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　　摘要院由于低压供电的脉冲发生模块发出的脉冲信号电压微弱，需要与供电低压模块一体化的电压放大模块对低压供电模块发出的电压进行运放，使压电梁式传感器悬臂梁产生较大的变形激励香梨。本研究对香梨声振信号采集处理电路板系统的电压放大模块、信号调理模块、电源模块以及数据显示和存储模块进行设计，以实现香梨激励信号的发生、采集、处理。

　　关键词院电路板;集成电路;信号采集

　　1香梨声振信号采集处理电路板的架构TMS320F28335核心板通过脉冲宽度调节器(PWM)发出2.5V的脉冲(脉宽10ms)，经高压线性放大器运放输入压电梁式传感器使激励端悬臂梁变形并激励香梨，香梨受迫振动，压电梁式传感器感测端悬臂梁变形产生相应的电信号，这一响应信号经比例变换、低通和高通滤波后由TMS320F28335核心板采集，核心板同步采集激励脉冲和KS103S测距传感器的信号，然后计算出香梨坚实度，最终由数据显示模块的液晶显示屏(LCD)输出显示。香梨声振响应信号采集处理电路板各模块的布局，围绕TMS320F28335核心板有数据接口模块、低压供电脉冲发生模块、通信接口模块、数据存储模块和数据显示等模块，其中数据接口模块、低压供电脉冲发生模块、通信接口模块、总线驱动模块为核心板自带模块，其余模块进行设计以满足香梨声振信号激励的需要。

　　推荐期刊：《中国集成电路》(月刊)创刊于1992年，是由中国信息产业部主管，中国半导体行业协会/集成电路设计分会主办的全国性专业电子刊物。自创刊以来，一直致力于IC市场应用分析，介绍先进的IC设计、制造、封装工艺和技术以及先进的组织形式和管理经验。在业界形成了一定影响和良好口碑，并随中国集成电路产业一同成长。

　　1.1香梨声振信号采集处理电路板主要模块的设计

　　1.1.1电源模块的设计

　　传统的电源模块采用单列直插(SIP)封装，其开放框架的解决方案减少了设计复杂性，但其封装元件使用低频率设计(约300kHz)的标准封装的组件，其功率密度不恒定而使其空间受限。在电源模块设计中采用开关电压调节器，可获得更高的功率密度，因而使得电源模块的占用空间变小。因此，本研究在香梨声振信号采集处理电路板中采用LM2596开关电压调节器，可获得更高功率密度，使电源模块占用空间变小。

　　该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为150kHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需4个外接元件，可以使用通用的标准电感，极大地简化了开关电源电路的设计。其封装形式包括标准的5脚TO-220封装(DIP)和5脚TO-263表贴封装(SMD)。该器件在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压误差依4%，振荡频率误差依15%，可以用80滋A的很小的待机电流实现外部断电，并有一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路。

　　1.1.2电压放大模块的设计

　　本研究采用PA78DK型运算放大器(美国ApexMicrotechnology公司)，可开启压电装置，驱动压电梁式传感器。PA78DK型运算放大器的放大范围为20~80倍，由于放大倍数与失真率成正比，因此选取放大倍数为20，则当输入的电压脉冲2.5V时，输出电压放大为2.5伊20=50V作为激励高压，可满足香梨声振信号激励的要求。

　　本研究通过电阻Rin对PA78DK型运算放大器高压线性放大电路的输入级进行动态偏置，电流消耗降至很小，在不超过1mA就可使压摆率下降至350V/滋s以上，从而使电压经线性放大后失真率得到有效降低。此外，本研究采用Rm和Rci两个电阻对放大电路的输出级进行相位补偿，以提高了运放的稳定性，使高压激励信号较稳定，保障了检测装置的感测元件可获取较为稳定的声振响应信号。

　　1.1.3信号调理模块的设计

　　由于声振响应信号采集处理电路核心板内部芯片的额定电压为3.3V，若将压电梁式传感器采集的40V高压信号直接接入，会致其无法工作甚至损坏。本研究采用转换比例为0.5的比例变换电路，将声振响应信号电压幅值变换为40伊0.5=20V，然后再经二阶有源滤波电路处理，这一信号电压整体降至3.3V以下，可满足TMS320F28335核心板0~3.3V范围电压的工作条件。

　　1.1.4数据显示模块的设计

　　采用数据显示模块对香梨声振响应处理分析的结果输出显示，这一模块由液晶显示屏(LCD)、74LVXC22451单片机组成，如图1所示。74LVXC22451单片机高集成度，具有体积小、高可靠性、控制功能强、低电压、低功耗的特点，其片内具有计算机正常运行所必需的部件，易扩展。该单片机低位输入接口与TMS320F28335核心板相连，高位输出接口与LCD相连，其低位电压输入和高位电压输出都设计有过载保护。

　　1.1.5数据存储模块的设计

　　数据存储模块主要实现数据实时可靠的存储，由文件管理控制芯片CH376S、MINSD数据输出芯片和MINUSB数据输出芯片组成。其中，文件管理控制芯片CH376S内置了USB通讯协议、处理海量存储设备的专用通讯协议和SD卡的通讯接口，可支持常用的USB存储设备和SD卡。CH376芯片支持2MB速度8位并口、2MB/24MHz速度SPI接口或者3Mbps异步串口，使其检测的实时数据快速通行。

　　2香梨声振信号采集处理电路板的调试

　　香梨声振响应信号采集处理电路板与示波器连接，2.5V尖波脉冲经PA78DK型运算放大器线性放大至49.7V，与理想的50V电压相比，电压仅衰减了0.3V，其偏差为6译，说明放大电路达到了设计要求。放大后的49.7V电压激励香梨，经香梨传递后衰减至31.8V，然后经声振信号调理电路的比例变化和二阶有源滤波输出为1.29V的电压，低于TMS320F28335核心板内部芯片的3.3V额定电压，满足核心板内部芯片工作电压要求。

　　3总结

　　本文以TMS320F28335电路板为核心研制了香梨声振响应信号采集处理电路板，电路板主要由电源模块、PA78DK型电压放大模块、信号调理模块、数据存储模块和数据显示模块组成。经调试分析，2.5V尖波脉冲经电压放大模块线性放大至49.7V激励香梨，经香梨传递后衰减至31.8V，然后经声振信号调理电路的比例变化和二阶有源滤波输出为1.29V的电压，达到了电路板的工作要求。

　　参考文献院

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　　[3]高永茂，吴杰，徐虎博，赵正强，王志鹏.库尔勒香梨振动信号调理电路的设计与验证[J].石河子大学学报(自然科学版)，2015(04).