摘要：提出采用AT89S52組成的電子儀器儀表裝調技能訓練平臺設計方案，采用模塊化設計方案，例如信號檢測與調理電路、信號變送器接口電路等主要硬件結構，以及信號采樣、標度轉換和信號補償?shù)溶浖鞒?。測試結果表明：電子儀器儀表裝調技能訓練平臺能夠嚴格按照國家職業(yè)標準中的要求較好地測試應試者的水平。技能訓練平臺系統(tǒng)設計方案科學合理，訓練裝置運行可靠。
關鍵詞：電子儀器儀表；信號調理；液晶顯示；技能訓練；平臺建設

0 引言
    根據(jù)相關資料的有關信息顯示，目前國內外沒有現(xiàn)成的電子儀器儀表裝調技能訓練平臺。根據(jù)《國家職業(yè)標準·電子儀器儀表裝調工》和職業(yè)技能鑒定規(guī)范，電子儀器儀表裝調工必備的電工、電子基本理論知識，電子儀器儀表裝調工必備的誤差處理方法，參加技能鑒定的學員已在所開設的相關課程中得到學習和掌握。而對電子識圖、焊接等技術知識缺乏掌握，對儀器儀表裝配調試方法和技巧比較薄弱，而專用的儀器設備欠缺，國家技能鑒定部門沒有現(xiàn)成的訓練題庫，只有電子儀器儀表裝調工國家職業(yè)標準和職業(yè)技能鑒定規(guī)范。而我校就本工種的技能訓練和鑒定工作已進行了十五屆，隨著該專業(yè)的技術發(fā)展，訓練項目和鑒定題目進行過大的改進有多次。目前，國家技能鑒定部門已出臺了國家職業(yè)標準和技能鑒定規(guī)范，據(jù)此，設計、制作了該電子儀器儀表裝調技能訓練平臺，填補了我校在這方面的空缺，提升了我校在新時期的發(fā)展?jié)摿Α?br />
1 系統(tǒng)的整體結構
    電子儀器儀表裝調技能訓練平臺系統(tǒng)框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由直流毫伏信號源、電壓頻率轉換用分壓器、電壓放大器、電壓一頻率轉換、頻率一電壓轉換、信號調理電路和顯示電路等模塊構成。

    信號的輸入模式采用儀器儀表標準信號模式，輸出模式為符合國際標準的4～20 mA電流信號輸出模式。信號放大電路采用通用型雙運算放大器LM358進行兩級放大，經(jīng)過放大處理的模擬信號經(jīng)過調理電路處理后再進行A／D轉換，將模擬信號轉換成數(shù)字信號，然后再進行數(shù)字信號處理。數(shù)字信號處理部分采用性價比較高的AT89S52單片機作為處理器對采集的信號進行處理，顯示數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)的顯示部分采用LCD顯示器，增強了顯示界面的友好性和實用性。
1．1 直流毫伏信號源
    該直流毫伏信號源的輸出為0～180 mV的電壓信號，輸入信號采用普通電位器和多圈精密電位器將1．5 V(可用甲電池)的直流電壓進行二級分壓取得。在第一級分壓后將其電壓信號控制在0～200 mV的范圍之內，防止電壓過高影響第二級分壓器中間串聯(lián)的微安表頭。該信號源的第一級的分壓器將5 V的直流電壓進行粗分(粗調)，第二級分壓器將第一級分壓器分壓得到的電壓進行細分(細調)，進而滿足信號放大電路對直流毫伏信號的需求。
1．2 電壓頻率轉換用分壓器
    根據(jù)LM331電壓頻率轉換芯片的輸入要求，由該芯片構成的電壓頻率轉換電路的輸入電壓信號的范圍為0～10 V。電壓頻率轉換用分壓器的輸入信號是采用大功率電位器將10 V的直流電壓分壓取得的。為降低整體的功耗，考慮到將10 V電壓分成最小的電壓幅度，分壓電位器的總阻值取10 kΩ。經(jīng)過測試，該電路能夠很好地輸出0～10 V的電壓，滿足該系統(tǒng)的要求。
1．3 電壓放大器模塊
    由于被測的非電量信號經(jīng)傳感器轉變成電信號，并且傳感器輸出的電信號一般是很微弱的(5～200 mV)，并與輸入的被測量呈線性關系，而且易受外界的干擾，故一般采用運算放大器將小信號放大到與A／D電路輸入電壓相匹配的標準電壓(0～5 V)，才能進行A／D轉換、處理、顯示等后續(xù)工作。本電路采用以內部電路補償、低輸入觸發(fā)電壓、高開環(huán)增益的通用型集成運算放大器LM358為核心，進行毫伏信號放大處理。
    由信號預處理電路、增益調節(jié)電路、電壓跟隨電路3部分組成。信號預處理電路將5 mV小信號進行不失真的放大，但這個放大倍數(shù)僅有3．3倍，由于輸入觸發(fā)電壓太低，小信號直接進行高增益放大會導致線性失真度增大而不滿足該電壓放大電路的控制要求。增益調節(jié)電路提供4種可以調節(jié)的電壓放大增益，為不同的信號放大提供了不同的放大增益，為將信號控制在0～5 V提供了可靠的保障。電壓跟隨電路具有輸入阻抗很高，輸出電阻很低的特點，“跟隨”性能非常好，可以改善電壓放大器的輸出特性。系統(tǒng)預處理前級放大倍數(shù)為3．3，根據(jù)輸出0～5 V標準信號的要求，增益調節(jié)電路使最大增益為10，信號經(jīng)過兩級放大和反相最終把5～200 mV微弱信號以很小的失真放大到0～5 V，在經(jīng)過電壓跟隨器后信號的輸出具有良好的輸出特性。原理圖如圖2所示。表1為信號放大電路測試結果。

1．4 電壓頻率轉換模塊
    LM331是美國AB公司生產(chǎn)的性能價格比較高的集成芯片，可用作精密頻率電壓轉換器V／F轉換器、線性頻率調制解調、長時間積分器及其他相關器件。LM331的動態(tài)范圍寬，可達100 dB；線性度好，最大非線性失真小于0．01％。工作頻率低到0．1 Hz時尚有較好的線性；變換精度高數(shù)字分辨率可達12 b；外接電路簡單，只需接入幾個外部元件就可方便構成V／F或F／V變換電路，并且容易保證轉換精度。
    該電壓頻率轉換電路中?。篟1=RV2=100 kΩ；Rt=6．8 kΩ；Ct=0．01μF；Vin=0～10 V，則：
   
    則0<fout<10 kHz。被測電壓由Vin輸入，經(jīng)V／F轉換后從fout端輸出，輸入端的RV1和CV1構成濾波環(huán)節(jié)；如果Vin輸入電壓波動較大，可適當增加CV1容量，當6，7腳的R／C時間常數(shù)匹配時，輸入電壓呈現(xiàn)階躍變化，輸出頻率也呈階躍變化。電壓一頻率轉換電路原理圖如圖3所示。

   LM331 V／F變換調試方法：零點調節(jié)，調節(jié)RV3(可調電壓源)為0 V，看輸出是否為10 Hz，如果不為則調節(jié)RV7頻率增益電位器；再滿度調節(jié)，調節(jié)RV3(可調電壓源)為10 V，看輸出是否為9 kHz，如果不為則調節(jié)RV7頻率增益電位器；直到在誤差允許范圍內即可，依次調節(jié)輸入電壓，看輸出頻率是否隨輸入電壓呈線性變化。調節(jié)時在高頻段會出現(xiàn)方波上升延時間太長，這時可以調節(jié)RV3使上升時間適當減小失真。表2為LM331 V／F變換電路的測試結果。
    測試結果表明，輸入電壓在1．80～5．20 V之間時，輸入電壓與輸出頻率存在良好的線性關系；輸入電壓在5．3～7．50 V之間時，輸入電壓與輸出頻率存在0．04 kHz的系統(tǒng)誤差，在顯示的時候采用軟件修正以達到良好的測量效果。該電壓一頻率轉換電路能滿足系統(tǒng)的需求。

2 軟件系統(tǒng)
    這里只介紹頻率測量單元，系統(tǒng)整體設計程序T0用作1 s定時，設置外部觸發(fā)、工作方式1，定時50 ms循環(huán)定20次；T1計外部頻率的個數(shù)，初值設為0，外部觸發(fā)工作方式1。頻率測量單元流程圖如圖4所示。

    此方案接口電路簡單，充分利用了單片機的內部資源，成本低，實際使用性能可靠，還可通過改寫AT89S52芯片程序擴展測頻范圍。文中提出的多周期同步測頻法克服了以往測頻方法對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的個字誤差，實現(xiàn)了該平臺所要求的高精度測量。同時注意，在要求快速測量的情況下，為得到高的測量精度，必須采用較高的時標頻率。標頻計數(shù)的位數(shù)增多，意味數(shù)據(jù)處理時需要較多的乘除運算周期和循環(huán)，不利于測試速度的提高。

3 結論
    本文所介紹的電子儀器儀表裝調技能訓練平臺，在考生進行電子儀器儀表裝調技能訓練時起到了很重要的作用。例如：多用直流穩(wěn)壓源、直流毫伏信號源、直流電壓源、交流信號源、不同放大倍數(shù)的放大器、壓頻轉換器和頻壓轉換器等模塊的設計與制作，調試與檢測，達到了《國家職業(yè)標準·電子儀器儀表裝調工》和職業(yè)技能鑒定要求。測試結果表明：電子儀器儀表裝調技能訓練平臺能夠嚴格按照國家職業(yè)標準中的要求較好地測試應試者的水平。