多溫區控制系統采樣通道的硬件設計
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引言
本文引用地址：http://www.104case.com/article/21462.htm目前隨著生產水平的提高，單溫區系統已經很難滿足生產的需要，因此出現多溫區系統，如電加熱爐、多溫區回流焊等。
溫控系統一般都工作在比較嚴酷的工業環境，由于采樣通道是模擬信號，因此更加易受到電磁輻射、靜電、網壓波動等干擾，多溫區控制系統還有采樣通道之間的干擾，這些在硬件設計都要充分考慮，才能保證系統采樣的準確，本系統以多溫區回流焊為例，進行系統設計。
系統硬件設計
系統硬件框圖如圖1：
熱 電偶為普通k型，其阻抗為68 ，當熱電偶隨著爐膛的溫度比環境溫度每增加1℃，則電位差增加0.041mv，因此爐膛內實際溫度t=0.041
g t+t s ， 其中 為爐膛相對環境的溫度，ts為環境溫度， g為采樣電路增益， t為采樣溫度。
系統采用c8051f005單片機作為控制器，該單片機的特點：速度快，高達25mips的速度；強大的模擬信號處理功能，集成8路12位adc（速度100k）、兩路12位dac、兩路模擬比較器；先進的jtag調試功能；豐富的串行接口等。環境溫度檢測芯片采用ds18b20，環境溫度信號直接進入單片機的i/o端口p0.3。
前級放大電路
前級放大電路是將熱電偶的微小電位差信號經過濾波放大后形成標準的電信號，因此前級放大電路分為濾波電路和放大電路兩個部分。
放大器采用adi公司生產的儀用放大器ad620，它具有低價格、低損耗、高精度等優點。
放大電路采用差分輸入電路如圖2：
這樣可以避免通道之間信號在放大之前通過地線相互干擾。信號增益g由公式：
g=1+49.5k /r g 確定。ad620的輸入阻抗可達10 9 。
濾波電路采用rc一階濾波器，電路如圖2。其截止頻率f_{z}=frac{1}{2 rc}，由于實際采樣是溫度信號，因此截止頻率應在 以下，取f_{z}=14h_{z} 。
隔離電路
隔離電路的設計主要出于兩種考慮：第一保護被測電路和測試電路，使其不至于因測試電路或者被測電路的故障而影響整個系統的工作；第二減小環境噪聲對測試電路的影響。為了保護后級設備，保證測量結果的有效性，測試電路必須做到嚴格的電氣隔離。同時隔離電路應具有較高的精度。隔離電路如圖3：
t il300是ti公司生產的精密線性光耦，它具有3500v的峰值隔離度和高的傳輸增益穩定性（0.05％℃）。
電路傳輸公式frac{v_{o}}{v_{s}}=(r_{l}/r_{4})i_{p1}/i_{p2}，調節r_{gl} ，可改變frac{v_{o}}{v_{s}}的值。
有源濾波器的設計
由于在多溫區回流焊機存在變頻器，當系統運行時產生電磁干擾，這些除了干擾采樣通道，其產生的諧波還用過電源影響通道。因此，除了在電源濾波外，為了保證采樣信號進入cpu前去除這些干擾，必須再放置一個濾波器，可以在線性光隔輸出的電壓跟隨器設計成為一個增益為1的二階有源濾波器。電路如圖4：
為 了設計方便，設r5＝r6＝ r，c4＝2c5＝2c，增益為aup＝1。
則該濾波器的傳遞函數為：
試驗結果
在回流焊系統中，最高溫度為300℃，cpu電源電壓為3.3v，考慮到g越大，ad620誤差越大，及軟件計算， g應盡量取整數，rg取270 。該電路在實際應用中有很強的抗干擾能力，精度高，系統穩定。圖5是用示波器觀測到的爐膛內為245℃時熱電偶實際采樣信號 的波形；圖6是用示波器觀測到的vo的波形（綠色線）。
結束語
從以上分析和實驗結果，以及現場測試情況表明，該系統性能穩定，控溫精度達到了 1℃的預期目標。完全能適應嚴酷的工業環境，不但可以應用到溫度采樣，而且可以使用在其他的滯后系統的模擬信號采樣。
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