可編程性掃描式集成測量頭調(diào)理電路設計

吳昱樺，王科健

(白銀礦冶職業(yè)技術學院 機電工程系，甘肅 白銀 730900)

可編程性掃描式集成測量頭調(diào)理電路設計

吳昱樺，王科健

(白銀礦冶職業(yè)技術學院 機電工程系，甘肅 白銀 730900)

針對掃描式LVDT電感式集成測量頭噪音大、測量精度底等問題。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C8051F060對調(diào)理電路進行可編程控制和數(shù)據(jù)采集讀取。對所開發(fā)電路進行了測試和實驗，實驗結(jié)果達到了預期要求。

測量頭；調(diào)理電路；可編程控制；數(shù)據(jù)采集讀??；測試實驗

齒輪測量中心由計算機系統(tǒng)、測控系統(tǒng)和機械系統(tǒng)3大部分組成。測量控制系統(tǒng)取決于測量過程中對測量所得數(shù)據(jù)的處理方式、效率和精確度，是其測量中的關鍵技術。坐標式齒輪測量機由3個方向的直線軸和1個回轉(zhuǎn)主軸運動來控制測量頭的緩慢運動，進而接觸工件輪廓以致測頭探針通過接觸工件產(chǎn)生相應壓入量形變。因此測量頭性能是測量中心的關鍵，是測量設備整體性能的決定因素之一。目前大多數(shù)測量機上使用的掃描式測頭是LVDT差動電感式的傳感器，測量頭設備也有多種設計方法。本文設計特點：首先，將測頭的傳感器與信號調(diào)理電路集成在測頭機械結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這樣避免了分立結(jié)構(gòu)中因信號傳輸路徑造成的干擾，降低了信號噪聲；其次，設計中的傳感器初級線圈激勵頻率為SPI可編程，可通過單片機控制模擬電壓帶寬并對其動態(tài)范圍進行適當調(diào)整。

1 總體系統(tǒng)設計方案

總體設計方案如圖1所示，測頭接觸工件輪廓產(chǎn)生壓入量，將位移信號比例轉(zhuǎn)換為電壓信號，此信號通過信號調(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進一步處理。

圖1 總體方案設計圖

信號調(diào)理電路主要為LVDT傳感器提供激勵電壓及輸出調(diào)解信號、濾波和增益功能，A/D將模擬信號進行采樣轉(zhuǎn)換成16二進制位數(shù)字信號，MCU負責完成轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送。此處設置JTAG接口是為了便于在線調(diào)試程序，觀察和修改程序。

2 電路設計

測頭信號調(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多路復用模擬高清電視音頻/視頻開關ADG794[2]構(gòu)成，能以較高精度和可重復性將傳感器機械位置轉(zhuǎn)換為雙極性直流電壓[3]。

控制激勵電壓帶寬和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C8051F060[4]，此單片機內(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雜等器件種類繁多帶來的噪聲，提高電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 信號調(diào)理電路設計

信號調(diào)理電路的設計如圖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。它采用獨特的電荷共享技術來執(zhí)行模擬域內(nèi)的離散時間信號處理。具有全差分信號路徑，由高阻抗輸入緩沖器后接一個固定低通濾波器(FIR抽取濾波器)、一個可編程IIR濾波器、一個解調(diào)器和一個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)，可在信號解調(diào)至與LVDT核心位移成比例的低頻輸出電壓之前，對LVDT次級信號進行濾波，從而提取位置信息。ADA2200產(chǎn)生同步LVDT激勵信號，而ADG794開關將CMOS電平激勵信號轉(zhuǎn)換為精密3.3 V方波信號，驅(qū)動LVDT初級繞組。LVDT是將線性位移轉(zhuǎn)換為比例電信號，是特殊的繞線變壓器，具有活動核心，其位置與待測位置貼合。激勵信號施加于初級繞組，隨著核心的移動，次級繞組上的電壓成比例發(fā)生變化，根據(jù)該電壓即可計算位置。

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)。電路中的主時鐘CLKIN由MCU內(nèi)部分頻產(chǎn)生。ADA2200接受主時鐘并產(chǎn)生其內(nèi)部的所有時鐘，包括用作LVDT激勵信號的參考時鐘。ADA2200上的時鐘分頻器配置為產(chǎn)生4.8 kHz激

勵信號。ADG794將激勵信號轉(zhuǎn)換為精密±3.3 V的方波信號，該系統(tǒng)3.3 V來自于AS1117降壓產(chǎn)生，后者由5 V電源驅(qū)動。

圖2 信號激勵電路

電路中選擇ADG794 CMOS開關是因為它具有低導通電阻、快速開關時間、先開后合式開關動作以及低成本等特點。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LVDT。LVDT半橋式電感可調(diào)節(jié)RCLK和ADA2200輸入之間的相對相位。該電路配置為具有最大正交(相位=90°)響應以及最小同相(相位= 0°)響應。這使其可以僅通過測量正交輸出就能確定位置，進而使ADA2200輸出電壓對電路中相位的變化不甚敏感。其中，LVDT的溫度變化導致有效串聯(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，將信號經(jīng)過濾波后傳輸給AD8429進行放大和轉(zhuǎn)單端處理，且經(jīng)過放大處理的信號將于單片機中的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，擅長測量微小而快速變化的信號，低失真度，在數(shù)據(jù)采集領域具有很強的抗干擾性；AD8429由三運放拓撲結(jié)構(gòu)組成，此種結(jié)構(gòu)由兩級組成：一級提供差分放大器，其后是一個消除共模電壓并提供額外放大的差動放大器，可使共模信號經(jīng)其放大后在差分信號中移除。圖3中，10 kΩ的電位器VR1和一個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)進行調(diào)節(jié)。

圖3 后級信號處理電路

圖3中前端的R11、C10和R7、C2分別組成RC低通網(wǎng)絡濾波器，可以濾除高頻信號，而且防止較小的直流失調(diào)電壓的影響。根據(jù)設計電路中相關參數(shù)得出計算結(jié)果，放大器輸入電壓信號頻率范圍限制在150 Hz～3 kHz，其符合測頭電壓帶寬頻率的范圍。設計中需要注意的是圖中C10影響輸入差動信號，C6影響共模信號，而且正輸入端的R11×C10與負輸入R7×C2要匹配，否則會降低AD8429的CMRR性能。使C10容值比C6容值大一個數(shù)量級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)總線接口設計

此部分電路由SOC型單片機C8051F060為核心進行構(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，同時還具備具有幀錯誤檢測和地址識別硬件的增強型串行口，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，將此信號連接至 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，其啟動與數(shù)據(jù)讀取均在其中斷服務程序中完成，提高了系統(tǒng)實時性。

3 數(shù)據(jù)采集軟件設計

數(shù)據(jù)采集軟件主要是先進行基本配置再由C8051F060控制A/D進行連續(xù)轉(zhuǎn)換等處理。系統(tǒng)基本配置主要包括系統(tǒng)時鐘、交叉開關陣列、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)換完成后會產(chǎn)生一個拉高的完成標志觸發(fā)中斷條件來啟動下次轉(zhuǎn)換，同時將每次轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)存儲在濾波寄存器組中，當寄存器組存儲滿后在內(nèi)部進行中值計算，完成后觸發(fā)中斷鎖存并通過串口發(fā)送給上位機[12-13]。這里考慮到數(shù)據(jù)采集的實時性，在滿足采樣定律的前提下，取3～5個數(shù)據(jù)進行中值濾波為最佳[14]。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)流程圖

4 系統(tǒng)測試

對系統(tǒng)進行線性度的測量主要是觀察系統(tǒng)輸出信號與輸入信號之間線性關系是否符合欲達到的要求[15]。試驗中主要分析系統(tǒng)校準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系，值越小，線性度越好。圖6所示為試驗中線性度測量。

圖6 線性度測量結(jié)果

圖6中橫坐標為信號調(diào)理電路前端輸入信號；縱坐標為通過MCU所采集到的與輸入信號相對應的 A/D 轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的相對線性偏差，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，電路設計中使用了差動電阻電橋代替差動電感電橋，排除了差動電感本身的非線性度對測量結(jié)果的影響。從圖中可知，在不考慮測頭懸空電壓的前提下，整個電路的線性度<±0.12%，比測量頭使用的電感線性度高(線性度為±0.40%)。

5 系統(tǒng)噪聲測量

使用設計的測量頭在某齒輪測量機上，使用上位機診斷軟件，通過利用讀取的A/D數(shù)據(jù)來測定元件噪聲。測試方法是將測頭懸空下將使用測量診斷軟件在1 500點連續(xù)數(shù)據(jù)采樣下對原件噪聲測量的σ值取樣10次，觀看此狀態(tài)下測頭采集數(shù)據(jù)標準差的波動范圍。同理，將使測頭產(chǎn)生壓入量，同樣取10次測量的標準差樣本。表1為在1 500點連續(xù)采樣數(shù)據(jù)測量的標準差取樣結(jié)果。

表1 連續(xù)1 500點數(shù)據(jù)采樣下標準差值的取樣結(jié)果

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

6 結(jié)束語

(1)本文設計的新型測頭調(diào)理電路以及數(shù)據(jù)采集與讀取系統(tǒng)，構(gòu)建了信號調(diào)理解調(diào)電路，并通過SOC型高集成單片機C8051F060來控制激勵信號的帶寬。采用精密儀表放大器對前級電路輸出的差分信號進行差分轉(zhuǎn)單端，同時對信號進行了再次濾波和放大處理，使其符合后級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來提供精密儀表放大器的雙軌電源，提高后級模擬信號的質(zhì)量；

(3)通過單片機中集成的A/D模塊對傳感器最終的模擬量輸出進行采集，通過單片機串口輸出，對其采樣值進行線性度的測量計算，其線性度不小于±0.12%，并在測量機上通過測頭懸空與產(chǎn)生壓入量兩種情況下，通過測量診斷軟件上對其元件噪聲進行了測量與分析，采樣數(shù)據(jù)標準差分別在0.74～0.87和0.29～0.53的范圍內(nèi)變化。經(jīng)各項指標的測量與分析，設計滿足要求。

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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：精密儀器設計。

TN79

A

1007-7820(2018)01-075-04