X62W萬能起床銑床的PLC改造,x62w,萬能,起床,銑床,plc,改造 摘　　要 　　隨著當代科學技術的迅速發(fā)展，各種電器、電子設備全面進入社會生活各個領域，成為社會文明進步的重要標志。在我國，人民生活水平不斷提高，對家用電器的需求量越來越大。各類電器、電子設備在全國城鄉(xiāng)和到迅速普及，給生產(chǎn)帶來極大方便。但各類電器、電子設備的廣泛使用，由此帶來的人身事故也大為增加。給生命財產(chǎn)帶來危害，觸電傷亡和電氣火災是常見例子。因此，電器、電子設備的使用安全性這一重要問題，成為決定產(chǎn)品質量的各要素中躍居首要地位，安全標準成為最重要的技術標準之一。 　　電氣安全性能試驗儀器技術指標完全取決于安全標準的要求和規(guī)定，測試對象除各類電子產(chǎn)品外，遍及一切電網(wǎng)供電或由指定的額定交直流供電的低壓電器設備，這是電氣安全性能試驗儀器區(qū)別于其他各類電子測量儀器的特點。因此，儀器的發(fā)展依賴于安全標準的發(fā)展。 　　本測試裝置結構合理，工作可靠，性能穩(wěn)定。本測試裝置特別加強了計算機的抗干擾措施，并且設置了自診斷、自恢復功能。因此排除了在線測試的嚴重現(xiàn)場干擾，能確保測試裝置可靠連續(xù)工作。 　　在工控、家電、儀器儀表、機電控制單元等領域，單片機已成為電子系統(tǒng)智能化的最好工具。十余年來，我國已培養(yǎng)出一大批單片機技術骨干隊伍，全國工科大專校已普遍開設了單片機相關的專業(yè)課程。單片機技術已逐漸成為電類專業(yè)學生的基本技能要求，并表現(xiàn)在相應的課程設計、畢業(yè)設計、科學研究、各類電子技術競賽中。 　　由于該裝置是應用于工廠生產(chǎn)流水線和試驗室使用，因此，對其測量精度及整機性能有很高的要求，為了確保研制工作的有序進行，我們在確定以單片機應用系統(tǒng)作為開發(fā)的核心的前提下，首先應做好對有關國家國家標準的研讀、理解和可行性調研。因為我做的是泄漏電流測試，所以我做的測試應符合GB4706.1《家用和類似用途電器的安全通用要求》系列中的要求。 關鍵詞： 泄漏電流 抗干擾 單片機 國家標準 ABSTRACT Along with contemporary science technical quick development, various electric appliances,the electronics equipments enters the social activities each realm completely, becoming the important marking that the social civilization progress.At the our country, the people live level to raise continuously, is more and more big to the demand of the home appliances.Each kind of electric appliances,the electronics equipments is in the national city country and arrive to make widely available quickly, bring production biggest convenient. Therefore, the usage safety of the electric appliances,the electronics equipments this important problem, become jumping to stand first the important position in each main factor that decides the product quality, the safe standard becomes one of the most important technique standards.The home appliances product safety standard, is for the sake of assurance Human body safety and usage the environment be free from any endanger but establishment, being a domestic expenses electricity the machine product at design,manufacturing have to act according to performance of standard document, strict performance various provision within standard, home appliances of safety have dependable assurance. Control in the work,appliance,instrument appearance,the machine electricity control unit etc. realm, single slice the machine have become the electronics system intelligence to turn of best tool.For more than ten years, the our country has already developped one large quantity single slice the machine technique framework troops, the national engineering university school is widespread to have already set up a single slice a professional course with related machine.Single slice the machine technique has already become the basic technical ability request that gives or get an electric shock a type of professional student gradually, and express in correspond of the course design,graduation design,science research,each kind of electronics technique contest. Electricity the safe function experiment the request and provision that the instrument technique index sign is decided by the safety standard completely, the test object in addition to each kind of electronics product, spread over the whole charged barbed wire net power supplies or from appointed of the sum certainly hands over the low-pressure electric appliances equipments of the direct current power supply, this is electricity the safe function experiment the instrument distinguish all each kind of electronicses to measure instrument of characteristics.Therefore, the development of the instrument depend on standard in the safety of development. The origin tests device the structure reasonable, work dependable, function stable, support convenience.This test equiped to strengthen the anti- interference measure of the calculator specially, and establish from the diagnosis,from recover function.Therefore expeled an on-line test completely of serious the spot interference, can insure test to equip credibility a consecution a work. Because that device applies to produce the flowing water line and laboratory usage in the factory, therefore, as to it's measure the accuracy and the whole machine function contain very high request, for insuring to develop to work of have a preface to carry on, we at certain the single slice is apply by machine the system Be the premise of the core of the development under, should work well standard to the concerning the nation nation first of study,the comprehension and the possibility investigation.The What I do insulates electric resistance and leaks electric current, the so I do of the test should match the the GB 4706.1 《 domestic expenses the with the the safe and the in general the use request the of the the similar use the electric appliances 》the request in the series. In the diagram paper in this design all of me am to adopt this software of PROTEL, for this system I also want to do a simple elucidation, although I also learned this system before, mainly is drew electric circuit diagram and editted the spare parts database and born network form document.The usage of this design PROTEL this software lets me get again a good promote. Keyword：Leak the electric Interference rejection Only flat machine National standard 目錄 摘要 ABSTRACT 第1章 概述.....................................................................................................1 1.1 主要性能指標...............................................................................................2 1.2 使用條件.........................................................................................................2 第2章 電性能測試裝置圖......................................................................3 第3章 測試電路的設計及工作原理.................................................5 3.1 國家標準GB4706.1有關泄漏電流的測試要求................................5 3.2 比例運算放大器...........................................................................................7 3.3 精密整流放大電路.......................................................................................7 3.4 泄漏電流測量電路的設計.........................................................................8 3.5 泄漏電流的計算和檢定..............................................................................9 3.6 單片機及接口電路......................................................................................10 3.6.1 單片機的接口電路....................................................................................10 3.6.2 單片機的組成............................................................................................10 3.7 A/D轉換電路................................................................................................13 第4章 抗干擾設計.......................................................................................15 4.1 干擾的產(chǎn)生....................................................................................................15 4.2 干擾的抑制....................................................................................................16 4.3 該裝置的抗干擾措施.................................................................................17 第5章 小結......................................................................................................19 第6章 致謝.....................................................................................................19 參考文獻..............................................................................................................20 附錄.........................................................................................................................21 泄漏電流安全性能測試 第1章 概 述 ??電氣安全性能試驗儀器技術指標完全取決于安全標準的要求和規(guī)定，測試對象除各類電子產(chǎn)品外，遍及一切電網(wǎng)供電或由指定的額定交直流供電的低壓電器設備，這是電氣安全性能試驗儀器區(qū)別其他各類電子測量儀器的特點。因此，儀器的發(fā)展依賴于安全標準的發(fā)展。電性能測試裝置是用于流水線上快速測試電冰箱、空調器、電風扇、洗衣機等家用電器而設計的測試裝置。它可以部分取代進口的在線測試設備（如意大利梅諾尼公司生產(chǎn)的測試臺）。 該裝置是由計算機控制的，智能化的綜合測試儀器。該裝置能根據(jù)打入鍵盤的指令，自動快速切換好符合有關國家標準規(guī)定的測試線路并對被測電器的各項電性能指標進行測試，測試結果由計算機處理，判別被測電器合格與否，并由數(shù)字顯示，亦可將數(shù)據(jù)打印出來。在測試過程中伴有音響提示操作者，并可根據(jù)用戶要求，配備通訊輸出口可直接和主機通訊聯(lián)網(wǎng)。（RS-485C通訊口）。因為RS-485的遠距離、多節(jié)點（128個）以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS-485已成為工業(yè)應用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標準。 本測試裝置結構合理，工作可靠，性能穩(wěn)定，維護方便。本測試裝置特別加強了計算機的抗干擾措施，并且設置了自診斷、自恢復功能。因此完全排除了在線測試的嚴重現(xiàn)場干擾，能確保測試裝置可靠連續(xù)工作。 電氣安全性能試驗儀器的發(fā)展是貫徹國際國內(nèi)安全標準的必然結果。自IEC65號公告《電網(wǎng)電源供電的家用和類似一般用途的電子及有關設備的安全要求》于1952年首次頒布并經(jīng)五版、七次修訂以來，全球范圍內(nèi)已形成IEC安全標準和美國UL安全標準兩大體系。我國自70年代末期開始制訂各類安全標準。80年代迅速形成了采用或等效采用IEC安全標準的國家標準體系。電氣安全性能試驗在電子測量儀器、廣播收音機、電視機、各種音頻、視頻設備及家電產(chǎn)品、低壓電器等電子、電器產(chǎn)品設計、制造、檢驗、定型、質量認證、創(chuàng)優(yōu)及進出口等各項工作中，首先成為必須、大量、經(jīng)常進行的重要項目，隨之產(chǎn)生的專用測試儀器的需求，使得電氣安全性能試驗儀器具有深厚的發(fā)展基礎和廣闊的市場前景。 1.1主要技術性能 本測試裝置所提供的測試線路符合GB4706.1－92和GB4706.1-98及GB4706.1-2005 《家用和類似用途電器的安全通用要求》，GB4706.2－4706.16－86，GB5956－86《家用和類似用途電器的安全特殊要求》及各家用電器的國家標準。 本測試裝置能測試下列電性能指標及范圍： 2）泄漏電流：50～500uA 精度±2%(FS) 500～5000uA 精度±2% 以上測試結果顯示位數(shù)為四位十進制，數(shù)字直接顯示。 外形：立柜式 長×寬×高＝580×400×1200mm 重量：約118Kg 1.2 使用條件 環(huán)境溫度：－5℃～35℃ 相對濕度：≤80% 供電電源：單相 220V 50HZ 無嚴重震動，周圍無強電磁場干擾。 周圍空氣中不應含有足以引起腐蝕的氣體及有害物質。 使用時間：連續(xù)工作。 自然通風良好，散熱孔板不被遮蔽。 第2章 電性能測試裝置圖 電性能測試裝置基本方框圖如下2-1： 控制電路 接口電路 測試電路 A/D轉換 51 系列單片機 音響、顯示、打印、通訊 鍵盤 圖2-1 電性能測試裝置電氣原理圖如下2-2： 圖2-2 第3章 各測試電路的設計及工作原理 3.1國家標準GB4706.1有關泄漏電流的測試要求如下： 1)在工作溫度下，器具的泄漏電流不應過大，而且它的電氣強度應是虛構的。 2)電熱器具以1.15倍的額定輸入電壓工作。電動器具和聯(lián)合型器具以1.06倍的額定電壓供電。按制造廠說明書也適用于單相電源的三相器具，可按帶有三個并聯(lián)電路的單相器具進行試驗。保護阻抗和無線電干擾濾波器在進行該試驗前斷開。 3)泄漏電流通過用附錄G所描述電路制出的裝置進行測量，測量在電源的任一極和連接金屬箔的易觸及金屬不見之間進行。被連接的金屬箔面積不超過20cm×10cm，它與絕緣材料的易觸及表面相接觸。將選擇開關分別撥到1、2的每一個位置來測量泄漏電流。 泄漏電流應不超過下述值： 對0類、0Ⅰ類和Ⅱ類器具 0.5mA 對Ⅰ類便攜式器具 0.75mA 對Ⅰ類駐立式電動器具 3.5mA 對Ⅰ類駐立式電熱器具 0.75mA 或0.75mA/千瓦(器具額定輸入功率),兩者中選較大值最大為5mA 對Ⅱ類器具 0.25mA 對聯(lián)合型器具,其總泄漏電流可在對電熱器具或電動器具規(guī)定的限值內(nèi),二者中取最大的,但不能將二個限值相加。 如果器具裝有電容器,并帶有一個單極開關,則應在此開關處于斷開位置的情況下重復測試。 如果器具裝有一個在試驗期間動作的熱控制器,則要在控制器斷開電路之前的瞬間測量泄漏電流。 注: 開關處于斷開位置來進行試驗,是為了驗證連接在一個單極開關后面的電容器不產(chǎn)生過高的泄漏電流。 推薦器具通過一個隔離變壓器供電,否則器具應與地絕緣。 在被測表面上,金屬箔要有盡可能大的面積,但不超過規(guī)定的尺寸,如果金屬箔面積小于被測表面,則將其位移測量到該表面的所有部分,器具的散熱不應受此金屬箔的影響。 家用電器的泄漏電流是家用電器在外加電壓作用下，流經(jīng)絕緣部分的電 流，上述測量的搖表，實際上測量的是泄漏電流，只不過以電阻形式表現(xiàn)出來。 搖表的額定電壓，如500V搖表，是指搖表空轉時的端電壓為500V，在測量過程中，搖表的輸出電壓隨被測絕緣電阻 不同變化很大，遠低于其額定電壓。 因此，不能發(fā)現(xiàn)絕緣物硬傷、脆裂和高電阻接地等缺陷。家用電器泄漏電流測試要采 用專用泄漏電流儀，如用NL 454型泄漏電流儀測試電冰箱的泄漏電流。 對于各類家用電器，國家標準都規(guī)定了泄漏電流不應超過的上限值，產(chǎn)品出廠前都要進行測 試。 測試時施加電壓為家用電器額定電壓106倍，在電壓施加5s內(nèi)進行測量，施加試驗 電壓的部位是家用電器帶電部件和僅用基本絕緣與帶電部件隔離的殼體之間，以及帶電部件 和用加強絕緣與帶電部件隔離的殼體之間。如果帶電部件和金屬殼或金屬蓋之間距離小于GB 4706 1 1998《家用和類似用途電器的安全通用要求》第29 1條所規(guī)定的適當間隙時， 施 加試驗電壓的部位是用絕緣材料做襯里的金屬殼或金屬蓋與貼在襯里內(nèi)表面的金屬箔之間。 1982年10月IEC335 1第三次修正時才確定泄漏電流測試線路，并被我國國家標準采納。安全標準規(guī)定電熱器具要測熱和潮濕狀態(tài)下泄漏電流，電動器具要測工作溫度狀態(tài)下泄漏電流 。 附錄G1 一個測量泄漏電流的適合電路在圖G1中給出。 該電路由一個帶鍺二極管的整流器D和一個動線圈儀表M、用來調節(jié)電路特性的一些電阻R和電容C、以及一個用來調節(jié)儀表的電流范圍的“先通后斷”的開關S組成。 此測量電路具有1750Ω±250Ω的總電阻，并且用一個電容器并聯(lián)，以使得電路的時間常數(shù)為225μs±15μs。 整個儀表的最敏感范圍不超過1.0mA,較高的測量范圍可通過儀表線圈并聯(lián)無感電阻Rs獲得，并同時調節(jié)串聯(lián)電阻Rv使電路的總電阻R1+Rr+RV保持在規(guī)定值。 其基本校驗點在50HZ或60HZ頻率的正弦波下，為0.25mA、0.5mA、0.75mA。 注： 1) 電路可以有過電流保護，但所選用的方法不能影響電路的特性。 2) 整流器設置在0.5mA,通過跨越該整流器測得的電壓降計算出電阻Rm，然后，調節(jié)電阻Rv，以給出對每個范圍的電路總電阻。 3) 由于鍺二極管比其他類型的二極管具有更低的電壓降，所以使用鍺二極管以造成一個更為線性的刻度，必須選擇二極管的額定值以適合這個儀器所要求的最大范圍，然后，由于適合于較高電流的二極管具有一個高的壓降，所以這個范圍不準超過25mA。 4) 建議開關的設置，要使得它能自動地轉回到給出最高電流范圍的位置上，以防止儀器的非故意損壞。 5) 可通過選擇具有優(yōu)先選用值的一些電容，并且使用串聯(lián)/并聯(lián)排列來構成該電容器。 ? 圖G1 3.2比例運算放大器 比例運算放大器：將輸入信號按比例放大的電路，稱為比例運算電路。 該比例運算放大器可分為反向比例電路、同相比例電路、差動比例電路。 在下面的泄漏電流測量電路和絕緣電阻測量電路我們用到了同相比例電路。 同相比例電路是輸入信號加入同相輸入端,電路如圖3-1所示: 輸出特性：因為：（虛短但不是虛地）；； ?? 所以：?? ?? 改變Rf/R1即可改變Uo的值，輸入、輸出電壓的極性相同 其特點： 1)輸入電阻高； 2)由于(電路的共模輸入信號高)，因此集成運放的共模抑制比要求高。 圖3-1 3.3精密整流檢波電路 檢波電路工作原理： 一般檢波電路由于二極管的正向特性的非線性,并存在死區(qū)電壓，使輸出電壓波形嚴重失真，帶來很大的變換誤差，在小信號下，問題尤其嚴重，以至無法工作。 圖3-2成一個精密檢波電路。分析如下： 經(jīng)過整流后的直流還是脈動直流,如果想得到大小上等于交流平均值的穩(wěn)定直流電壓，只要再增加一個低通濾波器就行了。得到的直流電壓，它等于變換器輸出電壓UO的直流分量，對全值檢波電路來說，這個直流分量就是交流平均值。 式中： 0 當UI〈0 -2U1 當UI≥0 A2組成反相求和電路， 因此： UO =-（UI+UO1） -（UI+0）=-UI 當UI〈0 = -（UI-2UI）=UI =∣UI∣ 精密整流電路的功能：將微弱的交流電壓轉換成直流電壓。 整流電路的輸出保留輸入電壓的形狀，而僅僅改變輸入電壓的相位。當輸入電壓為正弦波時，半波整流和全波整流輸出電壓波形 精密整流電路可分為全波精密整流電路、半波精密整流電路。因為我所設計的原理圖都是用到了全波精密整流電路，因此我簡單的介紹一下全波精密整流電路。 全波精密電路如圖3-2所示 圖3-2 分析由A2所組成的反相求和運算電路可知，輸出電壓 當uI>0時，uO1=-2uI，uO=-(-2uI+uI)=uI； 當uI<0時，uO1=0，uO=-uI；所以 3.4泄漏電流測量電路的設計 測量范圍：50～5000μA，精度±2% 采用隔離變壓器1B供電，由X01，X06輸出232V電壓供電。 由于被測電流較小，為保證測試精度，采用精密整流電路和運算放大器見3.2和3.3，由IC1， IC2及相關外圍電路組成。 一般的電源電路或采用兩個二極管或四個二極管整流，優(yōu)點是接法很簡單，缺點是要損失0.7或1.4伏的二極管壓降。但當你想把一個要測量的信號由交流變?yōu)橹绷鳎敲催@壓降會使你的測量變?yōu)楹翢o意義。或者你想把一個要測量的小信號（小于0.3伏）由交流變?yōu)橹绷?，即使你使用鍺二極管，你都將得不到信號。這時候，就可以采用運放進行精密整流。如圖3-3。 圖 3-3 泄漏電流工作原理： 測試時計算機接口PA0、PA1輸出高電平， 令J1工作。CA1、KM2吸合，使泄漏綠色指示燈亮，隔離變壓器1B X01，X06輸出232V電壓送到被測電器。被測電器的泄漏電流值送至圖3-3 101、102 。經(jīng)過R1、R2分壓。當J8吸合時，信號經(jīng)精密檢波電路和運算放大器放大，經(jīng)VFC送入計算機計數(shù)口T1。這個作為被測電路第一個泄漏電流值。 接著計算機PA7令J8吸合 ，然后計算機PA3令J4吸合，1CN吸合，使LH、LN換相。這個作為被測電路第二個泄漏電流值。計算機選擇較大的泄漏電流值作為被測電路泄漏電流值。IC1~3為運算放大器OP07，其中IC1~2構成一個精密整流電路，IC3為同相比例運算放大器。 3.5泄漏電流的計算和檢定 計算 圖3-3中： R4=R5∥R6 =10×10∥(10+10)=5K? U0/U1=(R5+R6)/ R6 =(10+10)/10 =2 同相Uo=U1+Uo1 U1+0=U1，U1<0； U1-2U1=-U1，U1≥0； R1+R2=1750 時間常數(shù)τ=1750·C1=213.5μs 此測量電路時間常數(shù)符合國標GB4706.1規(guī)定1750Ω±250Ω的總電阻，電路的時間常數(shù)為225μs±15μs的要求。 檢定方法和步驟： 1)將機器內(nèi)部接線板上101端鈕與102端鈕之間的短路線拆除. 2)將高阻箱和0.5級的毫安交流電流表串接在101端子與ＬN端子(或ＬH端子)之間. 3)接通測試臺電源后,在鍵盤上按"D"鍵后,然后鍵入指令,測試臺自動接通泄漏電流項目. 4)高阻箱上每選擇一阻值(在0.05MΩ-5MΩ之間)后,測試臺顯示值減去1000后所得到的值與0.5級的毫安交流電流表按微安所讀得的讀數(shù)相比較,誤差應符合設計要求. 5)測試完畢后,要將機器內(nèi)部接線板上101端鈕與102端鈕之間的短路線仍連接好。 3.6 單片計算機及接口電路 在單片機電路中加入了自復位電路，以及單片機中源加了交流濾波器?？梢杂行У奶岣弑狙b置的可靠性及抗干擾性。 自復位電路的設計思路就是（如單片機原理圖）當計算機處于正常工作狀態(tài)時，PC7發(fā)脈沖使得U12B處于穩(wěn)定狀態(tài)，U12B的輸出高電平，使得U12A處于穩(wěn)定狀態(tài)，U12A的也處于穩(wěn)定狀態(tài)，計算機得不到復位信號。當某種原因計算機死機停止工作，PC7停止脈沖輸出，約2-3秒后，U12B就產(chǎn)生一個復位脈沖，強迫計算機復位。重新回到正常工作狀態(tài)。 自診斷功能就是指（如單片機原理圖）計算機處于初始化后，首先開始整機系統(tǒng)自檢，合格后，PC5發(fā)出高電平脈沖，使得可控硅導通，計算機的PC2輸出高電平，這就是計算機的自診斷功能。如自檢有問題，則發(fā)出提示報警信號。 3.6.1單片機接口電路，見圖3-4 單片機 P10芯片8255由PA0～PA7，PB0～PB2，PB7，PC4輸出控制信號經(jīng)74LS244緩沖驅動器。使輸出信號的驅動能力加大。目的是提高整機的抗干擾性，（有關原理在第四章敘述）。當計算機PA0輸出低電平，經(jīng)74LS244，使所接負載U3（光耦器的發(fā)光管）導通。R1為發(fā)光管的限流電阻，U3（4N25）的光敏三極管導通，R14與D1的連結點電壓接近0V，R1截止，J0處于不工作狀態(tài)。D1的作用是隔離光敏三極管導通時的壓降，防止Q1截止不充分。其余接口在計算機初始化時均如此，這樣，有利用于提高整機的抗干擾性。 當計算機PA0輸出高電平，U3截止，+24V電壓經(jīng)R14（20K），D1至Q1基極，使Q1導通，J0得電吸合，余接口控制電路類推。 3.6.2單片機電路的組成 單片機是由運算器、控制器、存儲器、輸入設備以及輸出設備共五個基本部分組成的。單片機是把包括運算器、控制器、存儲器最基本的輸入輸出口電路、串行口電路、中斷和定時電路等都集成在一個尺寸有限的芯片上。因此，單片機具有以下特點： 1)：片內(nèi)存儲容量小。受集成度限制，片內(nèi)存儲器容量較小，但可在芯片外部擴展。 2)：可靠性好。芯片通常是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，其抗工業(yè)噪聲干擾的能力優(yōu)于一般通用的CPU。 3)：易擴展。片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件，片外有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入輸出管腳，很容易構成各種規(guī)模的計算機應用系統(tǒng)。 4)：控制功能強。為了滿足工業(yè)控制要求，單片機的指令系統(tǒng)中均有極豐富的條件分支轉移指令、較強的I/O邏輯操作以及位處理功能。 5)：系統(tǒng)內(nèi)無監(jiān)控或系統(tǒng)管理程序。單片機系統(tǒng)內(nèi)部一般無監(jiān)控或系統(tǒng)管理程序，只有用戶設計，調試好的應用程序。 圖3-4 單片機由于體積小，集成度高、成本低、抗干擾能力和控制能力強等特點，廣泛應用于儀器儀表、家用電器和專用設備的智能化以及過程控制等方面。 單片機應用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟效益。更重要的意義在于，單片機的應用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。以前采用電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)。 *單片機原理流程圖見附錄圖1 *單片機原理圖見附錄圖2 3.7 A/D轉換電路 A/D轉換電路的概述：利用過采樣原理可實現(xiàn)高精度的A/D轉換。對此文中提出了一種新的并行高階過采樣A/D轉換器方案，用該方案實現(xiàn)的A/D轉換器具有物理概念清晰、結構穩(wěn)定、易于實現(xiàn)等特點。文中還研究了該方法的實現(xiàn)過程，給出了三階調制器積分器輸出波形及總輸出信號頻譜圖。它可用于聲信號的數(shù)據(jù)采集中。 模數(shù)轉換器（A/D轉換器、簡稱ＡDC）是將模擬量轉換成數(shù)字量。將模擬信號轉換為數(shù)字信號，這個編碼過程最重要的兩個參數(shù)就是取樣頻率和取樣深度，它們決定了編碼的精度。取樣頻率就是模擬信號轉數(shù)字信號時每秒對聲波取樣的次數(shù)，顯然取樣頻率越高，越接近原始的模擬信號。 盡管難以對所有誤差來源進行可視化，不過我們可通過芯片級設計技術或數(shù)據(jù)處理技術來解決這些誤差來源。在我們詳細了解如何補償誤差源之前，不妨先來了解一下a/d架構。在分辨率大于16位時，我們廣泛采用 δ-σ 架構。δ-σ 架構采用重復采樣技術來實現(xiàn)高分辨率數(shù)字輸出。圖 1 給出了簡化的 δ-σa/d 轉換器結構圖。a/d 的主要組件是調制器和濾波器。調制器作為反饋環(huán)路環(huán)路工作，其目標是將差動信號誤差驅動為零。我們通過微差測量模擬輸入信號和反饋dac信號來實現(xiàn)這一目的。δ-σ 架構中的δ(delta) 因此得名。上述二者之差或信號誤差結合或合計到下一級。δ-σ 架構中的西格瑪由此而來。將總誤差與參照信號相比較，從而相應地設置比較器的輸出。如果誤差項為正值，則反饋 dac 輸出升高，以嘗試減小差動誤差項。如果誤差項為負值，那么反饋dac 輸出則降低，以嘗試減小差動誤差項。比較器 1 和 0 的密度與模擬輸入電壓成正比。 A/D轉換器與微機的接口技術主要解決以下四個方面的問題: 1）數(shù)據(jù)輸出線的連接方式。 2）選通信號、啟動轉換及讀出控制信號的連接方法。 3）電源和地線的處理。 4）與微機信息傳遞的方法。 我設計的A/D轉換電路，通過調研分析比較，決定采用VFC模塊轉換，原因及原理如下： VFC的主要功能是在規(guī)定的精度和頻率要求范圍內(nèi)，將模擬信號（電壓或電流）轉換成具有一定邏輯電平的數(shù)字脈沖輸出。數(shù)字脈沖的重復頻率與模擬電壓成正比。此類元件有良好的精度、線形和積分輸入特點，它的應用電路簡單，外圍器件要求不高，對環(huán)境適應能力強，轉換精度不低于一般的A/D轉換器，適合非快速A/D 轉換，且價格低廉。該方法為將模擬信號轉換成數(shù)字信號提供了一種簡單而廉價的途徑，同時也為其他A/D轉換技術提供了一種重要的替代手段。 VFC的基本工作原理可結合圖3-5簡要分析如下： 圖3-5 Al和RC構成一個積分器，A2 是零電壓比較器。恒流源和模擬開關S，構成積分器反充電回路。當單穩(wěn)定時器產(chǎn)生一個tos 的脈沖時，反充電回路對CINT反充電。當模擬開關S處在2位置即與運放A1輸出端接通時，積分器處于充電過 程，積分器輸出電壓不斷下降，當積分器輸出電壓下降到零伏時，A2 發(fā)生跳變觸發(fā)單穩(wěn)定時器，使其產(chǎn)生一個脈寬為tOS的脈沖，此脈沖使模擬開關S與1位置運放Al的反相輸入端通tos時間， 對CINT進行反充電，反充電使VOLTS上升，至tos結束時，又使模擬開關S處于2位置，CINT再次進人充電階段，VOLTS下降，當VOLTS下降至零伏又使單；穩(wěn)定時器產(chǎn)生一個tos脈沖，如此反復形成頻率輸出，波形如圖3-6。 圖3-6 輸出頻率為：f=VIN/IRRIN*tos 本機VFC是采用了青島晶體管實驗所出品的QD450 VFC。該產(chǎn)品是參照美國AnalogDevices公司同類產(chǎn)品外型與特性研制而成，可將模擬電壓或電流變換為相應頻率脈沖。其輸出脈沖頻率與輸入模擬信號成比例，連續(xù)跟蹤于輸入信號，直接響應于輸入信號的電平，而不需要外加同步脈沖。用V/F轉換器實現(xiàn) A/D轉換需要與頻率計數(shù)器配合使用，電路框圖如圖3-7所示。 圖3-7 原理如下：同時啟動頻率計數(shù)器和定時器，頻率計數(shù)器用V/F轉換器輸出的頻率信號作為計數(shù)脈沖，定時器采用基準頻率作為定時脈沖，當定時結束時，定時器產(chǎn)生輸出信號使頻率計數(shù)器停止計數(shù)， 這樣計數(shù)器的計數(shù)值與頻率之間的關系是： f=D/T D是計數(shù)值；T是計數(shù)時間 而 T=DS/fs DS是定時計數(shù)器計數(shù)初值；fs基準頻率 因此 f=(D/DS)fS 可見只要知道了D值就可計算求出v／F轉換器的輸出頻率，這樣就實了現(xiàn)了A/D轉換。 如圖3-8所示： 圖3-13 用V/F實現(xiàn)A/D結構框圖 圖3-8 VFC電路的調試如圖3-9所示： 圖3-9 給VFC電路加上+15V的電源電壓，預熱10分鐘。首先在Vin端輸入10mv電壓，調節(jié)RP1，使U1（QD450）輸出為10HZ（即LED最后兩位顯示為10）。然后，在Vin端輸入+10V電壓，調節(jié)R3，使U1（QD450）輸出為10KHZ（即LED顯示為10000）。 反復調試1—2次，以達到調試要求。 在此情況下，當輸入端Vin電壓異常，如出現(xiàn)負電壓，則LED顯示屏顯示為0，與輸入端電壓為0時的顯示相同。為了加以區(qū)分零和負電壓，在U1的Iin端輸入一電流。此電流由+15V經(jīng)R1（750Ω）、R2（110K）、R4（25K）和U1的內(nèi)電阻約33K分壓疊加至U1內(nèi)運放輸入端，使VIN輸入為0時，調R4，使LED 顯示為1000HZ。 結果當Vin端電壓為0V—10V時，LED顯示屏顯示為 1000-11000HZ。 第4章 抗干擾設計 4.1 干擾的產(chǎn)生 在科學技術和工業(yè)生產(chǎn)高度發(fā)展的今天，人類在破壞生態(tài)環(huán)境的同時，也制造了新的環(huán)境污染—“電磁污染”。各種各樣的電子設備，微機系統(tǒng)對周圍電磁環(huán)境的變化都十分敏感。也就是說，空間電磁場的變化對各種應用用電子設備都會造成不同程度的干擾。 電子設備或通訊設備是以傳輸信息進行的。通過電路傳輸?shù)男畔⒁噪妷夯螂娏鬟M行模擬。但是，電子設備或通訊設備的電路在傳遞有用信息的同時，往往要伴隨產(chǎn)生有害影響的信息（電壓或電流）如繼電器動作時按點產(chǎn)生的電弧也是極大的干擾信號，這是形成了電子設備或通訊設備中的干擾（或稱噪聲）。 干擾是是電子設備或通訊設備工作中出現(xiàn)的主要問題之一，它影響電子設備或通訊設備工作性能的良好、可靠和穩(wěn)定程度。當干擾電平達到或超過有用信號電平時。電子設備或通訊設備就根本不能正常工作。因此，每個設備的干擾電平都需要消除或抑制到標準規(guī)定的電平。 4.2 干擾的抑制 抑制干擾或噪聲是電子設備或通訊設備在設計、制造時需要解決的主要問題。要使一個電子設備或通訊設備有抑制干擾或噪聲的良好性能，就需要在電路設計、結構設計以及從元件選擇、制造、裝配工藝等方面采取抗干擾措施。新產(chǎn)品從設計開始時就應進行抗干擾設計，采取抗干擾措施。如果等到設備制成之后，才去解決干擾問題，就比較麻煩了。即使通過改裝電路結構、裝配工藝等措施使出現(xiàn)的干擾問題得以解決，也往往使設備趨于復雜化。而且不可避免地造成時間、人力和物力的浪費。 由于電子技術的迅速發(fā)展和各種電子設備、電子設備的廣泛應用，人類所處的電磁環(huán)境日益惡化。面對這種情況，對電子、電氣設備的抗干擾能力的要求也越來越高。隨著世界經(jīng)濟全球化進程的加快，為了促進各種電子產(chǎn)品的交流與發(fā)展，對產(chǎn)品的EMC性能的要求和檢測方法的標準化工作顯得更為迫切與重要。 電子產(chǎn)品抑制干擾措施的有效性和成本隨產(chǎn)品進展階段而不同。如圖4-1所示。隨著設計、試制、投產(chǎn)階段的進展，技術難度和造價都將不斷增加。 圖4-1 經(jīng)驗證明，如果在設計開始時把抑制干擾問題在設備的每一級中或分系統(tǒng)中加以考慮并解決，則在設備實驗之前，就可把可能出現(xiàn)的干擾消除80～90%。而且在這個階段消除干擾的措施也是比較簡單易行的。 必須注意到，一個電子設備可能受干擾，也可能產(chǎn)生干擾而干擾其他電子設備。在同一個電子設備中的各部分電路之間也存在著這樣的問題，即一個電路可能受其他電路的干擾，也可能干擾周圍其它電路。 電磁干擾是電子設備或通訊設備中的最主要的干擾形式。電磁兼容性就是指電子設備在電磁場環(huán)境中的適應能力。電磁兼容設計的要求，就是使所設計的電子設備與在同一環(huán)境中工作的其它電子設備，既不產(chǎn)生也不受到電磁干擾的影響。所以電子設備的抗干擾設計也就是電磁兼容設計。電磁兼容設計問題在國外已日益為從事電子設備實際及制造的人員所重視，成為重要的研究課題。 干擾（或噪聲）形成的三要素：干擾（或噪聲）源；耦合通道；受感器（接收器或被干擾電路），如圖4-2 ： 圖4-2 抑制干擾的方法有： 1）抑制干擾源。 2）提高受感器（被干擾電路）的抗干擾能力。 3）抑制傳輸干擾的耦合通道。 在某些情況下，需要同時采用以上的兩種或三種。 通常把抑制干擾源的措施稱為積極防干擾措施，而把抑制耦合通道或受感器（被干擾電路）的措施稱為消極防干擾措施。 4.3 該裝置的抗干擾措施 除了前面第三章第十一節(jié)所述，在單片機電源中加入了自復位電路，采用軟件硬件結合的方法干擾措施以外，我們在接口電路及信號放大傳輸通道中較多采用了光電耦合器來抑制信號干擾。 1).光耦合器 光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光電耦合器是70年代發(fā)展起來的新型電子元件，是以光為媒介傳輸信號的器件。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器，因而輸入和輸出在電氣上是完全隔離的。開光量輸入電路接入光電耦合器之后，由于光電耦合器的隔離作用，使夾在輸入開關量中的各種干擾脈沖都被擋在輸入回路的一側。所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。因此在DZ-8E的單片機接口電路中也采用了此元件。光耦合器的技術參數(shù)主要有發(fā)光二極管正向壓降VF、正向電流IF、電流傳輸比CTR、輸入級與輸出級之間的絕緣電阻、集電極-發(fā)射極反向擊穿電壓V(BR)CEO、集電極-發(fā)射極飽和壓降VCE(sat)。此外，在傳輸數(shù)字信號時還需考慮上升時間、下降時間、延遲時間和存儲時間等參數(shù)。 最重要的參數(shù)是電流放大系數(shù)傳輸比CTR（Curremt-Trrasfer Ratio）。通常用直流電流傳輸比來表示。當輸出電壓保持恒定時，它等于直流輸出電流IC與直流輸入電流IF的百分比。當接收管的電流放大系數(shù)hFE為常數(shù)時，它等于輸出電流IC之比，通常用百分數(shù)來表示。有公式如（4-1）： CTR=IC/ IF×100% （4-1） 采用一只光敏三極管的光耦合器，CTR的范圍大多為20%～30%（如4N25），而PC817則為80%～160%，達林頓型光耦合器（如4N30）可達100%～500%。這表明欲獲得同樣的輸出電流，后者只需較小的輸入電流。因此，CTR參數(shù)與晶體管的hFE有某種相似之處。 如圖4-3。 圖4-3 （a）輸入特性 (b)輸出特性 由圖可見，它與普通晶體二極管的伏安特性基本上一樣，僅有兩點不同：一是正向死區(qū)較大，可達0.9-1.1V,只有當外加電壓大于這個數(shù)值時,二極管才發(fā)光;二是反向擊穿電壓很小,只有6V左右,比普通二極管的反向擊穿電壓要小得多。 而其輸出端是光敏三極管,因此,光敏三極管的伏安特性是它的輸出特性,如圖4-2 (b)所示.由圖可見,它與普通晶體三極管的伏安特性是相似的,也分飽和線性和截止三個區(qū)域。不同之處就是它以發(fā)光二極管的注入電流IF為參變量。另外,光電耦合器的電流傳輸比和晶體三極管的電流放大倍數(shù)在計算公式上都用輸出與輸入電流之比來表示,但是三極管的電流放大倍數(shù)總是大于1,而光電耦合器的電流傳輸比總是小于1。 2).光耦合器在裝置中的應用 （1）計算機所有輸入、出接口均用光耦合器隔離，使計算機同繼電器控制等電路之間無電氣連接。達到隔離現(xiàn)場干擾的目的，使兩者之間既保持控制信號聯(lián)系，又隔絕電氣方面的聯(lián)系，具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。 （2）VFC輸出的脈沖頻率信號與單位計算機計數(shù)輸入口用光電耦合器隔離，使兩部分電源相互獨立，減少系統(tǒng)所受的干擾，從而大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 3).設備器件及安裝工藝上的抗干擾措施 （1）所有電源變壓器初、次級之間均有隔離層，并可靠接地。 （2）合理安排器件，主要是電源變壓器，繼電器，接觸器的合理位置。 （3）計算機、放大線路板均安裝在用鐵皮制作的半封閉盒中，使與安裝繼電器的機柜部分有效電磁隔離。 （4）系統(tǒng)接地點工藝上采用一點接地的方法。 由于采用了多種有效的抗干擾設計，設備運行時設有發(fā)現(xiàn)計算機出錯，死機及由于電氣干擾影響的精度誤差。 第5章 小結 畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學的基礎理論，基本知識和基本技能，分析解決實際問題能力的一個重要環(huán)節(jié)。它與其它教學環(huán)節(jié)彼此配合，相輔相成，在某種程度上是前面各個教育環(huán)節(jié)的繼續(xù)，深化和檢驗。它的實踐性和綜合性是其它環(huán)節(jié)所不能取代的。通過本次設計，使我對家用電器安全性能的指標的測試和單片機的實際應用有了更深的認識。 畢業(yè)設計或許對我們來說是個非常令人頭疼的事，但不可否認，我們也從中受益非淺。在此期間我一邊查資料，一邊做設計，一邊去問老師，就這樣我靠自己的能力去做了。也許這就是對我們畢業(yè)的一次考驗。一方面檢驗我學的情況和應用所學課程的能力。另一方面我可利用畢業(yè)設計的空余時間，充實自己以適應社會的需求。 在這次設計中我遇到了很多的疑難問題，比如說在對家用電器安全性能測試的理解上面，因為我是第一次接觸這個概念，真的猶如天書一般，更何況還要自己設計安全測試的原理圖，那真的是難上加難，什么泄漏電流一點都不懂的，但是我并沒有對此而放棄，最后，我花了大量的時間，去圖書館和網(wǎng)上查資料，多去問指導老師，經(jīng)過自己的不懈努力，終于慢慢的有些懂了，問題也慢慢的解決了。最后借鑒自己所查的資料結合自己的設計思想，完成本次設計。 通過本次設計，我還對單片機的應用有了更深的了解，單片機的應用的意義不僅在于它的廣闊范圍及所帶來的經(jīng)濟效益。更重要的意義在于，單片機的應用從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。以前采用電路實現(xiàn)的大部分控制功能，正在用單片機通過軟件方法來實現(xiàn)。 現(xiàn)在，我深深體會到只有不斷地學習、充實自己，才能適應這個社會，才能在工作中得到收獲與進步。自己今后的路還很長，但是我會努力。 第6章 致謝 七周的畢業(yè)設計就接近尾聲了，在我完成整個畢業(yè)設計的過程中遇到了無數(shù)的難題，我首先要感謝我的導師楊其俊老師，感謝楊老師這幾個星期對我的悉心指導和教誨，每次遇到難題楊老師都不辭辛苦的為我解答，直到我完全明白為止。在這七周多來的日子里，在楊老師的悉心指導下，我從一開始的無從下手到構思設計，再到現(xiàn)在的論文成型，沒有楊老師對我的耐心幫助和精心指導，我不可能順利的完成畢業(yè)設計 參 考 文 獻(References) 1． 楊建寧等：《模擬電子技術》，東南大學出版社，2006年2月。P12-P16頁 2． 張紀成等：《電子與電路技術》，電子工業(yè)出版社，2002年8月。P22-P31頁 3． 電子工程手冊編委會、集成電路手冊分編委會，《中外集成電路簡明速查手冊TTL、COMS電路》，電子工業(yè)出版社，1991年7月。P28頁 4． 王福瑞等：《單片機測控系統(tǒng)設計大全》，；北京航空航天大學出版社，1999年8月。P16頁 5． 張迎新：《單片微型計算機原理、應用及接口技術》，國防工業(yè)出版社，1996年8月。P45頁 6． 李朝青《單片機原理及接口技術》，北京航空航天大學出版社，1999年8月。P24頁 7． 王幸tudiv Vser Guide.ATMEL Corporation Version4.07 Dedugging Tool for the AVR family Build240. 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