第8章智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

目錄

第1章概述第2章智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)典傳感技術(shù)基礎(chǔ)第3章不同集成度智能傳感器系統(tǒng)介紹

第4章智能傳感器的集成技術(shù)

第5章智能傳感器系統(tǒng)智能化功能的實(shí)現(xiàn)方法

第6章通信功能與總線接口第7章智能技術(shù)在傳感器系統(tǒng)中的應(yīng)用第8章智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

第9章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)概述

第8章智能傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

要點(diǎn)：

智能傳感器系統(tǒng)外圍電路及抗干擾措施；基于DS18B20的分布式溫度測量系統(tǒng)；集成化智能傳感器的應(yīng)用。

§8.1智能傳感器系統(tǒng)外圍電路及抗干擾措施§8.1.1外圍電路1、數(shù)字電位器傳統(tǒng)的機(jī)械電位器屬于模擬式分立元件；缺點(diǎn)是：噪聲大、易污損、抗震動(dòng)性能差、體積較大、需要手動(dòng)調(diào)節(jié)、使用壽命較短。數(shù)字電位器（DigitalPotentiometer）亦稱數(shù)控可編程電位器，它是采用CMOS工藝制成的數(shù)字模擬混合信號(hào)處理集成電路，能在數(shù)字信號(hào)的控制下自動(dòng)改變滑動(dòng)端位置，獲得所需要的電阻值。

1）主要特點(diǎn)：

a）輸入數(shù)字量，輸出模擬量，輸出是電阻值或電阻比率；

b）調(diào)節(jié)精度高，可編程，抗震動(dòng)，不易污損，體積小，壽命長，逐步取代傳統(tǒng)機(jī)械電位器；c）適配微處理器，通過串行總線來控制滑動(dòng)端的位置。

d）內(nèi)部有E2PROM，用戶可對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。掉電后能長期保存原有控制數(shù)據(jù)及滑動(dòng)端位置不變。

e）使用靈活，用途廣泛?？蛇M(jìn)行串、并聯(lián)或混聯(lián)，可組成同軸電位器，可應(yīng)用于可編程增益放大器、頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)電路等。

f）低電壓、低功耗、超小型化。

2）產(chǎn)品分類及工作原理芯片包含的電位器個(gè)數(shù)：1，2，4，6等；線性與非線性（對(duì)數(shù)、指數(shù)型）之分；內(nèi)部抽頭數(shù)：32，64，128，256，512，1024；抽頭數(shù)越多，精度越高；有的帶有溫度補(bǔ)償及電壓基準(zhǔn)源；

廠家：Xicor、CATALYST、MAXIM、ADI等。

a）工作原理

b）數(shù)字電位器的誤差引起電阻誤差的原因主要有兩個(gè)：＊各電阻單元的誤差；＊模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻值?？傉`差：，：i個(gè)單元的誤差系數(shù)相對(duì)誤差：，則

3）應(yīng)用

a）可編程增益放大器

2、實(shí)時(shí)日歷時(shí)鐘電路

1）產(chǎn)品分類及性能特點(diǎn)內(nèi)置晶振電路、電池和非易失性SRAM，帶接口。性能特點(diǎn)：

a）高精度：，年誤差在2min以內(nèi)；

b）內(nèi)置32.768KHz晶振電路，能產(chǎn)生7種時(shí)標(biāo)信號(hào)，以BCD碼輸出；

c）帶串行總線接口，易于同單片機(jī)通信；

d）內(nèi)含4Kbit～256Kbit的SRAM，寫操作時(shí)無延時(shí)；

e）內(nèi)置穩(wěn)壓電路和電源掉電檢測電路；

f）低功耗，典型工作電流1.0，內(nèi)置電源管理電路；

g）工作溫度范圍寬，工業(yè)品：-40℃～85℃。

2）工作原理：（見下圖）a）實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路由三位操作編碼可構(gòu)成對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分的8條操作指令，實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分共包括4個(gè)寄存器：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)寄存器（56bit）；狀態(tài)寄存器（8bit）；兩組報(bào)警時(shí)間/頻率事件設(shè)置寄存器（16bit）。

b）電池電壓檢測電路每1s采樣一次，時(shí)間15.6ms，檢測到V，停止采樣保持高電平，直到執(zhí)行初始化或讀狀態(tài)寄存器命令。

c）電源管理電路

3）應(yīng)用

SDA、SCL端口分別接單片機(jī)的兩個(gè)引腳，口或口均可。3、基準(zhǔn)電壓源基準(zhǔn)電壓源的關(guān)鍵技術(shù)是電壓溫度系數(shù)，℃精密型（0.3～5）℃,較精密型（10～20）℃，普通型（30～100）℃，又分固定型與可編程輸出可變型。1）帶隙基準(zhǔn)電壓源MC1403

，U0變化0.0001V；℃要求輸出高于2.5V，需經(jīng)放大器放大，

2）LM399：℃，內(nèi)帶恒溫器。4、集成恒流源向集成化、多用途方向發(fā)展目前有：恒流二極管（CRD）、恒流三極管（CRT）、三端可調(diào)恒流源、四端可調(diào)恒流源、高壓恒流源等恒流器件。

a）恒流二極管及應(yīng)用（見下圖）

恒流二極管只能提供幾毫安的電流，耐壓幾十伏。b）恒流三極管的應(yīng)用

c）可調(diào)精密集成恒流源應(yīng)用為設(shè)定電阻，改變二者的電阻比即可調(diào)節(jié)，（℃范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。4DH5：，當(dāng)時(shí)紅外光測量儀中紅外發(fā)射管，需用恒流源供電。，時(shí)，

，。

5、精密、轉(zhuǎn)換器廣泛用于測控系統(tǒng)以及調(diào)制解調(diào)器中，以AD650為例作簡要說明。

1）性能特點(diǎn)

a）采用電荷平衡式（即A/D）轉(zhuǎn)換原理，輸入為單級(jí)性電壓、雙極性電壓或差分電壓，輸出為矩形波，轉(zhuǎn)換精度達(dá)14bit；

b）非線性誤差小，頻率范圍寬。對(duì)應(yīng)0.002％，0.005％，0.007％分別輸出10KHz，100KHz，1MHz；

c）通過外接元器件的變化，可構(gòu)成或轉(zhuǎn)換器；

d）采用集電極開路輸出，輸出端經(jīng)上拉電阻外接電源，能與CMOS、TTL電路兼容。

2）原理及應(yīng)用a）原理：PF單位，44PF為引腳的分布電容。：與輸出頻率無關(guān)，它僅僅決定鋸齒波幅度的大小。b）輸入雙極性電壓的轉(zhuǎn)換電路

R1=5.1K；R2=37.4K。c）轉(zhuǎn)換器

§8.1.2智能傳感器系統(tǒng)的抗干擾措施智能傳感器系統(tǒng)是模擬電路與數(shù)字電路并存，包含了多種不同功能的電路部件和器件，在工業(yè)環(huán)境下遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)時(shí)，不僅容易受到外界干擾，而且系統(tǒng)本身也會(huì)產(chǎn)生干擾。為了提高系統(tǒng)的可靠性，必須有效地抑制各種干擾，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。1、電磁兼容性概述

1）概念包含了三個(gè)方面的內(nèi)容：

a）電子設(shè)備應(yīng)有抑制外部電磁干擾的能力；

b）該電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁干擾應(yīng)低于規(guī)定的限度，不得影響同一電磁環(huán)境中其它電子設(shè)備的正常工作；

c）任何電子設(shè)備的電磁兼容性都是可以測量的。2）研究領(lǐng)域主要包括電磁干擾的產(chǎn)生與傳輸、電磁兼容性的設(shè)計(jì)（含制定標(biāo)準(zhǔn)）、電磁干擾的診斷與抑制，電磁兼容性的測試（含實(shí)驗(yàn)）。

3）設(shè)計(jì)首先學(xué)習(xí)并掌握有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)定，然后參照實(shí)際電磁環(huán)境來提出具體要求，制定技術(shù)和工藝上的實(shí)施方案。在設(shè)計(jì)電子儀器設(shè)備時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮電路設(shè)計(jì)、隔離、退耦、濾波、接地、屏蔽以及射頻資源的分配等問題，如用COMOS電路代替TTL電路，用固態(tài)繼電器代替電磁繼電器等。

4）測量測量是對(duì)設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計(jì)做出評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。分發(fā)射試驗(yàn)和敏感度試驗(yàn)。2、電磁干擾濾波器電磁干擾濾波器（EMIFilter）能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子設(shè)備的抗干擾能力及系統(tǒng)的可靠性。＊電源噪聲屬于射頻干擾（RFI），是電磁干擾的一種，頻譜為10KHz～30KHz，它具有雙向性。＊串模干擾與共模干擾電磁干擾濾波器應(yīng)符合電磁兼容性（EMC）的要求，必須是雙向射頻濾波器。

1）原理電路L的電感量大小與額定電流I有關(guān)，I＝1A，L＝8～23mH；I＝10A，L＝0.2～0.3mH，L主要用來抑制共模干擾。主要用來濾除串模干擾；的連接方式可有效抑制共模干擾。

2）主要技術(shù)參數(shù)額定電壓、額定電流、漏電流、測試電壓、絕緣電阻、直流電阻、使用溫度范圍、工作溫升、插入損耗（）、外形尺寸、重量。插入損耗（）是頻率的函數(shù)，用dB表示：，是濾波器插入前后傳輸?shù)截?fù)載上的噪聲功率。一般可將1MHz～30MHz的噪聲電壓衰減65dB。

3、智能傳感器系統(tǒng)的接地系統(tǒng)“地”的概念有兩種：一種是“參考地”，另一種是“大地”。這里講的接地指“大地”。

1）接地的作用及方式

作用：a）安全；b）抑制干擾。接地方式有保護(hù)性接地和功能性接地之分：

a）保護(hù)性接地：防觸電接地、防雷擊接地、防靜電接地。

b）功能性接地：信號(hào)地、數(shù)字地、功率地、交流地、屏蔽地。傳輸信號(hào)的頻率高低決定了不同的接地方式。

＊，單點(diǎn)接地，接地點(diǎn)靠近信號(hào)測量端，屏蔽雙絞線；＊，多點(diǎn)接地，可分別在信號(hào)源端和測量端接地，連接介質(zhì)為雙絞線或同軸電纜。另外還分并聯(lián)或串聯(lián)或單點(diǎn)接地、多點(diǎn)接地和環(huán)形接地。

2）智能傳感器系統(tǒng)的接地

a）信號(hào)接地：給回路確定一個(gè)參考電位，使電路工作于穩(wěn)定狀態(tài)并能比較信號(hào)的有無及大小。

b）功率接地：指電源回路的接地。一般要將系統(tǒng)內(nèi)的信號(hào)地與功率地分開布置，最后在輸出端匯合。因?yàn)楣β实鼐€上一般有大電流，在導(dǎo)線上的壓降如被引入信號(hào)端，會(huì)影響系統(tǒng)信號(hào)的穩(wěn)定性。

c）智能傳感器系統(tǒng)的接地：主要考慮信號(hào)頻率、接地線的長度、寬度、系統(tǒng)的靈敏度之間的相互關(guān)系；接地電極的形狀；輻射式接地系統(tǒng)等。

4、智能傳感器的屏蔽屏蔽是保護(hù)電路、設(shè)備、傳輸線等不受靜電場、電磁場或磁場干擾的一種手段。

1）分類：

a）靜電屏蔽：消除靜電場的影響，用良導(dǎo)體制成并通過接地達(dá)到屏蔽效果。

b）磁屏蔽：抑制低頻磁場干擾，用高磁導(dǎo)率材料制成，能防止磁感應(yīng)的產(chǎn)生。

c）電磁屏蔽：用于抑制高頻磁場干擾，用良導(dǎo)體制成，對(duì)電磁波起到反射和吸收的作用。

2）靜電放電的保護(hù)

CMOS電路中輸入端防靜電的三極管——電阻雙向保護(hù)電路。的正向壓降：＝0.7V，反向擊穿電壓：在智能傳感器系統(tǒng)中經(jīng)常用的屏蔽有導(dǎo)線的屏蔽、元器件的屏蔽、放大器的屏蔽、振蕩電路的屏蔽、電橋電路的屏蔽等。

3）磁屏蔽分低頻和高頻，主要指電源變壓器和發(fā)射天線部分。5、智能傳感器系統(tǒng)的抗干擾措施

1）干擾的成因

a）電網(wǎng)干擾：主要指浪涌電壓和電磁干擾；

b）傳輸線干擾：在輸入、輸出口線上形成的干擾，與傳輸線的長度、連線方式等有關(guān)；

c）空間電磁波干擾；

d）機(jī)內(nèi)干擾：由內(nèi)部不同功能的電子元器件和部件產(chǎn)生。

2）電路設(shè)計(jì)中的抗干擾措施

a）切斷干擾的傳播途徑具體的通過采用屏蔽、接地、功能分區(qū)、隔離、合理布線、

使用抗干擾元件等措施切斷干擾的傳播途徑。

b）盡量采用抗干擾性能強(qiáng)的單片機(jī)＊降低系統(tǒng)內(nèi)部的電源噪聲；＊降低時(shí)鐘頻率（68HC08單片機(jī)外部時(shí)鐘32KHz，內(nèi)部總線8MHz）；＊EFT技術(shù)（ElectricalFastTransient）消除尖峰干擾對(duì)時(shí)鐘信號(hào)的影響。

c）頻率抖動(dòng)技術(shù)將頻率抖動(dòng)信號(hào)疊加到隨機(jī)信號(hào)噪聲上，以使ADC的量化噪聲與輸入信號(hào)無關(guān)，消除ADC輸出的諧波分量。

d）防止漏電流技術(shù)通過設(shè)置防止極間漏電用的保護(hù)環(huán)。

e）濾波技術(shù)無源濾波器、有源濾波器、數(shù)字濾波器。f）隔離技術(shù)光電隔離、變壓器隔離、繼電器隔離、布線隔離。

g）抑制傳輸線上的干擾雙絞線：頻帶較窄，波阻抗高，抗共模干擾能力強(qiáng)。對(duì)于長傳輸線使用時(shí)要注意阻抗匹配問題，以消除反射波。

h）正確選擇接地點(diǎn)

i）傳感器的屏蔽

j）塑料機(jī)箱的屏蔽

k）元器件的選擇盡量采用金屬膜電阻和低噪聲的有源器件，積分電容宜選用漏電小、介質(zhì)損耗因數(shù)低的聚丙烯或聚苯乙烯電容；能用低速的器件就不用高速器件。

l）消噪電路

消噪電容：0.1μF；CMOS電路代替TTL電路。

m）電源退耦電容在電源進(jìn)線端并聯(lián)一只10μF～100μF的鉭電容，進(jìn)行電源退耦；在每個(gè)芯片的電源進(jìn)線端并聯(lián)一只高頻、低分布電感的陶瓷電容，0.1μF，時(shí)，0.01μF。6、軟件抗干擾措施

1）數(shù)字濾波器

2）軟件看門狗——防止CPU進(jìn)入死循環(huán)或程序跑飛

3）指令冗余技術(shù)

NOP指令的使用，或有效單字節(jié)指令重寫，有助于程序跑飛后恢復(fù)正常，消除隨機(jī)干擾。

4）軟件陷阱技術(shù)跑飛的程序進(jìn)入非程序區(qū)或表格區(qū)時(shí)，通過設(shè)置軟件陷阱可將程序引向

某一指定位置，對(duì)程序出錯(cuò)進(jìn)行處理。

5）多次采樣技術(shù)消除尖脈沖干擾。

6）延時(shí)防止抖動(dòng)技術(shù)在已知某些干擾要發(fā)生的情況下，使CPU暫停正常工作，待干擾過后再恢復(fù)工作。

7）定時(shí)刷新輸出口防止干擾對(duì)用鎖存器控制輸出口信號(hào)輸出的影響。7、系統(tǒng)的安全性

1）安全標(biāo)準(zhǔn)

IEC950標(biāo)準(zhǔn)，分泄漏電流、耐壓、絕緣電阻、接地電阻等項(xiàng)。

2）安全認(rèn)證

a）CCEC認(rèn)證：中國電工產(chǎn)品安全認(rèn)證委員會(huì)（CCEC）,又稱長城認(rèn)證；

b）UL認(rèn)證：美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)所（UL）；

c）CB認(rèn)證：國際電工委員會(huì)電工產(chǎn)品安全認(rèn)證組織（IECEE）；

d）GS認(rèn)證：德國萊茵技術(shù)監(jiān)督公司（TUV）；

e）FCC認(rèn)證：電子產(chǎn)品的抗電磁干擾能力?！?.2基于智能溫度傳感器的分布式溫度測量系統(tǒng)§8.2.1基于1——Wire總線的DS18B20型智能溫度傳感器1、DS18B20的性能特點(diǎn)是DALLAS公司繼DS1820之后推出的改進(jìn)型，在原來的基礎(chǔ)上有如下改進(jìn)：

1）供電電壓：3.0V～5.5V，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，測量誤差<±0.5℃。

2）溫度分辨率可編程。9～12位，通過對(duì)便箋式RAM中CONFIG寄存器的可編程溫度分辨率位、進(jìn)行編程，可設(shè)定不同的溫度分辨率及最大的轉(zhuǎn)換時(shí)間。見下圖

當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令（44H）后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式，存儲(chǔ)在便箋RAM的第0、1字節(jié)。在執(zhí)行讀便箋RAM命令后，可將這兩個(gè)字節(jié)的溫度值通過單線總線傳送給CPU。

3）DS1820的轉(zhuǎn)換時(shí)間（9位）為200ms，可見DS18B20的轉(zhuǎn)換時(shí)間t縮短。

4）具有電源反接保護(hù)電路5）DS18B20的引腳及內(nèi)部電路框圖與DS1820完全相同，體積小一半。2、DS18B20的工作原理

DS18B20采用3腳PC—35封裝或8腳SOIC封裝。

I/O為數(shù)據(jù)輸入/輸出端，它屬于漏極開路輸出，外接上拉電阻后常態(tài)下是高電平。

+25.0625℃00000001100100010191H-10.125℃1111111101011110FF5EH

主要包括7部分：

1）寄生電源；

2）溫度傳感器；

3）64位激光ROM與單線接口；

4）高速暫存器，即便箋式RAM，存放中間數(shù)據(jù)；

5）、觸發(fā)寄存器，存放用戶設(shè)定的溫度上、下限值；

6）存儲(chǔ)與控制邏輯；

7）8位循環(huán)冗余校驗(yàn)碼。測溫原理：如右圖。

低溫度系數(shù)振蕩器用于產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率，高溫度系數(shù)振蕩器則相當(dāng)于轉(zhuǎn)換器，能將被測溫度轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)。圖中隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開時(shí)，DS18B20就對(duì)低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定。每次測量前，首先將-55℃所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計(jì)數(shù)器、溫度寄存器中。在計(jì)數(shù)門關(guān)閉之前若計(jì)數(shù)器已減到零，溫度寄存器中的數(shù)值就增加0.5℃。然后，繼續(xù)著依斜率累加器的狀態(tài)置入新的數(shù)值，再對(duì)時(shí)鐘計(jì)數(shù)，然后減到零，溫度寄存器值又增加0.5℃。只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉，就重復(fù)上述過程，直到溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值。

64位ROM：8位工廠編碼（DS18B20為28H）＋48位出廠編號(hào)＋8位CRC校驗(yàn)碼。CRC=X8+X5+X4+1

配置寄存器：§10.2.2基于DS18B20的分布式溫度測控系統(tǒng)1、DS18B20與微處理器之間的連接

1）總線供電

2）電源供電3）具體硬件配置結(jié)構(gòu)：2、DS18B20操作指令

1）發(fā)送時(shí)序：

a）初始化；由主機(jī)發(fā)出一個(gè)復(fù)位脈沖，然后從機(jī)發(fā)送一個(gè)響應(yīng)脈沖；

b）ROM功能指令；

c）存儲(chǔ)器功能指令；

d）發(fā)送數(shù)據(jù)。

2）ROM功能指令（均為8位）

a）讀ROM（33h）

讀取DS18B20的8位工廠編號(hào)，唯一的48位序列號(hào)和8位CRC編碼。該命令只能用于總線上只有一只DS18B20時(shí)，否則會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)沖突。

b）比較ROM（55h）由主機(jī)尋址特定的DS18B20，只有地址相吻合的DS18B20才響應(yīng)后續(xù)的存儲(chǔ)器功能命令。

c）跳讀ROM（CCh）允許主機(jī)在不提供64位ROM碼的情況下訪問存儲(chǔ)器功能。

d）搜索ROM（F0h）用于系統(tǒng)上電后，主機(jī)對(duì)總線上全部器件的識(shí)別。

e）報(bào)警搜索（ECh）與搜索ROM命令流程一樣，用于獲得具備報(bào)警條件的DS18B20的信息。

ROM搜索舉例：

ROM搜索處理是一個(gè)不斷重復(fù)一個(gè)簡單的三步操作的過程：讀一個(gè)位，讀一個(gè)完整的位，然后寫那個(gè)位的希望值。

ROM100110101ROM210101010ROM311110101ROM400010001

搜索處理的過程如下：①總線主機(jī)通過產(chǎn)生一個(gè)負(fù)位脈沖進(jìn)行初始化，全部端器件產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)脈沖。②總線主機(jī)向總線上產(chǎn)生一個(gè)搜索ROM指令。③總線主機(jī)從總線上讀一個(gè)位；每個(gè)器件把ROM第一個(gè)位的值放置到總線上以作為響應(yīng)，對(duì)于ROM1～4第一位“與”的結(jié)果是總線上的位置為“0”。

總線主機(jī)再讀寫另外一位。作為響應(yīng)，所有的器件將第1位取反后再將該值放置到總線上。通過三步操作以兩次讀得的數(shù)據(jù)位可能的結(jié)果如下：

00在該位的器件位相反；

01所有器件在該位均為“0”；

10所有器件在該位均為“1”；

11沒有器件在總線上。④總線主機(jī)寫個(gè)“0”，這就排除了ROM2和ROM3進(jìn)行后續(xù)的搜索，而只留下了ROM1和ROM4連接在總線上?？偩€主機(jī)通過每次的ROM搜尋操作獲取未知器件的ID，所占用的時(shí)間：960μs＋（8＋3×64）61μs＝13.16ms

因此總線主機(jī)在1s時(shí)間里可以標(biāo)識(shí)75個(gè)不同的一線制器件。

3）I/O信號(hào)

DS18B20要求嚴(yán)格的協(xié)議確保數(shù)據(jù)的完整性。協(xié)議由一線制上使用的幾種類型的信標(biāo)組成:復(fù)位脈沖、響應(yīng)脈沖，寫“0”，寫“1”，讀“0”，讀“1”。這些信號(hào)，除了響應(yīng)脈沖，均由總線主機(jī)發(fā)起。按照下圖脈沖時(shí)序，在主機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)后，DS18B20表示“存在”的脈沖。

4）存儲(chǔ)命令功能見下圖。

a）寫暫存器（4Eh）這個(gè)命令是向DS18B20的暫存器寫，從寄存器開始，三個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)到2，3，4。在一個(gè)復(fù)位產(chǎn)生前，三個(gè)字節(jié)應(yīng)已被寫入。

b）讀暫存器（BEh）

這個(gè)命令是讀所有的暫存器的內(nèi)容。從字節(jié)0～字節(jié)8，假若所有的內(nèi)容沒被讀出，主機(jī)可以產(chǎn)生一個(gè)“復(fù)位”中止讀。

c）拷貝暫存器（48h）這個(gè)命令是拷貝暫存器的內(nèi)容到，將溫度報(bào)警及配置信息存入非易失性存儲(chǔ)器。在DS18B20拷貝期間，輸出“0”將總線拉低。對(duì)于總線供電，在發(fā)生該命令后主機(jī)必須上拉總線至少10ms。

d）轉(zhuǎn)換T（44h）這個(gè)命令開始一個(gè)溫度轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換期間，DS18B20輸出“0”，轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出“1”。對(duì)于總線供電，在發(fā)出該命令后，主機(jī)必須上拉總線至少大于。

e）Recall（B8h）將的內(nèi)容回調(diào)到暫存器，在系統(tǒng)上電時(shí)，DS18B20自動(dòng)的完成該工作。

f）核查供電模式（B4h）在該命令發(fā)出后，器件輸出“0”表示總線供電，“1”表示外部電源供電。

5）讀/寫時(shí)間片（slots）6）存儲(chǔ)器功能舉例

a）總線主機(jī)啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換，然后讀溫度值（假定總線供電）主機(jī)模式數(shù)據(jù)（低位在前）說明

ResetResetPulse（480～960）

PresencePrsencePulse55h產(chǎn)生“MatchROM”命令

64位ROM碼傳輸DS18B20地址

44h發(fā)送“ConvertT”命令

I/O線拉高總線主機(jī)拉高數(shù)據(jù)線時(shí)間>ResetResetPulsePresencePresencePulse55h發(fā)送“MatchROM”命令(64位ROM碼)傳輸DS18B20地址BEh發(fā)送“ReadScratchPad”命令(9個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié))主機(jī)讀9個(gè)字節(jié)暫存器的數(shù)并計(jì)算前8個(gè)字節(jié)的CRC碼，若相同，繼續(xù)，若不同，讀操作重復(fù)。ResetResetPulsePresencePresencePulse，done

b）總線主機(jī)寫存儲(chǔ)器（假定總線供電，只有一只DS18B20）主機(jī)模式數(shù)據(jù)（低位在前）說明

ResetResetPulse

（480～960μs）

PresencePrsencePulseCChSkipROM命令

4EhWriteScratchpadcommand(3個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié))，ConfigResetResetPulsePresencePrsencePulseCChBEh讀暫存器命令

(9個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié))ResetResetPulsePresencePrsencePulseCCh48h（拷貝暫存器命令，在發(fā)出該命令后，主機(jī)必須等待10ms保證該命令執(zhí)行完。

ResetResetPulsePresence

3、一線式網(wǎng)絡(luò)

1）一線式網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

a）線性拓?fù)?/p>

b）分支拓?fù)?/p>

c）星形拓?fù)?/p>

2）一線網(wǎng)絡(luò)術(shù)語“radius”和“weight”radius：指主機(jī)末端與最遠(yuǎn)節(jié)點(diǎn)從器件之間的連線長度。

Weight：指網(wǎng)絡(luò)中所有連線的總長，單位：米。如星形網(wǎng)絡(luò)，有3個(gè)分支，長度分別為10m，20m，30m，則：

radius＝30m，weight=60m

一般，網(wǎng)絡(luò)的總長度受限于電纜的上升時(shí)間，而半徑確定了信號(hào)反射的最快時(shí)間。從理論上，一線式網(wǎng)絡(luò)的radius可以大于750m，但由于電纜引入的時(shí)間延遲使得通信協(xié)議失效。實(shí)際上考慮到其它一些影響因素，實(shí)際值要小。

3）從器件weight

每增加一個(gè)從器件，相當(dāng)于要使網(wǎng)絡(luò)的weight減少1～0.5m，這主要是受分布電容的影響，對(duì)于連接電纜的分布電容一般為24PF/m（5類雙絞銅線）。

4）開關(guān)網(wǎng)絡(luò)（見下圖）6）總線供電問題在網(wǎng)絡(luò)上的從節(jié)點(diǎn)器件均從總線上吸收電源時(shí)，若因總線上傳輸數(shù)據(jù)導(dǎo)致供電不足時(shí)，會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

7）分布式阻抗匹配采用下圖可以降低反射影響，但同時(shí)也會(huì)降低信噪比。4、接口驅(qū)動(dòng)

1）典型CPU端口連接口

2）改進(jìn)型CPU總線接口3）高級(jí)一線式網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)器

4）采用串行接口適配器DS2480B的驅(qū)動(dòng)電路（用于短連接介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)（1～100m））

PPT系列網(wǎng)絡(luò)化智能壓力傳感器的典型應(yīng)用?PPT模擬輸出的配置?遠(yuǎn)程模擬壓力信號(hào)的傳輸與記錄?網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4Y4型智能化超聲波測距集成電路?4Y4的性能特點(diǎn)?4Y4的工作原理?單片液晶顯示測距儀ACS750型集成電流傳感器?交流電流檢測技術(shù)?ACS750型集成電流傳感器的原理與應(yīng)用

§8.3集成化智能傳感器的應(yīng)用AD693型多功能傳感信號(hào)調(diào)理器?AD693的性能特點(diǎn)?AD693的工作原理?AD693的典型應(yīng)用?AD693在電子測量儀器中的應(yīng)用APMS—10G型帶微處理器的智能混濁度傳感器?APMS—10G的性能特點(diǎn)?APMS—10G的測量原理?APMS—KIT.exe軟件的安裝使用及通信協(xié)議?使用注意事項(xiàng)§8.3.1

PPT系列網(wǎng)絡(luò)化智能壓力傳感器的典型應(yīng)用1、PPT系列傳感器簡介:

（1）PPT系列傳感器采用鋼膜片,帶RS—232接口,傳感器距離不超過18m,適合測量快速變化或緩慢變化的各種不易燃、無腐蝕性氣體或液體的壓力、壓差及絕對(duì)壓力，測量精度高達(dá)±0.05％。（2）它屬于網(wǎng)絡(luò)傳感器。（3）能輸出經(jīng)過校準(zhǔn)后的壓力數(shù)字量和模擬量。（4）可通過接口電路與PC機(jī)進(jìn)行串行通信。（5）有12種壓力單位可供選擇。（6）利用內(nèi)部的集成溫度傳感器來檢測傳感器溫度并對(duì)壓力進(jìn)行補(bǔ)償。（7）電源電壓的范圍是+5.5V~+30V，工作電流為15mA～30mA，工作溫度范圍是－40℃～+85℃。

2、PPT模擬量的輸出單獨(dú)使用一個(gè)PPT，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬式壓力傳感器。其最大優(yōu)點(diǎn)是不需要校準(zhǔn)即可達(dá)到高精度指標(biāo)。PPT模擬輸出與測量儀表的接線如下圖所示：

用戶既可通過數(shù)字電壓表（DVM）讀取壓力的精確值，亦可利用模擬式電壓表（V）來觀察壓力的變化過程及變化趨勢。

對(duì)PPT進(jìn)行設(shè)置后，它還能在傳送壓力數(shù)據(jù)的同時(shí)，接收來自控制處理器的閥門控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，具體接線如下圖所示，這對(duì)于壓力測控系統(tǒng)非常有用。閥門控制數(shù)據(jù)可以和壓力數(shù)據(jù)無關(guān)。3、遠(yuǎn)程模擬壓力信號(hào)的傳輸與記錄

PPT的模擬信號(hào)可直接送給記錄儀來記錄壓力波形，但在遠(yuǎn)距離傳輸模擬信號(hào)時(shí)很容易受線路干擾及環(huán)境噪聲的影響，還會(huì)造成信號(hào)衰減?？砂聪聢D連接，這種方法適用于RS━485接口，傳輸距離可達(dá)數(shù)千米。若采用RS━232接口的PPT系列傳感器，需增加驅(qū)動(dòng)器和中繼器。該方案傳輸速率快，當(dāng)波特率選28800bit/s時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸所造成的延遲時(shí)間不超過2ms。

下面是遠(yuǎn)距離傳輸?shù)脑O(shè)定指令表，假定PPT1和PPT2在同一組。

PPT與主機(jī)的接線如下圖所示，圖中D9、D25分別代表主機(jī)上的9針插座和25針插座。

4、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1）RS—232環(huán)形網(wǎng)絡(luò)

RS—232環(huán)形網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)和終點(diǎn)都在TXD、RXD和GND接口線上。其特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)接口可接多臺(tái)PC機(jī)的串行接口。具有6個(gè)PPT單元的RS—232環(huán)形網(wǎng)絡(luò)如下圖所示：

該例中，各PPT單元的ID地址是從主機(jī)接口開始按照環(huán)形順序排列的，從01開始，到06終止。兩個(gè)組地址分別為91、93，每組有3個(gè)PPT單元被分配地址。為使PPT單元能單獨(dú)接收主機(jī)指令，每個(gè)PPT單元必須有惟一的地址。一旦有幾個(gè)PPT單元設(shè)定的地址相同，那么當(dāng)主機(jī)發(fā)出該地址指令時(shí)，只有最先接收到主機(jī)的那個(gè)PPT單元能收到該指令，指令也就不再往下傳送。該網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)特點(diǎn)就是能對(duì)每個(gè)PPT單元自動(dòng)分配ID地址。例如用*99ID=1的指令將ID＝01分配到PPT1時(shí)，其余PPT的ID地址就依次遞加1。最終返回主機(jī)時(shí)它讀出的結(jié)果就變成*99ID=7，主機(jī)自動(dòng)編址為07。當(dāng)主機(jī)傳送一條組地址（*90～*98）指令時(shí)，該指令就依次傳給環(huán)路中的每個(gè)PPT單元，只有符合該組地址的PPT單元才能讀到這條指令。僅當(dāng)主機(jī)發(fā)出全局地址（*99）指令時(shí)，全部PPT單元都能響應(yīng)。2）RS―485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)

RS―485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)是以主機(jī)為起點(diǎn)、以距主機(jī)最遠(yuǎn)點(diǎn)為終點(diǎn)，它采用多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，亦稱星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)絡(luò)不僅傳輸距離遠(yuǎn)，而且在不斷開網(wǎng)絡(luò)的情況下就能增、減PPT的數(shù)目。該網(wǎng)絡(luò)最多只能連接32個(gè)PPT單元，利用中繼器可擴(kuò)展到89個(gè)PPT單元。在RS―485的始端與末端，需分別并聯(lián)一只120Ω的電阻作為匹配電阻。具有6個(gè)PPT單元的RS―485多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)如下所示。在該網(wǎng)絡(luò)中，各PPT單元的ID地址可以不按照順序排列。下面通過一個(gè)例子來介紹傳輸全局地址及分配組地址的過程：①首先傳送全局指令*99WE和*99S=00001234，這將使ID號(hào)為#00001234的PPT單元在下一條指令之前指定自己的ID號(hào)，并做好接受新指令的準(zhǔn)備。然后傳送*99WE，*99ID=02，*02WE和*02SP=ALL指令，完成設(shè)備ID的地址分配。只要在RS―485網(wǎng)絡(luò)上重復(fù)上述過程，即可完成設(shè)備ID的地址分配工作；②分配組地址：一旦設(shè)置好設(shè)備的ID，即可進(jìn)行組ID的分配。同一組中的每個(gè)PPT單元必須有一個(gè)始于01的子地址。子地址將告知每一個(gè)PPT單元在組地址指令中的響應(yīng)順序。

若要設(shè)置設(shè)備ID=02的組地址為91，子地址為01，可傳送下述命令：*02WE，*02ID=9101，*02WE，*02ISP=ALL。當(dāng)?shù)谝粭l指令傳送到第91組時(shí)，ID=02的單元就會(huì)第一個(gè)做出響應(yīng)。

§8.3.24Y4型智能化超聲波測距集成電路簡介：

4Y4是中澳合資上海雷博（LEBOK）電子有限公司繼4Y2、4Y3之后開發(fā)出的一種新型測距集成電路。它采用了超聲波測量領(lǐng)域中的多項(xiàng)新技術(shù)，具有高性能、多功能、智能化、低成本等顯著特點(diǎn)，可用于對(duì)距離進(jìn)行檢測、控制及報(bào)警。

1、4Y4的性能特點(diǎn)（1）芯片內(nèi)部有推挽式功率放大器，能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)送器，此外還有三級(jí)交流放大器及限幅電路，可直接配接收器，使外圍電路大為簡化。（2）可選擇低速測量（1次/s）、高速測量（16次/s）兩種模式。具有區(qū)間指示/LCD數(shù)字顯示/BCD碼三種輸出方式。（3）具有低電壓檢測、自動(dòng)關(guān)機(jī)、讀數(shù)保持、自動(dòng)報(bào)警、單音或復(fù)音輸出、芯片自檢等功能，操作非常簡單。（4）抗干擾能力強(qiáng)。內(nèi)部有按鈕開關(guān)防抖動(dòng)及按鈕計(jì)數(shù)電路，在操作按鈕時(shí)所產(chǎn)生的開關(guān)抖動(dòng)信號(hào)不會(huì)造成誤動(dòng)作。（5）外圍電路簡單，僅需配少量元器件即可構(gòu)成單片液晶顯示測距儀。（6）電源電壓可選＋3V，最高不超過＋6V。平均工作電流僅為140μA，但在發(fā)射過程中的瞬間電流卻可達(dá)到15mA，自動(dòng)關(guān)機(jī)之后的待機(jī)電流低至1μA。2、4Y4的工作原理

1）引腳功能

4Y4采用40腳扁平封裝，引腳排列如下圖所示。UDD、GND端分別接＋3V電源和地。ANIN為按鈕信號(hào)輸入端，內(nèi)有下拉電阻，懸空時(shí)呈低電平。L0/D0～L6/D6分別為6個(gè)區(qū)間指示/BCD碼輸出端，L0～L6所對(duì)應(yīng)的區(qū)間為0～20cm、20cm～40cm、40～60cm、60～80cm、80～100cm、100cm～120cm和120cm～140cm；而D0～D6分別對(duì)應(yīng)于第0位和第6位的BCD碼。CS為超聲波發(fā)送端，接發(fā)送器。CS2為超聲波發(fā)送端2，該端經(jīng)過電阻接CS端，對(duì)發(fā)射完超聲波以后的“余振”現(xiàn)象有抑制作用。CSN為反相輸出的發(fā)送端，它與CS端一起組成推挽式功率輸出端，該端應(yīng)接發(fā)送器外殼。IN1和IN2分別為接收放大器的輸入、輸出端，接收器就接在IN1與地之間。POP為復(fù)位/設(shè)置端。COM1、COM2為LCD上的兩個(gè)公共電極。DA0～DA3、DB0～DB3、DC0～DC3分別為顯示個(gè)位到千位的液晶筆段驅(qū)動(dòng)端。SEG1、SEG2為標(biāo)志符驅(qū)動(dòng)端。XT1、XT2分別為晶振輸入端、晶振輸出端，接455kHz壓電陶瓷濾波器。LBSET為低電壓檢測端，用于設(shè)定低電壓報(bào)警的閥值電壓。LIGHT為路燈控制信號(hào)端。BPD為門鈴控制信號(hào)輸出端。BP/LAT為音頻信號(hào)輸出/數(shù)據(jù)鎖存端，可驅(qū)動(dòng)蜂鳴器或揚(yáng)聲器。BPN/L7為音頻信號(hào)的反相輸出端/第七位的BCD碼輸出端，它采用推挽式音頻輸出電路，可輸出2.5kHz的單音，也可輸出由1.25kHz與2.5kHz混合而成的復(fù)音。2）4Y4的工作原理

4Y4的工作原理是首先發(fā)送一束超聲波，然后由接收器接收從目標(biāo)物體反射的回波信號(hào)，再利用計(jì)數(shù)器算出從開始發(fā)射直至接受到回波信號(hào)的時(shí)間間隔Δt。Δt與目標(biāo)距離成正比。

a）工作模式的設(shè)置

POP與ANIN均為三態(tài)輸入端。POP端內(nèi)部有上拉電阻，該端懸空時(shí)呈高電平，利用芯片內(nèi)部的電平監(jiān)測器可檢測出高、中、低三個(gè)電平，設(shè)置不同功能。在POP端與地之間接一只電容，即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。ANIN端的電路結(jié)構(gòu)和POP端相似，區(qū)別是內(nèi)部有一只下拉電阻，懸空時(shí)呈低電平。

b）聲隔離技術(shù)4Y4專門設(shè)置了一個(gè)靜音周期，可實(shí)現(xiàn)發(fā)送器與接收器之間的“聲隔離”。4Y4在發(fā)出一束超聲波之后并不立即進(jìn)入接收狀態(tài)，而是在靜音周期內(nèi)將發(fā)送器與接收器的全部腳對(duì)地短路，使之不起作用，這樣即可因避免發(fā)射波繞射到接收器而引起的“余振”現(xiàn)象。

3、單片液晶顯示測距儀下圖為4Y4構(gòu)成單片機(jī)液晶顯示測距儀的電路。

該儀器主要包括超聲波發(fā)送器、接收器、LCD顯示器、按鈕開關(guān)和蜂鳴器（或揚(yáng)聲器），為了簡化引線，4Y4直接焊在LCD顯示板的背面。上圖中，4Y4的第2～4腳、第8腳、第23～26腳和第28～30腳不用。R1為發(fā)送電路的限流電阻。R2～R4為接收放大器的外部元件。C3為開機(jī)自動(dòng)復(fù)位電容。晶振電路采用廉價(jià)的455kHz壓電陶瓷濾波器來代替石英晶體（JT），C1和C2為振蕩電容。SB為按鈕開關(guān)。C4為電源退耦電容。4Y4只能驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷蜂鳴器或微型訊響器，為了驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，還需要增加一級(jí)達(dá)林頓管（VT1、VT2）作為功率放大使用。R6為VT1的限流電阻。根據(jù)實(shí)際需要，4Y4還可接外部發(fā)送電路或接收電路?！?.3.3ACS750型集成電流傳感器簡介：

ACS750是美國快捷微系統(tǒng)公司（AllegroMicroSystems.Inc.)新推出的由精密線性霍爾集成電路構(gòu)成的隔離式電流傳感器。它適用于汽車及工業(yè)系統(tǒng)中的電流檢測、電機(jī)控制、過程控制、伺服系統(tǒng)、電源轉(zhuǎn)換、電池轉(zhuǎn)換、電池監(jiān)控、過電流保護(hù)等領(lǐng)域。

1、交流電流檢測技術(shù)

1）交流電流檢測技術(shù)交流電流的檢測方法主要有以下三種：

a）利用分立式傳感電阻檢測交流電流。

b）利用電流互感器（CT）測交流電流。

CT屬于不用驅(qū)動(dòng)電路的無源設(shè)備，其測量原理是根據(jù)電磁感應(yīng)定律首先將一次側(cè)電流轉(zhuǎn)換成二次側(cè)電流，然后利用交流電流表去測量二次側(cè)電流，再根據(jù)變流比換算成一次側(cè)電流值。

c）利用霍爾傳感器測交流電流（分開環(huán)、閉環(huán)兩種）。2）集成電流傳感器的名詞術(shù)語

輸出電壓靈敏度：當(dāng)一次側(cè)導(dǎo)線上的電流變化1A時(shí)所對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓變化量，被稱作輸出電壓靈敏度，其單位是mV/A。

線性度：表示滿量程時(shí)傳感器輸出電壓隨一次側(cè)電流成比例變化的程度。

準(zhǔn)確度：表示實(shí)際輸出電壓與理想情況下輸出電壓的最大偏差，即測量的總誤差。靜態(tài)輸出電壓：是指當(dāng)一次側(cè)電流為零時(shí)傳感器的輸出電壓值，其標(biāo)稱值應(yīng)等于電源電壓的一半。

偏移量：它是磁滯現(xiàn)象而引起的輸出偏移量，又稱作磁滯誤差。

2、ACS750型集成電流傳感器的原理與應(yīng)用簡介：

ACS750又分ACS750LCA－075、ACS750ECA－100兩種產(chǎn)品，二者可檢測的最大電流分別為±75A（＋150℃）、±100A（＋85℃）。

1）性能特點(diǎn)

a）屬于工作在開環(huán)狀態(tài)下的精密線性霍爾集成電路，內(nèi)含霍爾元件和信號(hào)調(diào)理器，其輸出電壓與一次側(cè)電流成正比，可直接配數(shù)字電壓表測量電流。

b）具有自校準(zhǔn)和電流隔離功能，使用時(shí)不需要對(duì)增益及偏移量進(jìn)行微調(diào)。

c）輸出電壓靈敏度為19.75mV/A，輸出阻抗為1Ω（均為典型值）。

d）超低功耗其一次側(cè)的電流檢測電阻僅為120μΩ，即使測量100A的大電流，所產(chǎn)生的功耗僅為12mW。

e）可靠性高，安全性好在一次側(cè)與二次側(cè)之間可承受2.5kV的絕緣測試電壓。

f）采用＋5V電源供電，電源電壓的允許范圍是＋4.5V～+5.5V。電源電流的典型值為7mA，最大不超過10mA。ACS750LCA－075的工作溫度范圍是－40℃～＋50℃。ACS750ECA－100的工作溫度范圍是－40℃～＋85℃，其外形尺寸為10mm×13mm×7mm。

2）原理與應(yīng)用

ACS750的外形如右圖。

UCC、GND分別為電源端和地。U0為電壓輸出端。IP＋與IP－為一次側(cè)引腳，測量電流時(shí)這兩腳應(yīng)串入被測線路中。下圖是ACS750的內(nèi)部電路框圖及典型應(yīng)用。

上圖中，芯片包含一次側(cè)的電流檢測電阻RSENSE，二次側(cè)的霍爾元件，自動(dòng)補(bǔ)償電路、前置放大器（A1）、濾波器和輸出電流放大器（A2）。開環(huán)霍爾電流傳感器是由磁心和放置在磁心開口空氣隙上的霍爾元件所組成的。當(dāng)載流導(dǎo)線穿過磁心中心孔時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)與導(dǎo)線電流成比例的磁場。ACS750含有溫度補(bǔ)償電路，它輸出一個(gè)經(jīng)過校正的電壓，在輸出端與地之間可接一塊10V量程的3位半交流數(shù)字電壓表（DVM）。在不同溫度下，一次側(cè)電流與輸出電壓地關(guān)系曲線如下圖。該圖分別繪出了當(dāng)環(huán)境溫度分別為＋25℃、＋85℃和＋150℃時(shí)的三條曲線。由圖所見，在－80A～＋85A的測量范圍內(nèi)這三條曲線基本重合，并且U0與I呈線性關(guān)系?！?.3.4AD693型多功能傳感信號(hào)調(diào)理器簡介：

AD693是ADI公司推出的一種單片信號(hào)調(diào)理電路，它具有高精度、多功能的特點(diǎn)。其用途十分廣泛，使用也非常靈活，不僅可用作小信號(hào)U/I轉(zhuǎn)換器，還可以作為各種傳感器的信號(hào)調(diào)理電路。AD693適用于傳感測量系統(tǒng)、工業(yè)過程控制及自動(dòng)化儀表領(lǐng)域。AD693的同類產(chǎn)品為AD694，AD694適合接收高電平輸入信號(hào)，但芯片內(nèi)部沒有備用放大器。

1、AD693的性能特點(diǎn)

1）內(nèi)含可編程輸入放大器、U/I轉(zhuǎn)換器和多路輸出式基準(zhǔn)電壓源。

2）輸出電流有三種形式：4mA～20mA（單極性），0～20mA（單極性），12mA±8mA（雙極性）。

3）輸入電壓范圍和電流零點(diǎn)均可單獨(dú)調(diào)節(jié)，二者互不影響。

4）高精度。電流調(diào)零前的總誤差為±0.25％，非線性誤差低于±0.05％。經(jīng)過調(diào)零后的總轉(zhuǎn)換誤差小于±0.1％。

5）利用芯片中的放大器，可對(duì)由鉑熱電阻（PRTD）、各種熱電偶及電阻應(yīng)變片橋路所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理（包括緩沖、放大、與其他信號(hào)進(jìn)行組合等）。

6）帶Pt100型PRTD接口，配鉑熱電阻時(shí)的測溫誤差為±0.5℃。

7）利用外部電阻可選配不同類型的熱電偶并設(shè)定最高測量溫度。8）具有過電流保護(hù)和反向過電壓保護(hù)功能。當(dāng)環(huán)路電流接近25mA時(shí)能自動(dòng)限流。當(dāng)反向電壓通過電流環(huán)施加到AD693的輸出端時(shí)，內(nèi)部二極管能起到鉗位保護(hù)作用。

9）AD693通常由環(huán)路電源供電，特殊情況下也可由本地電源單獨(dú)供電。2、AD693的工作原理

左圖為AD693的引腳排列及內(nèi)部電路框圖。其中ZERO為U/I轉(zhuǎn)換器的調(diào)零端。UI＋和UI－分別接輸入電壓的正端和負(fù)端。

OUT＋、OUT－依次為輸出電流的正端和負(fù)端。

BOOST為升壓端，該端接USREF端時(shí)可為基準(zhǔn)電壓提供一個(gè)高于＋6.2V的輔助電源。

COM為信號(hào)地?！?00Ω”端為Pt100型鉑熱電阻的接口端。75mV、150mV是分壓器輸出的兩路標(biāo)準(zhǔn)電壓。

＋AUX、－AUX分別為備用放大器的同相輸入端、反相輸入端。

IX和UX為備用放大器輸出級(jí)的引出端，從IX端可輸出電流信號(hào)，將UX端接上負(fù)載可輸出電壓信號(hào)。

1）可編程輸入放大器該放大器是一個(gè)儀表放大器，簡稱為輸入放大器。它有兩個(gè)作用，一是進(jìn)行緩沖放大，二是來設(shè)定輸入電壓范圍。改變P1、P2的接線方式就能調(diào)整A1的增益，進(jìn)而設(shè)置輸入電壓范圍。能設(shè)定不同4種輸入電壓范圍的4種電路圖如下：a）電路如（a）圖所示時(shí)，對(duì)應(yīng)于4mA～20mA輸出電流范圍，輸入電壓范圍UI＝0～60mV；對(duì)應(yīng)于0～20mA輸出電流范圍，UI＝0～75mV。

b）電路如（b）圖所示時(shí)，當(dāng)輸入600mV電壓時(shí)，可得到滿度為20mA的電流范圍。

c）電路如（c）圖所示時(shí)，假定用戶所期望的輸入電壓最大值為S，利用下式可計(jì)算出RG1的電阻值，RG1＝400/(30/S－1)；式中S的單位是mV，RG1的單位是Ω。

d）電路如（d）圖所示時(shí)，RG2可由下式確定，RG2＝400×(1－60/S)/(30/S－1)；一般要求RG2≥200Ω。需要指出，內(nèi)部增益電阻Ra和Rb的允許誤差均為±10％，為使輸入電壓范圍嚴(yán)格符合要求，需要調(diào)整RG1和RG2的值。Ra和Rb的值可從相應(yīng)的引腳上測出。此外Ra

、Rb的電阻溫度系數(shù)僅為－17×10-6/℃，這就要求RG1和RG2必須選用低溫度系數(shù)的精密金屬膜電阻。

2）U/I轉(zhuǎn)換器

U/I轉(zhuǎn)換器屬于跨導(dǎo)放大器，其跨導(dǎo)標(biāo)稱值為0.2666S（S代表西門子，1S＝1A/V），顯然當(dāng)UI＝75mV時(shí)，IO＝75mV×0.2666A/V＝20mA。

U/I轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還有一個(gè)限流比較器，能將環(huán)路電流限制在±25mA以下。

3）基準(zhǔn)電壓及精密分壓器芯片內(nèi)部有高穩(wěn)定度的＋6.2V帶隙基準(zhǔn)電壓源和經(jīng)過激光修正的精密電阻分壓器。利用基準(zhǔn)電壓源可為U/I轉(zhuǎn)換器提供偏置電壓，用來調(diào)節(jié)輸出電流的零點(diǎn)，還可用作外部傳感器的激勵(lì)。

分壓器是由精密電阻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的，只需將分壓器上的某個(gè)抽頭接至調(diào)零端（ZERO），即可獲得相應(yīng)的輸出偏置電流。校準(zhǔn)偏置電流的電路如下圖所示，RZ1和RZ2為校準(zhǔn)電阻。假定校準(zhǔn)范圍是IA，校準(zhǔn)4mA偏置電流時(shí)可分別用下式計(jì)算RZ1和RZ2值：，。

當(dāng)校準(zhǔn)12mA偏置電流時(shí)，RZ1

、RZ2的計(jì)算公式如下：

4）備用放大器及輸出級(jí)備用放大器（A2）是專為擴(kuò)展AD693的功能而設(shè)置的一個(gè)輔助放大器，可對(duì)傳感信號(hào)進(jìn)行U/I轉(zhuǎn)換或T/I轉(zhuǎn)換，把被測量（電壓、溫度等）轉(zhuǎn)換為4mA～20mA的電流信號(hào)，以便于遠(yuǎn)距離傳輸。其輸出級(jí)采用高增益的達(dá)林頓管，IX、UX端分別接集電極與發(fā)射極。IX可作為高阻抗電流源，給傳感器提供750μA～1.5mA的驅(qū)動(dòng)電流，若在UX端與地之間接上負(fù)載R，即可獲得電壓信號(hào)。

3、AD693的典型應(yīng)用

1）典型應(yīng)用由AD693構(gòu)成0～＋30mV單極性輸入、4mA～20mA輸出的電路如下圖所示。

上圖中環(huán)路電源US的允許范圍是＋12V～＋36V。RL為電流環(huán)中的負(fù)載電阻，ILOOP為環(huán)路電流。實(shí)際加到AD693上的電源電壓（UOP）為：UOP

＝US

－ILOOPRL

。不使用本地電源時(shí)，＋6.2V基準(zhǔn)電壓源與地之間需接6.2kΩ電阻，將基準(zhǔn)電壓源的負(fù)載電流設(shè)定為1mA。C為電源退耦電容。

2）電源電壓的選擇采用環(huán)路電源供電時(shí)，最大負(fù)載電阻（RLMAX）與環(huán)路電壓（ULOOP）的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖所示。且二者關(guān)系式如下：3）降低芯片功耗的方法在AD693內(nèi)部以輸出晶體管VT1的耗電量為最大，必要時(shí)可采用并聯(lián)外部功率管的方法來降低其功耗，具體電路如下圖。VT2可選用2N1711型或2N2219A型NPN功率管，其基極接OUT－端，集電極接BOOST端。要求功率管的截止頻率fT＝10MHz～100MHz，交流電流放大系數(shù)β>10。2N1711和2N2219A的主要參數(shù)為UCEO＝75V，ICM＝0.8A，PCM＝0.8W。

4、AD693在電子測量儀器中的應(yīng)用

1）鉑熱電阻信號(hào)調(diào)理電路鉑熱電阻是常用的測溫傳感器，其電阻值RT與溫度呈線性關(guān)系。AD693帶Pt100型鉑熱電阻接口，能直接配置成PRTD信號(hào)調(diào)理器，電路如下圖所示。Pt100在0℃時(shí)的電阻值為100Ω，單位溫度下的電阻變化率TCR＝0.00385Ω/℃。該電阻能將0～＋104℃范圍內(nèi)的溫度轉(zhuǎn)換成4mA～20mA的電流，完成溫度/電流（T/I）轉(zhuǎn)換。AD693可設(shè)定6種不同的測溫范圍，以滿足不同用戶的需要，詳見下表。測溫范圍℃需要短接的引腳0～＋1400～＋211＋25～＋130＋51～＋266－50～＋51－100～＋104第12腳－第13腳第12腳－第13腳，第15腳－第16腳第12腳－第14腳第12腳－第14腳，第15腳－第16腳第12腳－第11腳第12腳－第11腳，第15腳－第16腳

這里需要指出的是，A1的增益越高，輸入電壓范圍及測溫范圍就越窄。例如將A1的增益從原來的2倍改變成4倍時(shí)，4mA～20mA的輸出電流所對(duì)應(yīng)的測溫范圍就減小到0～＋52℃，這恰好是0～＋104℃的一半。此外，改變A1的參考電壓還可選擇其他的測溫范圍。舉例說明，在第3腳與第6腳之間接一只1.5KΩ的電阻，就能將參考電壓降低一半，使測溫范圍擴(kuò)大一倍。反之，在第14腳與第13腳之間接上電阻，即可提高參考電壓，縮小測溫范圍。2）帶冷端溫度補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y溫電路由AD693和AD592構(gòu)成的帶冷端溫度補(bǔ)償?shù)臒犭娕紲y溫電路，如下圖所示。

該電路有以下特點(diǎn)：

a）適配各種類型的熱電偶；

b）利用一片AD592型電流輸出式集成溫度傳感器進(jìn)行冷端溫度補(bǔ)償，AD592的電流溫度系數(shù)為1μA/K；

c）能將熱力學(xué)溫度（K）轉(zhuǎn)換成攝氏度（℃），再變換成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)以便于遠(yuǎn)距離傳輸；

d）能夠靈活地設(shè)定測溫范圍。RP為調(diào)零電位器。

R1、R3的電阻值應(yīng)視熱電偶類型及環(huán)境溫度而定，詳見下頁的表。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的毫伏－溫度對(duì)照表以及AD693的輸入電壓量程（30mV或60mV），可選擇更合適的測溫范圍。例如，當(dāng)最高溫度為＋300℃時(shí)，可選擇K型熱電偶。它在＋300℃時(shí)的熱電勢為12.207mV。將輸入電壓量程設(shè)定為60mV時(shí)，A1的增益應(yīng)為60mV/12.207mV＝4.915倍。將電阻RG2與500Ω電位器串聯(lián)后，接在P1端與＋6.2VREF端之間，以便于對(duì)增益進(jìn)行調(diào)節(jié)。

熱電偶類型極性材料環(huán)境溫度/℃R1/ΩR3/kΩ最高測量溫度/℃30mV量程60mV量程JKET＋－＋＋＋－－－金屬銅鎳合金鎳鉻合金銅鎳合金鎳鉻合金鎳鋁合金銅銅鎳合金252525257575757551.753.640.242.260.464.940.245.3301294392374261k243k3923405461035721－413287用于增益大于2的情況熱電偶測溫電路的元件及參數(shù)選擇3）AD693在應(yīng)變儀中的應(yīng)用

AD693可以配電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)變儀，用于測量應(yīng)力，如下圖。

上圖中測量電路中包含4個(gè)350Ω的鉑式應(yīng)變片，其靈敏度為2mV/V。RP1和RP2分別為零點(diǎn)調(diào)節(jié)和滿度調(diào)節(jié)電位器。應(yīng)變儀測量電路的工作原理：將應(yīng)變片固定在被測試件表面上，當(dāng)試件受到外力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生形變，使得應(yīng)變片的電阻值改變。在一定范圍內(nèi)電阻值的變化率與電阻絲長度的變化率（即應(yīng)變值）成正比。通常是由應(yīng)變片構(gòu)成測量橋路，當(dāng)試件受力發(fā)生形變時(shí)，測量電橋的平衡被破壞而產(chǎn)生輸出電壓Δu，再經(jīng)過AD693進(jìn)行U/I轉(zhuǎn)換，最終獲得與應(yīng)變值成正比的4mA～20mA電流信號(hào)。

§8.3.4APMS—10G型帶微處理器的智能混濁度傳感器簡介：混濁度（turbidity）亦稱不透明度，它表示水或其他液體的不透明度。當(dāng)單色光通過含有懸浮粒子的液體時(shí)，由于懸浮粒子引起光的散射，使單色光的強(qiáng)度被減弱，其衰減量就代表液體的混濁度?；鞚岫仁莻€(gè)比值，其單位用NTU來表示。測量混濁度對(duì)于環(huán)境保護(hù)和日常生活具有重要意義。測量混濁度的方法是采用濁度儀（turbimeter），又稱濁度計(jì)。傳統(tǒng)濁度儀的測試性能較差，無法滿足現(xiàn)代測量的需要。而美國霍尼韋爾（Honeywell）公司推出了APMS－10G型帶微處理器和單線接口的智能化混濁度傳感器，能同時(shí)測量液體的混濁度、電導(dǎo)和溫度，適合構(gòu)成多參數(shù)在線檢測系統(tǒng)，可廣泛用于水質(zhì)凈化，清洗設(shè)備及化工、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等部門。

1、APMS—10G的性能特點(diǎn)

1）內(nèi)部主要包含混濁度傳感器、電導(dǎo)傳感器、溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器（μP）和單線I/O接口，能直接測量液體的混濁度、電導(dǎo)及溫度并轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出。

2）它屬于基于軟件的虛擬傳感器，需要使用Honeywell公司提供的專用軟件來完成檢測任務(wù)（不包括控制）。

3）可通過9腳RS－232接口與計(jì)算機(jī)相連，計(jì)算機(jī)為主機(jī)，傳感器則工作在從機(jī)模式。通信速率為2400b/s。

4）混濁度的測量結(jié)果就表示散射光強(qiáng)與發(fā)射光強(qiáng)之比，輸出比率范圍是0～4000NTU（所對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)為0.03～10），響應(yīng)時(shí)間為1.3s。測量電導(dǎo)的范圍是0.0001mS～15mS（所對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)為4～255），mS表示毫西門子。所對(duì)應(yīng)的電阻值為10MΩ～1kΩ。測量電導(dǎo)的響應(yīng)時(shí)間為0.85s。測量混濁度及電導(dǎo)的誤差均為±3個(gè)字。測量溫度的范圍是＋68℉～＋140℉（即＋20℃～＋60℃），重復(fù)性誤差小于±4℉，響應(yīng)時(shí)間為0.03s，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為4min。

5）利用傳感器內(nèi)部的增益自動(dòng)控制電路，能消除因紅外光源亮度發(fā)生變化或傳感器外殼被氧化所造成的測量誤差。

6）采用＋8V～＋30V直流電源供電，電源電流為16mA（典型值）。

7）該產(chǎn)品有三種規(guī)格：APMS－10GRCFAPMS－10GRCF－50APMS－10GRCF－18。2、APMS—10G的測量原理

APMS－10GRCF的引腳排列如下圖所示。

其中UCC和GND分別為電源端和地，I/O為單線輸入/輸出接口。APMS－10GRCF的內(nèi)部框圖如下圖所示。1）測量混濁度的原理測量混濁度的原理如下圖所示。將傳感器的正面浸入被測液體，使液體進(jìn)入凹槽中。采用波長為925nm的紅外發(fā)光二極管（LED）做光源，由紅外LED驅(qū)動(dòng)控制電路使之發(fā)射紅外光。紅外光穿過液體射到發(fā)射光探測器上。

由于散射光探測器與發(fā)射