高精度ISA總線測試板卡設計

本文介紹了Windows 98環(huán)境下基于PC機工業(yè)控制器自動測試系統(tǒng)，著重論述了如何保證 自行設計的ISA總線測試板卡系統(tǒng)精度以及設計實現(xiàn)過程中的抗干擾、總線驅動等關鍵問題 

　　1 概述

　　工業(yè)控制器作為工業(yè)監(jiān)測控制的關鍵設備，其應用越來越廣泛，然而其使用前的測試還 停留在人工測試階段，采用人工測試存在測試時間長、不夠精確等缺點。本文作者在Window s 98下開發(fā)的基于PC機工業(yè)控制器測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了帶RS232通訊接口工業(yè)控制器模擬量精度的自動校驗和開關量信號的自動測試。該測試系統(tǒng)的開發(fā)為工業(yè)控制器的測試提供了一種快速、準確、可靠的自動測試工具。

　　2測試系統(tǒng)組成及原理

　　為使測試系統(tǒng)有良好的用戶界面，縮短開發(fā)周期，測試系統(tǒng)采用了現(xiàn)成PC機加上自行設計 的ISA 總線I/O測試板卡的設計方案，其核心是一個基于ISA總線測試板卡的數(shù)據(jù)采集與控制 系統(tǒng)。測試系統(tǒng)由PC機主板、ISA總線測試板卡、鼠標、顯示器、打印機和相應的測試軟件 組成，參見圖1，測試板卡信號輸出端(AO，DO)和控制器的信號輸入端(AI，DI)連接 ，測試板卡信號輸入端(AI，DI)和控制器的信號輸出端(AO，DO)連接，PC機的RS232串 口和被測控制器的RS232串口相連，形成若干閉環(huán)測試回路。

　　當測試控制器的AI通道時，通過測試板卡的AO通道向被測試控制器發(fā)出測試激勵信號(給 定值)，經(jīng)D/A轉換送到控制器AI通道，再進行A/D轉換，所得實測值從串口返回PC機，和相應給定值進行比較，得出該測試點測量精度;控制器AO通道的測試是先通過串口發(fā)給定值到控制器模擬輸出通道，通過測試板卡的AI通道采集實測值，計算該點測量精度。開關量的測試與之類似，將給定邏輯值和實測邏輯值進行比較即可。

　　 3 測試板卡框圖及簡介

　　測試板卡框圖見圖2，測試板卡由模擬輸入通道、模擬輸出通道，開關量信號的 輸入和輸出以及接口電 路組成，模擬輸入通道包括了模擬信號電流/電壓轉換電路、多路模 擬開關、A/D轉換部分 ，模擬輸出通道包括了多路D/A轉換器、恒流源電路和輸出信號轉接電路。板卡共有8路模擬量輸入、14路模擬量輸出和8路開關量輸入、輸出，模擬量輸入輸 出信號為4~20 mA?電流，模擬量輸入的測量精度為0.125 ‰，模擬量輸出的測量精度為 0.5 ‰。開關量輸入信號為無源觸點或TTL電平輸入，開關量輸出信號為TTL電平輸出，足以滿足工業(yè)監(jiān)控器的精度測試和電氣連接要求。

　　4.系統(tǒng)精度

　　系統(tǒng)精度是指模擬輸入、輸出通道的精度，在設計中從7個方面進行了考慮。

　　(1)采用低溫漂系數(shù)精密電阻取樣

　　 取樣電阻將模擬量輸入信號0-20mA變換成0-2V電平信號，選用0.2 ‰低溫漂系數(shù)的精密電阻，以保證取樣精度。

　　(2)模擬濾波

　　 模擬量輸入信號經(jīng)RC低頻、高頻濾波，濾除高頻噪聲和低頻噪聲。

　　(3)采用41/2位雙積分A/D轉換器ICL7135[!--empirenews.page--]

　　 雙積分式A/D轉換器測量的是輸入電壓在積分時間間隔內(nèi)的平均值，能有效地抑 制工頻干擾，其轉換精度較高。

　　 A/D芯片外圍電路也是影響A/D轉換精度的因素。為保證轉換精度，除了采用高精度 基準參考源，其正負工作電源必須穩(wěn)壓;為減少ICL7135在積分轉換階段的非線性 ，A/D轉換時鐘頻率應限制在166 kHz內(nèi)，取信號積分周期為工作電源周期的整數(shù)倍。

　　(4)模擬量的輸出傳輸采用電流形式

　　采用電流傳輸能消除傳輸電阻壓降對精度的影響，且電流傳輸時兩線間呈低阻，使外界干擾對傳輸線的作用減小。

　　(5)選用分辨率為13位的D/A轉換器MAX547

　　 MAX547為MAXIM公司的并行八通道電壓輸出D/A轉換器，具有集成度高，滿13位有效 、每路帶雙緩沖輸入鎖存器等特點。由于芯片D/A轉換電路通過“?R-2R?”梯形網(wǎng)絡實現(xiàn) ，基準參考電壓輸入端的負載變化范圍達10倍，需選擇負載調(diào)整率小的基準參考源，為消除A/D、D/A?轉換的互相影響，ICL7135和MAX547基準參考源分別進行了配置 。

　　(6)采用自行設計的高穩(wěn)定性恒流源電路

　　 恒流源電路如圖3所示，前級電路將MAX547輸出電壓值+2?5 V轉換成與后級電路輸出電 流4-20 mA?成線性比例的電壓值，且具備調(diào)零、調(diào)滿量程功能。后級電路起信號轉換、恒流驅動作用，即將前級輸出電壓變換成電流輸出，并保證輸出電流信號不隨外加負 載改變而變化。為保證精度，恒流電阻R13選用了低溫漂系數(shù)精密電阻。

　　(7)接地

　　 為使數(shù)字電路中數(shù)字負載的噪聲耦合到模擬電路的誤差最小，將模擬地與數(shù)字地分開接，模擬地僅在一點和數(shù)字地相連，使得數(shù)字部分的電流不會流到模擬回路中去。