朱未峰，郑恬旼，陆隽奕

中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海，201108

0 引言

模拟量的输入通道和输出通道是微控制器和控制对象之间的主要接口，是实现工业过程控制的主要组成部分，在仪表测量过程中，测量信号往往是连续变化的，如压力、温度、流量、轴振动、轴位移等。为了利用微控制器实现对被控制信号的解析和模拟，首先必须要能够将压缩机运行时，被控制信号的连续变化的模拟量转变为微控制器能够识别和接受的数字量，还需要将微控制器发出的控制命令转换为模拟信号，再驱动后续的放大电路以及偏置电压，两方叠加后来完成一个带偏置的模拟信号[1]。

1 概述

在项目执行过程中，控制系统会进行仪表联调。此时，我们发现对于一般的压力、温度、液位、流量、阀门等仪表都能进行详细的联合调试，但是对于轴系检测系统，由于其特殊性（测量元件隐藏在压缩机内部），对于简单的温度仪表（PT100）我们可以采用信号发生器模拟电阻信号来校验测量回路；对于轴位移仪表（电涡流探头），我们通过现场测量得知，其输出信号为一个负的直流电压信号，且可以在系统中定义当探头靠近轴承时，电压减小或增大。然而在检测轴振动回路时，我们发现压缩机机组在正常运行时，轴振动检测回路是一个复杂的交变信号，且振动幅值不一致，万用表直流电压档和交流电压档皆无法捕捉其信号。

2 轴振动信号分析

我们尝试采用示波器来确认轴振动信号的具体波形，在实际测量后得知，其信号类似一个正弦波，但是其基准电压是偏移的，其偏移量就是在压缩机出厂前，轴振动探头在静态时的间隙电压。了解了轴振动检测回路的输出信号，要在项目前期的仪表联调阶段完成校验，只要找到合适的信号发生装置模拟此信号，以完成对整个压缩机机组的仪表校验，防止在正式开机运行时，由于仪表回路故障，导致压缩机故障且未及时保护，造成压缩机本体受损[2]。

3 轴振动信号模拟

在测试了市面上很多信号发生器后发现，基本无法实现模拟一个带直流偏置的正弦波信号，故尝试通过模拟电路，自己制作一个信号发生装置。

D/A转换器（即digital to analog converter），输入信号为数字信号，输出为模拟信号，输入类型：并行/串行/分段输入；输出类型：电流/电压输出。选择合适的D/A转换器并且应用将关系到整个系统的性能。第一，要考虑性价比，由于此模拟装置是给压缩机项目现场调试人员配置，且应用面也不广，所以成本考虑尤为重要。第二，要考虑D/A精度（即位数或分辨率）和速度（转化速率/建立时间）。分辨率一般有4、6、8、10、12、14、16、18、20、22、24位；选择低速D/A转换器，则需要确定系统容许的建立时间；选择高速D/A转换器，需确定系统容许的工作频率和模拟输出信号频率。

其中，对于高速D/A转换器，需要注意其版图布线需要一定的设计技巧。

（1）所有的旁路电容要尽可能接近器件安装，或者与DAC在同一层面，采用表面贴器装配，使引线尽可能短，减少寄生电感及电容。

（2）采用具有独立的地平面和电源平面的多层电路板，保证信号的完整性。

（3）采用独立的接地平面时应考虑DAC模拟地和数字地的物理位置，两个地平面之间的阻抗要尽可能低，二者间的交流和直流电压低于0.3VDC以避免期间的损坏和锁死；模拟地与数字地应单点连接，避免充满噪声的数字地电流对模拟地的干扰，理想的接地点位置可以沿着两个地平面通过实验得到最优效果，模拟地与数字地间的连接可以用低阻值表贴电阻（1～50Ω）、铁氧体磁珠或直接接地。

（4）模拟地与数字地分隔离时，也可以选择将所有的接地引脚置于同一平面。

（5）高速数字信号线应远离敏感的模拟信号线。

（6）所有信号线应避免采用90°拐角[3]。

集成运算放大器在电子电路中的应用非常广泛，它工作在线性区时可以构成各种电路、实现各种功能，例如信号放大、信号运算、滤波等；工作在非线性区时可以沟通非正玄信号发生器以及电压比较器等，在此我们只是运用了加法运放电路。

由模拟电子技术基础可知，由集成运放电路构成的基本运算放大器，当同相端对地的直流电阻与反相端对地的直流电阻相等时，输出信号与输入信号之间可获得较准确的运算关系。

如图1所示，电路满足平衡条件时R1//R2//Rf=R3//R4。此时根据叠加原理，输出的表达式可以看成是由反相端加入的两路输入Ui1和Ui2所产生的输出量Uo12，与同相端输入的Ui3和Ui4所产生的输出量Uo34共同作用的结果，即Uo=Uo12+Uo34。

图1 模拟电路图

如仅考虑反相端输入信号的作用时，电路变成了反相求和电路，即可以得到：

Uo12=-（Rf/R1）×Ui1-（Rf/R2）×Ui2

反之如仅考虑同相端输入信号的作用时，电路变成了同相求和电路，即可以得到：

Uo34=（1+Rf/（R1//R2））Up=（1+Rf/（R1//R2））×（R4/(R3+R4)Ui3+R3/(R3+R4)Ui4）

根据叠加原理，将上式转换后，即可得到：

Uo=-（Rf/R1）×Ui1-（Rf/R2）×Ui2+（1+Rf/（R1//R2））×（R4/(R3+R4)Ui3+R3/(R3+R4)Ui4）

将平衡条件写成R3×R4/R3+R4=(R1//R2)Rf/((R1//R2)+Rf)，代入上式中可得：

Uo=(-Rf/R1)×Ui1-(Rf×Ui2/R2)+((R1//R2)+Rf)/(R1//R2)((R1//R2)Rf×Ui3/((R1//R2+Rf)×R3)+(R1//R2)×Rf×Ui4/(((R1//R2)+Rf)×R4))

简化后可得：

Uo=-Rf×Ui1/R1-Rf×Ui2/R2+Rf×Ui3/R3+Rf×Ui4/R4

最后代入实际电阻和电压值可得：

Uo=-5Ui1-5Ui2+Ui3+10Ui4=1V

将此理论计算值与仿真软件测试结果比较，发现存在1.2%的相对误差。

由以上公式可得，每一路输入信号独立作用时产生的响应，在数值上等于反馈电阻与该路信号的输入端电阻之比再乘以该路的信号。如果输入信号从运放的反相输入端加入，则结果为负；反之，结果为正。

根据以上所述，我们搭建了一个信号模拟发生装置的框架图，具体模拟电路思路如图2所示。

图2 模拟装置框架图

我们采用微控制器、基准直流电压源、D/A转换器、运放加法电路、信号输出接口、存储器以及人机交互部件；微控制器分别与D/A转换器的数据输入端、存储器以及人机交互部件连接；运放加法电路的信号输入端分别与D/A转换器的模拟电压输出端和基准直流电压源的输出端连接，运放加法电路的输出端与信号输出接口连接。综上所述，我们预先将程序下载至微控制器中，在人机交互界面上，我们输入需要的波形数据，如幅值、频率、偏置电压，接下来D/A转换器接收到波形数据后输出相应波形，通过运放加法电路后，信号被按比例放大，最后通过一个功率放大器后，输出到模拟装置的输出端。图1是该装置的最终模拟电路图。

由图1模拟电路可知：D/A转换器为TLV5618芯片，微控制器为AT89C55WD芯片，功率放大器为OPA453TA芯片[4]。

运放加法电路包括运算放大器TL082、电阻R7和电阻R8；电阻R7的一端与运算放大器TL082的输出端连接，电阻R7的另一端与电阻R8的一端连接，电阻R8的另一端接地；运算放大器TL082的同相输入端分别与D/A转换器的模拟电压输出端和基准直流电压源的输出端连接，运算放大器TL082的反相输入端连接于电阻R7的另一端与电阻R8的一端的共接点。电阻R5的一端与基准直流电压源的输出端连接，电阻R6的一端与所述D/A转换器的模拟电压输出端连接，电阻R5的另一端与电阻R6的另一端的共接点连接于运算放大器TL082的同相输入端[5]。

我们可以通过频率、幅度、偏移按钮来设定我们需要的模拟波形，在查阅轴振动探头厂家“本特利”的用户手册后得知，其灵敏度为7.87V/mm，即我们可以通过以下公式计算：

VT=v/7.87×1000

其中“VT”为实际轴振动值，单位微米。

“v”为模拟装置输出波形的幅值，单位伏特。

按照厂家提供的用户手册，建议电涡流探头静态的间隙电压为-9.75VDC。但在实际模拟过程中发现，静态的间隙电压值与最后的轴振动值没有直接的关系，小幅度的偏移或者大幅度的偏移并不会影响探头本身的测量精度和准确性。所以我们认为，探头的静态间隙电压只需要保证压缩机的轴承本体在实际运行过程中，不会与探头发生刚性摩擦，从而导致探头损坏[6-7]。

4 结语

根据对反相、同相比例和加法运算放大电路的输出与输入电压之间函数关系的研究，可以得到一个推论：利用单运放构成任意加法运算电路时，在满足平衡条件的情况下，假设每一路输入信号独立作用，在数值上就等于反馈电阻与该路信号的入端电阻之比再乘上该路信号；当输入信号从运放的反相端输入时其极性为负，从同相端输入时其极性为正，我们在构成任意一个加法或减法运算电路时，都可以使用单运放来实现，但是由一个集成运算放大器构成的加法运算电路存在共模输入，需要用共模抑制比更高的运放，才能保证其精度。

将轴振动模拟装置应用于压缩机项目现场，现场调试人员可以使用此装置来测试轴振动检测系统的测量回路，保证其正确性。在此之前，调试人员必须等待压缩机正式运行才能判断测量回路是否正常，由此可见轴振动模拟装置大大提高了振动监测工作的效率以及现场项目进度。