基于C8051F單片機的紅外軸溫探測器零點(diǎn)校正技術(shù)
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摘要： 運用Silicon Laboratories公司的 C8051F007單片機和Analog Device公司的AD620克服紅外信號采集系統的零點(diǎn)漂移問(wèn)題，詳細敘述了設計原理，介紹了軟硬件實(shí)現方案。
引言
在數據采集系統中，前級放大器的零點(diǎn)漂移是探測誤差的主要來(lái)源，特別是在環(huán)境惡劣的條件下。例如，用于鐵路軸溫檢測的紅外探頭，要在環(huán)境溫度—40℃至+55℃的范圍內可靠的工作，其零點(diǎn)的溫漂范圍很大，是很難采用簡(jiǎn)單的軟件修正和硬件補償技術(shù)完全解決的。本文介紹利用C8051F007單片機，在進(jìn)行溫度數據采集和處理的同時(shí)，通過(guò)片上DAC對前級放大器進(jìn)行零點(diǎn)自動(dòng)調整，采用“軟硬兼施”的閉環(huán)調整方法，補償了系統的零點(diǎn)漂移。
根據本課題的特點(diǎn)，由于環(huán)境溫度變化的速度十分緩慢，當采集時(shí)間相對環(huán)境溫度變化較短時(shí)，可以認為在采集過(guò)程中零點(diǎn)的漂移量是相對固定的。那么，當傳感器差動(dòng)放大器的輸入端上產(chǎn)生零點(diǎn)漂移時(shí)，我們可以在非數據采集時(shí)間內動(dòng)態(tài)地調整放大器的輸出參考點(diǎn)，抵消掉零點(diǎn)漂移帶來(lái)的影響。
此種方法同樣可用于其它傳感器零點(diǎn)漂移范圍較大、信號變化較慢的情況。
零點(diǎn)誤差的產(chǎn)生
傳感器輸出電壓VS由零點(diǎn)電壓VZ和信號電壓VR組成，
VS=VZ+VR
VR是與被測量物理量直接相關(guān)的電壓，要通過(guò)ADC轉換成數字量。VZ是零點(diǎn)電位，從長(cháng)時(shí)間來(lái)看，VZ往往是隨環(huán)境溫度緩慢變化的，但在較短的采集時(shí)間內，也可以近似看作不變。
為了只將VR進(jìn)行放大采集，我們將另行提供一個(gè)補償電壓VN，并且使VN=VZ，將VS和VN輸入到一個(gè)差模放大器的兩輸入端。設放大器的增益為G，則放大器輸出為(VZ+VR-VN)G。如果VN=VZ，則輸出為VRG，直接得到我們需要的電壓。但實(shí)際中，VZ會(huì )隨時(shí)間緩慢變化，我們無(wú)法時(shí)刻做到VN=VZ。而一旦VN≠VZ，輸出就會(huì )產(chǎn)生零點(diǎn)誤差(VZ-VN)G，尤其是在G很大的時(shí)候，誤差會(huì )十分明顯。
根據探測現場(chǎng)的實(shí)際情況，平時(shí)無(wú)列車(chē)通過(guò)，探頭暫停采集的時(shí)候，我們可以利用ADC不停地捕捉零點(diǎn)漂移，并通過(guò)DAC輸出補償電壓VN，隨時(shí)去掉零點(diǎn)誤差。而當列車(chē)通過(guò)探頭的時(shí)間內，單片機停止校正并鎖存DAC調零輸出，探頭以此刻DAC調整的輸出狀態(tài)作為探測零點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行工作。
主要器件介紹
儀表放大器AD620
儀表放大器是一個(gè)雙端輸入的差動(dòng)放大器，除了高精度，高穩定性的特點(diǎn)外，其輸出零點(diǎn)參考電壓可以通過(guò)REF管腳的電壓任意設置，這就為我們調整零漂提供了可能。
AD620的輸入端有著(zhù)高達109Ω的輸入阻抗；輸入失調電壓30uV，輸出失調電壓400uV。輸入偏置電流很低，通常在0.5nA最高不超過(guò)2nA；增益為100時(shí)，增益誤差0.15%；增益100時(shí)的共模抑制比高達130dB；輸入噪聲
，輸出噪聲
。除此以外，AD620的溫度穩定性也十分優(yōu)異：增益大于1時(shí)，增益的溫度系數為-50ppm，輸入失調電壓和輸出失調電壓的平均溫度系數分別為0.3uV/℃和5.0uV/℃。
與通用運放不同的是，通用運放大多用連接在輸入與輸出間的外部電阻控制自身閉環(huán)增益，而儀表放大器采用內部反饋網(wǎng)絡(luò )，它的增益控制電阻是不與輸入、輸出端連接在一起的，有專(zhuān)門(mén)用來(lái)連接增益設置電阻的引腳。AD620通過(guò)接在1、8腳之間的電阻來(lái)設置增益大小，增益G與增益設置電阻之間的關(guān)系如公式1。
(1)
一般通用運放的輸出都是對地輸出，而儀表放大器的輸出是相對于放大器的輸出參考引腳電位的。通過(guò)在輸出參考引腳施加不同的電壓可以設置對地輸出電壓的輸出零點(diǎn)。儀表放大器的對地輸出電壓公式如公式2。
VO=G(V+ -V- )+VREF (2)
C8051F007單片機
本設計方案需要用到高速MCU和高精度ADC、DAC，Silicon Laboratories公司的高性能單片機C8051F007正好滿(mǎn)足這一需要。該單片機集成了8051內核，但時(shí)鐘頻率更高，處理能力更強。片上集成8通道12位ADC和2個(gè)12位DAC，除了完成采集和處理任務(wù)之外，還有足夠的模擬部件進(jìn)行零漂調整。比用分離元件既提高了可靠性，又簡(jiǎn)化了電路，也降低了成本。
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