一種基于單片機的智能化模擬信號預處理系統設計詳解

1　引　言

由傳感器輸出的模擬信號一般要作放大、衰減、濾波等預處理之后，才能送入ADC進行模/數轉換。在自動控制、智能儀表等領域中，要求這一處理過程可由軟件控制，自動調整放大或衰減倍數，設置低通濾波器的截止頻率，并且，還要將這些參數傳送給CPU，以便修正測量結果；大多數市售的成品數據采集板都不具備模擬信號的預處理功能，使用時必須外接人工控制的放大、濾波裝置，無法實現自動化。作者正是為了解決這些問題，才開發了這套基于單片機的智能化模擬信號預處理系統，當然，該系統也可以作為一般的放大器、濾波器使用。

2　硬件電路

圖1為模擬信號預處理電路的簡圖。由雙電流輸出型DAC芯片AD7528和運放構成程控放大/衰減器，其原理是利用DAC內部的R-2R電阻網絡，一個DAC作為運放的輸入電阻，另一個作為反饋電阻。R-2R的其等效電阻可寫為：

RDACA=256RLDA/NA；RDACB=256RLDB/NB

其中RLDA和RLDB分別為DAC A和B的R-2R梯形網絡電阻，NA和NB為十進制的DAC輸入數字（1～255）。電路的增益為：Vout/Vin=-（RLDB/RLDA）×（NA/NB）。AD7528為雙精密匹配的DAC，其中RLDB=RLDA，所以，電路的增益為：Vout/Vin=-NA/NB，可見，它完全由輸入的數字量決定。所以，這個電路和不需要外接精密電阻即可獲得精確的放大倍數。放大范圍為1/255～255（-48dB～+48dB）。兩個AD7528的片選信號由譯碼器分別提供，因此，雙通道的放大倍數可以獨立設置。

經放大或衰減后的模擬信號通過緩沖后，輸入到開關電容濾波器RF5609中。RF5609是七極點、六零點的橢圓函數低通濾波器，截止頻率為工作時鐘頻率的百分之一，可變范圍為0.1Hz～25kHz，通帶內波動0.2dB，阻帶衰減100dB/倍頻程。也可以使用MAXIM公司的 MAX291～295系列開關電容低通濾波器。濾波器的工作時鐘由可編程定時/計數器8254A提供。8MHz晶體經振蕩電路為8254A提供輸入時鐘， 8254A工作于方波發生器方式，由OUT0和OUT1分別提供給通道1和2的濾波器工作時鐘，因此，兩個通道可以設置相同的或不同低通截止頻率。

濾波器之后的RC電路用以消除工作時鐘所帶來的干擾。預處理后的模擬信號經緩沖器后輸出。

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圖1　模擬信號預處理

圖2為鍵盤和顯示器電路，由8255的PA、PB經驅動后控制6位LED 數碼顯示器；PA和PC控制18個鍵的鍵盤，其中包括數字鍵“0～9”、除號 “÷”、上翻“Up”、下翻“Down”、本地/遠程“Local/Remote”、放大器/濾波器“PGA/LPF”、通道 “Channel1/Channel2”、自動設置“Auto”和回車鍵“Enter”。

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圖2　鍵盤和顯示器

圖3為CPU電路。采用8031CPU，EPRO-M2764作為程序存儲器，也可以由8751替代。系統運行過程中沒有大量的數據需要存儲，故不設數據存儲器。由A13～A15三根地址線經74LS138譯碼器譯碼，形成CS0～CS4片選線，分別控制8254、兩片AD7528、8255和DAC-0808。設置DAC的目的在于，當系統設定為“自動設置”時，可根據要求的輸出模擬信號電平或ADC的半量程值，由本系統自動調整放大器的放大倍數。另外，設置了RS232收發電路，以便遠程控制。

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圖3　CPU電路

3　軟件流程

主要軟件可分為：“本地控制”軟件、“遠程控制”軟件和“自動設置”軟件三部分。圖4為“本地控制”流程。以“LDCAL”表示系統處于“本地控制” 狀態。用戶可以通過鍵盤分別設置雙通道的放大倍數和低通濾波器的截止頻率，“衰減1/200”顯示為“1-200”，輸入是1÷200。

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圖4　“本地控制”流程圖

圖5為“遠程控制”流程。以“232C”表示通過RS232串行口，由主控制機控制本系統。只識別主控機以數字 0～4形式發送的5條命令，并作出相應的動作。當主控機要求本系統“自動設置”時，在自動設置好放大倍數后，還會將設定的值傳送給主控機，以便標定用。注意，本系統不能自動設置低通濾波器的截止頻率，只能使用確省值或在此之前設定的值。

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圖5　“遠程控制”流程圖

圖6為“自動設置”流程。根據主控機發送的或鍵盤設定的放大器輸出電壓和ADC0800的量程范圍（±10V），可計算出需要采入的數值。例如，設定輸出電壓為2500mV，則采入的數據對于正電壓要大于或等于192，對于負電壓要小于或等于64，如果未達到，則再增加一級放大倍數，繼續采集和判斷。雖然放大倍數可能以1/255的步長遞增，但為了加快速度，可以以較大的步長遞增，或者以等比序列遞增。

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