可编程阻抗的设计.pdf

第 2 3 卷第 6 期 2 0 1 6 年 6 月 仪器仪表用户 NS T RUM E N 1 0N EI C V O1 ． 2 3 2 0l 6 No ． 6 可编程阻抗的设计 张扬，秦超 中国天辰工程有 限公 司 黑龙 江分 公司 ，哈尔滨 1 5 0 0 7 6 摘要 随着电力电子技术的进步，半导体制造工艺不断改进 ， 可变电阻等精密元件相继出现并取代了原有的机械 式调节。现在 ，精密阻抗在自动控制、电路仿真等领域应用已十分普遍 ， 但传统的阻抗元件存在取值范围小、无法 实现精确的连续调节等问题，使其在实际应用中受到制约。本文针对上述情况，应用简单的阻抗元件、数模转换器 和8 9 C 5 2 单片机实现用户所需要的可连续变化的模拟阻抗，即可编程阻抗 ，具体的研究内容包括可编程阻抗的结构 及其设计理念、硬件及软件实现方式。 关键词可编程阻抗；精密阻抗；D A C 复用 中图分类号 T P 2 3 文献标识码B D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s r 1 ． 1 6 7 1 1 0 4 1 ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 0 3 文章编号1 6 7 1 - 1 0 4 1 2 0 1 6 0 6 - 0 0 1 1 - 0 4 De s i g n i n g a P r o g r a mma b l e I mp e d a n c e Z h a n g Y a n g ，Qi n C h a o C h i n a T i a n c h e n E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． i n H e i l o n g j i a n g B r a n c h ， H a r b i n ， 1 5 0 0 7 6 ， C h i n a Ab s t r a c t Wi t h a d v a n c e s i n p o we r e l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ， s e mi c o n d u c t o r ma n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s c o n t i n u e i mp r o v i n g ， p r e c i s i o n c o mp o n e n t s l i k e a d j u s t a b l e r e s i s t a n c e a r e e m e r g e d g r a d u a l l y i n s t e a d o f o r i g i n a l me c h a n i c a l r e g u l a t o r s t u f f ． N o w ， p r e c i s i o n i mp e d a n c e a p p l i c a t i o n s i n f i e l d s o f a u t o ma t i o n a n d c i r c u i t s i mu l a t i o n are v e r y c o mmo n ， b u t t h e r a n g e a n d c o n t i n u o u s - a d j u s t a b l e p r o b l e m s o f t r a d i t i o n a l i mp e d a n c e e l e me n t are r e s t r i c t i n g i t s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ． T h i s t e x t u s e s s i m p l e a p p l i c a t i o n i mp e d a n c e e l e me n t ， DAC a n d S CM t o b u i l d a c o n t i n u o u s - v a r i a b l e v i r t u a l i mp e d a n c e ， n a me l y p r o g r a mma b l e i mp e d a n c e ， t h e s p e c i f i c s t u d i e s o f t h i s t e x t i n c l u d e s s t r u c t u r e ， d e s i g n c o n c e p t ， me t h o d o f s o f t ware a n d h a r d wa r e an d i mp r o v e p r o g r a mmi n g o f t h e ma i n c i r c u i t ’S d e v i a t i o n ． Ke y wor ds p r o gra mma b l e i mp e d a n c e ；p r e c i s i o n i mp e d a n c e ；DAC mu l t i p l e x i n g 可编程阻抗用于工程设计、理论研究，不仅可获得比 电路仿真工具软件更真实的用户界面，而且也能达到与利 用真实的电路元件进行实验和实际工作一样的效果。 目前， 一 些系统中组建的虚拟平台以及国内外的电路仿真软件都 是针对电路的理论分析， 缺少对电路元件客观因素的考虑， 如电路元件易受外界温度的影响以及元件本身的误差都会 对电路造成或多或少的影响。可编程阻抗的研究 旨在利用 基本的电路元件搭建出用户所需的实际元件 ， 它的交互性、 可操作性和真实感与实际的电路元件相同，可以任意改变 元件值的参数。 1 可编程阻抗的系统组成 1 ． 1 可编程阻抗的结构 可编程阻抗是一种基 于 D AC细分技术的程控有源阻 抗，它由以下几个部分组成虚地输入端、D A C细分器、 换挡端、输出端、处理器 、显示屏 ，如图 1 所示。 图 1可编程阻抗的系统框图 F i g ． 1 S y s t e m d i a g r a m o f p r o g r a mma b l e i mp e d a n c e 1 ．2可编程阻抗各主要部分的功能 1 电流输入端。电流输入端是模拟阻抗系统两端子 的一端 ，它应该使输入的电信号对内为 O ，即虚地。电流 收稿日期2 0 1 6 0 3 2 8 作者简介张扬 1 9 8 5 一，男，哈尔滨人，学士，工程师，主要从事供配电设计工作。 张扬 可编程阻抗的设计 第6 期 输入端还应该有基本的阻抗元件而将输入的电流信号转变 成后续电路所需的电压信号， 其对外等效电路如图2 所示。 L I ⋯-- -r -- - - 3 ⋯ 一 V 、 ／＼ ，⋯ ～ 1 卜 ⋯ ⋯ 图 2 输入端阻抗元件等效电路图 F i g ． 2 Eq u i v a l e n t c h a r t o f i n p u t t e r m i n a l I mp e d a n c e 2细调部分。由前置电流输入端输出的电压信号传 人D A C进行细分， D A C受C P U的控制判定具体的细分程度， 将输入的电压信号转变为所需的电压值 ，细调部分的作用 就是微度调整电压值。 3粗调部分。粗调部分接受 D A C送出的细调电压 ， 作用是大幅调整将输出的电压。 4 自动校准系统。电流信号在整个系统之中都是不 变的， 所以在电流输出端输出的电流与第一部分是一致的， 但是在这个过程 中电压信号由于人为干预而发生了一系列 的变化，所以即可得到一个所需的输出电压与电流之比， 这个 比值对外即为阻抗值。而无论何种阻抗值 ，在实现的 时候电流的流入都不会完全不变化 ，或总会有一些干扰信 号适量端子间的电位差发生小幅变动 】 ，所以引入 自动校 准系统实现 自动调理功能。 5 处理器 C P U。处理器的主要工作包括接收人 机接 口所传出的信号 、将阻抗值送至显示器显示、计算所 需各种数据并控制各个器件工作。 6 显示器。显示所实现的阻抗值。 2 可编程阻抗的硬件设计 2 ． 1硬件整体设计原理 可编程阻抗的结构框图如图 3所示。由于它是对外浮 置的，所以可编程阻抗完全可以作为一个独立的电阻元件 连入电路中，且不影响电路的原有特陛。 图 3 系统硬件原理图 Fi g ．3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f h a r d wa r e 2 ． 2 人机交互部分 人机交互分硬件和软件两部分。硬件部分包括键盘面 板、键盘接口及显示部分 ，处理器是其核心单元。可编程 阻抗的处理器由一片 8位单片机 8 9 C 5 2构成。键盘显示是 人机交互的另一大组成部分，它的功能是通过显示屏显示 输入的数字，它是由键盘输入的命令通过处理器驱动的口 】 。 2 ． 2 ． 1 键盘按 键及其功能的设 计 本系统的人机交互部分共设计六个按键模 、 转、上、 下、左、确。它们的功能如下 1 模模式选择 ，由于键盘需要执行数据输入、档 位选择等命令 ，所以需要这个按键来切换命令模式。 2转档位转换 ，当执行档位选择命令时，每一次 由模式选择来确定要调整的档，再由转换键来具体调整所 需档位；而在数据输入的模式下，此键没有实际作用。 3 上在数据输入的模式下，按一次此键就在该位 数字的基础上加 1 ，在采用十进制输入的前提下，当本位 数字基础为 9时，再按一次本键该位就置 0 。 4下在数据输入的模式下，按一次此键就在该位 数字的基础上减 1 ，在采用十进制输入的前提下 ，当本位 数字基础为 0时，再按一次本键该位就置 9 。 5 左 左移进位，在数据输入的模式下，用于在调 整好一位十进制数字后向上转移输入位，以调整另一位数 字 。 6确确认 ，当所有需要的参数都调好之后，用此 键驱动系统工作。 2 ． 2 ． 2 键盘 与处理 器的接 入方式及 电路 图 由于本系统的按键数量不多，所以决定采用独立式非 编码键盘， 这样可以使扫描键盘的程序简化 ， 且电路简单。 键盘的左 、 上、 下 、 模 、 转、 确六个键分别 占用处理器 8 9 C 5 2 单片机 的P 1 ． o _ - P 1 ． 5口，如图4所示。当有键按下时， 处理器与其对应的口就置低电平。 图4键盘输入电路接线图 F i g ．4 W ir i n g d i a gra m o f k e y b o a r d c i r c u i t 2 ． 2 ． 3 键 盘显示部 分 可编程阻抗需要显示的数据比较大，故显示部分采用 S T 7 9 2 0 e 2 0的 1 2 8 6 4液晶屏幕。 2 ． 3 电流输入端 2 ． 3 ． 1 基本思想 电流输入端是模拟阻抗的电流流入端E l ，它的功能是 第6 期 张扬 可编程阻抗的设计 l 3 将电流信号通过一个阻抗元件转为所需的电压信号，并使 输入端 口虚地。在系统工作时，此端相当于阻抗两端 口中 的一端。 为了使流人电流转换为不同大小的电压信号，此端的 阻抗元件需要是可调， 且可程控的电阻、电感和电容器件， 即图 3中的 Z I N ， 其对外等效电路为图 2所示。下面将以电 阻元件为例， 分别设计 R I N、 L I N和C I N的具体电路原理图。 2 ． 3 ． 2 Z I N的设计方案 R I N的硬件原理如图5所示。它由 1 片 7 4 2 9 0计数器、 7片电阻元件 、7个继电器、7个三输入端与门和 3 个非门 组成，其中上半部分为计数器和译码器，下半部分是控制 电路。7 4 2 9 0计数器是接成八进制状态的，当 Q 3 Q 2 Q1 Q O 从 O l 1 1 跳变至 1 0 0 0状态的瞬间，Q 3 将高电平送至复位端 、R 计数器立即返回0状态。在工作状态下 ，处理器 传送一或几个下跳沿给 C P o ，使 Q 3 Q 2 Q 1 Q 0的某几位置 1 ， 使 7个与门的某一个输出为 1 ，驱动某一个继电器工作。 当其中一个继电器使某一路接通时，这一路的电阻也就接 入了。为使其工作在较大的取值范围内，R T 1 R 1 v 7 分别 取 0 Q、1 Q、l O Q、l O O n、1 0 0 0 n、1 0 Q、1 0 Q。 图 5 R I N 的硬件原理图 F i g ． 5 S c h e ma t i c o fR I N 另外，由于 L I N和 C I N的设计方案与上述基本相同， 所以不再赘述。 2 ． 4细调部分 细调部分是本文设计的中心点，由于要模拟高分辨率 阻抗 ，就必须使两外接端子的电压与电流比是一个很精密 的浮点量，而在本文设计的模拟阻抗中，电流信号在系统 中是一个不变量，所以要调整电压与电流比就是要处理电 压信号，这样就需要用到 D A C细分技术。 2 ． 4 ． 1 D AC细分技术的原理 D AC是数模转换器的简称 ，本文所涉及到的 D A C均为 R _ 一 2 R电阻网络型 D A C，它的原理图如图 6 所示。 图 6 R 一2 R电阻网络型 D AC原理图 F i g ． 6 S c h e ma t i c o f R- 2 R r e s i s t a n c e n e t wo r k t y p e DAC 由图中电阻网络各个节点向右看， 其对地电阻均为R。 当有信号 U R输入 D A C时，电阻网络中的电流信号从左 往右分配规律为 I R ／ 2 ， I ， 2 ⋯⋯I ，即按权位分布。模拟 开关受到二进制数字信号的控制，在地与虚地之间切换， 当某一位模拟开关接通 1 时，则该位权电流流人求和点。 权电流由权电阻决定，由于最高权位电阻为 R，次高位为 2 R⋯⋯第 N位为 2 N - I R，则相应 的权电流为 U R ／ 2 R。 将电阻网络接到运算放大器的反向端，当 N位二进制数控 制相应的模拟开关接向U R或地 ，则总输出电压为 U a R E2 一 Uo 一 ， 0 l 一 L 一 R 上式表明，模拟输 出电压与二进制数字输入信号成正 比。 在本文设计的系统中，需要将电流输入端输出的模 拟电压信号细分化，根据上式，假设 D A C的分辨率为 N， 则输出电压与输入电压比值为 一 RI D ／ 2 N R。其 中D是 N位 二进制数字量 ，由 C P U提供给 D A C的数字量输入端。D是 细调部分中C P U所要输出的唯一数据，也是人为输入的数 据处理后的结果。 根据原理图和上述公式，系统的电压与电流比为 一 ZI N XZ b - T D X广 Z SE T X R 1D 其中，N为 D A C的分辨率。 2 ． 4 ． 2 D AC复 用技术 本文利用一片 A D 7 5 6 4四通道 1 2位 串行输入 D A C实 现 2 4位分辨率。 双 D A C复用技术中，由于两片 D A C是共 同处理同一 多位数据的，所以首先应确定两片 D A C各 自的权位。权位 选定涉及到两个方面，一是谁接受高位数字，谁接收低位 数字；二是它们输出的电信号如何叠加。 在 A D 7 5 6 4中，选用A和 B两路 1 2 位 D A C ，将 A D 7 5 6 4 按图7的方式连接起来。 ， 。 t 0 u勰 R 1 4 0 9 6 1 僦 l L一 V R E F I ’ C 0 R 2 啪 10 U C 撮 懿 0 盱 镏 l 0 U T 2 D l A D 7 5 6 4 图 7 A与 B两路复用构成 2 4位 DA C F i g ．7 2 4 - b i t DAC c o n s i s t s o f A a n d B 在 芯片工作时 ， 将 电平触发控制输入 F S I N通过 C P U置为低电平， 选通 A路通过串行数据输入 S D I N 引脚， 将 2 4位输入数字量的高 l 2位数据输入 A路并在输入寄存 第6 期 欧阳红 国 罐 区仪表 防雷 应用分析 3 7 而造成 日后的雷击隐患。浪涌保护器的设置应综合考虑性 价比，不应滥设，一定要保证接闪与接地措施到位。在控 制室部分信号回路、网络交换机 、程控电话等未作过电压 保护端口处加装浪涌保护装置 ；在现场侧各仪表设备未作 过电压保护设备前端加装浪涌保护装置；需对现场所有浪 涌保护器进行一次全面检测 ，经过 5 年使用，不排除浪涌 保护器在雷击过程中已经损坏，失去对设备的保护作用， 应该全部进行更换。 对此，增设现场浪涌保护器，操作室增设浪涌保护器 柜 ，全部更新并检测。制定规程，要求每年雷雨季前对浪 涌保护器进行检测并出具检测报告 ，确保其实际效果。将 控制室总电源浪涌保护器接地专用线直接与接地母排连接， 并使其连接长度符合浪涌保护器安装的要求 连接长度 ≤ 5 0 c m。按照规范要求将控制室内所有用电设备及金属 导体作好等电位连接 。 5 将控制室内的所有连接导线按照规范要求重新综合 布线。现有室外仪表电缆桥架及槽盒盖板腐蚀破损严重无 法做到对控制电缆的屏蔽， 不利于仪表信号感应雷的防护， 故作为隐患治理项 目进行专项整治 ，使用抗腐蚀和导电性 能更好的铝合金槽盒并进行桥架多点接地，接地点间距小 于 2 0 m。 4 改造后防雷应用效果 油罐区防雷系统 2 0 1 0年 9月未改造之前每年雷雨季节 都发生过雷击事件，其中 2 0 0 9年 3月 2 7日是雷击最严重 的一次， 除设备因雷击损坏外 ， 还严重危及油罐区安全生产。 改造以后，经过几次雷电的考验 ， 未发生过一次雷击事件。 油罐区雷雨季节安全生产得到了保证，达到了很好的防雷 效果，为罐区的安全生产提供了有力保证。 5 结束语 仪表防雷工程是一个系统工程，随着罐区自动化发展 水平的不断提高，防雷工程有着其重要性和特殊性。在实 际应用中，需多专业配合共同完成，针对雷电对仪表设备 损害途径，有的放矢地进行相应防护，忽视某一环节，就 有可能收效甚微。全面利用现有的防雷技术 ，才能抑制和 减少雷电的危害。 参考文献 [ 1 ] 建设部标准定额研究所． 建筑物电子信息系统防雷技术规范 G B 5 0 3 4 3 2 0 0 4 Is ] ．北京中国建筑工业出版社 I 2 1 石油化工仪表系统防雷设计规范．S H／ T 3 1 6 4 2 0 1 2 [ q ． [ 3 】 建筑物防雷设计规范G B 5 0 0 7 5 - 9 4 [ s ] [ 4 】 建筑物防雷装置检测技术规范G B ／ T 2 1 4 3 1 2 0 0 8 【 s 1 ． 一一一_一一_一一一一-一一一一●一一一一-一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一_一一一一_一一一一一一一●一一-一●一一一一一一一一一一一一 上接 第1 4 页 3 ． 2 程序框 图 程序框图如图 1 1 所示。 图 l 1程序框图 Fi g ． 1 1 F l o w c h a r t 在可编程阻抗的程序设计中，根据上述流程，主要分 为以下几大部分 1 初始化显示器和所有有关数据。 2通过读键盘了解所调到的档位，送显示器显示 ，并 将调到的档的具体物理量送入处理器暂存，供稍后计算使 用 。 3 通过读键盘显示并暂存用户所需的具体阻抗值。 4 跳出读键程序后根据读键程序中所得到的具体数据， 在主程序内计算出要送入 D A C的值，将其二进制化，驱动 D A C工作 ，即完成一次工作。 4 结束语 可编程阻抗用真实的电子元件实现用户所需要电路基 本阻抗值的大小，可为诸多需要高精密度阻抗元件的场合 提供技术支持。本文提出了可编程阻抗的框架结构和设计 思想，并给出硬件设计和软件设计的原理。 参考文献 [ 1 ] 张立科网络虚拟电路实验室数控电路基本元件的设计与实现 『 D 】 ． 哈尔滨 哈尔滨工程大学，2 0 0 7 【 2 】 张琛 ． 现代产品中的人机界面设计 U 1 _ 企业导报 ， 2 0 1 o 9 2 8 4 [ 3 】 刘华林，郭琳 ． 1 2 位 D ／ A转换器A D 7 5 6 4 U 1 ． 电子世界，2 0 0 5 6 4 8 4 9 ．