工业标准信号产生与测量仪表设计

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这篇论文介绍了工业信号的产生与测量原理,主要研究了基于TI公司MSP430F42x的工业信号的产生与测量仪表的设计。工业信号的产生与测量仪表在生产过程系统中是非常重要的检测仪表,可模拟输出多种工业控制过程测控中所需的检测信号,同时也可测量这些工业控制过程中产生的信号,其大量用于工业仪表的现场调校。


本设计的特点是保证测量精度的情况下使低功耗更低,成本更低。在信号测量部分,16位ADC保证了测量精度;在信号输出部分,电压信号和电流信号采用PWM方式产生。本设计由两片MSP430F系列MCU组成,MSP430F425实现电压和电流信号的测量,而MSP430F449实现电压和电流信号的输出及频率信号的测量与输出。


1 工业标准信号的采集


该仪表中的信号测量部分采用MSP430F425实现,该单片机功耗非常低,电源电流400μA;待机模式的电源电流为1.6μA。该单片机采用16位精简指令结构(RSIC),具有125ns指令周期;可以安装低频32k或8M高频晶体。具有3路16位Sigma-Delta方式的ADC、直接驱动128段液晶显示器的驱动模块、1个RS232C/SPI通信口、1个具有捕获/比较功能的16位定时器,以及16k程序闪速存储器和2k随机存储器。


(1)测量部分


该仪表的测量部分如图1所示。三路ADC分别测量电流、电压和输出端反馈的电流、电压信号。


该仪表采用16位ADC测量4~24mA的电流信号,电流信号首先转换成小于VREF=1.2V的电压信号,然后连接到ADC的差动输入端,采用50Ω电阻,则24mA时产生1.2V的差动电压。

 

 


该仪表采用16位ADC测量0~10V的电压信号,为使输入阻抗大于10MΩ,使用了OP27运放组成了仪表放大器的输入结构,同时还使用差动输出结构的运放THS4130连接ADC的差动输入端。这样THS4130输出信号为VOD=(RF/RG)*(1+2R2/R1)*VI,在满量程为10V时,选择R1=R2=1kΩ RC=30kΩ,RF=1k,则最大VOD=1.0V;在满量程为1.0V时,选择R1=R2=1kΩ,RG=30kΩ,RF=10k,则最大VOD=1.0V,量程由开关S1选择。为满足ADC的需求,将VCM端与VREF相连,使输出电压偏移+1.2V。


该仪表采用一路16位ADC测量该仪表的输出电压或电流,对输出信号进行校正,使输出电压和电流的误差更小。


ADC时钟选择MCLK,采用锁相环使频率稳定到1.048MHz,采样率为4096,定时3路连续转换,32个转换结果相加取平均值。


测量部分的单片机采用SPI接口顺序输出3路ADC的数据到数据处理与显示部分。

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