一種高精度信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究＊

袁立軍 龔 濤 王向軍

（1.海軍駐江南造船集團(tuán)軍代室 上海 200000）（2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇一研究所 武漢 430064）（3.海軍工程大學(xué) 武漢 430033）

1 引言

隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)傳感器的出現(xiàn)，例如壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器等，怎樣準(zhǔn)確高速地采集這些傳感器信號(hào)就是需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容。通常傳感器的信號(hào)都比較微弱，需要進(jìn)行放大處理［1］。這時(shí)就必然要用到放大器了，要求放大器增益高，性能穩(wěn)定，尤其是零點(diǎn)漂移、溫度漂移、增益、穩(wěn)定性等指標(biāo)要求較高，也就是要能對(duì)信號(hào)實(shí)現(xiàn)精密放大處理，滿足計(jì)量要求［2～3］。然后要求采集系統(tǒng)能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)不同傳感器的信號(hào)進(jìn)行采集，這就要求信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性。本文針對(duì)這兩個(gè)方面的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)多通道高精度的實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)［4～5］。

2 整體設(shè)計(jì)

本裝置采用DSP作為主處理器，可以同時(shí)采集八路通道的信號(hào)。同時(shí)把信號(hào)放大100倍，提高采集的精度。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 放大模塊

針對(duì)微弱的傳感器信號(hào)，采用高精度的儀表放大器AD620來(lái)進(jìn)行放大，提高信號(hào)采集的精度。AD620儀表放大器是美國(guó)AD公司的產(chǎn)品。由于它的超β先進(jìn)工藝，使其最大工作電流為1.3mA，輸入失調(diào)電壓為5μV，輸入失調(diào)漂移最大為1μV／℃，共模抑制比93dB，增益范圍可調(diào)，且調(diào)節(jié)方便，噪聲低。AD620的核心是二級(jí)運(yùn)放電路，有較高的共模抑制比，溫度穩(wěn)定性好，放大頻帶寬，噪聲系數(shù)小。且精確度高、使用簡(jiǎn)易、噪聲低，應(yīng)用十分廣泛。多年來(lái)，AD620已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的高性能、低成本的儀表放大 器［6～7］。AD620 是 一 種完整的單片儀表放大器，提供8引腳D IP和SO IC兩種封裝，引腳少，設(shè)計(jì)方便，引腳定義如圖2所示。

圖2 AD620引腳圖

AD620是傳統(tǒng)AD524儀表放大器的第二代產(chǎn)品，并且包含一個(gè)改進(jìn)的傳統(tǒng)三級(jí)運(yùn)放電路。經(jīng)過(guò)激光微調(diào)的片內(nèi)薄膜電阻器R1和R2使用戶(hù)只需使用一只外部電阻器便可以設(shè)置從1到1000任何要求的增益，最大誤差在±0.3%之內(nèi)。精度高，使用非常方便。根據(jù)一個(gè)固定公式可以得到外加電阻阻值和放大增益之間的關(guān)系，從而確定外加電阻的阻值。此公式為

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的放大增益為100的放大模塊，根據(jù)上式可以確定在AD620的1腳和8腳之間需要連接一個(gè)500Ω的電阻就可以了。為了放大增益的準(zhǔn)確性，以避免大的寄生電阻串入RG，同時(shí)也為了使RG具有最小的增益漂移，選用0.1%精度、溫度系數(shù)TC低于10ppm／℃的電阻，具體的電路使用接線圖如圖3所示［8］。

圖3 AD620使用接線圖

其中的RG。

3.2 多路模擬信號(hào)選擇模塊

現(xiàn)在的測(cè)量控制系統(tǒng)通常都會(huì)同時(shí)連接多個(gè)不同類(lèi)型的傳感器，這樣就需要同時(shí)測(cè)量這些傳感器的數(shù)值，本系統(tǒng)采用8通道模擬量選擇芯片ADG408來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能［9］。

圖4 ADG408引腳圖

ADG408的轉(zhuǎn)換速度非常的快，在接到選擇指令后120ns就可以完成轉(zhuǎn)換，基本上可以認(rèn)為是實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，能夠很好地完成模擬量的選擇功能。采用16腳的封裝，8路輸入，1路輸出，3個(gè)引腳接控制信號(hào)，如圖4所示。其中的A0、A1、A2三個(gè)引腳接到DSP芯片的I／O口，表1顯示了不同控制信號(hào)所對(duì)應(yīng)選擇的模擬通道。本系統(tǒng)通過(guò)DSP的軟件設(shè)計(jì)，讓8個(gè)通道從1～8進(jìn)行循環(huán)選擇，實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)的采集。

在設(shè)計(jì)的時(shí)候，將引腳EN接上5V電源，強(qiáng)制芯片使能，S1－S8引腳連接到信號(hào)輸入接線端子，電源采用±12V的DC／DC電源。輸出引腳D連接到AD轉(zhuǎn)換芯片ADS7805上進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

表1 ADG408通道選擇真值表

此模塊的設(shè)計(jì)原理圖如圖5所示。

圖5 多路模擬量選擇模塊設(shè)計(jì)圖

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

一個(gè)采集系統(tǒng)的精度是否很高，除了之前的放大模塊的設(shè)計(jì)外，A／D轉(zhuǎn)換芯片的選擇、外圍電路的設(shè)計(jì)也是至關(guān)重要的。

本系統(tǒng)采用16位的A／D轉(zhuǎn)換芯片ADS7805來(lái)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的功能［10］。ADS7805可以達(dá)到每分鐘100kHz的采樣頻率，輸入信號(hào)為±10V，除上之前放大的100倍，整個(gè)系統(tǒng)可以采集的信號(hào)范圍是±100mV，滿足大部分傳感器的信號(hào)采集。而且可以動(dòng)態(tài)的改變放大模塊的放大增益，實(shí)現(xiàn)不同輸入信號(hào)的設(shè)置。具體的設(shè)計(jì)原理圖如圖6所示。

圖6 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)圖

4 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在軟件程序的設(shè)計(jì)上，合理分配DSP資源，提高采樣頻率，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上用于顯示和保存。具體的程序框圖如圖7所示。

原理是：首先程序進(jìn)行初始化，對(duì)采集設(shè)備進(jìn)行設(shè)置；然后進(jìn)行自檢，并將檢查結(jié)果發(fā)送給主機(jī)；接著主機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的采集頻率設(shè)置，系統(tǒng)準(zhǔn)備開(kāi)始進(jìn)行測(cè)量；測(cè)量開(kāi)始后，系統(tǒng)對(duì)傳感器的信號(hào)進(jìn)行通道選擇并采集、再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，接著將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)；系統(tǒng)一直循環(huán)運(yùn)行直到接收主機(jī)發(fā)送的停止信號(hào)。

圖7 DSP程序框圖

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)在硬件上采樣高精度的儀表放大器AD620進(jìn)行信號(hào)的放大，然后通過(guò)多路模擬量選擇芯片進(jìn)行多通道的實(shí)時(shí)采集，形成了一個(gè)完整的高效的小信號(hào)采集系統(tǒng)。通過(guò)DSP軟件的配合，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)更快速，更精確。由于放大增益是可調(diào)的，可以方便地實(shí)現(xiàn)±10V內(nèi)任何區(qū)間電壓信號(hào)的高精度采集，測(cè)試效果很好。

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