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硬件调试电路要点

1.1 硬件电路调试
1.1.1 调试要点
在印制板元器件的焊接过程中,对于精密器件 OPA129 的焊接要特别注意, 需要一定的技巧。在焊接时,用棉花蘸酒精,通过镊子环绕紧贴在 OPA129 管脚 上, 使用恒温烙铁, 并且调节降低电烙铁的温度, 这样可以降低器件的焊接温度, 避免因温度过高而损坏芯片。 电路板焊接完毕,接下来就对电路进行调试。调试过程主要步骤如下: 首先,在装上芯片之前,先用万用表测试各个芯片供电以及接地引脚的电压 是否正常。当全部正常时,才能装上芯片。对于单片机板上带有 DC-DC 电压转 换电路,应先检查电压转换输出是否正常。 其次,调节各个运算放大器的失调电压,以减小系统的误差。调节失调电压 的具体方法是:使输入信号为零,调节调零电位计的电阻,尽可能使芯片的输出 为零。当调节到各个芯片的输出为零时,也就达到了调节失调电压的目的。 再次,调试电路各级电路工作是否正常,是否达到预计要求的波形。在调试 前级电路时,后级电路的芯片暂时不安上,防止由于前级电路工作不正常,导致 后级电路芯片的损坏。 最后,整个电路工作,直接通过示波器观察输出信号波形,长时间运行,以 检验系统的稳定性。 50Hz 的陷波器应设计成 Q 值可调的, 便于调试。 电路通过调节 POT01 电位 计来调节陷波器的 Q 值,使陷波器对 50Hz 工频干扰的衰减达到最好的效果,即 尽可能使 50Hz 的峰—峰值趋向于零。 在试验中可以发现当 POT01 的上下两端电 阻(见图 3.14)RA/RB≈23.2K/1.8K 时,陷波器的陷波效果是最好的。 然后调试低通、高通滤波、PGA 的放大电路以及 OP07 射级输出,不断调节 PGA 放大电路的增益倍数, 然后用示波器观察 OP07 射级输出, 看是否符合设计 要求。 电路连接完毕之后,观察输入级没有信号输入(即空管)时 OP07 的输出情 况,结果如图 5.9 所示。当有信号输入时,波形开始围绕着零点上下波动,与零 输入信号时相比较,50Hz 的工频干扰信号的峰—峰值没有发生什么变化,即使 长时间工作或者输入信号强的时候,都不会发生阻塞现象,这说明输入级的抗阻

塞电路是很有效的。 由调试出来的波形可以看出,电路工作正常,但是当增益调到 8000 倍时, 在粉尘流速较大或通过粉尘浓度较大时就容易出现饱和现象。另一方面,50Hz 工频干扰及其奇次谐波(主要为 150Hz)的干扰能够串入系统,由于 PGA 的放 大电路的增益较大,使这些干扰的峰—峰值在电路的输出端过大而出现饱和。这 种情况应该从根本上解决,加强屏蔽措施,设计好滤波电路。否则 PGA 放大倍 数不可过大(50Hz 干扰易出现饱和) ,对微弱的有效信号测量将无能为力,也就 是降低测量系统的灵敏度。

图 5.9 无输入信号时的输出波形 Fig.5.9 Empty-duct output

1.1.2 出现问题及解决方法
1.1.2.1 工频干扰 在调试中出现 50Hz 及其谐波 150Hz 的工频干扰信号。断开后级电路,观察 本级电路的输入和输出信号,整个电路检查下来往往每级电路输出都有 50Hz 的 干扰信号。分析干扰进入的途径,最后得出结论是由于系统没有接大地,或者接 上了但是接触不好。因此保证系统接上大地是整个系统正常工作,不出现 50Hz 的工频干扰的关键。 通过检查各级电路,没有发现 150Hz 干扰信号的起始路径。最后把电路与 电源断开,单独检查电源的输出,发现电源有 150Hz 的信号输出。 由于 150Hz 的干扰信号在有效信号的频带之内,而且其产生的只和电源有 关系而和电路没有关系,因此需要把电源的输出含有的 150Hz 消除。先考虑在 电源给电路供电的前,加一个滤波电路,滤除 150Hz 的干扰信号,但是这个陷

波电路不好调试而且设计比较复杂。因此考虑换电源,把电源换成其输出没有 150Hz 的干扰信号。 1.1.2.2 阻塞问题 在整个调试过程中,PGA 电路和前置输入级(OPA129)这两级经常出现饱 和阻塞现象。通过实验分析其原因有: (1)在粉尘流速过大、通过管道的粉尘浓度过大、有较大的直流信号、较 大干扰串入系统,而 PGA 的放大电路的增益比较大,能达到 8000 倍,故很容易 出现饱和现象。 (2)前级 OPA129 为同相电压跟随方式,当输入过大时,极易产生阻塞现 象,因此也就造成了后级电路的饱和,无法正常工作。 针对第一条原因,加强系统的屏蔽接地措施,通过单片机自动调整 PGA 的 增益就基本可以解决。对于信号中的直流分量,需要使用高通滤波器如图 5.10 所示。

图 5.10 高通滤波电路 Fig.5.10 Circuit diagram of high-pass filter

对于第二条原因, 则通过限制 OPA129 的输入就可以达到消除阻塞想象如图 3.9 所示,在 OPA129 的输入端引入限幅保护电路。 1.1.2.3 单片机 A/D 输入保护 由 LPC2214 的参数指标可知:A/D 转换的电压范围为 0~3.3V,A/D 输入端 口所能承受的最大电压为 5V,因此为了单片机能够测量模拟板输出电压,需要 先将 ±10V 的电压信号转换为 0~3.3V 的范围内, 为此作者设计了一个量程转换电 路,为了防止由于外界干扰产生的高压损坏单片机,这里也引入了保护电路如图
5.11 所示。

图 5.11 A/D 输入保护电路 Fig.5.11 Guard circuit of A/D input

其中 R13 为限流电阻为二极管 D11 提供偏置电流,C12 为滤波电容可以滤除电 压信号中的高频干扰,此电路可以将电压限制于 0~AVDD 范围内,与单片机的 A/D 端口输入电压范围相匹配,从而保护单片机的 A/D 输入端口。