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硬件设计
下面分别从信号调理电路、AD转换电路、GPRS MODEM接口电路这几个方面来介绍硬件电路的设计。
1 信号调理电路
信号调理电路的功能是对前述4～20mA标准电流信号和0～60mV电压信号这两路输入信号进行放大处理，并通过多路开关实现对其选通输入，为后面的AD转换所用。
由于本系统设计输入信号动态范围为0～60mV，相对于常见的A/D芯片输入量程（2V、5V、±10V等）来说数值偏小，如果直接予以转换的话，则达不到应有的转换精度，影响系统总的测量精度，因此需要首先对输入信号进行放大，经过综合考虑，采用了仪用运放INA118.
图2 INA118内部电路图 INA118通过在脚1～8脚之间外接电阻Rg来实现不同的增益，该增益可从1～1000不等。电阻Rg的大小由Rg=50kΩ/（G－1）决定，式中：G为增益。
由于Rg的稳定性和温度漂移对增益有影响，因此，在需要获得高精度增益的应用中对Rg的要求也比较高，应采用高精度、低噪声的金属膜电阻。此外，高增益的电路设计中的Rg值较小，如G=100时的Rg值为1.02kΩ；G=1000时的Rg值为50.5Ω。因此，在高增益时的接线电阻不能忽略，由于它的存在，实际增益可能会有较大的偏差，因而，计算得到的Rg值需要修正。修正的具体方法是用一个可调电位器替代Rg，调节电位器使得输出电压与输入电压的比值达到设计所要求的增益值。
4～20mA电流信号使用不同阻值的采样电阻即可以转换为不同动态范围的电压信号。根据本系统需求，使用120Ω的精密电阻可以实现4～20mA电流信号转换为0.48～2.4V的电压信号，与后级A/D芯片量程相匹配。信号调理电路如图3所示。
图3 信号调理电路 2 AD转换电路
① AD转换芯片选择
分析需求可，模拟电路要求精度至少达到0.2%，根据前面的分析，这就要求输入调理电路和AD转换电路的精度至少要达到0.1%，而为了保证转换精度，A/D芯片的分辨力最好要达到 0.01%，也即至少要14位（214=16384）。由于是设计实验样机，在选用A/D芯片的时候最主要是考虑了设计成本、设计时间和实验室资源有效利用等方面。由于实验室有现成的以前申请的样片16位的MAX1162，其性能完全能满足本系统的要求，因此暂时在样机信号采集系统中采用了该芯片。
MAX1162是一款低功耗、16位模数转换器（ADC），采用逐次逼近型ADC结构，具有自动关断、1.1μs快速唤醒和兼容于SPI/QSPI/MICROWIRE的高速接口。MAX1162工作于+5V单模拟电源，并且具有独立的数字电源引脚，允许芯片直接和+2.7～+5.25V的数字逻辑接口。
在最大采样速度200ks/s下，MAX1162仅吸取2.5mA电流。在200ks/s（最大值）采样速度下，功耗仅12.5mW（AVDD=DVDD=+5V）。AutoShutdown能在10ks/s速率下将电源电流减小至130μA，在更低的采样速度下可以减小至10μA以下。 |
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