里了,但是由于存在的干扰信号或者其他原因,使得平移后的信号并不是真的就在0-10 V里面 ,有可能比10V要大一点,或者说是比0V 要小一点. 所以这样并不满足是在010 V以内了,这样就必须通过限
15、幅的作用来控制在010 V内,从而进行A/D转换.限幅电路如图5-7所示，电路为了是实现电压转变为010V之间的信号，原因是为了使得能够进行A/D转换，经过处理后的信号在10V 范围内变化时，将输入信号接至 AD574A 10V(IN)，以便用来进行相关的A/D转换，并行输出12 位的数据。限幅度电路波形图如图5-8所示。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 15-Jan-2009 Sheet of File: D:ZBMyDesign.ddb Drawn By:AR6OPAMPAR7OPAMPR2110KR2310KR
16、2210KD1DIODED2DIODE+10vUi Uo-15V-15V+15V+15V图5-7限幅电路图Time0s 50us 10us 150us 20us 250us 30us 350us 40usV(C3:2) V(U5A:-)0V5V10V图5-8限幅度电路波形图5.5.6采样以及A/D转换因为采样的输出是高低电平,要通过计算机显示出来就必须通过转换成数字信号才可以,所以要进行 A/D转换。AD574A通过数据缓冲器与数据总线相连，而在这里向计算机送数字的时候必须给它一个地址端口才可以给计算机送数据，而由于AD574A是12位的数据输出，则必须把它分成两部分送出，先送低8位的数据，再
17、送高4位的数据，所以在这里就必须给它设定两个数据地址口，所以我们必须向软件部分提供两个数据地址，而要使得AD574A 正常工作就必须要驱动，有个使能端口地址，所以这里还要给软件部分提供一个使能端口地址。此外还必须提供输出状态STS的地址。关于AD574A的介绍：AD574A是一种高性能的12位逐次逼进式A/D转换器，它同ADC0809 一样是常用的A/D转换器。转换时间为25 s，线性误差为1/2 LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电压输入，采用28 脚双立直插式封装。AD574A由12位A/D 转换器，控制逻辑，三态输出锁存缓冲器，10V基准电压源四部分构成。12位
18、A/D转换器可以单极性也可以双极性的。单极性应用时，BIPOFF 接0 V，双极性时接 10 V。量程可以是10 V也可以是20 V。输入信号在10 V 范围内变化时，将输入信号接至10 V(IN);输入信号在20 V范围内变化时，将输入信号接至20 V(IN);所以量化单位相应的就是10 V/(2 12)和20 V/(2 12)三态输出锁存缓冲器2用于存放12位转换结果 D(D=02 12-1)。D的输出方式有两种，引脚12/8=1时（ 8的上面有一横杠）， D的D(11)D(0)并行输出；引脚12/8=0时（ 8的上面有一横杠）， D的高8位与低4位分时输出。逻辑控制3任务包括：启动转换，
19、控制转换过程和控制转换结果D的输出。CE CS(即CS上面一横杠) R/C(C上一横杠) 12/8（8的上面有一横杠) A(0) 1 0 0 X 0 启动 12位转换1 0 0 0 0 启动 8位转换1 0 1 1 X 输出 12位数字1 0 1 0 0 输出高 8位数字1 0 1 0 1 输出低 4位数字0 X X X X 无操作X 1 X X X 无表表5-1 AD574A 的引脚说明引脚 符号 功能1 +5V 数字逻辑部分电源+5V2 12/8数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8 位输出。3 /CS 片选信号端，低电平有效4 A0字节地址短周期控制端。与12/8端用来控制
20、启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，12/8端TTL电平不能直接+5V或0V连接5 R/C 读转换数据控制端6 CE 使能端7，11 VCCVEE模拟部分供电的正电源或负电源，为12或15V8 REE OUT 10V基准电源电压输出端10 REE IN 基准电源电压输入端15 DG 数字地端9 AG 模拟地端1627 DB0DB1112条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D 转换数据28 STS 输出状态数据引脚电感信号采样保持7 4 F 8 6A / D 转换A D 5 7 4P C I总线A / D ， 总线数据寄存器 7 4 L S 1 7 3S T S 信号图5-9 A/
21、D转换的组成框图1 2 3 4ABCD4321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 21-Jan-2010 Sheet of File: C:Program FilesDesign Explorer 99 SEExamplesMyDesign3.ddbDrawn B:VCC1REF-IN 10lsbDB016 DB117 AN-GND 9DB218DB319 DB420 BPLRof 12DB521DB622 DB723 10Vspn 13DB824DB925 20Vspn 14DB1026 msb-127REFout 8STATUS28 CE6CS3 +Vs
22、7A0/SC4 R/C5-Vs 1112/82 U?AD574A123 U12A74LS00123 U13A74LS00Q13 Q24 Q35Q46D1 14D2 13D3 12D4 11CLK 7OE1 1OE2 2IE1 9IE2 10MR 15U?74LS173Q13 Q24 Q35Q46D1 14D2 13D3 12D4 11CLK 7OE1 1OE2 2IE1 9IE2 10MR 15U?74LS173Q13 Q24 Q35Q46D1 14D2 13D3 12D4 11CLK 7OE1 1OE2 2IE1 9IE2 10MR 15U?74LS173123U11A74LS02123U9
23、A74F125123U8A74F12512 3U10A74LS00C16CAP VCCRRES2R510R3POT2C1717UFR?POT2RPOT2C1258PF C14CAPC1347UF C1517PFVCC VCCOS ADJ 2IN3 LOGIC REF7 LOGIC 8 OUT 5HOLD CAP 6U?LF298M(8) C10100UF R6RES2VCC+12V -12VMEM2MEM1MEM1MEM3图5-10 A/D转换的电路图相关计算f2v/d=20.4/（0.0110 -3）=80KHZ (5-11)T=1/f=1/80KHZ=12.5us (5-12)74LS12
24、5三态四缓冲器：TTL三态输出门是一种特殊的门电路，它与普通的TTL门电路结构不同，它的输出端除了通常的高电平、低电平两种状态外（这两种状态均为低阻状态），还有第三种输出状态高阻状态，处于高阻状态时，电路与负载之间相当于开路。三态输出门按逻辑功能及控制方式来分有各种不同类型，本实验所用三态门的型号是74LS125三态输出四总线缓冲器。图5-11 74LS125三态四总线缓冲器逻辑符号及引脚排列表5-2 功能表输入 输 出EA Y001011 0 高阻态1图5-11是三态输出四总线缓冲器的逻辑符号，它有一个控制端（又称禁止端或使能端） ， 0 为正常工作状态，实现YA的逻辑功能； 1为禁止状态，
25、输E E出Y 呈现高阻状态。 这种在控制端加低电平时电路才能正常工作的工作方式称为低电平使能。三态电路主要用途之一是实现总线传输，即用一个传输通道(称总线)，以选通方式传送多路信息。图5-11所示，电路中把若干个三态TTL 电路输出端直接连接在一起构成三态门总线，使用时，要求只有需要传输信息的三态控制端处于使能态（ 0）其余各门E皆处于禁止状态（1）。由于三态门输出电路结构与普通TTL电路相同，显然， 若同时有两个或两个以上三态门的控制端处于使能态，将出现与普通TTL 门“线与 ”运用时同样的问题，因而是绝对不允许的。 AD574A是直接和CPU的总线相连的，它工作的可靠性和总线的工作速度有关，当总线速度很高时，AD574A的时序无法可靠的满足，造成工作失误。另一种连接方式，它的主要特点是AD574A的控制信号和数据信息不与总线连接，而是通过一个触发器和两个三态缓冲器74LS125与总线接口，可解决上述问题。
