電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)建設(shè)

摘要：提出采用AT89S52組成的電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，例如信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路、信號(hào)變送器接口電路等主要硬件結(jié)構(gòu)，以及信號(hào)采樣、標(biāo)度轉(zhuǎn)換和信號(hào)補(bǔ)償?shù)溶浖鞒?。測(cè)試結(jié)果表明：電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)能夠嚴(yán)格按照國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求較好地測(cè)試應(yīng)試者的水平。技能訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案科學(xué)合理，訓(xùn)練裝置運(yùn)行可靠。
關(guān)鍵詞：電子儀器儀表；信號(hào)調(diào)理；液晶顯示；技能訓(xùn)練；平臺(tái)建設(shè)

0 引言
    根據(jù)相關(guān)資料的有關(guān)信息顯示，目前國內(nèi)外沒有現(xiàn)成的電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)。根據(jù)《國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)·電子儀器儀表裝調(diào)工》和職業(yè)技能鑒定規(guī)范，電子儀器儀表裝調(diào)工必備的電工、電子基本理論知識(shí)，電子儀器儀表裝調(diào)工必備的誤差處理方法，參加技能鑒定的學(xué)員已在所開設(shè)的相關(guān)課程中得到學(xué)習(xí)和掌握。而對(duì)電子識(shí)圖、焊接等技術(shù)知識(shí)缺乏掌握，對(duì)儀器儀表裝配調(diào)試方法和技巧比較薄弱，而專用的儀器設(shè)備欠缺，國家技能鑒定部門沒有現(xiàn)成的訓(xùn)練題庫，只有電子儀器儀表裝調(diào)工國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和職業(yè)技能鑒定規(guī)范。而我校就本工種的技能訓(xùn)練和鑒定工作已進(jìn)行了十五屆，隨著該專業(yè)的技術(shù)發(fā)展，訓(xùn)練項(xiàng)目和鑒定題目進(jìn)行過大的改進(jìn)有多次。目前，國家技能鑒定部門已出臺(tái)了國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和技能鑒定規(guī)范，據(jù)此，設(shè)計(jì)、制作了該電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)，填補(bǔ)了我校在這方面的空缺，提升了我校在新時(shí)期的發(fā)展?jié)摿Α?br />
1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
    電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由直流毫伏信號(hào)源、電壓頻率轉(zhuǎn)換用分壓器、電壓放大器、電壓一頻率轉(zhuǎn)換、頻率一電壓轉(zhuǎn)換、信號(hào)調(diào)理電路和顯示電路等模塊構(gòu)成。

    信號(hào)的輸入模式采用儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)模式，輸出模式為符合國際標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流信號(hào)輸出模式。信號(hào)放大電路采用通用型雙運(yùn)算放大器LM358進(jìn)行兩級(jí)放大，經(jīng)過放大處理的模擬信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路處理后再進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后再進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理。數(shù)字信號(hào)處理部分采用性價(jià)比較高的AT89S52單片機(jī)作為處理器對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的顯示部分采用LCD顯示器，增強(qiáng)了顯示界面的友好性和實(shí)用性。
1．1 直流毫伏信號(hào)源
    該直流毫伏信號(hào)源的輸出為0～180 mV的電壓信號(hào)，輸入信號(hào)采用普通電位器和多圈精密電位器將1．5 V(可用甲電池)的直流電壓進(jìn)行二級(jí)分壓取得。在第一級(jí)分壓后將其電壓信號(hào)控制在0～200 mV的范圍之內(nèi)，防止電壓過高影響第二級(jí)分壓器中間串聯(lián)的微安表頭。該信號(hào)源的第一級(jí)的分壓器將5 V的直流電壓進(jìn)行粗分(粗調(diào))，第二級(jí)分壓器將第一級(jí)分壓器分壓得到的電壓進(jìn)行細(xì)分(細(xì)調(diào))，進(jìn)而滿足信號(hào)放大電路對(duì)直流毫伏信號(hào)的需求。
1．2 電壓頻率轉(zhuǎn)換用分壓器
    根據(jù)LM331電壓頻率轉(zhuǎn)換芯片的輸入要求，由該芯片構(gòu)成的電壓頻率轉(zhuǎn)換電路的輸入電壓信號(hào)的范圍為0～10 V。電壓頻率轉(zhuǎn)換用分壓器的輸入信號(hào)是采用大功率電位器將10 V的直流電壓分壓取得的。為降低整體的功耗，考慮到將10 V電壓分成最小的電壓幅度，分壓電位器的總阻值取10 kΩ。經(jīng)過測(cè)試，該電路能夠很好地輸出0～10 V的電壓，滿足該系統(tǒng)的要求。
1．3 電壓放大器模塊
    由于被測(cè)的非電量信號(hào)經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，并且傳感器輸出的電信號(hào)一般是很微弱的(5～200 mV)，并與輸入的被測(cè)量呈線性關(guān)系，而且易受外界的干擾，故一般采用運(yùn)算放大器將小信號(hào)放大到與A／D電路輸入電壓相匹配的標(biāo)準(zhǔn)電壓(0～5 V)，才能進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換、處理、顯示等后續(xù)工作。本電路采用以內(nèi)部電路補(bǔ)償、低輸入觸發(fā)電壓、高開環(huán)增益的通用型集成運(yùn)算放大器LM358為核心，進(jìn)行毫伏信號(hào)放大處理。
    由信號(hào)預(yù)處理電路、增益調(diào)節(jié)電路、電壓跟隨電路3部分組成。信號(hào)預(yù)處理電路將5 mV小信號(hào)進(jìn)行不失真的放大，但這個(gè)放大倍數(shù)僅有3．3倍，由于輸入觸發(fā)電壓太低，小信號(hào)直接進(jìn)行高增益放大會(huì)導(dǎo)致線性失真度增大而不滿足該電壓放大電路的控制要求。增益調(diào)節(jié)電路提供4種可以調(diào)節(jié)的電壓放大增益，為不同的信號(hào)放大提供了不同的放大增益，為將信號(hào)控制在0～5 V提供了可靠的保障。電壓跟隨電路具有輸入阻抗很高，輸出電阻很低的特點(diǎn)，“跟隨”性能非常好，可以改善電壓放大器的輸出特性。系統(tǒng)預(yù)處理前級(jí)放大倍數(shù)為3．3，根據(jù)輸出0～5 V標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的要求，增益調(diào)節(jié)電路使最大增益為10，信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大和反相最終把5～200 mV微弱信號(hào)以很小的失真放大到0～5 V，在經(jīng)過電壓跟隨器后信號(hào)的輸出具有良好的輸出特性。原理圖如圖2所示。表1為信號(hào)放大電路測(cè)試結(jié)果。

1．4 電壓頻率轉(zhuǎn)換模塊
    LM331是美國AB公司生產(chǎn)的性能價(jià)格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉(zhuǎn)換器V／F轉(zhuǎn)換器、線性頻率調(diào)制解調(diào)、長時(shí)間積分器及其他相關(guān)器件。LM331的動(dòng)態(tài)范圍寬，可達(dá)100 dB；線性度好，最大非線性失真小于0．01％。工作頻率低到0．1 Hz時(shí)尚有較好的線性；變換精度高數(shù)字分辨率可達(dá)12 b；外接電路簡(jiǎn)單，只需接入幾個(gè)外部元件就可方便構(gòu)成V／F或F／V變換電路，并且容易保證轉(zhuǎn)換精度。
    該電壓頻率轉(zhuǎn)換電路中?。篟1=RV2=100 kΩ；Rt=6．8 kΩ；Ct=0．01μF；Vin=0～10 V，則：
   
    則0<fout<10 kHz。被測(cè)電壓由Vin輸入，經(jīng)V／F轉(zhuǎn)換后從fout端輸出，輸入端的RV1和CV1構(gòu)成濾波環(huán)節(jié)；如果Vin輸入電壓波動(dòng)較大，可適當(dāng)增加CV1容量，當(dāng)6，7腳的R／C時(shí)間常數(shù)匹配時(shí)，輸入電壓呈現(xiàn)階躍變化，輸出頻率也呈階躍變化。電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

   LM331 V／F變換調(diào)試方法：零點(diǎn)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)RV3(可調(diào)電壓源)為0 V，看輸出是否為10 Hz，如果不為則調(diào)節(jié)RV7頻率增益電位器；再滿度調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)RV3(可調(diào)電壓源)為10 V，看輸出是否為9 kHz，如果不為則調(diào)節(jié)RV7頻率增益電位器；直到在誤差允許范圍內(nèi)即可，依次調(diào)節(jié)輸入電壓，看輸出頻率是否隨輸入電壓呈線性變化。調(diào)節(jié)時(shí)在高頻段會(huì)出現(xiàn)方波上升延時(shí)間太長，這時(shí)可以調(diào)節(jié)RV3使上升時(shí)間適當(dāng)減小失真。表2為LM331 V／F變換電路的測(cè)試結(jié)果。
    測(cè)試結(jié)果表明，輸入電壓在1．80～5．20 V之間時(shí)，輸入電壓與輸出頻率存在良好的線性關(guān)系；輸入電壓在5．3～7．50 V之間時(shí)，輸入電壓與輸出頻率存在0．04 kHz的系統(tǒng)誤差，在顯示的時(shí)候采用軟件修正以達(dá)到良好的測(cè)量效果。該電壓一頻率轉(zhuǎn)換電路能滿足系統(tǒng)的需求。

2 軟件系統(tǒng)
    這里只介紹頻率測(cè)量單元，系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)程序T0用作1 s定時(shí)，設(shè)置外部觸發(fā)、工作方式1，定時(shí)50 ms循環(huán)定20次；T1計(jì)外部頻率的個(gè)數(shù)，初值設(shè)為0，外部觸發(fā)工作方式1。頻率測(cè)量單元流程圖如圖4所示。

    此方案接口電路簡(jiǎn)單，充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源，成本低，實(shí)際使用性能可靠，還可通過改寫AT89S52芯片程序擴(kuò)展測(cè)頻范圍。文中提出的多周期同步測(cè)頻法克服了以往測(cè)頻方法對(duì)被測(cè)信號(hào)計(jì)數(shù)產(chǎn)生的個(gè)字誤差，實(shí)現(xiàn)了該平臺(tái)所要求的高精度測(cè)量。同時(shí)注意，在要求快速測(cè)量的情況下，為得到高的測(cè)量精度，必須采用較高的時(shí)標(biāo)頻率。標(biāo)頻計(jì)數(shù)的位數(shù)增多，意味數(shù)據(jù)處理時(shí)需要較多的乘除運(yùn)算周期和循環(huán)，不利于測(cè)試速度的提高。

3 結(jié)論
    本文所介紹的電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)，在考生進(jìn)行電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練時(shí)起到了很重要的作用。例如：多用直流穩(wěn)壓源、直流毫伏信號(hào)源、直流電壓源、交流信號(hào)源、不同放大倍數(shù)的放大器、壓頻轉(zhuǎn)換器和頻壓轉(zhuǎn)換器等模塊的設(shè)計(jì)與制作，調(diào)試與檢測(cè)，達(dá)到了《國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)·電子儀器儀表裝調(diào)工》和職業(yè)技能鑒定要求。測(cè)試結(jié)果表明：電子儀器儀表裝調(diào)技能訓(xùn)練平臺(tái)能夠嚴(yán)格按照國家職業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的要求較好地測(cè)試應(yīng)試者的水平。