基于脈寬調(diào)制的傳感器讀取電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

龍 軍，關(guān) 威，汪旭東，陳 君

(北京控制工程研究所，北京100094)

基于脈寬調(diào)制的傳感器讀取電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

龍 軍*，關(guān) 威，汪旭東，陳 君

(北京控制工程研究所，北京100094)

設(shè)計(jì)了一種新型的傳感器信號(hào)讀取電路，該電路將傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)電路進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)PWM信號(hào)采用占空比和頻率同時(shí)調(diào)制而不是單一的占空比調(diào)制，在信號(hào)傳輸過(guò)程中，該電路可將兩路電壓輸入信號(hào)調(diào)制到一路PWM信號(hào)上，通過(guò)對(duì)輸出PWM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)可還原兩路輸入信號(hào)的電壓值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路輸出PWM信號(hào)占空比和頻率分別與兩路輸入電壓信號(hào)呈良好的線性關(guān)系，電壓轉(zhuǎn)換精度分別達(dá)到0.34%、0.26%。此外，該電路具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合傳感器信號(hào)的調(diào)理和讀取。

脈寬調(diào)制;傳感器;信號(hào)讀取;測(cè)量;電路設(shè)計(jì)

脈寬調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)的思想起源于通信技術(shù)，后來(lái)在逆變電路中的成功應(yīng)用確定了其在電力電子技術(shù)領(lǐng)域的重要地位［1－2］。PWM技術(shù)以其對(duì)波形調(diào)制的靈活性和通用性得到了廣泛的應(yīng)用［3］，成為電力變換器控制的基礎(chǔ)。PWM信號(hào)在傳輸過(guò)程中是數(shù)字形式，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模A/D(Analog to Digital)轉(zhuǎn)換。同時(shí)，數(shù)字形式的傳輸方式還可以減小噪聲的影響，相對(duì)于模擬的方式，PWM具有更高的噪聲容限，從而可以極大地延長(zhǎng)通信距離。

由于PWM技術(shù)具有上述優(yōu)勢(shì)，使得它在自動(dòng)化、傳感器和測(cè)量領(lǐng)域也有大量的應(yīng)用［4－8］。文獻(xiàn)［9］中通過(guò)脈寬調(diào)制電路將傳感器電容的變化轉(zhuǎn)化為占空比變化的脈沖信號(hào)進(jìn)行傳輸［9］，文獻(xiàn)［10］中使用的振動(dòng)傳感器采用PWM信號(hào)作為輸出方式［10］。由于PWM轉(zhuǎn)換電路可將模擬信號(hào)調(diào)制成數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，可直接送入數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行處理，同時(shí)，PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波后可以還原模擬信號(hào)，所以，PWM電路在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中可作為A/D和D/A轉(zhuǎn)換器使用［11－12］，非常適合于對(duì)轉(zhuǎn)換精度需求高、低成本和抗干擾能力強(qiáng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

在某些特殊的測(cè)量場(chǎng)合，有時(shí)候需要同時(shí)傳輸兩路傳感器信號(hào)，而且兩路信號(hào)之間需要具有一定的時(shí)間同步性，例如，壓力傳感器溫度補(bǔ)償中需要同時(shí)傳輸壓力和溫度信號(hào)，溫度信號(hào)用來(lái)校正壓力輸出值以獲得更準(zhǔn)確的壓力測(cè)量信息。再如，在高精度流量測(cè)量過(guò)程中，流量測(cè)量系統(tǒng)需要同時(shí)獲得與流量信息相關(guān)的量，比如測(cè)量過(guò)程中需要壓力信息。通常情況下，上述兩種信號(hào)的采集一般會(huì)采用兩路單獨(dú)的信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理和傳輸，電路實(shí)現(xiàn)起來(lái)較復(fù)雜，信號(hào)通道占用多，成本較高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種基于PWM原理的電路，該電路對(duì)傳統(tǒng)的PWM電路進(jìn)行改進(jìn)，將PWM信號(hào)由原來(lái)的單一占空比調(diào)制改進(jìn)成占空比和頻率同時(shí)調(diào)制，這樣便可同時(shí)傳輸兩路信號(hào)。該電路具有很好的線性度和精度，不僅可替代傳統(tǒng)傳感器測(cè)量方案中所需的A/D轉(zhuǎn)換器，還能節(jié)省信號(hào)傳輸通道數(shù)量，降低成本。

1 PWM電路原理

PWM信號(hào)是周期固定，占空比變化的數(shù)字信號(hào)。通常情況下，用硬件的方式實(shí)現(xiàn)PWM波形輸出，可以使用三角波與經(jīng)處理的輸入信號(hào)進(jìn)行比較來(lái)得到PWM調(diào)制信號(hào)，對(duì)PWM調(diào)制信號(hào)占空比的測(cè)量可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程。因此，采用PWM方式可以降低電路的復(fù)雜程度，還能增強(qiáng)信號(hào)在傳輸過(guò)程中的抗干擾能力，圖1即為三角波與輸入調(diào)制信號(hào)比較得到的PWM調(diào)制信號(hào)的原理示意圖。

圖1 生成PWM波形的示意圖

圖1中比較器的正端為被調(diào)制信號(hào)，負(fù)端為固定頻率的三角波信號(hào)。PWM信號(hào)單周期的高電平時(shí)間與脈沖周期的比之叫做占空比，通常表示為百分?jǐn)?shù)。圖1中比較器輸出端即為PWM信號(hào)，該信號(hào)的占空比與被調(diào)制信號(hào)的電壓幅值具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖2說(shuō)明了PWM信號(hào)產(chǎn)生的過(guò)程，當(dāng)被調(diào)制信號(hào)VM的幅值大于三角波信號(hào)時(shí)，輸出高電平。反之，輸出低電平。

圖2 PWM電路波形生成說(shuō)明

輸出PWM信號(hào)的占空比隨著被調(diào)制信號(hào)VM的改變而改變，占空比δ可由下式計(jì)算

由上述過(guò)程可知，通過(guò)比較器將被測(cè)信號(hào)及調(diào)制信號(hào)與三角波信號(hào)進(jìn)行比較，得到調(diào)制后的PWM信號(hào)。由式(1)可以看出PWM信號(hào)的占空比與被測(cè)信號(hào)的大小成線性關(guān)系。因此，采用PWM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)一種基于時(shí)間測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換方法。

2 信號(hào)讀取電路設(shè)計(jì)

上述是傳統(tǒng)的PWM信號(hào)產(chǎn)生原理，傳統(tǒng)的PWM信號(hào)通常具有固定頻率，其占空比隨被調(diào)制信號(hào)變化而改變。如果將傳統(tǒng)的PWM信號(hào)產(chǎn)生電路進(jìn)行改進(jìn)，即除了占空比調(diào)制之外，如果原來(lái)固定的頻率信號(hào)可以隨輸入信號(hào)變化，即頻率調(diào)制，則PWM信號(hào)可以同時(shí)傳輸兩種信號(hào)。

圖3為本文提出的具備占空比和頻率調(diào)制功能的傳感器信號(hào)讀取電路。A1、A2為運(yùn)算放大器，A3、A4為比較器，U1、U2為反相器、SW1～SW4為模擬開(kāi)關(guān)。A2、A3、A4、電阻 R6～R8、電容 Ct組成典型的PWM電路，其中A2和A3以及R6、R7、R8和Ct組成三角波發(fā)生器，產(chǎn)生等腰三角波。

圖3 新型傳感器信號(hào)讀取電路

本文在傳統(tǒng)的PWM電路基礎(chǔ)上增加了反相器U1、U2、模擬開(kāi)關(guān)SW1～SW4、運(yùn)算放大器A1和R1～R5用于調(diào)節(jié)三角波發(fā)生器的頻率，模擬開(kāi)關(guān)由反相器控制切換，經(jīng)過(guò)放大器A1進(jìn)行電壓變換后以實(shí)現(xiàn)輸入電壓信號(hào)Vi2的頻率調(diào)制。比較器A4正輸入端為被調(diào)制的電壓信號(hào)Vi1，與A2輸出端的三角波相比較后輸出PWM波形，輸出信號(hào)的占空比僅與Vi1有關(guān)。

圖3所示電路的工作原理為:當(dāng)A3的輸出端為高電平的時(shí)候，U1輸出端為低電平，而U2輸出端為高電平時(shí)，由于U1和U2的輸出端控制模擬開(kāi)關(guān)SW1～SW4，所以SW1、SW3斷開(kāi)，SW2、SW4閉合，電路的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，此時(shí)，A2組成的積分電路為充電過(guò)程。同樣的，當(dāng)A3的輸出端為低電平的時(shí)候，A2組成的積分電路為放電過(guò)程，如圖4(b)所示。如此反復(fù)，在放大器A2的輸出端產(chǎn)生等腰三角波，三角波振幅由式(2)確定

式中:取R6=9.9 kΩ，R7=10 kΩ，則三角波的電壓范圍為(0.025 V～4.975 V)，即 VH=0.025 V，VL= 4.975 V。

圖4 信號(hào)讀取電路充放電過(guò)程的不同電路結(jié)構(gòu)

由式(1)可知，PWM信號(hào)的占空比表達(dá)式為

式中:Vi1為第1路輸入信號(hào)。由上式可知，Vi1與輸出信號(hào)占空比為線性關(guān)系。

通過(guò)圖4可以推導(dǎo)出信號(hào)的調(diào)制頻率表達(dá)式為式中:Vi2為第2路輸入信號(hào)，Ct為積分電容。輸出信號(hào)的頻率由式(4)確定，由上式可以看出，Vi2與輸出頻率之間是線性關(guān)系。

電路設(shè)計(jì)中，R1～R4均為10 kΩ，R5=9.23 kΩ，R8=102 kΩ，積分電容Ct=270 pF。Vi1用于調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比，輸入電壓Vi1的范圍為(0.5 V～4.5 V)，對(duì)應(yīng)占空比調(diào)制范圍約在10%～90%范圍內(nèi)。同時(shí)，考慮電路的響應(yīng)速度，設(shè)計(jì)的輸出信號(hào)頻率調(diào)制范圍大約在30 kHz～90 kHz，對(duì)應(yīng)Vi2電壓范圍(0.5 V～2.0 V)。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)讀取電路的性能，對(duì)電路進(jìn)行了輸入輸出特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中第1路輸入信號(hào)Vi1在(0.5 V～4.5 V)范圍內(nèi)每隔0.5 V設(shè)定一個(gè)電壓測(cè)試點(diǎn);第2路輸入信號(hào)Vi2在(0.5 V～2 V)范圍內(nèi)每隔0.5 V設(shè)定一個(gè)電壓測(cè)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下:①第2路輸入信號(hào)Vi2固定值在第1個(gè)設(shè)定電壓，第1路輸入信號(hào)Vi1依次按設(shè)定點(diǎn)電壓輸入;②采用示波器抓捕輸出信號(hào)波形，讀取信號(hào)周期和高電平時(shí)間值，計(jì)算不同輸入情況下，輸出信號(hào)的頻率和占空比;③第2路輸入信號(hào)Vi2固定值在第2個(gè)設(shè)定電壓，第1路輸入信號(hào)Vi1依次按設(shè)定點(diǎn)電壓輸入;④重復(fù)上述過(guò)程，依次設(shè)定第2路輸入信號(hào)Vi2的設(shè)定值，并調(diào)節(jié)第1路輸入信號(hào)Vi1輸入電壓，直到所有測(cè)試電壓均被測(cè)試完成。

實(shí)驗(yàn)中對(duì)輸出信號(hào)的頻率和占空比進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果如表1～表4所示。表中可以看出，電路的輸出信號(hào)占空比由Vi1決定，輸出信號(hào)的頻率由Vi2決定。

表1 Vi2=2.0 V時(shí)輸出信號(hào)測(cè)量結(jié)果

表2 Vi2=1.5 V時(shí)輸出信號(hào)測(cè)量結(jié)果

表3 Vi2=1.0 V時(shí)輸出信號(hào)測(cè)量結(jié)果

表4 Vi2=0.5 V時(shí)輸出信號(hào)測(cè)量結(jié)果

圖5和圖6分別顯示了輸出信號(hào)的占空比、頻率與輸入電壓Vi1、Vi2之間的關(guān)系和表達(dá)式。輸入電壓Vi1與占空比δ之間的線性關(guān)系表達(dá)式為

輸入電壓Vi1與占空比δ之間的線性關(guān)系表達(dá)式為

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算表明，該電路對(duì)輸入信號(hào)Vi1、Vi2的轉(zhuǎn)換誤差分別為0.34%、0.26%?？梢詽M足大部分信號(hào)測(cè)量和傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖5 輸出信號(hào)占空比與輸入電壓Vi2的關(guān)系

圖6 輸出信號(hào)頻率與輸入電壓Vi2的關(guān)系

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種新型的傳感器信號(hào)讀取電路，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的PWM電路進(jìn)行改進(jìn)，將原有的PWM信號(hào)的占空比調(diào)制擴(kuò)展為頻率和占空比同時(shí)調(diào)制，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了兩路電壓輸入信號(hào)調(diào)制到單路PWM信號(hào)的信號(hào)讀取電路。針對(duì)該電路進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路對(duì)輸入信號(hào)Vi1、Vi2的轉(zhuǎn)換誤差分別為0.34%、0.26%，可滿足工程中信號(hào)變換和測(cè)量的需求。該電路不僅可替代傳統(tǒng)傳感器測(cè)量方案中所需的A/D轉(zhuǎn)換器，還能節(jié)省信號(hào)傳輸通道數(shù)量，降低成本。此外，該電路具有抗干擾能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)換精度高和成本低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合傳感器信號(hào)的調(diào)理和讀取。

［1］ 周國(guó)華，許建平.開(kāi)關(guān)變換器調(diào)制與控制技術(shù)綜述［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，36(6):815－831.

［2］ 李旭，謝運(yùn)祥.PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法綜述［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2005，(2):40－43.

［3］ 董彥敏，譚智力，姜鈺梁.改進(jìn)的正弦脈寬調(diào)制控制算法綜述［J］.電源技術(shù)，2012，36(5):764－766.

［4］ 李浩.單片電容加速度計(jì)讀出電路中頻變PWM的研究與設(shè)計(jì)［D］.成都:電子科技大學(xué)，2006.

［5］ 楊月婷，董韶軍，陳杰翔.脈寬調(diào)制電路在傳感器信號(hào)調(diào)理電路中的應(yīng)用［J］.自動(dòng)化儀表，2003，24(8):54－56.

［6］ 劉雙紅，靳鴻，陳昌鑫，等.基于鎖相環(huán)和PWM技術(shù)的容柵傳感器微小扭矩信號(hào)測(cè)試方法［J］.電子器件，2014，37(1):59－62.

［7］ 張軒朗，鄒瑩暢，張希，等.直熱式毛細(xì)管柱升溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26(7):912－916.

［8］ 陶呈瑤，鄧康發(fā).∑Δ微加速度計(jì)中基于脈寬調(diào)制的力反饋回路［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，(12):1704－1709.

［9］ 周國(guó)華，習(xí)友寶，古天祥.用于電容傳感器的脈寬調(diào)制電路儀表技術(shù)與傳感器［J］.，2012，(6):4－5.

［10］徐澤華，王恒升.基于PWM的振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2004，25(6):30－32.

［11］侯俊生，唐露新.基于PWM的強(qiáng)抗干擾A/D轉(zhuǎn)換電路電子技術(shù)應(yīng)用［J］.2012，38(7):37－39.

［12］袁梅，田宏達(dá)，董韶鵬，等.基于PWM的電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換電路［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2011，(6):91－93.

龍 軍(1985－)，男，湖北荊門人，2013年獲浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)為北京控制工程研究所高級(jí)工程師，主要從事傳感器信號(hào)處理及高精度測(cè)量電路研究，longjun20811307@ gmail.com。

Design and Implementation of a PWM Based Sensor Readout Circuit*

LONG Jun*，GUAN Wei，WANG Xudong，CHEN Jun
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100094，China)

A novel sensor readout circuit is developed by improving the traditional PWM(Pulse Width Modulation) circuit.In the novel circuit，duty cycle and frequency synchronous modulation are adopted instead of duty cycle modulation.In the process of signal transmission，two input voltage signals can be modulated onto a PWM signal.The voltages of two input signals can be retrieved by demodulating the PWM output.Experimental results show that the PWM duty cycle and frequency of the proposed circuit have good linear relationship with the two input voltage signals，respectively.And the signal conversion accuracy reaches to 0.34%and 0.26%，respectively.In addition，the proposed circuit has advantages of a strong anti-interference ability，high conversion accuracy and low cost，which is more suitable for sensor signal processing and pickup.

pulse width modulation;sensor;signal readout;measurement;circuit design

TP212

A

1004－1699(2017)02－0184－05

C:7230

10.3969/j.issn.1004－1699.2017.02.003

項(xiàng)目來(lái)源:十二五民用航天項(xiàng)目(E020415)

2016－06－29 修改日期:2016－09－17