基于C8051F單片機的紅外軸溫探測器零點校正技術

摘要： 運用Silicon Laboratories公司的 C8051F007單片機和Analog Device公司的AD620克服紅外信號采集系統的零點漂移問題，詳細敘述了設計原理，介紹了軟硬件實現方案。

引言

在數據采集系統中，前級放大器的零點漂移是探測誤差的主要來源，特別是在環境惡劣的條件下。例如，用于鐵路軸溫檢測的紅外探頭，要在環境溫度—40℃至+55℃的范圍內可靠的工作，其零點的溫漂范圍很大，是很難采用簡單的軟件修正和硬件補償技術完全解決的。本文介紹利用C8051F007單片機，在進行溫度數據采集和處理的同時，通過片上DAC對前級放大器進行零點自動調整，采用“軟硬兼施”的閉環調整方法，補償了系統的零點漂移。

根據本課題的特點，由于環境溫度變化的速度十分緩慢，當采集時間相對環境溫度變化較短時，可以認為在采集過程中零點的漂移量是相對固定的。那么，當傳感器差動放大器的輸入端上產生零點漂移時，我們可以在非數據采集時間內動態地調整放大器的輸出參考點，抵消掉零點漂移帶來的影響。
此種方法同樣可用于其它傳感器零點漂移范圍較大、信號變化較慢的情況。

零點誤差的產生

傳感器輸出電壓V_S由零點電壓V_Z和信號電壓V_R組成，
V_S=V_Z+V_R
V_R是與被測量物理量直接相關的電壓，要通過ADC轉換成數字量。V_Z是零點電位，從長時間來看，V_Z往往是隨環境溫度緩慢變化的，但在較短的采集時間內，也可以近似看作不變。

為了只將V_R進行放大采集，我們將另行提供一個補償電壓V_N，并且使V_N=V_Z，將V_S和V_N輸入到一個差模放大器的兩輸入端。設放大器的增益為G，則放大器輸出為(V_Z+V_R-V_N)G。如果V_N=V_Z，則輸出為V_RG，直接得到我們需要的電壓。但實際中，V_Z會隨時間緩慢變化，我們無法時刻做到V_N=V_Z。而一旦V_N≠V_Z，輸出就會產生零點誤差(V_Z-V_N)G，尤其是在G很大的時候，誤差會十分明顯。

根據探測現場的實際情況，平時無列車通過，探頭暫停采集的時候，我們可以利用ADC不停地捕捉零點漂移，并通過DAC輸出補償電壓V_N，隨時去掉零點誤差。而當列車通過探頭的時間內，單片機停止校正并鎖存DAC調零輸出，探頭以此刻DAC調整的輸出狀態作為探測零點開始進行工作。

主要器件介紹

儀表放大器AD620
儀表放大器是一個雙端輸入的差動放大器，除了高精度，高穩定性的特點外，其輸出零點參考電壓可以通過REF管腳的電壓任意設置，這就為我們調整零漂提供了可能。

AD620的輸入端有著高達10⁹Ω的輸入阻抗；輸入失調電壓30uV，輸出失調電壓400uV。輸入偏置電流很低，通常在0.5nA最高不超過2nA；增益為100時，增益誤差0.15%；增益100時的共模抑制比高達130dB；輸入噪聲，輸出噪聲。除此以外，AD620的溫度穩定性也十分優異：增益大于1時，增益的溫度系數為-50ppm，輸入失調電壓和輸出失調電壓的平均溫度系數分別為0.3uV/℃和5.0uV/℃。

與通用運放不同的是，通用運放大多用連接在輸入與輸出間的外部電阻控制自身閉環增益，而儀表放大器采用內部反饋網絡，它的增益控制電阻是不與輸入、輸出端連接在一起的，有專門用來連接增益設置電阻的引腳。AD620通過接在1、8腳之間的電阻來設置增益大小，增益G與增益設置電阻之間的關系如公式1。
  (1)
一般通用運放的輸出都是對地輸出，而儀表放大器的輸出是相對于放大器的輸出參考引腳電位的。通過在輸出參考引腳施加不同的電壓可以設置對地輸出電壓的輸出零點。儀表放大器的對地輸出電壓公式如公式2。
V_O=G(V₊ -V_- )+V_REF (2)

C8051F007單片機
本設計方案需要用到高速MCU和高精度ADC、DAC，Silicon Laboratories公司的高性能單片機C8051F007正好滿足這一需要。該單片機集成了8051內核，但時鐘頻率更高，處理能力更強。片上集成8通道12位ADC和2個12位DAC，除了完成采集和處理任務之外，還有足夠的模擬部件進行零漂調整。比用分離元件既提高了可靠性，又簡化了電路，也降低了成本。