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1、一种基于单片机的智能化模拟信号预处理系统设计详解1引言由传感器输出的模拟信号一般要作放大、衰减、滤波等预处理之后，才能送入ADC进行模/数转换。在自动控制、智能仪表等领域中，要求这一处理过程可由软件控制，自动调整放大或衰减倍数，设置低通滤波器的截止频率，并且，还要将这些参数传送给CPU，以便修正测量结果；大多数市售的成品数据采集板都不具备模拟信号的预处理功能，使用时必须外接人工控制的放大、滤波装置，无法实现自动化。作者正是为了解决这些问题，才开发了这套基于单片机的智能化模拟信号预处理系统，当然，该系统也可以作为一般的放大器、滤波器使用。2硬件电路图1为模拟信号预处理电路的简图。由双电流输出型D
2、AC芯片AD7528和运放构成程控放大/衰减器，其原理是利用DAC内部的R-2R电阻网络，一个DAC作为运放的输入电阻，另一个作为反馈电阻。R-2R的其等效电阻可写为：RDACA=256RLDA/NA；RDACB=256RLDB/NB其中RLDA和RLDB分别为DAC A和B的R-2R梯形网络电阻，NA和NB为十进制的DAC输入数字（1255）。电路的增益为：Vout/Vin=-（RLDB/RLDA）（NA/NB）。AD7528为双精密匹配的DAC，其中RLDB=RLDA，所以，电路的增益为：Vout/Vin=-NA/NB，可见，它完全由输入的数字量决定。所以，这个电路和不需要外接精密电阻即可
3、获得精确的放大倍数。放大范围为1/255255（-48dB+48dB）。两个AD7528的片选信号由译码器分别提供，因此，双通道的放大倍数可以独立设置。经放大或衰减后的模拟信号通过缓冲后，输入到开关电容滤波器RF5609中。RF5609是七极点、六零点的椭圆函数低通滤波器，截止频率为工作时钟频率的百分之一，可变范围为0.1Hz25kHz，通带内波动0.2dB，阻带衰减100dB/倍频程。也可以使用MAXIM公司的 MAX291295系列开关电容低通滤波器。滤波器的工作时钟由可编程定时/计数器8254A提供。8MHz晶体经振荡电路为8254A提供输入时钟， 8254A工作于方波发生器方式，由OU
4、T0和OUT1分别提供给通道1和2的滤波器工作时钟，因此，两个通道可以设置相同的或不同低通截止频率。滤波器之后的RC电路用以消除工作时钟所带来的干扰。预处理后的模拟信号经缓冲器后输出。图2为键盘和显示器电路，由8255的PA、PB经驱动后控制6位LED数码显示器；PA和PC控制18个键的键盘，其中包括数字键“09”、除号 “”、上翻“Up”、下翻“Down”、本地/远程“Local/Remote”、放大器/滤波器“PGA/LPF”、通道 “Channel1/Channel2”、自动设置“Auto”和回车键“Enter”。图3为CPU电路。采用8031CPU，EPRO-M2764作为程序存储器，
5、也可以由8751替代。系统运行过程中没有大量的数据需要存储，故不设数据存储器。由A13A15三根地址线经74LS138译码器译码，形成CS0CS4片选线，分别控制8254、两片AD7528、8255和DAC-0808。设置DAC的目的在于，当系统设定为“自动设置”时，可根据要求的输出模拟信号电平或ADC的半量程值，由本系统自动调整放大器的放大倍数。另外，设置了RS232收发电路，以便远程控制。主要软件可分为：“本地控制”软件、“远程控制”软件和“自动设置”软件三部分。图4为“本地控制”流程。以“LDCAL”表示系统处于“本地控制” 状态。用户可以通过键盘分别设置双通道的放大倍数和低通滤波器的截
6、止频率，“衰减1/200”显示为“1-200”，输入是1200。图5为“远程控制”流程。以“232C”表示通过RS232串行口，由主控制机控制本系统。只识别主控机以数字 04形式发送的5条命令，并作出相应的动作。当主控机要求本系统“自动设置”时，在自动设置好放大倍数后，还会将设定的值传送给主控机，以便标定用。注意，本系统不能自动设置低通滤波器的截止频率，只能使用确省值或在此之前设定的值。图6为“自动设置”流程。根据主控机发送的或键盘设定的放大器输出电压和ADC0800的量程范围（10V），可计算出需要采入的数值。例如，设定输出电压为2500mV，则采入的数据对于正电压要大于或等于192，对于负电压要小于或等于64，如果未达到，则再增加一级放大倍数，继续采集和判断。虽然放大倍数可能以1/255的步长递增，但为了加快速度，可以以较大的步长递增，或者以等比序列递增。本系统将模拟信号的预处理与单片机有机地结合起来，以其完善的控制功能实现了模拟信号的智能化处理，已在设备的改造、自动控制、智能仪器仪表等的研究和开发等工作中发挥了出色的作用。