基于ARM控制的I/F转换电路设计

吴帅

摘要：电流/频率（I/F）转换电路是一种将模拟电流信号转换为频率脉冲信号的一种模数转换电路，相比于基于ADC芯片的模数转换电路具有抗干扰，系统稳定的优点，在特殊要求的模数转换电路中具有广泛的应用。本文根据I/F转换电路的基本原理，设计了一种ARM控制的I/F转换电路，电路中考虑模拟电路与数字电路的隔离，结构逻辑严谨，以脉冲或字符形式传递到下一级电路。本文设计实现1mA/800Hz的脉冲计数，并通过计数算法实现对于电流值的量化。

关键词：I/F转换电路，模数转换，ARM

引言

电子信号根据其连续性分为模拟信号与数字信号，模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅值、频率、相位随时间连续变化;与之相对，数字信号是指自变量和因变量均是离散分别的信号。实际生活中，传感器检测的信号大部分都是自然界中存在的模拟信号，再通过采样、保持、量化、编码转换为数字信号，以供计算机进一步处理。

随着电子技术的发展，很多物理量通过传感器方式直接转换为电压信号或者电流信号，例如，热电偶传感器，通过“热点效应”将温度信息转化为电压信号;石英挠性加速度计，通过对敏感器件的偏移，计算与检测电极板之间的距离，将加速度信号转化为模拟电流信号等。本文设计了一种基于ARM控制的I/F转换电路，将模拟电流信号通过一系列模拟数字电路，转化为十六进制编码表示的数字信号，实现了-20mA～+20mA范围的模数转换。刻度为1mA/800Hz，线性度为;

1I/F转换电路原理

I/F转换电路原理如图X所示，输入电流信号为Ia，输出频率信号为fout，其功能按照以下步骤实现：

1）积分器前端电流为Ic，通过积分器得到积分电压Uc;

2）比较器将积分电压与阈值电压VREF2比较，比较结果Dc传递至ARM控制器;

3）同时通过模数转化芯片ADC采集积分电压Uc，得到的信息传递到ARM处理器;

4）ARM处理器内部根据比较输出结果，控制模拟开关通断，即控制恒流源的通断;ADC传入处理器的数据由于验证积分比较过程，保证系统稳定;其中恒流源的输出电流Ia

在I/F电路中，要求反馈电流If远远大于输入电流，从而使得积分器清零时间足够短。Ic输入恒定情况下，积分器输出端电压逐渐变大，当大于阈值电压时导通的恒流源输出对积分器进行清零，同时数字端记录脉冲信号，量化为电压值。积分器电压增减速率与输入电流信号有关，且成正相关。因此输出脉冲的频率与输入电流信号呈正比关系，且积分过程对整段时间进行电荷积累，能够消除器件自身的高斯白噪声对系统造成的影响。

2硬件系统设计

根据I/F转换的电路原理，本文设计了一种基于ARM控制器的I/F转换电路，应用于三轴加速度计信号的采集，整体系统包括电源电路、采集电路、I/F转化电路、嵌入式系统四个部分。结构设计如图X所示。

电源电路通过高精度的参考电压芯片为核心进行设计，电路中对传感器须提供±15V的供电电压，选用LMxx15系列芯片;在于采集电路和I/F转换部分，主要涉及积分器、电压跟随器、比较器，须提供±5V供电电压，选用LMxx05系列芯片;对于嵌入式系统，选用STM32系列芯片，须提供3.3V供电电压，选用CAT-330芯片。

采集電路主要对电流信号进行比例缩小，则要求的反馈电流减小，从而抑制电路的发热问题。I/F转换部分则对电流进行积分，应用OPA2134运算放大器，比较器输出的信号至嵌入式系统进行判断。在传统的I/F转换电路中，比较器后端输出的信号通过D触发器、与门进行脉冲生成，脉冲的宽度也对应反馈电流的开通时间。本文设计中考虑后端还需要进行十六进制数的输出，选择用ARM嵌入式处理器来实现该部分功能。

ARM嵌入式系统通过定时器开定时检测比较器的输出信号。当接收高电平信号时输出并保持一段时间的输出，实现D触发器和与门的功能，定时器的时间同等于D触发器受控时钟。ARM输出的脉冲信号控制模拟开关来实现恒流源的通断，同时也对脉冲进行计数，模拟开关导通的上升时间不大于200μs，本文设计中实现了1mA/800Hz的脉冲计数，并根据刻度系数对输入的电流信号进行量化。最后按照十六进制数据包格式进行输出，实现在加速度计信号采样应用中的模拟电流信号转化为数字信号。

3试验测试

对I/F转换电路整体硬件系统进行测试，选用恒流源发生器作为输入信号模拟传感器的电流信号，输出范围为0～10mA，电路系统按照要求对输出脉冲个数以及量化的数值进行采集。通过试验得出，在0～10mA范围内，I/F转换电路的全量程线性度为1.7×10-4，满足设计要求。

4结语

本文设计一种应用于加速度信号采集的I/F转换模拟电路。通过ARM的设计简化了逻辑控制电路，实现了1mA/800Hz的模数转换刻度系数，全量程线性度为1.7×10-4，满足系统的设计要求与模数转换的需求。

参考文献

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