DSP A/D 转换及输入信号调理电路设计

TMS320LF2407A 是专门为控制系统设计的 DSP 芯片,它具有内置的模数转换模块.如图所示,该模块由输入模拟通道、采样保持器、10bit 模数转换模块、排序器、ADC 控制寄存器、转换结果寄存器等部分组成.

其主要特性如下:
带采样和保持器(S/H)的 10bit 模数转换模块,最小转换时间 375ns.
16 个模拟输入通道(ADCIN0~ADCIN15).
自动排序能力.一次可执行最多 16 个通道的自动转换,每次要转换的通道由编程决定.
两个独立的最多可选择 8 个模拟转换通道的排序器(SEQ1 和 SEQ2)可以独立工作在双排序器模式,或者级连后工作在一个可最多选择 16 个模拟转换通道的排序器模式.
在给定排序方式下,4 个排序控制器(CHSELSEQn)决定模拟通道转换顺序.
多个触发源可以启动 A/D 转换:软件立即启动,事件管理器 EVA/EVB 中的事件源,外部 ADSOC 引脚.
灵活的中断控制允许在每一个或每隔一个序列结束时产生中断请求.
内置校验模式.
内置自测试模式.
当满量程电压 FSR = 3.3V 时,该 ADC 模块分辨力 = 3.3/210 ≈ 0.00322 = 3.22mV.该 ADC 模块的分辨力和数据转换速率(375ns)完全能够满足课题焊接电压、电流的采样要求,且通过设置最大转换通道数寄存器(MAXCONV和通道选择排序控制寄存器(CHSELSEn)可以控制 ADC 模块连续对焊接电压电流进行 n 次采样,方便程序对采集到的数据进行数字滤波处理.因此,课题设计中没有用单独的 A/D 转换器芯片.

A/D 输入信号调理电路设计
实时准确的检测间接焊接质量(电弧电压、电流等)是实现焊接过程稳定控制的前提.在本课题中,电弧电压和焊接电流是焊接过程中主要的检测及控制对象.它们分别通过弧压传感器和电流传感器馈入控制回路,经过信号调理后输入A/D 转换器.其中信号调理电路主要由隔离、滤波、衰减/放大和限幅电路构成.
1、隔离电路
由于传感器部分受电焊机干扰严重,电源和地都存在很大的纹波,故在传感器信号的输入端加了隔离电路,对传感器板的电源和地进行隔离.本课题使用了BB 公司的电容耦合型精密隔离放大器 ISO122.
IS0122 是采用滞回调制—解调技术设计的电容耦合精密隔离放大器.价格低,使用方便.从该芯片的功能图 可知,它的输入部分和输出部分分别放在 壳体两边,中间用两个匹配的 1pF 电容形成模拟信号的电气隔离.输入部分由输入积分器 Al、检测放大器所控制的?00μ A 电流源、滞回比较器等组成滞回调制电路.因为输入部分和输出部分是完全对称的,制造时又采用激光调整工艺使两部分完全匹配,因此在输出端能得到高精度重现 VIN 的输出信号.
IS0122 使 用 非 常 方 便 , 只 须 在 器 件 的 输 入 和 输 出 部 分 分 别 接 入?.5V-?8V 的隔离电源,不用任何外部元件即可正常工作.这时隔离放大器将 1:1 地传输信号,其增益误差小于?.5%.对 IS0122P/U,其非线性误差小于等于 0.02%,信号带宽可达 50kHz.
2、滤波电路设计
为去除传感器输出信号中的高频干扰,需在信号输入调理通道中设计抗混叠低通滤波器.抗混叠低通滤波器一般为有源低通滤波器,按通带滤波特性可分为最大平坦型滤波器、等纹波型滤波器、线性相移型滤波器等.在实际设计中通常对应采用的有三种形式:
(1) 巴特沃兹(Butterworth)型低通滤波器
巴特沃兹型低通滤波器在通带内具有接近理想低通滤波器的平坦特性,所以又称最大平坦型滤波器.各种阶数的巴特沃兹滤波器均具有单调下降的幅频特性,阶数越高,下降越陡,下降斜率为 20ndB/10 倍频,具有较好的冲击响应特性.(n 为滤波器阶数)
(2) 切比雪夫(Chebyshev)型低通滤波器
切比雪夫型低通滤波器,阶数 n 越高,幅频特性下降的越陡,由于通带内有等纹波起伏,所以又称等纹波型滤波器.它的通带特性不如最大平坦型的好,但是就过渡带内幅频特性下降陡度来说,它比最大平坦型的陡得多.且通带内纹波幅度越大,其过渡带内幅频特性下降越陡.
(3) 贝塞尔(Bessel)型低通滤波器
贝塞尔型低通滤波器是线性相移型滤波器,它具有最大平坦群时延,具有很好的阶跃响应特性.通常用于对信号响应速度要求高的场合.课题设计要求滤波器通带内具有平坦的低通滤波器特性且过渡带较陡,综合考虑后选用了有源四阶巴特沃兹型低通滤波器作为抗混叠滤波器.它由两个二阶滤波器串联组成.其传递函数如下式:



3、衰减/放大及限幅保护
电压和电流传感器在焊机正常工作状态下基本满足线性关系.对于弧压传感器,有如下关系:
V弧压 =11譜uo-1 (3-6)
式中:V弧压 ——电弧电压(V);
Vuo ——弧压传感器输出电压.
NB500 焊机空载时,最高输出为 85V,实践发现,焊接过程中弧压高于 56V
的时候都可认为电弧未建立,当弧压为 15~40V 之间时为燃弧阶段,而短路过
程中电压一般低于 12V.由式 3-6 得弧压传感器输出和电弧状态对应有表一:


TMS320LF2407A 的 A/D 模块VREFHI 最大输入值为 3.3V,实际设计中该引脚接3.3V,此时 A/D 满量程为 3.3V 故传感器输出的信号在输入 ADC 前必须进行衰减限幅.由表一,当电压高于 3.72V 时电弧未建立,不需要进行专门的算法控制,故不需要精确获得采样值,可采用大比例衰减,以保证在传感器最大输出时,通过信号调理电路能够衰减到 3.3V 以下,在电压小于 3.72V 时采用小比例衰减,保证采样分辨力.由表二,电流传感器输出只在过流状态下可能超过 3.3V,故只需限幅即可.
课题在设计上采用软硬件结合的方式,通过程序控制多路选择器(ADG408)进行不同增益档选择.ADG408 是 AD 公司的高性能模拟多路开关.它具有功耗低、开关速度快、开关接通阻抗低(100 欧姆)等特点.
当弧压超过 56V(空载)时,选择 1/3 衰减(此时,允许最大弧压 90V,ADC
对弧压的分辨力为 1LSB=90V/210≈0.09V);当弧压低于 47V(燃弧)时,选择3/4 衰减(此时,ADC 对弧压的分辨力有 1LSB=47V/210≈0.05V).为了保证 ADC输入信号电压不超过 3.3V 损坏器件,在信号调理通路末端采用 3.3V 稳压二极管限幅.电压传感器信号调理电路设计图如图 3-13 所示.电流传感器信号调理电路类似于电压传感器输出信号调理,这里不再单独列出其设计电路.