引言
在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，前級放大器的零點(diǎn)漂移是探測誤差的主要來源，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(nèi)可靠的工作，其零點(diǎn)的溫漂范圍很大，是很難采用簡單的軟件修正和硬件補(bǔ)償技術(shù)完全解決的。本文介紹利用C8051F007單片機(jī)，在進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集和處理的同時，通過片上DAC對前級放大器進(jìn)行零點(diǎn)自動調(diào)整，采用“軟硬兼施”的閉環(huán)調(diào)整方法，補(bǔ)償了系統(tǒng)的零點(diǎn)漂移。
根據(jù)本課題的特點(diǎn)，由于環(huán)境溫度變化的速度十分緩慢，當(dāng)采集時間相對環(huán)境溫度變化較短時，可以認(rèn)為在采集過程中零點(diǎn)的漂移量是相對固定的。那么，當(dāng)傳感器差動放大器的輸入端上產(chǎn)生零點(diǎn)漂移時，我們可以在非數(shù)據(jù)采集時間內(nèi)動態(tài)地調(diào)整放大器的輸出參考點(diǎn)，抵消掉零點(diǎn)漂移帶來的影響。
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，
VR是與被測量物理量直接相關(guān)的電壓，要通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。VZ是零點(diǎn)電位，從長時間來看，VZ往往是隨環(huán)境溫度緩慢變化的，但在較短的采集時間內(nèi)，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補(bǔ)償電壓VN，并且使VN=VZ，將VS和VN輸入到一個差模放大器的兩輸入端。設(shè)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會隨時間緩慢變化，我們無法時刻做到VN=VZ。而一旦VN≠VZ，輸出就會產(chǎn)生零點(diǎn)誤差(VZ-VN)G，尤其是在G很大的時候，誤差會十分明顯。
根據(jù)探測現(xiàn)場的實(shí)際情況，平時無列車通過，探頭暫停采集的時候，我們可以利用ADC不停地捕捉零點(diǎn)漂移，并通過DAC輸出補(bǔ)償電壓VN，隨時去掉零點(diǎn)誤差。而當(dāng)列車通過探頭的時間內(nèi)，單片機(jī)停止校正并鎖存DAC調(diào)零輸出，探頭以此刻DAC調(diào)整的輸出狀態(tài)作為探測零點(diǎn)開始進(jìn)行工作。
主要器件介紹
儀表放大器AD620
儀表放大器是一個雙端輸入的差動放大器，除了高精度，高穩(wěn)定性的特點(diǎn)外，其輸出零點(diǎn)參考電壓可以通過REF管腳的電壓任意設(shè)置，這就為我們調(diào)整零漂提供了可能。
AD620的輸入端有著高達(dá)109Ω的輸入阻抗；輸入失調(diào)電壓30uV，輸出失調(diào)電壓400uV。輸入偏置電流很低，通常在0.5nA最高不超過2nA；增益為100時，增益誤差0.15%；增益100時的共模抑制比高達(dá)130dB；輸入噪聲
，輸出噪聲
。除此以外，AD620的溫度穩(wěn)定性也十分優(yōu)異：增益大于1時，增益的溫度系數(shù)為-50ppm，輸入失調(diào)電壓和輸出失調(diào)電壓的平均溫度系數(shù)分別為0.3uV/℃和5.0uV/℃。
與通用運(yùn)放不同的是，通用運(yùn)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(nèi)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，有專門用來連接增益設(shè)置電阻的引腳。AD620通過接在1、8腳之間的電阻來設(shè)置增益大小，增益G與增益設(shè)置電阻之間的關(guān)系如公式1。
一般通用運(yùn)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。通過在輸出參考引腳施加不同的電壓可以設(shè)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。
C8051F007單片機(jī)
本設(shè)計(jì)方案需要用到高速M(fèi)CU和高精度ADC、DAC，Silicon Laboratories公司的高性能單片機(jī)C8051F007正好滿足這一需要。該單片機(jī)集成了8051內(nèi)核，但時鐘頻率更高，處理能力更強(qiáng)。片上集成8通道12位ADC和2個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(diào)整。比用分離元件既提高了可靠性，又簡化了電路，也降低了成本。
片上集成DAC
C8051F007片上集成的兩個DAC使用方法十分簡單，DAC可以用單片機(jī)內(nèi)部提供的2.43V參考電壓，也可以外部提供。我們在這里使用內(nèi)部參考電壓。參考電壓配置寄存器是REF0CN，地址是0xD1。無論使用DAC0還是DAC1，都需要將寄存器的0、1位置“1”。
在本應(yīng)用中，bit2到bit0設(shè)置成“000”，也就是12位轉(zhuǎn)換數(shù)值的MSB到LSB存在DAC0H的bit3到DAC0L的bit0。
DAC1的設(shè)置過程與DAC0相同，不再贅述。
片上集成ADC
C8051F007片上集成了一個8通道12位ADC。8個通道既可以單獨(dú)設(shè)置成單通道，也可以兩兩設(shè)置成雙端差動采集。在ADC的輸入端還有一個前端放大器，放大倍數(shù)可以編程。ADC參考電壓可以外部提供，也可以使用內(nèi)部參考電壓。內(nèi)部參考電壓2.43V。可以選擇多個ADC轉(zhuǎn)換開啟信號。
ADC使用前，也要先設(shè)置參考電壓，內(nèi)部參考電壓的設(shè)置過程可以參考DAC。
接著設(shè)置ADC的輸入方式寄存器AMX0CF(地址0xBA)和通道選擇寄存器AMUX0SL(0xBB)。8個輸入通道兩兩分成一組(通道0和通道1、通道2和通道3、通道4和通道5、通道6和通道7)。AMX0CF的bit0到bit3可以分別設(shè)置這四組輸入的方式。置“1”將該組兩個輸入設(shè)置成雙端輸入方式，清0則該組兩通道各自為單端輸入方式。AMUX0SL的bit3到bit0為輸入端口選擇位，控制多路器是外部某一輸入端口與ADC相連。具體設(shè)置方式可以參考C8051F007的數(shù)據(jù)手冊。
寄存器ADC0CF，用來設(shè)置ADC的轉(zhuǎn)換速率和輸入增益。地址0xBC，復(fù)位初始數(shù)值0x60，表1給出了寄存器ADC0CF的配置說明。
- Bit7- Bit 5： ADC轉(zhuǎn)換時鐘設(shè)定，通過設(shè)定000至1xx來控制ADC的轉(zhuǎn)換周期分別為1、2、4、8和16倍時鐘。
- Bit4- Bit 3： 無用
- Bit2- Bit 1： ADC內(nèi)部前置放大器增益設(shè)置，通過設(shè)定000至1xx來控制放大器分別為1、2、4、8和16倍的增益。
- ADC0CN寄存器，用于控制ADC的各種轉(zhuǎn)換功能。地址0xE8，復(fù)位初始數(shù)值0x00，表2給出了ADC0CN寄存器的配置說明
- Bit7： ADC開啟位
- 0：ADC進(jìn)入掉電狀態(tài)
- 1：ADC進(jìn)入激活狀態(tài)，可以隨時進(jìn)行轉(zhuǎn)換
- Bit6： 采樣跟蹤模式設(shè)定
- 0：在下一次采樣之前，ADC一直在跟蹤
- 1：按照ADSTM1-0(Bit3-2)設(shè)定的方式跟蹤 ADSTM1-0(Bit3-2)
- 00：向ADBUSY寫入1時開始跟蹤，需要3個轉(zhuǎn)換周期
- 01：定時器3溢出開始跟蹤，需要3個轉(zhuǎn)換周期
- 10：管腳CNVTS上升沿開始跟蹤，需要3個轉(zhuǎn)換周期
- 11：定時器2溢出開始跟蹤，需要3個轉(zhuǎn)換周期
- Bit5： 轉(zhuǎn)換完成中斷標(biāo)志
- 0：自上次中斷標(biāo)志清除后，沒有轉(zhuǎn)換完成
- 1：ADC完成一次轉(zhuǎn)換
- Bit4： ADC忙碌位
- 讀：
- 0：轉(zhuǎn)換完成或自復(fù)位后無轉(zhuǎn)換；當(dāng)中斷開啟時，該位由1變到0時觸發(fā)中斷
- 1：ADC正在忙于轉(zhuǎn)換
- 寫：
- 0：無效果
- 1：如果ADSTM1-0(Bit3-2)=00b時，觸發(fā)一次轉(zhuǎn)換
- Bit3-2： 轉(zhuǎn)換觸發(fā)模式：
- 00：向ADBUSY寫1觸發(fā)轉(zhuǎn)換
- 01：定時器3溢出觸發(fā)
- 10：管腳CNVTS上升沿觸發(fā)
- 11：定時器2溢出觸發(fā)
- Bit1： 窗口比較中斷標(biāo)志(軟件清零)
- 0：窗口比較不滿足匹配條件
- 1：窗口比較滿足匹配條件
- Bit0： 數(shù)據(jù)寄存器左對齊設(shè)置位
- 0：數(shù)據(jù)寄存器右對齊
- 1：數(shù)據(jù)寄存器左對齊
零漂校正過程
首先我們設(shè)定在某一環(huán)境下，探頭輸出沒有零點(diǎn)漂移，那么根據(jù)公式2，我們得到初始狀態(tài)儀表放大器輸出為(V+-V-)G+VREF。DAC0輸出中點(diǎn)電位1.2V，即VREF=1.2V。我們可以調(diào)節(jié)放大器反相輸入端的可調(diào)電位器，使放大器輸出電壓VC，該電壓在零到ADC最大采集電壓之間，略高于0V即可，這樣為的是使ADC可以采集到放大器輸出在這個電壓上下變化的情況。由于ADC不能采集0V以下的電壓，所以該電壓不能選擇0V。在這里我們選擇0.5V，太高了會縮小電壓采集的范圍。此時
當(dāng)環(huán)境改變時，設(shè)此時傳感器產(chǎn)生零點(diǎn)漂移為DVS。放大器輸出(V+-V-)G+DVSG+VREF，零點(diǎn)漂移DVS·G。此時通過ADC采集放大器輸出電壓，如果輸出大于VC，則減小DAC0的輸出，即減小VREF；相反，如果輸出小于VC，則增大DAC0的輸出，即增大VREF，這樣如此采集－>調(diào)整－>采集.......使放大器輸出電壓穩(wěn)定在
。
比較式3和式4可以看出，我們完全是靠DAC0的變化量DVREF將DVS·G抵消掉。
消除零點(diǎn)漂移是一個逐漸逼近的過程，每次逼近的步長可以通過軟件設(shè)定，但由于受到DAC分辨率的影響，最小步長是DAC的1LSB代表的電壓，所以我們最小只能將零漂控制在0到最小步長之間。受DAC輸出范圍的限制，初始時DAC0輸出1.2V，若設(shè)此時的零漂為VD(通常我們認(rèn)為是零)，那么，我們能夠調(diào)節(jié)的最大零點(diǎn)漂移范圍是[VD-1.2/G，VD+1.2/G]。當(dāng)單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘為16M時，完成一個采集，調(diào)整的周期最多用數(shù)百uS。列車通過時間一般在十分鐘以內(nèi)，在此時間內(nèi)完成的數(shù)據(jù)采集，對緩慢的零點(diǎn)漂移來說影響是不大的。
硬件、軟件實(shí)現(xiàn)
放大器零點(diǎn)校正的硬件原理圖如圖1所示。
儀表放大器的同相輸入端接紅外傳感器輸出電壓；反相輸入端輸入調(diào)零電壓。放大器1、8腳間接入增益設(shè)置電阻。5腳的參考電壓輸入，連接單片機(jī)C8051F007片上DAC0的輸出，通過DAC的輸出來自動校正放大器的零點(diǎn)。實(shí)際電路中VREF也可通過電位器分壓來取得調(diào)整電壓，以提高調(diào)整細(xì)度。放大器輸出電壓經(jīng)AIN0送至單片機(jī)片上的ADC轉(zhuǎn)化為數(shù)字量。
單片機(jī)C語言編程框圖如圖2所示。
系統(tǒng)在不采集傳感器輸出電壓的時候自身進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)零，先將放大器參考點(diǎn)電壓設(shè)置為0.5V，也就是讓DAC0輸出0.5V。然后采集放大器的輸出電壓，如果輸出電壓大于0.5V，可以減小參考電壓抵消漂移；相反，如果輸出電壓小于0.5V，說明有負(fù)向零點(diǎn)漂移產(chǎn)生，則要增大參考電壓抵消漂移。
結(jié)語
根據(jù)儀表放大器的輸出公式我們可以看出，當(dāng)放大倍數(shù)很高時，零點(diǎn)漂移也會同時被放大。這樣，如果零點(diǎn)漂移本身范圍過大時，有可能超出DAC的調(diào)節(jié)范圍。通常有效調(diào)節(jié)零漂的跨度要略小于DAC的輸出范圍，可在DAC輸出范圍的兩頭各劃出一段數(shù)據(jù)區(qū)作為超限標(biāo)志。程序中每次調(diào)節(jié)DAC0輸出后，要隨時檢測被轉(zhuǎn)化數(shù)字量的大小，一旦發(fā)現(xiàn)DAC輸出值超出調(diào)節(jié)范圍，可以及時對外發(fā)出超限警告。
實(shí)際設(shè)計(jì)中，零點(diǎn)的調(diào)整只是解決本傳感器的一個問題，其它例如不同環(huán)溫下的非線性問題還需要另行解決，好在采用C8051F007高性能單片機(jī)，其功能和速度均可同時滿足上述要求。
參考文獻(xiàn)：
1 .C8051F00x datasheet http://www.silabs.com/public/documents/tpub_doc/dsheet
2.AD620 datasheet http://www.analog.com/UploadedFiles/Data_Sheets/897653854AD620_g.pdf
3.王鐵流等，“紅外軸溫監(jiān)測系統(tǒng)中列車信號的計(jì)算機(jī)模擬”，《電子技術(shù)應(yīng)用》，1995.9