動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)測量電路設(shè)計(jì)

1、 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)測量電路設(shè)計(jì) 蘇志偉 物理與電子信息學(xué)院 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)：070544038 指導(dǎo)教師：周濤 摘 要：隨著動(dòng)平衡和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)速越來越高，轉(zhuǎn)子動(dòng) 平衡問題在生產(chǎn)實(shí)踐中顯得越來越重要，動(dòng)平衡機(jī) 是進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)和校正 的設(shè) 備。測量系統(tǒng)是平衡機(jī)的重要環(huán)節(jié)，隨著數(shù)字信號(hào)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的高速發(fā)展， 平衡機(jī)測量系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展。而國產(chǎn)動(dòng)平衡機(jī)測量系統(tǒng)水平落后。本課題研究 了新型高精度測量系統(tǒng) 。本文首先分析了轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的原理，主 要研究了基于 c8051f020 的振動(dòng)信號(hào)測量系統(tǒng)。采用壓電傳感器作為振動(dòng)測量元件， 設(shè)計(jì)了電荷放大

2、器、由兩個(gè)程控增益放大器 ad603 組成的可調(diào)增益放大電路、自動(dòng)跟 蹤帶通慮波器、c8051f020 主控制器接口電路等硬件電路。采用光電傳感器作為獲取 基準(zhǔn)信號(hào)的測量元件，設(shè)計(jì)了整形放大電路、鎖相倍頻電路等硬件電路。用 c8051f020 的 12 位 adc0 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。該測量系統(tǒng)具有較高精度、較強(qiáng)的抗干擾 能力、測量范圍寬、通用性較好等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：動(dòng)平衡機(jī)；測量系統(tǒng)；單片機(jī)；帶通濾波器 measurement circuits for dynamic balancing machines vibration signals su zhi-wei college of physi

3、cs and electronic information electrical engineering and automation no:070544038 tutor:zhou tao abstract: with the development of indeustry and technoloy, the rotatng speed of many rotaing had geratly increased. rotor balancing become very important in manufacture. the dynamic balancing machines is

4、the equipment which test and emendates the dynamic unbalancing.the measurement system is one of the most important parts of the balancing machine.withthe development of digital signals processing and computer technology,the measurement systems have developed in great pace. but the measurement system

5、s for dynamic balancing manchine in china lag behind the advanced ones in devloped countries.a new high precision meaurement system has been finished in this design. first，this paper analyses the principle of the rotor dynamic balancing machines vibration signal.the vibration signal measuring based

6、on c8051f020 has been main researched.system hardware circuits are designed,which include charge amplifier,programmable gain instrumentation amplifier constituted by two ad603 spc gain amplifiers, auto-tracking central frequency of vibration signals, c8051f020 host controller interface circuit and o

7、ther hardware circuit.this paper adopts photoelectric sensor as obtain the measuring element, the benchmark signals a plastic magnifying circuit design, phase-locked frequency multiplication circuit and other hardware circuit. furthermore,the paper controls a complete cycle sampling of signals throu

8、gh 12-bit adc0 in the c9051f020. the system has much advantages such as the higher precision and reliability,the wide testing range and great applicability etc. key words: dynamic balancing machines; measurment system; singlechip microcomputer; bandpass filter 目目 錄錄 摘要 .1 1 課題背景及意義 .4 1.1 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)測量的意

9、義與課題背景.4 1.2 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的原理.5 2 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)測量系統(tǒng)方案 .6 2.1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu).6 2.2 振動(dòng)信號(hào)處理電路方案.7 2.3 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路方案.8 2.4 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成.9 2.4.1 傳感器種類與選擇 .9 2.4.2 壓電式壓力傳感器的工作原理與選用.9 2.4.3 微處理器的選取 .10 3 振動(dòng)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) .12 3.1 振動(dòng)信號(hào)的電荷放大電路設(shè)計(jì) .12 3.2 程控增益放大電路.13 3.2.1 程控增益放大器 .13 3.2.2 程控增益放大電路設(shè)計(jì) .15 3.3 跟蹤帶通濾波電路設(shè)計(jì) .15 3.4 傳感器輸出信號(hào)處理電

10、路設(shè)計(jì).18 4 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) .19 4.1 基準(zhǔn)信號(hào)的整形處理.19 4.2 基準(zhǔn)信號(hào)鎖相倍頻電路設(shè)計(jì).21 4.2.1 鎖相倍頻的工作原理 .21 4.2.2 鎖相倍頻電路設(shè)計(jì) .22 4.3 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì).24 5 總結(jié)與展望 .24 參考文獻(xiàn) .25 1 課題背景及意義 1.1 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)測量的意義與課題背景 在造成旋轉(zhuǎn)機(jī)械異常狀態(tài)的各種原因中，失衡所占的比重是最多的，一般情況下 約占 30%,高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械所占的比重更大。所以，正確校正失衡是一項(xiàng)非常重要的實(shí)用 技術(shù)。而轉(zhuǎn)子的不平衡是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的主要激振源，也是多種自激振動(dòng)的觸發(fā)因素。不 平衡會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞曲和內(nèi)應(yīng)力，使

11、機(jī)器產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，加速軸承等零件的磨損，降 低機(jī)器的工作效率，有時(shí)甚至?xí)鸶鞣N嚴(yán)重的事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于不平衡原因而引 起的振動(dòng)故障約占機(jī)器總故障 24%。對于高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械，由于不平衡原因引起的振 動(dòng)十分顯著。消除或減小機(jī)器振動(dòng)首先考慮是對轉(zhuǎn)子進(jìn)行平衡。消除或減小機(jī)器旋轉(zhuǎn) 零部件因失衡而引起的不平衡慣性力，使機(jī)器的振動(dòng)限制在容許的范圍內(nèi)。動(dòng)平衡機(jī) 是教學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程測試中的重要設(shè)備，它專用于對轉(zhuǎn)子不平衡的測試，能夠比較準(zhǔn)確 迅速地測出工件的不平衡量大小和該不平衡量在工件上的角度位置。旋轉(zhuǎn)機(jī)械是電力、 石油化工、交通、冶金、機(jī)械、航空以及一些軍事部門的關(guān)鍵設(shè)備。隨著現(xiàn)代工業(yè)和 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以

12、及自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提高，旋轉(zhuǎn)機(jī)械正朝著大型化、高速化、連 續(xù)化、集中化、自動(dòng)化方向發(fā)展，生產(chǎn)系統(tǒng)中各設(shè)備的聯(lián)系越來越緊密，由于各種因 素的影響，這些機(jī)械難免會(huì)出現(xiàn)一些故障現(xiàn)象，而且機(jī)組一旦出現(xiàn)故障就可能引起連 鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備甚至整個(gè)生產(chǎn)過程無法正常工作，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至 還會(huì)引起嚴(yán)重的災(zāi)難性人員傷亡事故，這主要是轉(zhuǎn)子的不平衡引起的。根據(jù)動(dòng)平衡機(jī) 測出的數(shù)據(jù)對轉(zhuǎn)子的不平衡量進(jìn)行校正，可改善轉(zhuǎn)子相對于軸線的質(zhì)量分布，使轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)或作用于軸承上的振動(dòng)力減少到允許的范圍之內(nèi)。動(dòng)平衡機(jī)是減小 振動(dòng)、改善性能和提高質(zhì)量的必不可少的設(shè)備。因此，展開振動(dòng)及動(dòng)平衡的研究具有 重要的意

13、義。 動(dòng)平衡機(jī)的出現(xiàn)已有 1 0 0 多年的歷史，直到 2 0 世紀(jì) 4 0 年代，幾乎所有的平衡 工序都在純機(jī)械式的平衡設(shè)備上進(jìn)行，而電子技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了平衡技術(shù)的變革。到 了 5 0 年代，在剛性轉(zhuǎn)子平衡理論基礎(chǔ)完善的同時(shí)，9 0 %以上的平衡設(shè)備都利用了電 子測量技術(shù)。如今在電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，使動(dòng)平衡的研究更 加深入。因此開發(fā)計(jì)算機(jī)輔助測量系統(tǒng)，能以較低的成本取得較好的測量效果。 傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)主要是采用矢量瓦特表式平衡機(jī)和振動(dòng)幅相測量儀加專用的計(jì)算 機(jī)。不僅測試系統(tǒng)復(fù)雜，而且測量精度低，工作效率可想而知。之后，國內(nèi)外研制出 了一些微機(jī)控制的動(dòng)平衡測試裝置，如西德申

14、克公司、勞特林格公司在 90 年代初生產(chǎn) 的微機(jī)平衡裝置，國內(nèi)鄭州機(jī)械研究所研制出的 apple ii 微機(jī)輔助平衡系統(tǒng)和清 華大學(xué)研制的單板機(jī)控制的動(dòng)平衡測試儀。目前，由于具有體積小、功能強(qiáng)、用途廣、 使用靈活、價(jià)格便宜、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)的單片機(jī)的應(yīng)用，使得廣大工程技術(shù)人員具有 了現(xiàn)代化的技術(shù)革新的強(qiáng)有力的武器。尤其在測控系統(tǒng)中，物美價(jià)廉的單片機(jī)再加上 高集成度的外圍芯片使得振動(dòng)測試與動(dòng)平衡系統(tǒng)向小型化、智能化、精密化發(fā)展。國 內(nèi)外相繼出現(xiàn)了這樣的系統(tǒng)，如著名的美國恩泰克公司推出的便攜式系統(tǒng)，功能齊全， 但價(jià)格昂貴；國內(nèi)的系統(tǒng)相對國外來說功能單一，人機(jī)交互性不夠好，不利于人們操 作?？偟膩碚f，

15、工業(yè)生產(chǎn)的需要和電子技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是以計(jì)算機(jī)控制 代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬。 1.2 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的原理 動(dòng)平衡機(jī)有硬支撐和軟支撐之分。軟支撐是指轉(zhuǎn)子的支撐系統(tǒng)的固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低 于平衡轉(zhuǎn)速，這種平衡機(jī)的支承剛度小，傳感器檢測出的信號(hào)與支承的振動(dòng)位移成正 比。硬支撐則是支撐系統(tǒng)固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平衡轉(zhuǎn)速，這種平衡機(jī)的支承剛度大，傳 感器檢測出的信號(hào)與支承的振動(dòng)力成正比。 通常，轉(zhuǎn)子的平衡包括不平衡量的測量和校正兩個(gè)步驟，平衡機(jī)主要用于不平衡 量的測量，而不平衡量的校正則往往借助于鉆床、銑床和點(diǎn)焊機(jī)等其他輔助設(shè)備，或 用手工方法完成。有些平衡機(jī)已經(jīng)將校正裝置做成為平衡機(jī)的一個(gè)部分。 本系統(tǒng)

16、基于硬支撐動(dòng)平衡機(jī)研究振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的原理。 振動(dòng)信號(hào)是由于不平衡量產(chǎn)生的,曲軸做動(dòng)平衡都選用專用的硬支承動(dòng)平衡機(jī)來進(jìn) fr ul ur pr c pl b c 圖圖 1 轉(zhuǎn)子不平衡示意圖轉(zhuǎn)子不平衡示意圖 fl a 行的。這種平衡機(jī)在計(jì)算不平衡離心力作用在支承上的力時(shí),可不考慮支承剛度的影響,可 由靜力學(xué)平衡方程直接計(jì)算出支承上所受的力與曲軸轉(zhuǎn)子校正平面上不平衡量間的關(guān) 系。根據(jù)靜力學(xué)原理由圖得： pl = fl +1/b( a fl - c fr) pr = fr +1/b( a fl - c fr) 校正平面上不平衡量 ul 和 ur 與支承上動(dòng)載荷力之間的關(guān)系為: ul =1/2 fl +

17、1/b( a fl - c fr) ao ur =1/2 fl +1/b( a fl - c fr) 式中:為實(shí)際使用的最高角速度 rad/s。動(dòng)平衡機(jī)上的曲軸轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí),由于不 平衡離心力的作用產(chǎn)生的動(dòng)載荷,通過安裝在動(dòng)平衡機(jī)“擺架”上的傳感器測出,并由 模擬電路完成 ul 和 ur不平衡量的運(yùn)算,即可測出校正平面上不平衡量的大小1。 2 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)測量系統(tǒng)方案 2.1 測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 測量系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：一部分由壓電傳感器、傳感器輸出信號(hào)處理電路、 單片機(jī)組成。壓電傳感器把振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)傳感器輸出信號(hào)處理電路處理， 送于單片機(jī)獲得不平衡量的大小和相位。另一部分由光電

18、傳感器、基準(zhǔn)信號(hào)處理電路 等組成。光電傳感器測出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào),經(jīng)基準(zhǔn)信號(hào)處理電路處理后,分別送入壓電 傳感器輸出信號(hào)處理電路和 c8051f020 單片機(jī),用于控制跟蹤濾波以及振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速 和振動(dòng)信號(hào)的幅值、相位測量。單片機(jī)再與外圍設(shè)備連接用于顯示結(jié)果。系統(tǒng)主要功 能模塊如圖 2 所示： 圖圖 2 測量系統(tǒng)總體框圖測量系統(tǒng)總體框圖 由于工件（轉(zhuǎn)子）旋轉(zhuǎn)的不平衡所產(chǎn)生的離心力 ,迫使搖擺架振動(dòng)。因搖擺架的 剛度很大,所以振動(dòng)幅度較小,首先通過壓電傳感器將兩支撐處的振動(dòng)反作用力轉(zhuǎn)換為 相應(yīng)的電荷信號(hào),此信號(hào)較微弱,經(jīng)壓電傳感器輸出信號(hào)處理電路進(jìn)行信號(hào)變換、濾波 及調(diào)整后得到與轉(zhuǎn)子同頻率的方波信

19、號(hào),再送給 c8051f020 單片機(jī)，經(jīng)計(jì)算獲得不平衡 量的大小和相位。光電傳感器測出轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信號(hào),經(jīng)基準(zhǔn)信號(hào)處理電路進(jìn)行整形、放 大和鎖相倍頻等處理后,分別送入壓電傳感器輸出信號(hào)處理電路和 c8051f020 單片機(jī), 用于控制跟蹤濾波以及振動(dòng)信號(hào)的轉(zhuǎn)速和振動(dòng)信號(hào)的幅值、相位測量。鍵盤用來控制 動(dòng)平衡儀的運(yùn)行和參數(shù)設(shè)置2。 2.2 振動(dòng)信號(hào)處理電路方案 該電路由電荷放大電路、程控放大電路、跟蹤帶通濾波電路組成。壓電傳感器測 量得到的正弦振動(dòng)信號(hào)含有大量的高次諧波和噪音信號(hào),無法直接利用此信號(hào)進(jìn)行計(jì) 算。為了從很強(qiáng)的干擾信號(hào)中得到有用的基頻信號(hào)(不平衡信號(hào)),一種方法是利用硬 件進(jìn)行跟蹤帶

20、通濾波,另一種方法是用快速傅立葉變換技術(shù),將其時(shí)域采樣到的振動(dòng)信 左壓電傳感器右壓電傳感器 壓電傳感器輸出信號(hào)處理電路 c8051f mcu led 顯示 打印 報(bào)警 鍵盤 光 電 傳 感 器 基準(zhǔn)信號(hào) 處理電路 號(hào),進(jìn)行時(shí)域-頻域變換,進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理來測得其振動(dòng)的幅值和相位。本測量系統(tǒng) 采用硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方法,采用開關(guān)電容有源濾波集成電路組成的四階 帶通濾波器進(jìn)行濾波,轉(zhuǎn)速信號(hào)經(jīng) 256 倍頻后作為濾波器的外部時(shí)鐘,它具有穩(wěn)定性高、 結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)。信號(hào)通過電荷放大電路進(jìn)行信號(hào)放大,然后通過帶通跟蹤濾波電路, 濾去信號(hào)中的高頻干擾成分，程控放大電路等電路處理,再將信號(hào)送入單片機(jī)

21、進(jìn)行軟 件濾波。 傳感 器 輸 出 信 號(hào) 電荷 放大 電 路 跟蹤 帶通 濾波 電 路 程控 放大 電 路 c805f02 0 單片機(jī) 圖圖 3 振動(dòng)信號(hào)處理電路方框圖振動(dòng)信號(hào)處理電路方框圖 2.3 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路方案 光電 信 號(hào) 整形 放大 電 路 鎖相倍頻 電 路 跟蹤帶通濾波 電 路 c8051f020 單片機(jī) 圖圖 4 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路方框圖基準(zhǔn)信號(hào)處理電路方框圖 該電路由整形放大電路、鎖相倍頻電路、跟蹤帶通濾波電路組成。光電傳感器輸 出的微弱信號(hào),經(jīng)過整形放大電路處理，獲得一與輸入信號(hào)同頻的方波信號(hào)。一方面直 接將方波信號(hào)直接送入 c8051f020 單片機(jī)的高速計(jì)數(shù)器輸入端

22、p1.0,用于測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn) 速。另一方面,方波信號(hào)經(jīng)鎖相器和計(jì)數(shù)器組成的鎖相倍頻電路處理,將其 256 倍頻以 后作為自動(dòng)跟蹤帶通濾波器的外部時(shí)鐘,經(jīng)檢測完成波形變換,將振動(dòng)信號(hào)變換成方波, 得到振動(dòng)信號(hào)的相位點(diǎn)3。 2.4 系統(tǒng)的硬件構(gòu)成 2.4.1 傳感器種類與選擇 本系統(tǒng)測振動(dòng)信號(hào)時(shí)采用壓電式力傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是無需外界供電，自振頻率 很高而且頻率帶寬，體積小，重量輕，適于動(dòng)態(tài)測量；經(jīng)與電荷放大器配套，克服了 低頻響應(yīng)差的缺點(diǎn)，使用要求較高。測基準(zhǔn)信號(hào)時(shí)用光電傳感器，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：1.檢 測距離長 2.對檢測物體的限制少 3.響應(yīng)時(shí)間短 4.分辨率高 5.可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測 6.可實(shí)現(xiàn)

23、顏色判別 7.便于調(diào)整 2.4.2 壓電式壓力傳感器的工作原理 與選用 基于壓電效應(yīng)的壓力傳感器。它的種類和型號(hào)繁多，按彈性敏感元件和受力機(jī) 構(gòu)的形式可分為膜片式和活塞式兩類。膜片式主要由本體、膜片和壓電元件組成 （見圖 5） 。壓電元件支撐于本體上，由膜片將被測壓力傳遞給壓電元件，再由壓電 元件輸出與被測壓力成一定關(guān)系的電信號(hào)。這種傳感器的特點(diǎn)是體積小、動(dòng)態(tài)特性 好、耐高溫等?，F(xiàn)代測量技術(shù)對傳感器的性能出越來越高的要求。壓電式力傳感器 晶體片兩面所帶的電荷大小相等、極性相反，由于晶體片的絕緣電阻很高，因而壓 電晶體片相當(dāng)于一個(gè)電容，可表示為 ： ca=s/ / 式中： 壓電晶體的介電常數(shù) ;

24、 s 晶體片構(gòu)成極板的面積 ; 晶體片的厚度。 電容器上電荷、電壓與電容之間的關(guān)系為ua=q/ca 圖圖 5 壓電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖壓電傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 壓電式壓力傳感器靈敏度較高，工作作頻率范圍較寬，并且體積小，重量相對較 輕，主要用于動(dòng)平衡時(shí)的不平衡量檢測。在使用壓電傳感器時(shí)，它是與測量儀器配合 一起使用的，此時(shí)必須考慮連接電纜電容、放大器的輸入電容和輸入電阻，在加上 傳感器本身的電容和泄露電阻絕緣電阻 )，可得壓電式力傳感器的完整等效電路 (如圖 6)4。 電荷源 電壓源 圖圖 6 壓電傳感器等效電路圖壓電傳感器等效電路圖 選用成都亦洛自動(dòng)化工程有限公司的壓電力傳感器 001d 型壓電式壓

25、力傳感器產(chǎn)品參數(shù)如表 1： 表表 1 001d001d 型壓電式壓力傳感器產(chǎn)品參數(shù)型壓電式壓力傳感器產(chǎn)品參數(shù) 光電傳感器選用 : 光電傳感器/對射型光電開關(guān)：型號(hào):e18-5na、e18-5nb，結(jié)構(gòu)類型：放大器分離 型，檢測方式:對射式，電源電壓：dc：6-36（v） ，輸出方式：npn，使用環(huán)境溫度；- 10-70（） 用途:產(chǎn)品適用于機(jī)床限位、檢測、計(jì)數(shù)、測速、液面信號(hào)、自動(dòng)流水線定位發(fā)訊 號(hào)等多種控制。 2.4.3 微處理器的選取 測量范圍：02.5，06（mpa）加速度靈敏度：210-5（mpa/g 工作溫度：-2580（）靈敏度溫度子數(shù)：0.04（%/） 靈敏度：2000，800（

26、pc/mpa）上升時(shí)間：2（s） 非線性：0.5（%）固有頻率：200（khz） qcacccirariq ca cccirari 測試系統(tǒng)的核心部分是微處理器。微處理器的選取很關(guān)鍵，其性能的好壞直接影 響到系統(tǒng)性能好壞，因此在選取動(dòng)平衡測試系統(tǒng)的處理器時(shí)，主要考慮到以下兩個(gè)要 求： (l) 對微處理器速度的要求： 在動(dòng)平衡測試系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的頻率將達(dá)到 60hz，并且要求在轉(zhuǎn)子一個(gè)旋轉(zhuǎn)周 期內(nèi)，微處理器要完成對至少 32 個(gè)以上采集點(diǎn)的計(jì)算，并利用 dft 算法計(jì)算出不平衡 信號(hào)的振幅及其相位。同時(shí)為了保證采集數(shù)據(jù)的可靠性和精確性，減少噪聲干擾，還 要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字濾波運(yùn)算。為了使這

27、些操作能正常的進(jìn)行，要求選取的微處 理器必須有足夠的運(yùn)算能力。 （2）對微處理器集成資源的要求： 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，希望選取的微處理器芯片可以集成盡可能多的資源。原因一 是可以降低系統(tǒng)硬件復(fù)雜度:以往的動(dòng)平衡測試系統(tǒng)往往要選用一塊單獨(dú)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯 片，這樣做將會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高設(shè)計(jì)成本。如果選用集成度高的微處理器芯 片，就可以減少外圍元件數(shù)量，從而減小硬件設(shè)計(jì)板的尺寸，在設(shè)計(jì)過程中，pcb 布線 也會(huì)更加容易、方便一些。二是減少外界對系統(tǒng)的干擾：由于動(dòng)平衡測試系統(tǒng)工作在 各種干擾比較大的場所，將盡可能多的資源集成到一塊微處理芯片中，可以有效的減 小干擾的影響。三是微處理器為集成的資源提供

28、了便利的操作，在軟件設(shè)計(jì)中，編程 也更加方便簡單了。 根據(jù)上述兩點(diǎn)要求，設(shè)計(jì)選取了 c805if020 微處理器作為系統(tǒng)的核心。與傳統(tǒng)的 c51 系列單片機(jī)相比，c805lf 系列單片機(jī)具了很多優(yōu)勢之處，下面將介紹該芯片的主 要優(yōu)點(diǎn)及特點(diǎn):該芯片是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí) mcu 芯片，有一個(gè)真正的 12 位多 通道 adc，器件內(nèi)部有一個(gè)可編程增益放大器，兩個(gè) 12 位 dac、兩個(gè)電壓比較器、一 個(gè)電壓基準(zhǔn)、一個(gè)具有 32kb 的 flash 存儲(chǔ)器并且與 8051 兼容的微控制器內(nèi)核。還有 硬件實(shí)現(xiàn)的 12c/smbus、uart、spi 串行接口及一個(gè)具有 5 個(gè)捕捉/比較模塊的可編程

29、 計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(pca)。還有 4 個(gè)通用的 16 位定時(shí)器和 4 字節(jié)寬的通用數(shù)字 i/o 端 口。內(nèi)部有 2304 字節(jié)的 ram，執(zhí)行速度可達(dá)到 25mpis。它是一個(gè)真正能獨(dú)立工作的片 上系統(tǒng)，還具有片內(nèi) vdd 監(jiān)視器，wdt 和時(shí)鐘振蕩器。c8051fo20 能有效的管理模擬和 數(shù)字外設(shè)。片內(nèi) 32kb 的 flash 存儲(chǔ)器具有在系統(tǒng)重新編程能力，可以用于非易失性數(shù) 據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場更新 8051 固件。片內(nèi) jiag 調(diào)試功能允許安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上 的產(chǎn)品微處理器進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支 持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、觀察

30、點(diǎn)、單步及運(yùn)行和停機(jī)命令5。 圖圖 7 c8051fc8051f 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3 振動(dòng)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 3.1 振動(dòng)信號(hào)的電荷放大電路設(shè)計(jì) 電荷放大器是一個(gè)具有深度負(fù)反饋的高增益放大器。若放大器的開環(huán)增益足夠大， 并且放大器的輸入阻抗很高，則放大器輸入端幾乎沒有分流，運(yùn)算電流僅流入反饋回 路。選用 lmc 集成運(yùn)放構(gòu)成電荷放大器。選用寬帶寬、高頻響的 lmc660 集成運(yùn)放構(gòu)成 電荷放大器。lmc660 為四路運(yùn)算放大器，單電源供電。其引腳圖如圖 8 所示: 圖圖 8 lmc660lmc660 引腳圖引腳圖 c1 0.2f r1 20m +2.25v 2 3 1 411 lmc660

31、 a1 +5v 傳傳傳傳傳傳傳 傳傳傳傳傳傳 圖圖 9 電荷放大電路圖電荷放大電路圖 為保證調(diào)理電路具有較好的放大、選頻濾波特性。選用寬帶寬、 高頻響的 lmc66 0 集成運(yùn)放。它具有如下特點(diǎn):單電源供電降低了電源成本而且具有較高的帶寬和較大 的輸入阻抗。另外, lmc660 為軌對軌輸出,其輸入偏置電壓、溫漂、寬帶噪聲抑制等均 優(yōu)于同類雙電源供電的集成運(yùn)放可以抑制電路的零漂及其受環(huán)境因素的影響, 有利于 保證動(dòng)平衡測量系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。 3.2 程控增益放大電路 3.2.1 程控增益放大器 圖圖 10 ad603ad603 的簡化原理框圖的簡化原理框圖 ad603 的簡化原理框圖如圖 10

32、 所示，它由精密無源輸入衰減器、增益控制部分和 固定增益放大器三部分組成。工作原理：圖中加在梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端(vinp) 的信號(hào)經(jīng)衰 減后,由固定增益放大器輸出,衰減量是由加在增益控制接口的電壓決定。增益的調(diào)整 與其自身電壓值無關(guān), 而僅與其差值 vg（vgpos-vgeng）有關(guān), 由于控制電壓 gpos/geng 端的輸入電阻高達(dá) 50m ,因而輸入電流很小, 致使片內(nèi)控制電路對提供增 益控制電壓的外電路影響減小。以上特點(diǎn)很適合構(gòu)成程控增益放大器。圖 10 中的“滑 動(dòng)臂”從左到右是可以連續(xù)移動(dòng)的。當(dāng) vout 和 fdbk 兩管腳的連接不同時(shí), 其放大器 的增益范圍也不一樣。 ad603的

33、基本增益可以用下式算出： gain (db) = 40 vg + 10 其中，vg（vgpos-vgeng）是差分輸入電壓,單位是 v，gain 是 ad603 的基本增益,單位 是 db6。 在 ad603 的應(yīng)用中要注意以下幾點(diǎn): (1) 供電電壓一般應(yīng)選為5v ,最大不得超過7.5v 。 (2) 在5v 供電情況下,加在輸入端 vinp 的額定電壓有效值應(yīng)為 1v ,峰值為 1.4v ,最大不得超過2v 。如要擴(kuò)大測量范圍,應(yīng)在 ad603 的前面加一級(jí)衰減。這 樣可使輸出電壓峰值的典型值達(dá)到3.0v 。 (3) 電壓控制端所加的電壓必須非常穩(wěn)定,否則將造成增益的不穩(wěn)定,從而增加放大 信

34、號(hào)的噪聲。 (4) 信號(hào)地必須直接連在放大器的腳 4 ,否則將由于阻抗低。 圖圖 11 ad603 引腳圖引腳圖 ad603 管腳功能描述： 1 增益控制輸入“高”電壓端（正電壓控制） ； 2 增益控制輸入端“低”電壓端（負(fù)電壓控制） ； 3 運(yùn)放輸入；4 運(yùn)放公共端；5 反饋端； 6 負(fù)電源輸入；7 運(yùn)放輸出；8 正電源輸入 3.2.2 程控增益放大電路設(shè)計(jì) c4 1nf c7 22f c5 100f c6 0.01f 1 2 3 4 5 6 7 8 ad603 ad603 1 2 3 4 5 6 7 8 ad603 ad603 r7 890 r6 890 +5v+5v +1.5v+1.5v

35、 傳傳傳傳 a/d傳傳傳傳 dac0 圖圖 12 程控增益放大電路圖程控增益放大電路圖 ad603 是一款 8 個(gè)引腳的高增益、帶寬可調(diào)放大器。但是如果只用一個(gè) ad603 的話， 其帶載能力差，而且增益調(diào)節(jié)范圍有限。因此采用兩個(gè) ad603 級(jí)聯(lián)，其中第一級(jí)放大 器以低放大倍數(shù)保證帶寬，第二級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)高增益放大。中間加上濾波電容， 防止高頻噪聲干擾。 3.3 跟蹤帶通濾波電路設(shè)計(jì) 帶通濾波器是一個(gè)允許特定頻段的波通過同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備。比如 rlc 振 蕩回路就是一個(gè)模擬帶通濾波器。帶通濾波器有有源和無源兩種，無源濾波器通常是 用電阻、電容、電感這些無源器件構(gòu)成的，而有源濾波器常包

36、含運(yùn)放等要接外部電源 才能工作的器件。通常有源濾波的效果較好。本系統(tǒng)采用有源濾波電路，由于含有高 頻分量, 要得到有用信號(hào),必須把它們?yōu)V除。另外, 由于有用信號(hào)的頻率較低( 10hz) ,為 避免直流信號(hào)的影響,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了如圖 14 所示帶通濾波電路。 表表 2 mf10ccnmf10ccn 引腳功能說明引腳功能說明 引腳號(hào)符號(hào)引腳介紹引腳號(hào)符號(hào)引腳介紹 1 lpa 低通輸出 a11 clkb 時(shí)鐘輸入 b 2 bpa 帶通輸出 a12 50/1 00/c l 50/100 倍頻控制邏輯 3 n/ap/hpa 帶阻/全通/高通 輸出 a 13 vd- 數(shù)字負(fù)電源 4 inva 信號(hào)輸入 a1

37、4 va- 模擬負(fù)電源 5 s1a 求和輸入 a15 agnd 模擬地 6 sa/b 作用開關(guān)16 s1b 求和輸入 b 7 va+ 模擬正電源17 invb 信號(hào)輸入 b 8 vd+ 數(shù)字電源18 n/ap /hpb 帶阻/全通/高通輸入 b 9 lsh 電平移位調(diào)整19 bpb 帶通輸出 b 10 clka 時(shí)鐘輸入 a20 lpb 低通 b 圖圖 1313 mf10ccnmf10ccn 引腳圖引腳圖 mf10ccn 為 mos 開關(guān)電容有源濾波器，它由 2 個(gè)獨(dú)立的濾波器模塊組成。這 2 個(gè)濾波器模塊可以單獨(dú)使用，構(gòu)成一個(gè)一階或二階的濾波器電路；這 2 個(gè)模塊也可級(jí) 聯(lián)構(gòu)成四階濾波器電路

38、。mf10ccn 集帶通，全通，高通，低通，帶阻 5 種濾波器于一 體，它對外部的唯一要求是濾波器所需的電阻。 100k 10k 10k 100k +5v lpa 1 bpa 2 hpa 3 inv a 4 v d+ 8 v a+ 7 sa/b 6 clka 10 clkb 11 lpb 20 bpb 19 hpb 18 inv b 17 sia 5 sib 16 agnd 15 lsh 9 50/100 12 v d- 13 v a- 14 mf10ccn 100k 100k -5v fclk 傳傳傳 傳傳傳 傳傳傳 傳傳傳 圖圖 1414 跟蹤帶通濾波電路圖跟蹤帶通濾波電路圖 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡測

39、量系統(tǒng)工作在復(fù)雜的工況環(huán)境中，現(xiàn)場可能存在多種成份的信號(hào)源 （包括周期性的和非周期性的信號(hào)）。而不平衡振動(dòng)特征頻率成份為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，為濾 除環(huán)境干擾，精確地獲得不平衡振動(dòng)信號(hào)的幅值與相位，必須濾除非周期或周期性的 干擾信號(hào)。因此，轉(zhuǎn)子不平衡振動(dòng)信號(hào)在經(jīng)過放大處理后，還需要進(jìn)行以轉(zhuǎn)頻為中心 頻率的帶通濾波處理。本動(dòng)平衡測量系統(tǒng)能夠?qū)^寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)平 衡測試。在不同的轉(zhuǎn)速條件下，濾波電路的中心頻率是變化的，因此，必須讓濾波電 路的中心頻率跟隨轉(zhuǎn)頻的變化而變化，濾除干擾信號(hào)，保留不平衡振動(dòng)信號(hào)。本系統(tǒng) 采用 mf10ccn 設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率自適應(yīng)跟蹤濾波電路如圖 14。 3.4 傳感

40、器輸出信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) c1 0.2fc4 1nf c7 22f c5 100f c6 0.01f 100k r1 20m 10k 10k 100k 1 2 3 4 5 6 7 8 ad603 ad603 1 2 3 4 5 6 7 8 ad603 ad603 av + 11 agnd 10 v ref 12 dac0 100 v ref 16 ain0.0 18 x t al1 26 v dd 37 dgnd 38 c8051f020 c8051f020 r7 890 r6 890 +2.25v +5v +5v+5v +1.5v +3.0v +1.5v a/d 2 3 1 411 lmc66

41、0 a1 lpa 1 bpa 2 hpa 3 inv a 4 v d+ 8 v a+ 7 sa/b 6 clka 10 clkb 11 lpb 20 bpb 19 hpb 18 inv b 17 sia 5 sib 16 agnd 15 lsh 9 50/100 12 v d- 13 v a- 14 mf10ccn 100k 100k -5v +5v fclk 傳傳傳傳傳傳傳 +3.0v 圖圖 15 傳感器輸出信號(hào)處理電路圖傳感器輸出信號(hào)處理電路圖 該信號(hào)處理電路由電荷放大電路、跟蹤帶通濾波電路以及程控增益放大電路和 c8051f020 單片機(jī)組成。 第一級(jí)為電荷放大電路, 包括 a1 ( l

42、mc660)、 c1、 r1。由于采用電容負(fù)反饋, 對直流工作點(diǎn)相當(dāng)于開路,放大器的零漂較大。為解決這個(gè)問題, 在 c1 兩端并聯(lián)了高 阻值電阻 r1, 作為直流反饋電阻, 其作用為提供直流工作點(diǎn), 抑制 a1 的零漂, 使電 荷放大器工作穩(wěn)定。由于電荷放大器的輸出電壓只與輸入電荷量和反饋電容有關(guān)。反 饋電容的選擇很關(guān)鍵。選擇不同容量的反饋電容, 前置級(jí)的輸出大小也不同。在設(shè)計(jì) 電路時(shí),考慮到被測動(dòng)態(tài)載荷力的范圍,同時(shí)為了避免因輸入信號(hào)太大引起后級(jí)放大器 飽和,反饋電容 c1 選擇為 0.2 uf。 第二級(jí)為程控增益放大電路，包括兩個(gè) ad603 級(jí)聯(lián)和中間電容并聯(lián)組成。只用一 個(gè) ad603

43、，其帶載能力差，而且增益調(diào)節(jié)范圍有限。因此采用兩個(gè) ad603 級(jí)聯(lián)，其中第 一級(jí)放大器以低放大倍數(shù)保證帶寬，第二級(jí)放大器主要實(shí)現(xiàn)高增益放大。中間加上濾 波電容，防止高頻噪聲干擾。對于兩個(gè) ad603 的增益控制腳并接使用的情況, 增益計(jì) 算公式為:gain (db) = 80vg + 20 第三級(jí)為跟蹤帶通濾波電路，由 mf10ccn 構(gòu)成的可自動(dòng)選頻帶通濾波器組成電路。 由于不平衡信號(hào)為低頻弱信號(hào),各種機(jī)械振動(dòng)干擾和電磁噪聲往往比有用信號(hào)強(qiáng)得多。 為將微弱不平衡信號(hào)從強(qiáng)干擾信號(hào)中提取出來, 選擇帶通濾波器處理電荷放大器的輸 出信號(hào)。mf10ccn 就是一種通用型的開關(guān)電容濾波器集成電路其內(nèi)

44、部集成了兩個(gè) mf5 分 別構(gòu)成兩個(gè)獨(dú)立的二階開關(guān)電容濾波器也可級(jí)聯(lián)成一個(gè)四階開關(guān)電容濾波依外接方法 不同可實(shí)現(xiàn)低通高通、帶通、帶阻和全通等濾波特性。 第四級(jí)為 ad603 與 c8051f020 的連接。采用數(shù)控方式實(shí)現(xiàn)放大器增益的調(diào)節(jié)，如 果分別調(diào)節(jié)每個(gè) ad603 的增益，則使數(shù)控變得復(fù)雜，且可靠性降低。本設(shè)計(jì)采用如圖 電路連接方式，將第一級(jí) ad603 的 2 腳電壓設(shè)置為固定值 1. 5v，第二級(jí)也 2 腳設(shè)為固 定值 1.5v。增益數(shù)控電路中單片機(jī)的 dac0 的輸出電壓同時(shí)接到第一、二級(jí)放大器的 1 腳，同時(shí)控制兩級(jí)放大器的增益。兩級(jí)放大器的增益變化可實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)線性調(diào)節(jié)。 4

45、基準(zhǔn)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 4.1 基準(zhǔn)信號(hào)的整形處理 基準(zhǔn)信號(hào)既為不平衡量的相位提供了角度參照，也為測試提供了周期脈沖信號(hào)。 本設(shè)計(jì)采用對射型光電傳感器產(chǎn)生信號(hào)，如下圖 16 所示，在轉(zhuǎn)子(或者與轉(zhuǎn)子同步旋 轉(zhuǎn)零件)外表上某處貼一片反光性較強(qiáng)的薄片，將光電傳感器靠近反光片，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng) 時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脈沖信號(hào)，但是由于系統(tǒng)工作現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，通常由傳感器出來的基準(zhǔn) 信號(hào)為非 ttl 脈沖電平，需要經(jīng)過整形電路，獲得上升沿和下降沿都很規(guī)則的基準(zhǔn)信 號(hào)脈沖矩形波。 光電傳感器測試圖光電傳感器測試圖 基準(zhǔn)信號(hào)處理前后基準(zhǔn)信號(hào)處理前后圖圖 圖圖 16 2 3 1 114 lm324 1k 1k +5v +5v

46、+5v 傳傳傳傳 a1 1 y1 2 a2 3 y2 4 a3 5 y3 6 gnd 7 v cc 14 a6 13 y6 12 a5 11 y5 10 a4 9 y4 8 74ls14 1k 1k 傳傳傳傳傳傳傳傳 圖圖 17 基準(zhǔn)信號(hào)整形電路基準(zhǔn)信號(hào)整形電路圖圖 整形電路由 lm324 運(yùn)算放大器和 74ls14 反相器和外接電阻組成。它將輸入正弦波 的同步信號(hào)轉(zhuǎn)移為方波信號(hào)。 圖圖 1818 lmlm324324 管腳管腳圖圖 lm324 是通用型低功耗集成四運(yùn)放。lm324 內(nèi)含 4 個(gè)獨(dú)立的高增益、頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn) 算放大器，既可接單電源使用 (330 v)，也可接雙電源使用(1.515

47、 v)，驅(qū)動(dòng) 功耗低，可與 ttl 邏輯電路相容。 74ls14 為有施密特觸發(fā)器的六反相器，共有 14 個(gè)引腳。1、3、5、9、11、13 為 輸入端，2、4、6、8、10、12 為輸出端。7 為接地端，14 為接電源端。電源電壓 vcc 工作范圍一般為 4.75v5.25v,額定工作電壓為 5v。電源電壓極限值為 7v。工 作環(huán)境溫度為 070。 4.2 基準(zhǔn)信號(hào)鎖相倍頻電路設(shè)計(jì) 4.2.1 鎖相倍頻的工作原理 相位比較器低通濾波 器 壓控振蕩 器 ui uo uo 圖圖 19 鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖鎖相環(huán)的結(jié)構(gòu)框圖 所謂鎖相，就是實(shí)現(xiàn)相位同步。能使兩個(gè)電信號(hào)的相位保持同步的閉環(huán)系統(tǒng)叫鎖 相環(huán)（

48、pll） 。鎖相環(huán)主要包括三部分：相位比較器（也叫鑒相器） 、低通濾波器、壓控 振蕩器。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 19 所示。這是一個(gè)相位自動(dòng)跟蹤的負(fù)反饋系統(tǒng)。相位比較器 用來將兩個(gè)輸入信號(hào) ui與 u0之間的相位差通過轉(zhuǎn)換作為壓控振蕩器的控制電壓。壓控 振蕩器作為鎖相環(huán)電路的脈沖發(fā)生器，其振蕩頻率 隨控制電壓的改變而改變。環(huán)路 一旦入鎖后，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位相等，也就是輸出頻率與輸入頻率獲得一致7。 如果在圖 19 的反饋回路中加入一個(gè) n 分頻器，就可實(shí)現(xiàn)倍頻功能。 相位比較器低通濾波器壓控振蕩器 1/n uiuo uo 圖圖 20 鎖相倍頻結(jié)構(gòu)框圖鎖相倍頻結(jié)構(gòu)框圖 在圖 20 中，根據(jù)反饋f

49、i=fo/n,即fo=n fi，環(huán)路鎖定后頻率為fo=n fi， 實(shí)現(xiàn)了輸出頻率fo 是輸入頻率fi的整數(shù)倍，只要改變分頻器的分頻比（1/n） 就可以改變鎖相環(huán)路的輸出頻率與輸入頻率之比。 4.2.2 鎖相倍頻電路設(shè)計(jì) 此鎖相倍頻電路采用了一片鎖相環(huán)芯片 74hc4046、一片累加計(jì)數(shù)器 cd4040。鎖相 用 74hc4046,分頻用 cd4040,經(jīng)過整形放大電路后得到轉(zhuǎn)子同步的方波信號(hào)，作為鎖相 倍頻電路的輸入信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)芯片 74hc4046 的 14 號(hào)引腳，4 號(hào)引腳是 74hc4046 內(nèi) 部壓控振蕩器的輸出端，其輸出信號(hào)輸入 cd4040 的 10 號(hào)引腳，進(jìn)行 256 倍的

50、倍頻， 其倍頻信號(hào)從二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 cd4040 的 13 號(hào)引腳輸出又進(jìn)入 74hc4046 的 3 號(hào)引腳，即 比較信號(hào)輸入端，74hc4046 內(nèi)部的相位比較器對兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行相位比較后，從相位比 較器的輸出端 13 號(hào)引腳輸入，經(jīng)過由電阻和電容組成的低通濾波器，將高頻噪聲濾 除后，再進(jìn)入 74hc4046 的內(nèi)部壓控振蕩器，作為其控制信號(hào)，從上述過程可以看到這 是一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，經(jīng)過不斷的調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率的 256 倍， 并且使輸入信號(hào)與比較信號(hào)的頻差為零8。 v dd 16 q8 13 clk 10 rese 11 gnd 8 sign 14 compin 3 v c

51、0out 4 c1a 6 c1b 7 r1 11 r2 12 inh 5 gnd 8 v cc 16 pc1out 2 pc2out 13 v co in 9 pcpout 1 demput 10 pc3out 15 74hc4046 0.22uf 0.22uf 2k 2k 2k 2k +5v +5v out cd4040 fclk 傳傳傳傳傳傳 圖圖 2121 鎖相倍頻電路圖鎖相倍頻電路圖 2 3 1 114 lm324 1k 1k +5v +5v +5v v dd 16 q8 13 clk 10 rese 11 gnd 8 sign 14 compin 3 v c0out 4 c1a 6

52、c1b 7 r1 11 r2 12 inh 5 gnd 8 v cc 16 pc1out 2 pc2out 13 v co in 9 pcpout 1 demput 10 pc3out 15 74hc4046 0.22uf 0.22uf 2k 2k 2k 2k +5v +5v out cd4040 lpa 1 bpa 2 hpa 3 inv a 4 v d+ 8 v a+ 7 sa/b 6 clka 10 clkb 11 lpb 20 bpb 19 hpb 18 inv b 17 sia 5 sib 16 agnd 15 lsh 9 50/100 12 v d- 13 v a- 14 mf10

53、ccn 10k 100k 100k 100k 100k 10k -5v +5v fclk ain0.0 18 v ref0 16 p1.0 36 agnd 10 av + 11 v ref 12 v dd 37 dgnd 38 dac0 100 c8051f020 +3.0v +2.4v +3.0v +2.4v 傳傳傳傳 傳傳傳 傳傳傳傳傳 傳傳傳 傳傳傳 傳傳傳 a/d傳傳傳 傳 傳傳傳傳傳傳傳傳傳 a1 1 y1 2 a2 3 y2 4 a3 5 y3 6 gnd 7 v cc 14 a6 13 y6 12 a5 11 y5 10 a4 9 y4 8 74ls14 1k 1k 圖圖 222

54、2 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路圖基準(zhǔn)信號(hào)處理電路圖 4.3 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì) 基準(zhǔn)信號(hào)處理電路由整形放大電路、鎖相倍頻電路、跟蹤帶通濾波電路、單片機(jī) 組成。光電傳感器輸出基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過 lm324 和 74ls14 組成的脈沖整形放大，獲得一與 轉(zhuǎn)速輸入信號(hào)同頻的方波信號(hào)，有兩個(gè)去向：一是直接將方波信號(hào)直接送入 c8051f020 微處理器的高速計(jì)數(shù)器 p1.0 端口，用于測量轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。另一是方波信號(hào)經(jīng)過 74hc4046 和 cd4040 組成的鎖相倍頻電路，將其 256 倍頻后以后作為 mf10ccn 自動(dòng)跟蹤 帶通濾波器的外部時(shí)鐘脈沖。由于在動(dòng)平衡測試中計(jì)算不平衡大小和相位所需特征信 號(hào)的頻率

55、成分為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)頻，結(jié)合 mf10ccn 芯片，選擇fclk:fo=256:1，通過對 mf10ccn 時(shí)鐘頻率fclk的跟蹤鎖相，從而實(shí)現(xiàn)中心頻率fo的相應(yīng)改變。其電路圖見圖 22。 5 總結(jié)與展望 本課題介紹了動(dòng)平衡機(jī)測量的意義與課題背景，振動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生的原理。主要研究 動(dòng)平衡機(jī)振動(dòng)信號(hào)測量系統(tǒng)，它主要由壓電傳感器、傳感器輸出信號(hào)處理電路、基準(zhǔn) 信號(hào)處理電路、單片機(jī)以及單片機(jī)外圍的各種硬件連接設(shè)備組成。重點(diǎn)研究了壓電傳 感器輸出信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，由電荷放大電路、跟蹤帶通濾波電路、程控放大電路組 成；基準(zhǔn)信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)，由整形放大電路、鎖相倍頻電路、跟蹤帶通濾波電路組 成。 單片機(jī)是整個(gè)動(dòng)平衡測試系統(tǒng)的核心部分，用來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的 a/d 轉(zhuǎn)換，振動(dòng)信號(hào) 信息和不平衡量信息的快速、精確計(jì)算，不平衡數(shù)