CN1601910B - 50Hz工频同步的反积分A/D变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种50Hz工频同步的反积分A/D变换器，包括电源电路，工频信号整形电路，被测信号可调比例积分放大电路，放电积分电压比较电路，控制积分的5V/12V电平变换电路，和一个单片机系统电路，其特征在于还包括一个50Hz方波电平12V/5V变换电路，一个工频同步控制开关电路，一个被测信号保持电路，一个正半周过零时与负半周过零时的被测信号加法器电路和一个恒流放电的反积分电路。本发明的A/D变换器，旨在通过恒流放电积分电路和比较器电路将被测信号变成与其幅度成正比的脉宽信号进而控制A/D变换器来解决大面积、多点集中测温系统的工频磁场和杂散磁场的干扰问题，具有结构简单，效率高、应用方便的特点。

Description

50Hz工频同步的反积分A/D变换器

技术领域

本发明涉及模拟量与数字量的转换，如温度传感器电信号的模拟量与数字量的转换，尤其涉及大面积多点集中的温度测量与控制。

背景技术

50Hz工频同步A/D变换器的发明，来自于《大型筒仓群中粮食温度检测系统的研究》项目的仓储粮温度检测系统的开发。是为了解决≥30次/秒(国家标准规定仓储粮温度检测速度)采集速度时的50Hz工频干扰而设计的，实现了仓储粮测温系统集中A/D变换的目的。同时也解决了现有仓储粮测温系统在使用维护中因A/D变换电路多、可调器件多，造成量化的一致性差，故障率高，维护困难的问题。

在电子技术、计算机技术和传感器技术飞速发展的今天，能将很多条件的物理量信号通过传感技术变成模拟量的电信号，再把模拟量的电信号变成数字量电信号进行储存、传输和显示。其中，模拟量变成数字量的方法有很多种，常用的就有逐次逼近型、电压比较型、双积分型、V/F计数型的A/D变换器等。

仓储粮测温是大面积多点集中测温的一种，其特点就是点多、面大、环境恶劣，采用集中A/D变换时，模拟信号在传输中受50Hz工频磁场和其他杂散磁场干扰强烈。实践表明，集中A/D变换时，由于温度传感器到集中点的连线长短不一相互关联，其分布电容和连线电阻的差异加上干扰信号的影响致使A/D变换的重复误差无法满足要求。因此，为了解决速度与干扰之间的矛盾，目前的仓储粮测温系统都采用多个A/D变换器在现场同时变换的办法。多数系统采用的是双积分或V/F计数型A/D变换器。每个A/D变换器的外围都配有相关的功能电路，其中包括单片机电路、开关电路、放大电路、基准调节电路、通讯电路、电源电路等。因此，长期使用，会因可调器件和其他电子元器件的电参数变化，造成A/D变换失常和电子元器件的损坏等故障。这就导致故障率居高不下，同时也因元器件多，电路结构复杂，给排除故障带来困难。另外，由于环境条件的恶劣，系统的故障率和故障点将逐年增加，量化的一致性和精度也将逐年变差。

随着数字温度传感器技术的成熟，已有一部分测温系统使用数字温度传感器。也就是说，温度信号的变化不需要其他电路就变成数字量，一定数量的温度传感器接在一根两芯的电缆上，只需配有通讯电路通过总线读取数据即可。

其优点是，连线少，系统内可调元件少；缺点是，结点不集中，防腐困难；一个传感器的损坏会造成一个总线上的传感器工作失常，维修比较困难。

发明内容

本发明是将50Hz工频信号整定成方波作为同步信号，一方面通过控制模拟开关，将工频前半个周期过零时的电量被测信号进行保持，与后半个周期过零时的被测信号相加，以消除被测信号中50Hz工频干扰，以及50Hz工频所携带的杂散干扰。另一方面让单片机根据同步信号来控制恒流放电积分(即反积分)电路和比较器电路将被测信号变成与被测信号幅度成正比的方波信号，再通过单片机的内部计数器量化方波的宽度，进而实现一种50次/秒的A/D变换的功能。重点解决作为大面积多点集中测温时，因模拟信号在传输中受50Hz工频磁场和其他杂散磁场干扰而不能集中A/D变换的问题。尤其解决了目前仓储粮温度检测系统，因在现场恶劣环境中工作的电子元件多、A/D变换电路多、可调器件多、靠程序运行的智能电路多等，而导致的故障率高，维修、维护难度大的问题。

本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种50Hz工频同步的反积分A/D变换器，包括交流输入的电源电路，该电路由220V电源变压器、二极管全波整流电路、低频滤波电容、高频滤波电容、+5V集成三端稳压芯片LM7805、+12V集成三端稳压芯片LM7812、-12V集成三端稳压芯片LM7912所组成，交流220V电压通过电源变压器变成双交流15V，经全波整流和滤波后分别送给+5V集成三端稳压芯片LM7805和+12V集成三端稳压芯片LM7812及-12V集成三端稳压芯片LM7912进行稳压和高频滤波，输出+12V、-12V和+5V直流电压；其特征在于：该A/D变换器还包括一个被测信号可调比例积分放大电路、一个被测信号的保持及开关电路、一个被测信号的加法器电路、一个反积分开关电路、一个反积分电压比较器电路、一个50Hz工频信号整形电路、一个50Hz方波电平12V/5V变换电路、一个5V/12V电平变换电路和单片机系统电路，其中的被测信号可调比例积分放大电路由运算放大器、输入分压电阻、比例调节电位器积分电容和输出滤波电容组成，所述运算放大器的输出分两路，一路通过电阻作为电阻加法器的信号，另一路通过模拟开关和所述的保持电路作为所述加法器的另一路信号用于将被测信号放大到一定幅度，同时消除高频杂散干扰；所述的被测信号的保持及开关电路由电压跟随器和电容组成，被测信号通过模拟开关对电容充电，利用模拟开关关断时的高阻抗和电压跟随器输出的高阻抗，使电容两端保持模拟开关关断时被测信号的电压，通过电压跟随器输出到加法器的一路输入端，用于所述开关关断后保持被测信号；所述的被测信号的加法器电路，由两个电阻和一个电压跟随器组成，其中一个电阻的一端接的是模拟开关关断时被测信号的电压，另一个电阻的一端接的是所述放大器输出的被测信号电压，两个电阻的另一端相连得到不同时的被测信号电压的平均值，消除了50Hz工频干扰信号后的被测信号经电压跟随器放大端输出；所述的反积分开关电路，由一个模拟开关、一个运算放大器、一个稳压芯片、一个积分电容和一个放电电阻组成，所述积分电容的充放电由所述单片机根据50Hz工频的过零点通过模拟开关进行控制，积分电容两端电压输出成锯齿状波形；所述的反积分电压比较器电路，由集成芯片和输出上拉电阻组成，用于将每个被测信号变成与信号幅度成正比的方波信号，由电压比较器输出送给单片机计数；所述的50Hz工频信号整形电路由一个限流电阻、两个限压二极管和一个电压比较器组成，将50Hz工频信号从所述电源变压器的二次绕组取出，通过电阻限流和二极管对地限压送给所述电压比较器输入端，由比较器将50Hz正弦波变成方波输出，一路控制被测信号在50Hz工频过零时的保持开关，一路通过电平变换器供单片机控制积分使用；所述的50Hz方波电平12V/5V变换电路，由一个上拉电阻和一个模拟开关组成，其上拉电阻的一端接+5V电源，另一端接模拟开关的输入端，模拟开关的输出端接地电位，模拟开关的控制端接电压比较器输出端变换的5V方波电平供单片机控制积分使用；所述的5V/12V电平变换电路由三极管、三极管基极电阻和三极管集电极组成，三极管的基极通过电阻与单片机相连，三极管的集电极通过电阻与12V电源相连，三极管的集电极输出与控制积分的模拟开关的控制端相连接，用于将单片机输出的5V电压变换成12V电平，控制模拟开关对电容充电和放电积分；所述的单片机系统电路由单片机及其外围电路组成，单片机通过其I/O口读取50Hz工频过零信号，并根据过零信号定时发出巡检指令和定时控制模拟开关对积分电容充放电，控制积分电容充放电的起始时间，测量被测方波宽度和保存方波宽度数据。

与现有技术相比较本发明的反积分A/D变换器的优点表现在：

1、在抗干扰和量化精度、量化范围都不低的前提下，本发明的A/D变换器在速度方面，是双积分和V/F式A/D变换器(最高为12.5次/秒)的4倍。解决了目前仓储粮测温系统30点/秒集中A/D变换与50Hz工频干扰的矛盾；

2、在工频50Hz的一个周期内完成50次A/D变换，并解决长线传输小信号的工频以及杂散干扰的问题方面，与逐次逼近和电压比较型A/D变换器利用加权平均法和剔除法克服50Hz工频以及杂散干扰问题相比较，不需要考虑针对长线传输的小信号，在切换采集点时的信号建立问题。

3、与正向(也叫充电)单积分A/D变换电路相比较，消除了因模拟开关与充、放电回路串联，导致放电残留和模拟开关导通电阻温飘带来的误差问题。

附图说明

图1是本发明的电路原理框图。

图2是本发明的电路原理图。

图3为电源电路。

图4为可调比例积分放大电路。

图5为被测信号保持及开关电路。

图6为被测信号加法器电路。

图7为反积分及开关电路。

图8为反积分电压比较电路。

图9为50Hz工频信号整形电路。

图10为50Hz方波电平12V/5V变换电路。

图11为5V/12V电平变换电路。

图12为单片机系统电路。

图2中，1、为可调比例积分放大电路，2、为被测信号保持及开关电路，3、为被测信号加法器电路，4、为反积分及开关电路，5、为反积分电压比较电路，6、为50Hz工频信号整形电路，7、为50Hz方波电平12V/5V变换电路，8、为5V/12V电平变换电路，9、电源电路10、单片机系统电路。

具体实施方式

如图所示的是利用50Hz工频信号和工频信号整形电路、被测信号保持及开关电路、被测信号加法器电路、反积分及电路等，实现了在单片机的计数和控制下克服了50Hz工频干扰和杂散磁场干扰的50次/秒的A/D变换器。利用过零比较器将50Hz工频正弦波信号整形成方波，用该方波控制模拟开关实现对一路被测信号在工频半个周期内导通，在另半个周期内截止保持的控制，被保持的被测信号和另一路被测信号相加，经跟随器放大输出通过模拟开关送入积分器对积分电容进行充电。积分器是由单片机根据50Hz工频过零的变化控制模拟开关的开与关，当单片机发出关断模拟开关信号时积分电容的电荷通过电阻开始恒流放电，同时单片机的内部计数器开始计数，积分器的输出电压随时间的延长不断地下降，直到低于比较器的另一个输入端，使比较器的输出改变状态为止。单片机收到比较器输出状态变化信号后停止计数。并发出打开模拟开关信号。

下面对该模拟信号总线发送器的功能电路进一步加以介绍：

1.电源电路

电源电路是由220V电源变压器、二极管全波整流电路、低频滤波电容、高频滤波电容、+5V三端稳压集成电路LM7805、+12V三端稳压集成电路LM7812、-12V三端稳压集成电路LM7912等组成。如图3，其工作原理是：交流220V电压通过电源变压器的耦合变成交流双15V，经全波整流和滤波后送给+5V三端稳压集成电路LM7805和+12V三端稳压集成电路LM7812以及-12V三端稳压集成电路LM7912进行稳压和高频滤波，输出+5V、+12V和-12V直流

电压。

2.可调比例积分放大电路

可调比例积分放大电路由运算放大器、输入分压电阻、比例调节电位器和积分电容、输出滤波电容组成。如图4所示，其工作原理是：被测信号Vi从运算放大器的同相输入端输入，输出

$V_O=\frac{\frac{R_f{X}_{\mathrm{cf}}}{R_f+X_{\mathrm{cf}}}}{R_s}{V}_i+1$ 其中 $X_{\mathrm{cf}}=\frac{1}{{\mathrm{\ωc}}_f}$

式中Xcf为积分电容的容抗

公式表明V_O与Xcf成正比关系，Xcf与频率成反比关系。因此，本电路除了有比例放大功能外还有抑制高频杂散干扰信号的功能。

3.被测信号保持及开关电路

被测信号保持及开关电路由电容C1、C2、R1、模拟开关K1、电流放大器组成。如图5所示，其工作原理是：放大后的被测信号Vo从模拟开关K1的A端输入，K1的开和关是由被整形后的50Hz工频信号控制，K1在一个过零点被打开，并开始向电容C1充电，到50Hz工频信号的另一个过零点K1被关闭，使C1两端的电压等于Vo在50Hz工频信号过零点时的电压，并保持到K1再一次被打开。C1的电压通过跟随器进行电流放大器输出，实现了对上一个过零点的信号的保持。C2和R1用于延迟K1的开和关的时间，以保证有足够的时间向反积分电容充电。

4.被测信号加法器电路

被测信号加法器电路由电阻R2、R3和电流放大器组成。如图6所示，其工作原理是：放大后的被测信号Vo从R2的一端输入，被保持的信号从R3的一端输入，两个不同时的过零点信号在R2和R3的另一端相汇合，得到两个信号的平均值，通过电压跟随器进行电流放大输出。

5.反积分及开关电路

反积分及开关电路由电阻R4、R5、电容C3、稳压管W、运算放大器、模拟开关K2组成。如图7所示，根据运算放大器在放大区域内的两个输入端的电压近似相等，两个输入端的电流近似等于零的特性，利用稳压管两端的压降Uw在一定电流范围内近似不变的特性，将放大器的一个输入端的电压设计成比输出电压高一个稳压管电压的跟随器。其工作原理是：当K2打开时(K2在单片机的控制下打开或关闭)经前面电路处理过的被测信号向C3迅速充电到被测信号的幅值电压(一定要大于稳压管W两端的压降)，当单片机收到50Hz工频过零信号时发出关断K2的指令，C3的电荷通过R5放电，其放电电流Ic＝Uw/R5

式中Uw和R5是固定值，因此，C3在放电时通过R5的电流是恒流。运算放大器的输出电压，在C3放电期间线性变化。并送入比较器的一个输入端。

6.反积分电压比较电路

反积分电压比较电路由电压比较器、R6、R7、三极管组成。如图8所示，其中，电压比较器的一个输入端接地(电路的参考点)，另一个输入端与反积分电路的输出相连。其工作原理是：当C3放电使反积分电路的输出低于电路的参考点电位，电压比较器的输出改变状态，经三极管的集电极输出送给单片机。

7.50Hz工频信号整形电路

50Hz工频信号整形电路是由电阻R8、R9、两个二极管、电压比较器组成。如图9所示，其中，50Hz工频信号是从电源变压器的低压线圈的一端引出，经R8限流和两个二极管限压送给电压比较器，每当50Hz工频信号过零时电压比较器的输出改变状态。将50Hz工频正弦波信号变成占空比相等的方波。

8.50Hz方波电平12V/5V变换电路

50Hz方波电平12V/5V变换电路由一个电阻和一个模拟开关组成。如图10所示，其中，模拟开关的控制端接50Hz工频信号整形电路的输出，当模拟开关打开时电阻两端电压近视等于+5V，当模拟开关关断时电阻两端电压近视等于0V。供单片机控制反积分使用。

9. 5V/12V电平变换电路

5V/12V电平变换电路是由两个电阻和一个三极管组成。如图11所示，其中，一个电阻作为三极管的基极限流电阻接单片机的I/O口，另一个电阻作为三极管的集电极电阻接12V电源。三极管集电极输出接反积分电路的模拟开关。

10.单片机系统电路

单片机系统电路是由单片机和单片机的外围元件组成。如图12所示，主要功能是：根据50Hz工频信号控制反积分电路的模拟开关，根据比较器的状态纪录每一次反积分的放电时间，并将数据加以换算和保存。另外，还担负着发选点指令和与上位机通讯等任务。

Claims (1)

1.一种50Hz工频同步的反积分A/D变换器，包括交流输入的电源电路(9)，该电路由220V电源变压器、二极管全波整流电路、低频滤波电容、高频滤波电容、+5V集成三端稳压芯片LM7805、+12V集成三端稳压芯片LM7812、-12V集成三端稳压芯片LM7912所组成，交流220V电压通过电源变压器变成双交流15V，经全波整流和滤波后分别送给+5V集成三端稳压芯片LM7805和+12V集成三端稳压芯片LM7812及-12V集成三端稳压芯片LM7912进行稳压和高频滤波，输出+12V、-12V和+5V直流电压；其特征在于：该A/D变换器还包括一个被测信号可调比例积分放大电路(1)、一个被测信号的保持及开关电路(2)、一个被测信号的加法器电路(3)、一个反积分开关电路(4)、一个反积分电压比较器电路(5)、一个50Hz工频信号整形电路(6)、一个50Hz方波电平12V/5V变换电路(7)、一个5V/12V电平变换电路(8)和单片机系统电路(10)，其中的被测信号可调比例积分放大电路(1)由运算放大器、输入分压电阻、比例调节电位器、积分电容和输出滤波电容组成，所述运算放大器的输出分两路，一路通过电阻作为被测信号加法器(3)的信号，另一路通过模拟开关和所述的被测信号保持及开关电路(2)作为所述被测信号加法器(3)的另一路信号，用于将被测信号放大到一定幅度，同时消除高频杂散干扰；所述的被测信号的保持及开关电路(2)由电压跟随器和电容组成，被测信号通过模拟开关对电容充电，利用模拟开关关断时的高阻抗和电压跟随器输出的高阻抗，使电容两端保持模拟开关关断时被测信号的电压，通过电压跟随器输出到被测信号加法器(3)的一路输入端，用于所述开关关断后保持被测信号；所述的被测信号的加法器电路(3)，由两个电阻和一个电压跟随器组成，其中一个电阻的一端接的是模拟开关关断时被测信号的电压，另一个电阻的一端接的是所述放大器输出的被测信号电压，两个电阻的另一端相连得到不同时的被测信号电压的平均值，消除了50Hz工频干扰信号后的被测信号经电压跟随器放大端输出；所述的反积分开关电路(4)，由一个模拟开关、一个运算放大器、一个稳压芯片、一个积分电容和一个放电电阻组成，所述积分电容的充放电由所述单片机根据50Hz工频的过零点通过模拟开关进行控制，积分电容两端电压输出成锯齿状波形；所述的反积分电压比较器电路(5)，由电压比较器、三极管和输出上拉电阻组成，用于将每个被测信号变成与信号幅度成正比的方波信号，由该电压比较器输出送给单片机计数；所述的50Hz工频信号整形电路(6)由一个限流电阻、两个限压二极管和一个电压比较器组成，将50Hz工频信号从所述电源变压器的二次绕组取出，通过电阻限流和二极管对地限压送给该整形电路的电压比较器输入端，并由该电压比较器将50Hz正弦波变成方波输出，一路控制被测信号保持及开关电路在50Hz工频过零时的保持开关，一路通过50HZ方波电平12V/5V电平变换电路(7)供单片机控制积分使用；所述的50Hz方波电平12V/5V变换电路(7)，由一个上拉电阻和一个模拟开关组成，其上拉电阻的一端接+5V电源，另一端接模拟开关的输入端，模拟开关的输出端接地电位，模拟开关的控制端接所述50HZ工频信号整形电路(6)的电压比较器输出端，变换的5V方波电平供单片机控制积分使用；所述的5V/12V电平变换电路由三极管、三极管基极电阻和三极管集电极组成，三极管的基极通过电阻与单片机相连，三极管的集电极通过电阻与12V电源相连，三极管的集电极输出与控制积分的模拟开关的控制端相连接，用于将单片机输出的5V电压变换成12V电平，控制模拟开关对电容充电和放电积分；所述的单片机系统电路由单片机及其外围电路组成，单片机通过其I/O口读取50Hz工频过零信号，并根据过零信号定时发出巡检指令和定时控制模拟开关对积分电容充放电，控制积分电容充放电的起始时间，测量被测方波宽度和保存方波宽度数据。

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