一种微位移测试系统的制作方法
一种微位移测试系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微位移测试系统。
【背景技术】
[0002]位移用于描述物体在空间中位置，是日常生活，自动化工业生产和科学研究中最基本的物理量，重要性不言而喻。微位移测试系统测量物体位置的相对变化，是机械加工，机械测量，自动化生产等的重要保障。目前微位移测试系统面临的主要难点是:一是产生频率稳定、幅度稳定的正弦激励信号，二是低温漂有效值转换，三是高精度模数采样，四是开关电源的保障。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种微位移测试系统，其能产生频率稳定、幅度稳定的正弦激励信号，并实现低温漂有效值转换和高精度模数采样。
[0004]实现上述目的的一种技术方案是:一种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器上设有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其还包括:
[0005]用于产生方波信号的主单片机；
[0006]用于从所述方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路；
[0007]连接所述线性可变差动变压器的初级线圈，用于增强该正弦基波信号的驱动能力，以驱动所述线性可变差动变压器的平衡驱动电路；
[0008]分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对所述线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路；
[0009]用于对所述仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路；
[0010]用于将所述带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路；
[0011]用于对所述交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入所述主单片机的模数转换电路；
[0012]以及用于同时提供+3V电源、-3V电源、+5V电源，-5V电源、+2.5V电源的电源转换电路。
[0013]进一步的，所述主单片机上设有时钟电路，所述时钟电路包括与所述主单片机的XTAL1接口和XTAL2接口连接的无源晶振Ml，将所述主单片机的XTAL1接口接地的电容C19，以及将所述主单片机的XTAL2接口接地的电容C20。
[0014]进一步的，所述平衡驱动电路包括一个全差分漏斗平衡放大器;所述全差分漏斗平衡放大器上设有IN+0.4引脚、IN+0.8引脚、IN-0.4引脚和IN-0.8引脚，以及VC0M引脚、VDD3引脚、VSS3引脚、+0UT3弓|脚和-0UT3引脚；
[0015]所述+0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的同名端，所述-0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的非同名端;所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的非同名端和第二次级线圈的非同名端同时接地;所述ΙΝ+0.4引脚和ΙΝ+0.8引脚之间设有切换开关J1，所述切换开关连接所述基波抽取电路;所述IN-0.4引脚、所述IN-0.4引脚，以及所述VCOM引脚同时接地。
[0016]进一步的，所述仪器放大电路包括仪器放大芯片，所述仪器放大芯片上设有IN-5引脚、IN+5引脚，RG 1引脚、RG2引脚，V0UT5引脚、REF5引脚，以及VCC5弓|脚和VSS5引脚，所述RG1引脚和所述RG2引脚之间设有增益调节电阻RG;所述V0UT5引脚为所述仪器放大电路的输出端；
[0017]所述IN-5引脚和所述IN+5引脚之间设有电容C4，所述IN-5引脚和所述IN+5弓丨脚分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的同名端和第二次级线圈的同名端，构成该仪器放大电路的输入端。
[0018]进一步的，所述交直变换电路包括一块交流转直流变换芯片，所述交流转直流变换芯片上设有SUM引脚、RMS引脚，IBFOUT引脚、IBFIN-引脚、IBFIN+引脚、IGND引脚、IBFGN引脚、0GND引脚、VSS7引脚、0BFIN-引脚、0BF0UT2引脚；
[0019]所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚短接，并通过极性电容E3连接所述RMS引脚，其中所述极性电容E3的正极连接所述RMS引脚，负极同时连接所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚；
[0020]所述IBFIN+引脚通过电阻R10接地，连接所述带通滤波电路;所述IGND引脚和所述0GND引脚同时接地，所述VSS7弓丨脚连接-5V电源；
[0021]所述0BFIN-引脚和所述0BF0UT2引脚短接，并通过依次串联的电阻R11和电阻R12接地，所述电阻R12上并联有极性电容E5，经过交流转直流变换后的直流信号从所述极性电容E5的正极输出。
[0022]进一步的，所述模数转换电路，包括基准源集成电路和模数转换集成电路，所述基准源集成电路上设有VIN81弓I脚、GND81引脚、V0UT81弓|脚和TP81引脚；
[0023]所述模数转换集成电路设有REF82引脚、VDD82引脚、V1082引脚、SDI 82引脚、IN82+引脚、IN82-引脚、GND82引脚、SCK82引脚、SD082弓|脚和CNV82引脚；
[0024]所述基准源集成电路的VIN81引脚和GND81引脚之间设有电容C32，所述V0UT81引脚与所述模数转换集成电路的REF82引脚连接；
[0025]所述模数转换集成电路的REF82引脚与接地端之间设有极性电容E16，使所述REF82引脚获取基准电压;所述模数转换集成电路的IN82+引脚接地;所述模数转换集成电路的VDD82引脚和IN82+引脚之间连接有电容C13;
[0026]所述模数转换集成电路的V1082引脚和IN82+引脚之间连接有电容C14，所述模数转换集成电路的V1082引脚和SDI 82引脚短接；
[0027]所述模数转换集成电路的GND82引脚连接接地端；
[0028]所述模数转换集成电路的SCK82引脚、SD082引脚和CNV82引脚对应连接所述主单片机的CLK引脚、M0S引脚和SS引脚。
[0029]进一步的，所述电源转换电路包括:
[0030]输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、单片电源、反馈电路、输出整流滤波电路；
[0031 ]所述输入整流滤波电路包括整流桥和整流极性电容，其中所述整流极性电容的正极与所述整流桥的正极输出端连接，负极与所述整流桥的负极输出端连接；
[0032]所述高频变压器包括初级绕组、次级绕组和反馈绕组；
[0033]所述单片电源包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，其中所述第二引脚与所述整流极性电容的负极连接；
[0034]所述钳位保护电路包括钳位稳压二极管和钳位二极管，其中所述钳位稳压二极管的负极与所述整流极性电容的正极以及所述初级绕组的非同名端连接;所述钳位二极管的正极与所述钳位稳压二极管的正极连接，所述钳位二极管的负极与所述初级绕组的同名端以及所述单片电源的第一引脚连接；
[0035]所述输出整流滤波电路包括第一次级二极管、次级极性电容、次级稳压二极管、次级电感和第二次级二极管，所述第一次级二极管的负极与所述次级绕组的同名端连接，所述第一次级二极管的正极与所述次级极性电容的正极连接，所述次级极性电容的负极与所述次级绕组的非同名端连接，所述次级极性电容的正极与所述次级稳压二极管的正极连接，所述次级电感的一端与所述次级稳压二极管的负极连接，所述次级电感的另一端与所述第二次级二极管的负极连接，所述第二次级二极管的正极与所述次级极性电容的负极连接；
[0036]所述反馈电路包括反馈二极管、反馈电容、光耦合器和反馈极性电容，其中所述反馈二极管的负极与所述反馈绕组的同名端连接，所述反馈电容的一端与所述反馈二极管正极连接，所述反馈电容的另一端与所述反馈绕组的非同名端，以及所述单片电源的第二引脚连接，所述光耦合器的一端与所述反馈二极管的正极连接，所述光耦合器的另一端与所述单片电源的第三引脚以及所述反馈极性电容的正极连接，所述光耦合器与所述第二次级二极管耦合，所述反馈极性电容的负极与所述单片电源的第二引脚连接。
[0037]进一步的，所述主单片机上还设有复位电路，所述复位电路包括连接在所述主单片机的RST1接口与+5V电源之间的极性电容E17，以及连接在所述主单片机的RST1接口和接地端之间的电阻R9。
[0038]进一步的，所述主单片机上还设有按键中断电路，所述按键中断电路包括用于连接所述主单片机的IN03.2接口、INI 3.3接口和GND1接口的开关K1;连接所述主单片机的IN03.2接口和接地端的电容C12，以及连接所述主单片机的IN03.2接口和+5V电源的电阻R21。
[0039]进一步的，所述主单片机上设有用于和数据显示电路连接的P1.0接口、P1.1接口、?1.2接口、？2.0接口、？2.1接口、？2.2接 口、？2.3接口、？2.4接口、？2.4接口、？2.6接口、？2.7接口。
[0040]采用了本发明的一种微位移测试系统的技术方案，包括种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器上设有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其还包括用于产生方波信号的主单片机；用于从所述方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路;连接所述线性可变差动变压器的初级线圈，用于增强该正弦基波信号的驱动能力，以驱动所述线性可变差动变压器的平衡驱动电路;分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对所述线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路;用于对所述仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路;用于将所述带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路；用于对所述交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入所述主单片机的模数转换电路；以及用于同时提供+3V电源、-3V电源、+5V电源，-5V电源、+2.5V电源的电源转换电路。其技术效果是:产生频率稳定、幅度稳定的正弦激励信号，并实现低温漂有效值转换和高精度模数采样。
【附图说明】
[0041 ]图1为本发明的一种微位移测试系统的总结构示意图。
[0042]图2为本发明的一种微位移测试系统的主单片机的结构示意图。
[0043]图3为本发明的一种微位移测试系统的平衡驱动电路的结构示意图。
[0044]图4为本发明的一种微位移测试系统的仪器放大电路的结构示意图。
[0045]图5为本发明的一种微位移测试系统的交直变换电路的结构示意图。
[0046]图6为本发明的一种微位移测试系统的模数转换电路的结构示意图。
[0047]图7为本发明的一种微位移测试系统的电源转换电路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0048]请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明:
[0049]请参阅图1，本发明的一种微位移测试系统，包括依次连接，并构成一个环路主单片机1、基波抽取电路2、平衡驱动电路3、线性可变差动变压器4、仪器放大电路5、带通滤波电路6、交直变换电路7和模数转换电路8，以及电源转换电路9。其中主单片机1上设有时钟电路11、复位电路12、按键中断电路13和数据显示电路14。
[0050]微位移测试系统的工作过程为由主单片机1产生方波信号，通过基波抽取电路2抽取2.5kHz正弦基波信号，将该信号送入平衡驱动电路3增强其驱动能力后，用以驱动线性可变差动变压器4的初级线圈L1，在线性可变差动变压器的第一次级线圈L2和第二次级线圈L3即可输出相应的差分信号，该信号随线性可变差动变压器4中的感应铁芯(图中未显示)的位置变化而变化。由于线性可变差动变压器4的第一次级线圈L2和第二次级线圈L3输出的差分信号非常微弱并且混入大量噪声，所以将该信号送入仪器放大电路5，实现对差分信号的放大，同时可以滤除该差分信号中混入的共模噪声，将该差分信号送入带通滤波电路6，进一步滤除该差分信号中的噪声，由于该差分信号为双极性正弦波信号并不能直接被模数转换电路8采样，需要交直变换电路7，将该差分信号转换为电压大小随正弦波幅度变化的直流信号。该直流信号送入模数转换电路8，完成模拟量到数字量的转换得到电压转换结果值，再由主单片机1读取该电压转换结果值，主单片机1对该电压转换结果进行数字滤波计算，降低其中的噪声，再将转换电压转换结果值通过理论计算公式转化成线性可变差动变压器4中铁芯的位移值，送入数据显示电路14，将结果显示出来。
[0051 ] 其中主单片机1为宏晶半导体的STC12C5630AD单片机，主单片机1的XTAL1接口和XTAL2接口连接无源晶振Ml，主单片机的XTAL1接口通过电容C19接地，主单片机1的XTAL2接口通过电容C20接地。无源晶振Ml为主单片机1正常工作提供精准的从外部基准时钟，无源晶振Ml的振荡周期也决定了主单片机1的工作速度。无源晶振面的振荡频率20MHz。无源晶振M1、电容C19和电容C20构成了时钟电路11。
[0052]复位电路12是为了在上电或复位过程中让主单片机1保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止主单片机1发出错误的指令或执行错误操作，并提高主单片机1的电磁兼容性能。复位电路12包括连接在主单片机1的RST1接口与+5V电源之间的极性电容E17，以及连接在主单片机1的RST1接口和接地端之间的电阻R9。其中极性电容E17的正极连接+5V电源，负极连接RST1接口。
[0053]为了降低电源噪声，提高系统可靠性，在主单片机1的VCC1接口和+5V电源之间还增加了并联设置的电解电容和陶瓷电容(图中未显示)。
[0054]按键中断电路13，包括用于连接主单片机1的IN03.2接口、INI 3.3接口和6仰1接口的开关K1。主单片机1的IN03.2接口通过电容C12接地，通过电阻R21连接+5V电源，主单片机1的GND1接口接地。按键中断电路13主要是为了数据显示模式的切换。当开关K1使主单片机1的INI 3.3接口和GND1接口断开时，中断脚，S卩IN03.2接口为高电平，开关K1使IN03.2接口和GND1接口连通，电容C12开始放电，电压逐渐降至0V，在IN03.2接口产生一个下降沿，触发中断。开关K1松下，使主单片机1的INI 3.3接口和GND 1接口连通，电容C12开始充电，恢复高电平，电容C12可以起到消抖的作用，防止按一次按键因机械抖动产生多次中断。
[0055]主单片机1的P3.4接口作为方波输出端和基波抽取电路2的输入相连，为基波抽取电路2提供2.5kHz的方波信号，该方波信号由无源晶振Ml的信号分频而来。
[0056]主单片机1的P1.4接口、P1.5接口、P1.6接口和P1.7接口用于和模数转换电路8连接，通过SPI数字通信，读取模数转换电路8的电压转换结果值。
[0057]主单片机1 的 P1.0接口、P1.1接口、P1.2接口、P2.0接口、P2.1接口、P2.2接口、P2.3接口、P2.4接口、P2.4接口、P2.6接口、P2.7接口用于和数据显示电路14连接。
[0058]基波抽取电路2采用亚诺德公司的AD8638型带通滤波器，选用AD8638型带通滤波器的原因它优越的低噪声性能和零漂移放大。AD8638型带通滤波器是一款宽带宽、自动调零的放大器，采用5V?16V单电源或者±2.5V?±8V双电源供电。实现了高精度、低成本、低噪声的完美结合。
[0059]平衡驱动电路3包括一个全差分漏斗平衡放大器31;全差分漏斗平衡放大器3上设有IN+0.4引脚、IN+0.8引脚、IN-0.4引脚和IN-0.8引脚，以及VC0M引脚、VDD3引脚、VSS3弓I脚、+0UT3弓I脚和-0UT3引脚。
[0060]+0UT3引脚连接线性可变差动变压器4中初级线圈L1的同名端，-0UT3引脚连接线性可变差动变压器4中初级线圈L1的非同名端。线性可变差动变压器4的第一次级线圈L2的非同名端和第二次级线圈L3的非同名端同时接地。
[0061]IN+0.4引脚和IN+0.8引脚之间设有切换开关J1。切换开关J1连接基波抽取电路2。[0062 ] ΙΝ-0.4引脚、ΙΝ-0.4引脚，以及VC0M引脚同时接地。
[0063]本实施例中的全差分漏斗平衡放大器31为亚诺德的AD8475型放大器，其可提供
0.4或0.8倍的精密衰减，并具有共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。采用5V单电源供电时，其功耗仅16mW。其中切换开关J1就是用来调整增益的。
[0064]仪器放大电路5包括仪器放大芯片51，仪器放大芯片51采用亚诺德的INA333型仪器放大芯片。仪器放大芯片51上的引脚包括IN-5引脚、IN+5引脚，RG1引脚、RG2引脚，V0UT5引脚、REF5引脚，以及VCC5引脚和VSS5引脚。其中RG1引脚、RG2引脚之间设有增益调节电阻RG，增益调节电阻RG是由连接RG 1引脚的，电阻R5。以及连接RG2引脚的，电位器P1串联而成的。[0065 ]仪器放大芯片51的输出端V0UT5引脚。
[0066]仪器放大芯片51的IN-5引脚和IN+5引脚之间设有电容C4，仪器放大芯片51的IN-5引脚和IN+5引脚分别连接线性可变差动变压器4中第一次级线圈L2的同名端和第二次级线圈L3的同名端，构成仪器放大电路5的输入端。
[0067]VCC5引脚连接+3V电源，VSS5引脚接-3.3V电源，用于对线性可变差动变压器4输出的差分信号进行高频噪声的抑制。
[0068]交直变换电路7包括交流转直流变换芯片71，该交流转直流变换芯片71为亚诺德的AD8436型交 流转直流变换芯片。
[0069 ] 交流转直流变换芯片71上设有CCF7引脚、CAVG引脚、SUM引脚、RMS引脚，IBF0UT弓丨脚、IBFIN-引脚、IBFIN+引脚、IGND 引脚、IBFGN引脚、0GND 引脚、VSS7 引脚、0UT7 引脚、0BFIN+引脚、0BFIN-引脚、0BF0UT1引脚、0BF0UT2引脚、IBFV+弓|脚和VCC7引脚。
[0070]其中CFF7引脚通过电容C9连接+5V电源，CAVG引脚通过相互并联设置的极性电容E2和电容C8连接+5V电源，其中，极性电容E2的正极连接+5V电源，负极连接CAVG引脚。0BF0UT1引脚、IBFV+弓|脚和VCC7引脚同时短接+5V电源。
[0071]IBFIN-引脚和IBFOUT引脚短接，并通过极性电容E3连接RMS引脚，其中极性电容E3的正极连接RMS引脚，负极同时连接IBFIN-弓丨脚和IBFOUT引脚。
[0072]IBFIN+引脚通过电阻R10接地，并用于接收带通滤波电路6输出的正弦信号。IGND弓丨脚和0GND引脚同时接地，VSS7弓丨脚连接-5V电源。
[0073]0UT7引脚和0BFIN+引脚短接并通过极性电容E4接地，其中极性电容E4的正极同时连接0UT7引脚和0BFIN+引脚。
[0074]0BFIN-引脚和0BF0UT2引脚短接，并通过依次串联的电阻Rl 1和电阻R12接地，其中电阻R12上并联有极性电容E5，其中极性电容E5的正极连接电阻Rl 1，负极接地。经过交流转直流转换后的直流信号从极性电容E5的正极输出。
[0075]模数转换电路8，包括基准源集成电路81和模数转换集成电路82，基准源集成电路81上设有VIN81弓I脚、GND81引脚、V0UT81弓|脚和TP81引脚。
[0076]模数转换集成电路82设有REF82引脚、VDD82引脚、V1082引脚、SDI 82引脚、IN82+引脚、IN82-引脚、GND82引脚、SCK82引脚、SD082弓|脚和CNV82引脚。
[0077]其中，基准源集成电路81上的VIN81引脚和GND81引脚之间设有电容C32，V0UT81弓|脚与模数转换集成电路82的REF82弓|脚连接。
[0078]模数转换集成电路82的REF82引脚与接地端之间设有极性电容E16，极性电容E16的正极连接模数转换集成电路82的REF82引脚，，负极与接地端连接。模数转换集成电路82的REF82引脚用于获取基准电压。
[0079 ]模数转换集成电路82的IN82+引脚接地。
[0080]模数转换集成电路82的VDD82引脚和IN82+引脚之间连接有电容C13，VDD82引脚作为模数转换集成电路82的输入电源。
[0081 ]模数转换集成电路82的V1082引脚和IN82+引脚之间连接有电容C14，同时模数转换集成电路82的V1082引脚和SDI82引脚短接，电容C14作为模数转换集成电路82的输入/输出接口的输入电源。
[0082]模数转换集成电路82的GND82引脚连接接地端。
[0083]模数转换集成电路82的SCK82引脚、SD082引脚和CNV82引脚对应连接主单片机1的CLK弓丨脚、M0S弓丨脚和SS引脚。
[0084]基准源集成电路81为亚诺德的ADR4550基准源集成芯片，ADR4550基准源集成芯片是高精度、低功耗、低噪声基准电压源，最大初始误差为±0.081%，具有出色的温度稳定性和低输出噪声。ADR4550基准源集成芯片，精度、温度稳定性好，抗噪声性能佳，输出电压迟滞低，长期输出电压漂移低，提高了整个系统的寿命和在温度范围内的精度。
[0085]模数转换集成电路82采用亚诺德的AD7988模数转换集成芯片，其REF82引脚经极性电容E16去耦后接地。
[0086]IN82+为引脚用于接收自交直变换电路7的单端直流信号。
[0087]通过依次串联的基准源集成电路81和模数转换集成电路82，能够提高微位移的测量精度，降低功耗、减小噪声，减少输出电压迟滞和长期输出电压漂移。
[0088]电源转换电路9包括输入整流滤波电路91、高频变压器92、单片电源93、钳位保护电路94、输出整流滤波电路95和反馈电路96，其中:
[0089]输入整流滤波电路91包括整流桥911和整流极性电容912，交流电源经过整流桥911和整流极性电容912整流滤波后产生直流高压，向高频变压器92的初级绕组921供电。
[0090]高频变压器92包括初级绕组921、次级绕组922和反馈绕组923 ；当单片电源93导通时，电能以磁能量形式存储在初级绕组921中；当单片电源93截止时，能量传输给次级绕组922。
[0091]单片电源93采用美国功率集成公司的三端单片电源T0P224。单片电源93，包括第一引脚931、第二引脚932、第三引脚933，其中第二引脚932与整流极性电容12的负极连接。该单片电源93将M0SFET和控制电路集成在一起，不仅提高了电源效率，而且使电源的体积和重量大为减小。
[0092]钳位保护电路94包括钳位稳压二极管941和钳位二极管942，其中钳位稳压二极管941的负极与整流极性电容912的正极以及初级绕组921的非同名端连接;钳位二极管942的正极与钳位稳压二极管941的正极连接，钳位二极管942的负极与初级绕组921的同名端以及单片电源93的第一引脚31连接;通过钳位稳压二极管941和钳位二极管942，使高频变压器92漏感产生的尖峰电压和初级绕组921上产生的反向电动势，钳位到安全值。
[0093]输出整流滤波电路95包括第一次级二极管951、次级极性电容952、次级稳压二极管953、次级电感954和第二次级二极管955，第一次级二极管951的负极与次级绕组922的同名端连接，第一次级二极管951的正极与次级极性电容952的正极连接，次级极性电容952的负极与次级绕组922的非同名端连接，次级极性电容952的正极与次级稳压二极管953的正极连接，次级电感954的一端与次级稳压二极管953的负极连接，次级电感954的另一端与第二次级二极管955的负极连接，第二次级二极管的正极955与次级极性电容952的负极连接。输出整流滤波电路95有效抑制浪涌电流，稳定输出电压。
[0094]反馈电路96包括反馈二极管961、反馈电容962、光親合器963、反馈极性电容964，其中反馈二极管961的负极与反馈绕组923的同名端连接，反馈电容962的一端与反馈二极管961的正极连接，反馈电容962的另一端与反馈绕组923的非同名端，以及单片电源93的第二引脚932连接，光耦合器963的一端与反馈二极管961的正极连接，光耦合器963的另一端与单片电源93的第三引脚933以及反馈极性电容964的正极连接，光耦合器963与第二次级二极管955耦合，反馈极性电容964的负极与单片电源93的第二引脚932连接。反馈绕组923的电压经过反馈电路96整流滤波后获得反馈电压，经光耦合器963为单片电源93提供偏压。
[0095]交流电源经过整流桥911和整流极性电容912整流滤波后产生直流高压，给高频变压器92的初级绕组921供电。高频变压器92初级绕组921的极性与其次级绕组922、反馈绕组923的极性相反。在单片电源93导通时，第一次级二极管951截止，电能以磁能量形式存储在初级绕组921中；当单片电源93截止时，第一次级二极管951导通，能量传输给次级绕组922。高频变压器92在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。
[0096]输入整流滤波电路91的直流高压经初级绕组921加至单片电源93的第三引脚931上。在输入整流滤波电路91与单片电源93之间设置钳位保护电路94，通过钳位稳压二极管941和钳位二极管942，在单片电源93截止瞬间，初级绕组921极性为上负下正，高频变压器92漏感会产生尖峰电压，此时尖峰电压就被钳位稳压二极管941吸收掉。当单片电源93导通时，高频变压器92的初级绕组921极性上正下负，使得第一次级二极管951截止，钳位电路94不起作用。
[0097]次级绕组922电压经输出整流滤波电路95整流滤波，获得输出电压。
[0098]反馈绕组923电压经反馈电路96整流滤波后获得反馈电压，通过光耦合器963中的光敏三极管给单片电源93的第三引脚33提供偏压。
[0099]反馈电路96通过调节单片电源93的占空比实现稳压的。
[0100]电源转换电路9以最少的外围电路降低微位移测试系统用电源的损耗、提高电源效率、减小电源体积与重量、减轻电磁干扰。
[0101]本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型 都将落在本发明的权利要求书范围内。
【主权项】
1.一种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器上设有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其特征在于:其还包括: 用于产生方波信号的主单片机； 用于从所述方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路； 连接所述线性可变差动变压器的初级线圈，用于增强该正弦基波信号的驱动能力，以驱动所述线性可变差动变压器的平衡驱动电路； 分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对所述线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路； 用于对所述仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路； 用于将所述带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路； 用于对所述交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入所述主单片机的模数转换电路； 以及用于同时提供+3 V电源、-3 V电源、+5 V电源，-5 V电源、+2.5 V电源的电源转换电路。2.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上设有时钟电路，所述时钟电路包括与所述主单片机的XTAL1接口和XTAL2接口连接的无源晶振Ml，将所述主单片机的XTAL1接口接地的电容C19，以及将所述主单片机的XTAL2接口接地的电容C20。3.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述平衡驱动电路包括一个全差分漏斗平衡放大器;所述全差分漏斗平衡放大器上设有ΙΝ+0.4引脚、ΙΝ+0.8引脚、ΙΝ-0.4引脚和ΙΝ-0.8引脚，以及VCOM引脚、VDD3引脚、VSS3引脚、+0UT3弓|脚和-0UT3引脚； 所述+0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的同名端，所述-0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的非同名端;所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的非同名端和第二次级线圈的非同名端同时接地;所述ΙΝ+0.4引脚和ΙΝ+0.8引脚之间设有切换开关J1，所述切换开关连接所述基波抽取电路;所述ΙΝ-0.4引脚、所述ΙΝ-0.4引脚，以及所述VCOM引脚同时接地。4.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述仪器放大电路包括仪器放大芯片，所述仪器放大芯片上设有IN-5引脚、IN+5引脚，RG1引脚、RG2引脚，V0UT5引脚、REF5引脚，以及VCC5引脚和VSS5引脚，所述RG1引脚和所述RG2引脚之间设有增益调节电阻RG;所述V0UT5弓I脚为所述仪器放大电路的输出端； 所述IN-5引脚和所述IN+5引脚之间设有电容C4，所述IN-5引脚和所述IN+5引脚分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的同名端和第二次级线圈的同名端，构成该仪器放大电路的输入端。5.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述交直变换电路包括一块交流转直流变换芯片，所述交流转直流变换芯片上设有SUM引脚、RMS引脚，IBFOUT引脚、IBFIN-引脚、IBFIN+ 引脚、IGND 弓丨脚、IBFGN 引脚、OGND 引脚、VSS7 引脚、OBFIN-引脚、0BF0UT2引脚；所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚短接，并通过极性电容E3连接所述RMS引脚，其中所述极性电容E3的正极连接所述RMS引脚，负极同时连接所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚；所述IBFIN+引脚通过电阻R10接地，连接所述带通滤波电路;所述IGND引脚和所述0GND引脚同时接地，所述VSS7弓丨脚连接-5V电源； 所述OBFIN-引脚和所述0BF0UT2引脚短接，并通过依次串联的电阻R11和电阻R12接地，所述电阻R12上并联有极性电容E5，经过交流转直流变换后的直流信号从所述极性电容E5的正极输出。6.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述模数转换电路，包括基准源集成电路和模数转换集成电路，所述基准源集成电路上设有VIN81引脚、GND81引脚、V0UT81引脚和TP81引脚； 所述模数转换集成电路设有REF82引脚、VDD82引脚、V1082引脚、SDI82引脚、IN82+引脚、IN82-引脚、GND82引脚、SCK82引脚、SD082弓|脚和CNV82引脚； 所述基准源集成电路的VIN81引脚和GND81引脚之间设有电容C32，所述V0UT81引脚与所述模数转换集成电路的REF82引脚连接； 所述模数转换集成电路的REF82引脚与接地端之间设有极性电容E16，使所述REF82引脚获取基准电压；所述模数转换集成电路的IN82 +引脚接地；所述模数转换集成电路的VDD82引脚和IN82+引脚之间连接有电容C13; 所述模数转换集成电路的V1082引脚和IN82+引脚之间连接有电容C14，所述模数转换集成电路的V1082引脚和SDI82引脚短接； 所述模数转换集成电路的GND82引脚连接接地端； 所述模数转换集成电路的SCK82引脚、SD082引脚和CNV82引脚对应连接所述主单片机的CLK弓丨脚、MOS弓丨脚和SS引脚。7.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述电源转换电路包括: 输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、单片电源、反馈电路、输出整流滤波电路； 所述输入整流滤波电路包括整流桥和整流极性电容，其中所述整流极性电容的正极与所述整流桥的正极输出端连接，负极与所述整流桥的负极输出端连接； 所述高频变压器包括初级绕组、次级绕组和反馈绕组； 所述单片电源包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，其中所述第二引脚与所述整流极性电容的负极连接； 所述钳位保护电路包括钳位稳压二极管和钳位二极管，其中所述钳位稳压二极管的负极与所述整流极性电容的正极以及所述初级绕组的非同名端连接;所述钳位二极管的正极与所述钳位稳压二极管的正极连接，所述钳位二极管的负极与所述初级绕组的同名端以及所述单片电源的第一引脚连接； 所述输出整流滤波电路包括第一次级二极管、次级极性电容、次级稳压二极管、次级电感和第二次级二极管，所述第一次级二极管的负极与所述次级绕组的同名端连接，所述第一次级二极管的正极与所述次级极性电容的正极连接，所述次级极性电容的负极与所述次级绕组的非同名端连接，所述次级极性电容的正极与所述次级稳压二极管的正极连接，所述次级电感的一端与所述次级稳压二极管的负极连接，所述次级电感的另一端与所述第二次级二极管的负极连接，所述第二次级二极管的正极与所述次级极性电容的负极连接； 所述反馈电路包括反馈二极管、反馈电容、光耦合器和反馈极性电容，其中所述反馈二极管的负极与所述反馈绕组的同名端连接，所述反馈电容的一端与所述反馈二极管正极连接，所述反馈电容的另一端与所述反馈绕组的非同名端，以及所述单片电源的第二引脚连接，所述光耦合器的一端与所述反馈二极管的正极连接，所述光耦合器的另一端与所述单片电源的第三引脚以及所述反馈极性电容的正极连接，所述光耦合器与所述第二次级二极管耦合，所述反馈极性电容的负极与所述单片电源的第二引脚连接。8.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上还设有复位电路，所述复位电路包括连接在所述主单片机的RST1接口与+5V电源之间的极性电容E17，以及连接在所述主单片机的RST1接口和接地端之间的电阻R9。9.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上还设有按键中断电路，所述按键中断电路包括用于连接所述主单片机的IN03.2接口、INI3.3接口和GND1接口的开关K1;连接所述主单片机的IN03.2接口和接地端的电容C12，以及连接所述主单片机的IN03.2接口和+5V电源的电阻R21。10.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上设有用于和数据显示电路连接的P1.0接口、P1.1接口、P1.2接口、P2.0接口、P2.1接口、P2.2接口、P2.3接口、P2.4接口、P2.4接口、P2.6接口、P2.7接口。
【专利摘要】本发明公开了一种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，以及用于产生方波信号的主单片机；用于从方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路；连接线性可变差动变压器的初级线圈的平衡驱动电路，分别连接线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路；用于对仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路；用于将带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路；用于对交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入主单片机的模数转换电路。
【IPC分类】G01B7/02
【公开号】CN105486212
【申请号】CN201510829884
【发明人】李荣正, 姜彪, 陈学军
【申请人】上海工程技术大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月25日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微位移测试系统。
【背景技术】
[0002]位移用于描述物体在空间中位置，是日常生活，自动化工业生产和科学研究中最基本的物理量，重要性不言而喻。微位移测试系统测量物体位置的相对变化，是机械加工，机械测量，自动化生产等的重要保障。目前微位移测试系统面临的主要难点是:一是产生频率稳定、幅度稳定的正弦激励信号，二是低温漂有效值转换，三是高精度模数采样，四是开关电源的保障。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种微位移测试系统，其能产生频率稳定、幅度稳定的正弦激励信号，并实现低温漂有效值转换和高精度模数采样。
[0004]实现上述目的的一种技术方案是:一种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器上设有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其还包括:
[0005]用于产生方波信号的主单片机；
[0006]用于从所述方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路；
[0007]连接所述线性可变差动变压器的初级线圈，用于增强该正弦基波信号的驱动能力，以驱动所述线性可变差动变压器的平衡驱动电路；
[0008]分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对所述线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路；
[0009]用于对所述仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路；
[0010]用于将所述带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路；
[0011]用于对所述交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入所述主单片机的模数转换电路；
[0012]以及用于同时提供+3V电源、-3V电源、+5V电源，-5V电源、+2.5V电源的电源转换电路。
[0013]进一步的，所述主单片机上设有时钟电路，所述时钟电路包括与所述主单片机的XTAL1接口和XTAL2接口连接的无源晶振Ml，将所述主单片机的XTAL1接口接地的电容C19，以及将所述主单片机的XTAL2接口接地的电容C20。
[0014]进一步的，所述平衡驱动电路包括一个全差分漏斗平衡放大器;所述全差分漏斗平衡放大器上设有IN+0.4引脚、IN+0.8引脚、IN-0.4引脚和IN-0.8引脚，以及VC0M引脚、VDD3引脚、VSS3引脚、+0UT3弓|脚和-0UT3引脚；
[0015]所述+0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的同名端，所述-0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的非同名端;所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的非同名端和第二次级线圈的非同名端同时接地;所述ΙΝ+0.4引脚和ΙΝ+0.8引脚之间设有切换开关J1，所述切换开关连接所述基波抽取电路;所述IN-0.4引脚、所述IN-0.4引脚，以及所述VCOM引脚同时接地。
[0016]进一步的，所述仪器放大电路包括仪器放大芯片，所述仪器放大芯片上设有IN-5引脚、IN+5引脚，RG 1引脚、RG2引脚，V0UT5引脚、REF5引脚，以及VCC5弓|脚和VSS5引脚，所述RG1引脚和所述RG2引脚之间设有增益调节电阻RG;所述V0UT5引脚为所述仪器放大电路的输出端；
[0017]所述IN-5引脚和所述IN+5引脚之间设有电容C4，所述IN-5引脚和所述IN+5弓丨脚分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的同名端和第二次级线圈的同名端，构成该仪器放大电路的输入端。
[0018]进一步的，所述交直变换电路包括一块交流转直流变换芯片，所述交流转直流变换芯片上设有SUM引脚、RMS引脚，IBFOUT引脚、IBFIN-引脚、IBFIN+引脚、IGND引脚、IBFGN引脚、0GND引脚、VSS7引脚、0BFIN-引脚、0BF0UT2引脚；
[0019]所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚短接，并通过极性电容E3连接所述RMS引脚，其中所述极性电容E3的正极连接所述RMS引脚，负极同时连接所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚；
[0020]所述IBFIN+引脚通过电阻R10接地，连接所述带通滤波电路;所述IGND引脚和所述0GND引脚同时接地，所述VSS7弓丨脚连接-5V电源；
[0021]所述0BFIN-引脚和所述0BF0UT2引脚短接，并通过依次串联的电阻R11和电阻R12接地，所述电阻R12上并联有极性电容E5，经过交流转直流变换后的直流信号从所述极性电容E5的正极输出。
[0022]进一步的，所述模数转换电路，包括基准源集成电路和模数转换集成电路，所述基准源集成电路上设有VIN81弓I脚、GND81引脚、V0UT81弓|脚和TP81引脚；
[0023]所述模数转换集成电路设有REF82引脚、VDD82引脚、V1082引脚、SDI 82引脚、IN82+引脚、IN82-引脚、GND82引脚、SCK82引脚、SD082弓|脚和CNV82引脚；
[0024]所述基准源集成电路的VIN81引脚和GND81引脚之间设有电容C32，所述V0UT81引脚与所述模数转换集成电路的REF82引脚连接；
[0025]所述模数转换集成电路的REF82引脚与接地端之间设有极性电容E16，使所述REF82引脚获取基准电压;所述模数转换集成电路的IN82+引脚接地;所述模数转换集成电路的VDD82引脚和IN82+引脚之间连接有电容C13;
[0026]所述模数转换集成电路的V1082引脚和IN82+引脚之间连接有电容C14，所述模数转换集成电路的V1082引脚和SDI 82引脚短接；
[0027]所述模数转换集成电路的GND82引脚连接接地端；
[0028]所述模数转换集成电路的SCK82引脚、SD082引脚和CNV82引脚对应连接所述主单片机的CLK引脚、M0S引脚和SS引脚。
[0029]进一步的，所述电源转换电路包括:
[0030]输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、单片电源、反馈电路、输出整流滤波电路；
[0031 ]所述输入整流滤波电路包括整流桥和整流极性电容，其中所述整流极性电容的正极与所述整流桥的正极输出端连接，负极与所述整流桥的负极输出端连接；
[0032]所述高频变压器包括初级绕组、次级绕组和反馈绕组；
[0033]所述单片电源包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，其中所述第二引脚与所述整流极性电容的负极连接；
[0034]所述钳位保护电路包括钳位稳压二极管和钳位二极管，其中所述钳位稳压二极管的负极与所述整流极性电容的正极以及所述初级绕组的非同名端连接;所述钳位二极管的正极与所述钳位稳压二极管的正极连接，所述钳位二极管的负极与所述初级绕组的同名端以及所述单片电源的第一引脚连接；
[0035]所述输出整流滤波电路包括第一次级二极管、次级极性电容、次级稳压二极管、次级电感和第二次级二极管，所述第一次级二极管的负极与所述次级绕组的同名端连接，所述第一次级二极管的正极与所述次级极性电容的正极连接，所述次级极性电容的负极与所述次级绕组的非同名端连接，所述次级极性电容的正极与所述次级稳压二极管的正极连接，所述次级电感的一端与所述次级稳压二极管的负极连接，所述次级电感的另一端与所述第二次级二极管的负极连接，所述第二次级二极管的正极与所述次级极性电容的负极连接；
[0036]所述反馈电路包括反馈二极管、反馈电容、光耦合器和反馈极性电容，其中所述反馈二极管的负极与所述反馈绕组的同名端连接，所述反馈电容的一端与所述反馈二极管正极连接，所述反馈电容的另一端与所述反馈绕组的非同名端，以及所述单片电源的第二引脚连接，所述光耦合器的一端与所述反馈二极管的正极连接，所述光耦合器的另一端与所述单片电源的第三引脚以及所述反馈极性电容的正极连接，所述光耦合器与所述第二次级二极管耦合，所述反馈极性电容的负极与所述单片电源的第二引脚连接。
[0037]进一步的，所述主单片机上还设有复位电路，所述复位电路包括连接在所述主单片机的RST1接口与+5V电源之间的极性电容E17，以及连接在所述主单片机的RST1接口和接地端之间的电阻R9。
[0038]进一步的，所述主单片机上还设有按键中断电路，所述按键中断电路包括用于连接所述主单片机的IN03.2接口、INI 3.3接口和GND1接口的开关K1;连接所述主单片机的IN03.2接口和接地端的电容C12，以及连接所述主单片机的IN03.2接口和+5V电源的电阻R21。
[0039]进一步的，所述主单片机上设有用于和数据显示电路连接的P1.0接口、P1.1接口、?1.2接口、？2.0接口、？2.1接口、？2.2接 口、？2.3接口、？2.4接口、？2.4接口、？2.6接口、？2.7接口。
[0040]采用了本发明的一种微位移测试系统的技术方案，包括种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器上设有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其还包括用于产生方波信号的主单片机；用于从所述方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路;连接所述线性可变差动变压器的初级线圈，用于增强该正弦基波信号的驱动能力，以驱动所述线性可变差动变压器的平衡驱动电路;分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对所述线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路;用于对所述仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路;用于将所述带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路；用于对所述交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入所述主单片机的模数转换电路；以及用于同时提供+3V电源、-3V电源、+5V电源，-5V电源、+2.5V电源的电源转换电路。其技术效果是:产生频率稳定、幅度稳定的正弦激励信号，并实现低温漂有效值转换和高精度模数采样。
【附图说明】
[0041 ]图1为本发明的一种微位移测试系统的总结构示意图。
[0042]图2为本发明的一种微位移测试系统的主单片机的结构示意图。
[0043]图3为本发明的一种微位移测试系统的平衡驱动电路的结构示意图。
[0044]图4为本发明的一种微位移测试系统的仪器放大电路的结构示意图。
[0045]图5为本发明的一种微位移测试系统的交直变换电路的结构示意图。
[0046]图6为本发明的一种微位移测试系统的模数转换电路的结构示意图。
[0047]图7为本发明的一种微位移测试系统的电源转换电路的结构示意图。
【具体实施方式】
[0048]请参阅图1，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明:
[0049]请参阅图1，本发明的一种微位移测试系统，包括依次连接，并构成一个环路主单片机1、基波抽取电路2、平衡驱动电路3、线性可变差动变压器4、仪器放大电路5、带通滤波电路6、交直变换电路7和模数转换电路8，以及电源转换电路9。其中主单片机1上设有时钟电路11、复位电路12、按键中断电路13和数据显示电路14。
[0050]微位移测试系统的工作过程为由主单片机1产生方波信号，通过基波抽取电路2抽取2.5kHz正弦基波信号，将该信号送入平衡驱动电路3增强其驱动能力后，用以驱动线性可变差动变压器4的初级线圈L1，在线性可变差动变压器的第一次级线圈L2和第二次级线圈L3即可输出相应的差分信号，该信号随线性可变差动变压器4中的感应铁芯(图中未显示)的位置变化而变化。由于线性可变差动变压器4的第一次级线圈L2和第二次级线圈L3输出的差分信号非常微弱并且混入大量噪声，所以将该信号送入仪器放大电路5，实现对差分信号的放大，同时可以滤除该差分信号中混入的共模噪声，将该差分信号送入带通滤波电路6，进一步滤除该差分信号中的噪声，由于该差分信号为双极性正弦波信号并不能直接被模数转换电路8采样，需要交直变换电路7，将该差分信号转换为电压大小随正弦波幅度变化的直流信号。该直流信号送入模数转换电路8，完成模拟量到数字量的转换得到电压转换结果值，再由主单片机1读取该电压转换结果值，主单片机1对该电压转换结果进行数字滤波计算，降低其中的噪声，再将转换电压转换结果值通过理论计算公式转化成线性可变差动变压器4中铁芯的位移值，送入数据显示电路14，将结果显示出来。
[0051 ] 其中主单片机1为宏晶半导体的STC12C5630AD单片机，主单片机1的XTAL1接口和XTAL2接口连接无源晶振Ml，主单片机的XTAL1接口通过电容C19接地，主单片机1的XTAL2接口通过电容C20接地。无源晶振Ml为主单片机1正常工作提供精准的从外部基准时钟，无源晶振Ml的振荡周期也决定了主单片机1的工作速度。无源晶振面的振荡频率20MHz。无源晶振M1、电容C19和电容C20构成了时钟电路11。
[0052]复位电路12是为了在上电或复位过程中让主单片机1保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止主单片机1发出错误的指令或执行错误操作，并提高主单片机1的电磁兼容性能。复位电路12包括连接在主单片机1的RST1接口与+5V电源之间的极性电容E17，以及连接在主单片机1的RST1接口和接地端之间的电阻R9。其中极性电容E17的正极连接+5V电源，负极连接RST1接口。
[0053]为了降低电源噪声，提高系统可靠性，在主单片机1的VCC1接口和+5V电源之间还增加了并联设置的电解电容和陶瓷电容(图中未显示)。
[0054]按键中断电路13，包括用于连接主单片机1的IN03.2接口、INI 3.3接口和6仰1接口的开关K1。主单片机1的IN03.2接口通过电容C12接地，通过电阻R21连接+5V电源，主单片机1的GND1接口接地。按键中断电路13主要是为了数据显示模式的切换。当开关K1使主单片机1的INI 3.3接口和GND1接口断开时，中断脚，S卩IN03.2接口为高电平，开关K1使IN03.2接口和GND1接口连通，电容C12开始放电，电压逐渐降至0V，在IN03.2接口产生一个下降沿，触发中断。开关K1松下，使主单片机1的INI 3.3接口和GND 1接口连通，电容C12开始充电，恢复高电平，电容C12可以起到消抖的作用，防止按一次按键因机械抖动产生多次中断。
[0055]主单片机1的P3.4接口作为方波输出端和基波抽取电路2的输入相连，为基波抽取电路2提供2.5kHz的方波信号，该方波信号由无源晶振Ml的信号分频而来。
[0056]主单片机1的P1.4接口、P1.5接口、P1.6接口和P1.7接口用于和模数转换电路8连接，通过SPI数字通信，读取模数转换电路8的电压转换结果值。
[0057]主单片机1 的 P1.0接口、P1.1接口、P1.2接口、P2.0接口、P2.1接口、P2.2接口、P2.3接口、P2.4接口、P2.4接口、P2.6接口、P2.7接口用于和数据显示电路14连接。
[0058]基波抽取电路2采用亚诺德公司的AD8638型带通滤波器，选用AD8638型带通滤波器的原因它优越的低噪声性能和零漂移放大。AD8638型带通滤波器是一款宽带宽、自动调零的放大器，采用5V?16V单电源或者±2.5V?±8V双电源供电。实现了高精度、低成本、低噪声的完美结合。
[0059]平衡驱动电路3包括一个全差分漏斗平衡放大器31;全差分漏斗平衡放大器3上设有IN+0.4引脚、IN+0.8引脚、IN-0.4引脚和IN-0.8引脚，以及VC0M引脚、VDD3引脚、VSS3弓I脚、+0UT3弓I脚和-0UT3引脚。
[0060]+0UT3引脚连接线性可变差动变压器4中初级线圈L1的同名端，-0UT3引脚连接线性可变差动变压器4中初级线圈L1的非同名端。线性可变差动变压器4的第一次级线圈L2的非同名端和第二次级线圈L3的非同名端同时接地。
[0061]IN+0.4引脚和IN+0.8引脚之间设有切换开关J1。切换开关J1连接基波抽取电路2。[0062 ] ΙΝ-0.4引脚、ΙΝ-0.4引脚，以及VC0M引脚同时接地。
[0063]本实施例中的全差分漏斗平衡放大器31为亚诺德的AD8475型放大器，其可提供
0.4或0.8倍的精密衰减，并具有共模电平转换、单端差分转换及输入过压保护等功能。采用5V单电源供电时，其功耗仅16mW。其中切换开关J1就是用来调整增益的。
[0064]仪器放大电路5包括仪器放大芯片51，仪器放大芯片51采用亚诺德的INA333型仪器放大芯片。仪器放大芯片51上的引脚包括IN-5引脚、IN+5引脚，RG1引脚、RG2引脚，V0UT5引脚、REF5引脚，以及VCC5引脚和VSS5引脚。其中RG1引脚、RG2引脚之间设有增益调节电阻RG，增益调节电阻RG是由连接RG 1引脚的，电阻R5。以及连接RG2引脚的，电位器P1串联而成的。[0065 ]仪器放大芯片51的输出端V0UT5引脚。
[0066]仪器放大芯片51的IN-5引脚和IN+5引脚之间设有电容C4，仪器放大芯片51的IN-5引脚和IN+5引脚分别连接线性可变差动变压器4中第一次级线圈L2的同名端和第二次级线圈L3的同名端，构成仪器放大电路5的输入端。
[0067]VCC5引脚连接+3V电源，VSS5引脚接-3.3V电源，用于对线性可变差动变压器4输出的差分信号进行高频噪声的抑制。
[0068]交直变换电路7包括交流转直流变换芯片71，该交流转直流变换芯片71为亚诺德的AD8436型交 流转直流变换芯片。
[0069 ] 交流转直流变换芯片71上设有CCF7引脚、CAVG引脚、SUM引脚、RMS引脚，IBF0UT弓丨脚、IBFIN-引脚、IBFIN+引脚、IGND 引脚、IBFGN引脚、0GND 引脚、VSS7 引脚、0UT7 引脚、0BFIN+引脚、0BFIN-引脚、0BF0UT1引脚、0BF0UT2引脚、IBFV+弓|脚和VCC7引脚。
[0070]其中CFF7引脚通过电容C9连接+5V电源，CAVG引脚通过相互并联设置的极性电容E2和电容C8连接+5V电源，其中，极性电容E2的正极连接+5V电源，负极连接CAVG引脚。0BF0UT1引脚、IBFV+弓|脚和VCC7引脚同时短接+5V电源。
[0071]IBFIN-引脚和IBFOUT引脚短接，并通过极性电容E3连接RMS引脚，其中极性电容E3的正极连接RMS引脚，负极同时连接IBFIN-弓丨脚和IBFOUT引脚。
[0072]IBFIN+引脚通过电阻R10接地，并用于接收带通滤波电路6输出的正弦信号。IGND弓丨脚和0GND引脚同时接地，VSS7弓丨脚连接-5V电源。
[0073]0UT7引脚和0BFIN+引脚短接并通过极性电容E4接地，其中极性电容E4的正极同时连接0UT7引脚和0BFIN+引脚。
[0074]0BFIN-引脚和0BF0UT2引脚短接，并通过依次串联的电阻Rl 1和电阻R12接地，其中电阻R12上并联有极性电容E5，其中极性电容E5的正极连接电阻Rl 1，负极接地。经过交流转直流转换后的直流信号从极性电容E5的正极输出。
[0075]模数转换电路8，包括基准源集成电路81和模数转换集成电路82，基准源集成电路81上设有VIN81弓I脚、GND81引脚、V0UT81弓|脚和TP81引脚。
[0076]模数转换集成电路82设有REF82引脚、VDD82引脚、V1082引脚、SDI 82引脚、IN82+引脚、IN82-引脚、GND82引脚、SCK82引脚、SD082弓|脚和CNV82引脚。
[0077]其中，基准源集成电路81上的VIN81引脚和GND81引脚之间设有电容C32，V0UT81弓|脚与模数转换集成电路82的REF82弓|脚连接。
[0078]模数转换集成电路82的REF82引脚与接地端之间设有极性电容E16，极性电容E16的正极连接模数转换集成电路82的REF82引脚，，负极与接地端连接。模数转换集成电路82的REF82引脚用于获取基准电压。
[0079 ]模数转换集成电路82的IN82+引脚接地。
[0080]模数转换集成电路82的VDD82引脚和IN82+引脚之间连接有电容C13，VDD82引脚作为模数转换集成电路82的输入电源。
[0081 ]模数转换集成电路82的V1082引脚和IN82+引脚之间连接有电容C14，同时模数转换集成电路82的V1082引脚和SDI82引脚短接，电容C14作为模数转换集成电路82的输入/输出接口的输入电源。
[0082]模数转换集成电路82的GND82引脚连接接地端。
[0083]模数转换集成电路82的SCK82引脚、SD082引脚和CNV82引脚对应连接主单片机1的CLK弓丨脚、M0S弓丨脚和SS引脚。
[0084]基准源集成电路81为亚诺德的ADR4550基准源集成芯片，ADR4550基准源集成芯片是高精度、低功耗、低噪声基准电压源，最大初始误差为±0.081%，具有出色的温度稳定性和低输出噪声。ADR4550基准源集成芯片，精度、温度稳定性好，抗噪声性能佳，输出电压迟滞低，长期输出电压漂移低，提高了整个系统的寿命和在温度范围内的精度。
[0085]模数转换集成电路82采用亚诺德的AD7988模数转换集成芯片，其REF82引脚经极性电容E16去耦后接地。
[0086]IN82+为引脚用于接收自交直变换电路7的单端直流信号。
[0087]通过依次串联的基准源集成电路81和模数转换集成电路82，能够提高微位移的测量精度，降低功耗、减小噪声，减少输出电压迟滞和长期输出电压漂移。
[0088]电源转换电路9包括输入整流滤波电路91、高频变压器92、单片电源93、钳位保护电路94、输出整流滤波电路95和反馈电路96，其中:
[0089]输入整流滤波电路91包括整流桥911和整流极性电容912，交流电源经过整流桥911和整流极性电容912整流滤波后产生直流高压，向高频变压器92的初级绕组921供电。
[0090]高频变压器92包括初级绕组921、次级绕组922和反馈绕组923 ；当单片电源93导通时，电能以磁能量形式存储在初级绕组921中；当单片电源93截止时，能量传输给次级绕组922。
[0091]单片电源93采用美国功率集成公司的三端单片电源T0P224。单片电源93，包括第一引脚931、第二引脚932、第三引脚933，其中第二引脚932与整流极性电容12的负极连接。该单片电源93将M0SFET和控制电路集成在一起，不仅提高了电源效率，而且使电源的体积和重量大为减小。
[0092]钳位保护电路94包括钳位稳压二极管941和钳位二极管942，其中钳位稳压二极管941的负极与整流极性电容912的正极以及初级绕组921的非同名端连接;钳位二极管942的正极与钳位稳压二极管941的正极连接，钳位二极管942的负极与初级绕组921的同名端以及单片电源93的第一引脚31连接;通过钳位稳压二极管941和钳位二极管942，使高频变压器92漏感产生的尖峰电压和初级绕组921上产生的反向电动势，钳位到安全值。
[0093]输出整流滤波电路95包括第一次级二极管951、次级极性电容952、次级稳压二极管953、次级电感954和第二次级二极管955，第一次级二极管951的负极与次级绕组922的同名端连接，第一次级二极管951的正极与次级极性电容952的正极连接，次级极性电容952的负极与次级绕组922的非同名端连接，次级极性电容952的正极与次级稳压二极管953的正极连接，次级电感954的一端与次级稳压二极管953的负极连接，次级电感954的另一端与第二次级二极管955的负极连接，第二次级二极管的正极955与次级极性电容952的负极连接。输出整流滤波电路95有效抑制浪涌电流，稳定输出电压。
[0094]反馈电路96包括反馈二极管961、反馈电容962、光親合器963、反馈极性电容964，其中反馈二极管961的负极与反馈绕组923的同名端连接，反馈电容962的一端与反馈二极管961的正极连接，反馈电容962的另一端与反馈绕组923的非同名端，以及单片电源93的第二引脚932连接，光耦合器963的一端与反馈二极管961的正极连接，光耦合器963的另一端与单片电源93的第三引脚933以及反馈极性电容964的正极连接，光耦合器963与第二次级二极管955耦合，反馈极性电容964的负极与单片电源93的第二引脚932连接。反馈绕组923的电压经过反馈电路96整流滤波后获得反馈电压，经光耦合器963为单片电源93提供偏压。
[0095]交流电源经过整流桥911和整流极性电容912整流滤波后产生直流高压，给高频变压器92的初级绕组921供电。高频变压器92初级绕组921的极性与其次级绕组922、反馈绕组923的极性相反。在单片电源93导通时，第一次级二极管951截止，电能以磁能量形式存储在初级绕组921中；当单片电源93截止时，第一次级二极管951导通，能量传输给次级绕组922。高频变压器92在电路中兼有能量存储、隔离输出和电压变换这三大功能。
[0096]输入整流滤波电路91的直流高压经初级绕组921加至单片电源93的第三引脚931上。在输入整流滤波电路91与单片电源93之间设置钳位保护电路94，通过钳位稳压二极管941和钳位二极管942，在单片电源93截止瞬间，初级绕组921极性为上负下正，高频变压器92漏感会产生尖峰电压，此时尖峰电压就被钳位稳压二极管941吸收掉。当单片电源93导通时，高频变压器92的初级绕组921极性上正下负，使得第一次级二极管951截止，钳位电路94不起作用。
[0097]次级绕组922电压经输出整流滤波电路95整流滤波，获得输出电压。
[0098]反馈绕组923电压经反馈电路96整流滤波后获得反馈电压，通过光耦合器963中的光敏三极管给单片电源93的第三引脚33提供偏压。
[0099]反馈电路96通过调节单片电源93的占空比实现稳压的。
[0100]电源转换电路9以最少的外围电路降低微位移测试系统用电源的损耗、提高电源效率、减小电源体积与重量、减轻电磁干扰。
[0101]本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型 都将落在本发明的权利要求书范围内。
【主权项】
1.一种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，所述线性可变差动变压器上设有初级线圈、第一次级线圈和第二次级线圈，其特征在于:其还包括: 用于产生方波信号的主单片机； 用于从所述方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路； 连接所述线性可变差动变压器的初级线圈，用于增强该正弦基波信号的驱动能力，以驱动所述线性可变差动变压器的平衡驱动电路； 分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对所述线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路； 用于对所述仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路； 用于将所述带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路； 用于对所述交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入所述主单片机的模数转换电路； 以及用于同时提供+3 V电源、-3 V电源、+5 V电源，-5 V电源、+2.5 V电源的电源转换电路。2.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上设有时钟电路，所述时钟电路包括与所述主单片机的XTAL1接口和XTAL2接口连接的无源晶振Ml，将所述主单片机的XTAL1接口接地的电容C19，以及将所述主单片机的XTAL2接口接地的电容C20。3.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述平衡驱动电路包括一个全差分漏斗平衡放大器;所述全差分漏斗平衡放大器上设有ΙΝ+0.4引脚、ΙΝ+0.8引脚、ΙΝ-0.4引脚和ΙΝ-0.8引脚，以及VCOM引脚、VDD3引脚、VSS3引脚、+0UT3弓|脚和-0UT3引脚； 所述+0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的同名端，所述-0UT3引脚连接所述线性可变差动变压器的初级线圈的非同名端;所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的非同名端和第二次级线圈的非同名端同时接地;所述ΙΝ+0.4引脚和ΙΝ+0.8引脚之间设有切换开关J1，所述切换开关连接所述基波抽取电路;所述ΙΝ-0.4引脚、所述ΙΝ-0.4引脚，以及所述VCOM引脚同时接地。4.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述仪器放大电路包括仪器放大芯片，所述仪器放大芯片上设有IN-5引脚、IN+5引脚，RG1引脚、RG2引脚，V0UT5引脚、REF5引脚，以及VCC5引脚和VSS5引脚，所述RG1引脚和所述RG2引脚之间设有增益调节电阻RG;所述V0UT5弓I脚为所述仪器放大电路的输出端； 所述IN-5引脚和所述IN+5引脚之间设有电容C4，所述IN-5引脚和所述IN+5引脚分别连接所述线性可变差动变压器的第一次级线圈的同名端和第二次级线圈的同名端，构成该仪器放大电路的输入端。5.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述交直变换电路包括一块交流转直流变换芯片，所述交流转直流变换芯片上设有SUM引脚、RMS引脚，IBFOUT引脚、IBFIN-引脚、IBFIN+ 引脚、IGND 弓丨脚、IBFGN 引脚、OGND 引脚、VSS7 引脚、OBFIN-引脚、0BF0UT2引脚；所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚短接，并通过极性电容E3连接所述RMS引脚，其中所述极性电容E3的正极连接所述RMS引脚，负极同时连接所述IBFIN-引脚和所述IBFOUT引脚；所述IBFIN+引脚通过电阻R10接地，连接所述带通滤波电路;所述IGND引脚和所述0GND引脚同时接地，所述VSS7弓丨脚连接-5V电源； 所述OBFIN-引脚和所述0BF0UT2引脚短接，并通过依次串联的电阻R11和电阻R12接地，所述电阻R12上并联有极性电容E5，经过交流转直流变换后的直流信号从所述极性电容E5的正极输出。6.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述模数转换电路，包括基准源集成电路和模数转换集成电路，所述基准源集成电路上设有VIN81引脚、GND81引脚、V0UT81引脚和TP81引脚； 所述模数转换集成电路设有REF82引脚、VDD82引脚、V1082引脚、SDI82引脚、IN82+引脚、IN82-引脚、GND82引脚、SCK82引脚、SD082弓|脚和CNV82引脚； 所述基准源集成电路的VIN81引脚和GND81引脚之间设有电容C32，所述V0UT81引脚与所述模数转换集成电路的REF82引脚连接； 所述模数转换集成电路的REF82引脚与接地端之间设有极性电容E16，使所述REF82引脚获取基准电压；所述模数转换集成电路的IN82 +引脚接地；所述模数转换集成电路的VDD82引脚和IN82+引脚之间连接有电容C13; 所述模数转换集成电路的V1082引脚和IN82+引脚之间连接有电容C14，所述模数转换集成电路的V1082引脚和SDI82引脚短接； 所述模数转换集成电路的GND82引脚连接接地端； 所述模数转换集成电路的SCK82引脚、SD082引脚和CNV82引脚对应连接所述主单片机的CLK弓丨脚、MOS弓丨脚和SS引脚。7.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述电源转换电路包括: 输入整流滤波电路、钳位保护电路、高频变压器、单片电源、反馈电路、输出整流滤波电路； 所述输入整流滤波电路包括整流桥和整流极性电容，其中所述整流极性电容的正极与所述整流桥的正极输出端连接，负极与所述整流桥的负极输出端连接； 所述高频变压器包括初级绕组、次级绕组和反馈绕组； 所述单片电源包括第一引脚、第二引脚和第三引脚，其中所述第二引脚与所述整流极性电容的负极连接； 所述钳位保护电路包括钳位稳压二极管和钳位二极管，其中所述钳位稳压二极管的负极与所述整流极性电容的正极以及所述初级绕组的非同名端连接;所述钳位二极管的正极与所述钳位稳压二极管的正极连接，所述钳位二极管的负极与所述初级绕组的同名端以及所述单片电源的第一引脚连接； 所述输出整流滤波电路包括第一次级二极管、次级极性电容、次级稳压二极管、次级电感和第二次级二极管，所述第一次级二极管的负极与所述次级绕组的同名端连接，所述第一次级二极管的正极与所述次级极性电容的正极连接，所述次级极性电容的负极与所述次级绕组的非同名端连接，所述次级极性电容的正极与所述次级稳压二极管的正极连接，所述次级电感的一端与所述次级稳压二极管的负极连接，所述次级电感的另一端与所述第二次级二极管的负极连接，所述第二次级二极管的正极与所述次级极性电容的负极连接； 所述反馈电路包括反馈二极管、反馈电容、光耦合器和反馈极性电容，其中所述反馈二极管的负极与所述反馈绕组的同名端连接，所述反馈电容的一端与所述反馈二极管正极连接，所述反馈电容的另一端与所述反馈绕组的非同名端，以及所述单片电源的第二引脚连接，所述光耦合器的一端与所述反馈二极管的正极连接，所述光耦合器的另一端与所述单片电源的第三引脚以及所述反馈极性电容的正极连接，所述光耦合器与所述第二次级二极管耦合，所述反馈极性电容的负极与所述单片电源的第二引脚连接。8.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上还设有复位电路，所述复位电路包括连接在所述主单片机的RST1接口与+5V电源之间的极性电容E17，以及连接在所述主单片机的RST1接口和接地端之间的电阻R9。9.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上还设有按键中断电路，所述按键中断电路包括用于连接所述主单片机的IN03.2接口、INI3.3接口和GND1接口的开关K1;连接所述主单片机的IN03.2接口和接地端的电容C12，以及连接所述主单片机的IN03.2接口和+5V电源的电阻R21。10.根据权利要求1所述的一种微位移测试系统，其特征在于:所述主单片机上设有用于和数据显示电路连接的P1.0接口、P1.1接口、P1.2接口、P2.0接口、P2.1接口、P2.2接口、P2.3接口、P2.4接口、P2.4接口、P2.6接口、P2.7接口。
【专利摘要】本发明公开了一种微位移测试系统，包括线性可变差动变压器，以及用于产生方波信号的主单片机；用于从方波信号中抽取2.5kHz正弦基波信号的基波抽取电路；连接线性可变差动变压器的初级线圈的平衡驱动电路，分别连接线性可变差动变压器的第一次级线圈和第二次级线圈，用以对线性可变差动变压器输出的差分信号进行放大和共模噪声抑制的仪器放大电路；用于对仪器放大电路输出的差分信号进行滤波的带通滤波电路；用于将带通滤波电路输出的差分信号转化为单端直流信号的交直变换电路；用于对交直变换电路输出的单端直流信号进行模数转化，并将模数转换后得到的电压转换结果值输入主单片机的模数转换电路。
【IPC分类】G01B7/02
【公开号】CN105486212
【申请号】CN201510829884
【发明人】李荣正, 姜彪, 陈学军
【申请人】上海工程技术大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月25日
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