基于C8051F单片机的红外轴温探测器零点校正技术

摘要： 运用Silicon Laboratories公司的 C8051F007单片机和Analog Device公司的AD620克服红外信号采集系统的零点漂移问题，详细叙述了设计原理，介绍了软硬件实现方案。

引言

在数据采集系统中，前级放大器的零点漂移是探测误差的主要来源，特别是在环境恶劣的条件下。例如，用于铁路轴温检测的红外探头，要在环境温度—40℃至+55℃的范围内可靠的工作，其零点的温漂范围很大，是很难采用简单的软件修正和硬件补偿技术完全解决的。本文介绍利用C8051F007单片机，在进行温度数据采集和处理的同时，通过片上DAC对前级放大器进行零点自动调整，采用“软硬兼施”的闭环调整方法，补偿了系统的零点漂移。

根据本课题的特点，由于环境温度变化的速度十分缓慢，当采集时间相对环境温度变化较短时，可以认为在采集过程中零点的漂移量是相对固定的。那么，当传感器差动放大器的输入端上产生零点漂移时，我们可以在非数据采集时间内动态地调整放大器的输出参考点，抵消掉零点漂移带来的影响。
此种方法同样可用于其它传感器零点漂移范围较大、信号变化较慢的情况。

零点误差的产生

传感器输出电压V_S由零点电压V_Z和信号电压V_R组成，
V_S=V_Z+V_R
V_R是与被测量物理量直接相关的电压，要通过ADC转换成数字量。V_Z是零点电位，从长时间来看，V_Z往往是随环境温度缓慢变化的，但在较短的采集时间内，也可以近似看作不变。

为了只将V_R进行放大采集，我们将另行提供一个补偿电压V_N，并且使V_N=V_Z，将V_S和V_N输入到一个差模放大器的两输入端。设放大器的增益为G，则放大器输出为(V_Z+V_R-V_N)G。如果V_N=V_Z，则输出为V_RG，直接得到我们需要的电压。但实际中，V_Z会随时间缓慢变化，我们无法时刻做到V_N=V_Z。而一旦V_N≠V_Z，输出就会产生零点误差(V_Z-V_N)G，尤其是在G很大的时候，误差会十分明显。

根据探测现场的实际情况，平时无列车通过，探头暂停采集的时候，我们可以利用ADC不停地捕捉零点漂移，并通过DAC输出补偿电压V_N，随时去掉零点误差。而当列车通过探头的时间内，单片机停止校正并锁存DAC调零输出，探头以此刻DAC调整的输出状态作为探测零点开始进行工作。

主要器件介绍

仪表放大器AD620
仪表放大器是一个双端输入的差动放大器，除了高精度，高稳定性的特点外，其输出零点参考电压可以通过REF管脚的电压任意设置，这就为我们调整零漂提供了可能。

AD620的输入端有着高达10⁹Ω的输入阻抗；输入失调电压30uV，输出失调电压400uV。输入偏置电流很低，通常在0.5nA最高不超过2nA；增益为100时，增益误差0.15%；增益100时的共模抑制比高达130dB；输入噪声，输出噪声。除此以外，AD620的温度稳定性也十分优异：增益大于1时，增益的温度系数为-50ppm，输入失调电压和输出失调电压的平均温度系数分别为0.3uV/℃和5.0uV/℃。

与通用运放不同的是，通用运放大多用连接在输入与输出间的外部电阻控制自身闭环增益，而仪表放大器采用内部反馈网络，它的增益控制电阻是不与输入、输出端连接在一起的，有专门用来连接增益设置电阻的引脚。AD620通过接在1、8脚之间的电阻来设置增益大小，增益G与增益设置电阻之间的关系如公式1。
  (1)
一般通用运放的输出都是对地输出，而仪表放大器的输出是相对于放大器的输出参考引脚电位的。通过在输出参考引脚施加不同的电压可以设置对地输出电压的输出零点。仪表放大器的对地输出电压公式如公式2。
V_O=G(V₊ -V_- )+V_REF (2)

C8051F007单片机
本设计方案需要用到高速MCU和高精度ADC、DAC，Silicon Laboratories公司的高性能单片机C8051F007正好满足这一需要。该单片机集成了8051内核，但时钟频率更高，处理能力更强。片上集成8通道12位ADC和2个12位DAC，除了完成采集和处理任务之外，还有足够的模拟部件进行零漂调整。比用分离元件既提高了可靠性，又简化了电路，也降低了成本。