多温区控制系统采样通道的硬件设计

引言

目前随着生产水平的提高，单温区系统已经很难满足生产的需要，因此出现多温区系统，如电加热炉、多温区回流焊等。

温控系统一般都工作在比较严酷的工业环境，由于采样通道是模拟信号，因此更加易受到电磁辐射、静电、网压波动等干扰，多温区控制系统还有采样通道之间的干扰，这些在硬件设计都要充分考虑，才能保证系统采样的准确，本系统以多温区回流焊为例，进行系统设计。

系统硬件设计

系统硬件框图如图1：

系统采用c8051f005单片机作为控制器，该单片机的特点：速度快，高达25mips的速度；强大的模拟信号处理功能，集成8路12位adc（速度100k）、两路12位dac、两路模拟比较器；先进的jtag调试功能；丰富的串行接口等。环境温度检测芯片采用ds18b20，环境温度信号直接进入单片机的i/o端口p0.3。

前级放大电路

前级放大电路是将热电偶的微小电位差信号经过滤波放大后形成标准的电信号，因此前级放大电路分为滤波电路和放大电路两个部分。

放大器采用adi公司生产的仪用放大器ad620，它具有低价格、低损耗、高精度等优点。
放大电路采用差分输入电路如图2：

这样可以避免通道之间信号在放大之前通过地线相互干扰。信号增益g由公式：
g=1+49.5k /r g 确定。ad620的输入阻抗可达10 9 。

滤波电路采用rc一阶滤波器，电路如图2。其截止频率f_{z}=frac{1}{2 rc}，由于实际采样是温度信号，因此截止频率应在 以下，取f_{z}=14h_{z} 。

隔离电路的设计主要出于两种考虑：第一保护被测电路和测试电路，使其不至于因测试电路或者被测电路的故障而影响整个系统的工作；第二减小环境噪声对测试电路的影响。为了保护后级设备，保证测量结果的有效性，测试电路必须做到严格的电气隔离。同时隔离电路应具有较高的精度。隔离电路如图3：

电路传输公式frac{v_{o}}{v_{s}}=(r_{l}/r_{4})i_{p1}/i_{p2}，调节r_{gl} ，可改变frac{v_{o}}{v_{s}}的值。

有源滤波器的设计

由于在多温区回流焊机存在变频器，当系统运行时产生电磁干扰，这些除了干扰采样通道，其产生的谐波还用过电源影响通道。因此，除了在电源滤波外，为了保证采样信号进入cpu前去除这些干扰，必须再放置一个滤波器，可以在线性光隔输出的电压跟随器设计成为一个增益为1的二阶有源滤波器。电路如图4：

则该滤波器的传递函数为：

在回流焊系统中，最高温度为300℃，cpu电源电压为3.3v，考虑到g越大，ad620误差越大，及软件计算， g应尽量取整数，rg取270 。该电路在实际应用中有很强的抗干扰能力，精度高，系统稳定。图5是用示波器观测到的炉膛内为245℃时热电偶实际采样信号 的波形；图6是用示波器观测到的vo的波形（绿色线）。

从以上分析和实验结果，以及现场测试情况表明，该系统性能稳定，控温精度达到了 1℃的预期目标。完全能适应严酷的工业环境，不但可以应用到温度采样，而且可以使用在其他的滞后系统的模拟信号采样。