高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集電路，尤其是高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路。
【背景技術(shù)】
[0002]自動(dòng)測(cè)量與控制系統(tǒng)都離不開(kāi)數(shù)據(jù)采集與處理，它是這些系統(tǒng)最初數(shù)據(jù)的來(lái)源。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的一個(gè)重要分支，廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、頻譜分析、通信及圖像處理等現(xiàn)代電子信息實(shí)時(shí)處理工程。良好的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是保證智能儀器正常運(yùn)行、正確識(shí)別傳感器信號(hào)、獲取算法軟件的原始數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素。數(shù)據(jù)采集技術(shù)涵蓋的知識(shí)面廣，包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)、模擬信號(hào)調(diào)理、微處理器技術(shù)、CPLD / FPAG技術(shù)、DSP技術(shù)、數(shù)據(jù)通訊與接13技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、抗干擾與電磁兼容性設(shè)計(jì)等多項(xiàng)技術(shù)，而針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境和場(chǎng)合，不同的儀器或傳感器又對(duì)數(shù)據(jù)的采集有不同的要求，因此，數(shù)據(jù)采集也成為智能儀器設(shè)計(jì)中難點(diǎn)多、工作量大、需要成本高的關(guān)鍵技術(shù)。一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為模擬信號(hào)調(diào)理部分和數(shù)字信號(hào)處理部分，其中模擬部分完成多通道的信號(hào)同步放大、采集、抗混疊濾波、工頻陷波的功能。因此模擬信號(hào)調(diào)理電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中具有重要作用，它要能按照儀器的要求將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，像采樣頻率的高低、對(duì)環(huán)境噪聲的抑制能力、自身對(duì)有用信號(hào)的干擾和采樣精度等都是模擬信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的問(wèn)題。特別是對(duì)信號(hào)幅度微弱、干擾與噪聲幅度大、精度要求高、動(dòng)態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求高的情況，對(duì)模擬信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本申請(qǐng)要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服上述缺陷，提供一種高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路。
[0004]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用的技術(shù)方案是:
[0005]高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路，前置差分放大器INA128、四階巴特沃思有源低通濾波器、主放大器、50Hz陷波器電路順序連接后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入至DSP ;該四階巴特沃思有源低通濾波器為兩級(jí)二階無(wú)線(xiàn)增益多端反饋低通濾波器級(jí)聯(lián)組成，主放大器由高共模抑制比的雙端輸入單端輸出型儀用程控放大器PGA204，PGA205組合而成，陷波器電路為一個(gè)二階雙T型50Hz陷波器電路，A/D轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)TC2400。
[0006]本發(fā)明的有益效果是:模擬信號(hào)調(diào)理電路具有高精度、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)等特性，適和作為野外工作的信號(hào)采集系統(tǒng)前端模擬信號(hào)調(diào)理電路，具有很高的共模抑制比和串模抑制比，對(duì)廣泛存在于自然環(huán)境中的50hz工頻干擾具有很強(qiáng)的抑制性，對(duì)于模擬信號(hào)的A / D轉(zhuǎn)換位數(shù)達(dá)到24位，能實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的微伏級(jí)變化的檢測(cè)，特別適用于在地球物理勘探儀器的數(shù)據(jù)采集模塊中。
【附圖說(shuō)明】
[0007]圖1是模擬信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖2是兩級(jí)程控放大器級(jí)聯(lián)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0009]高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路，前置差分放大器INA128、四階巴特沃思有源低通濾波器、主放大器、50Hz陷波器電路順序連接后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入至DSP ;該四階巴特沃思有源低通濾波器為兩級(jí)二階無(wú)線(xiàn)增益多端反饋低通濾波器級(jí)聯(lián)組成，主放大器由高共模抑制比的雙端輸入單端輸出型儀用程控放大器PGA204，PGA205組合而成，陷波器電路為一個(gè)二階雙T型50Hz陷波器電路，A/D轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)TC2400。
[0010]前置放大器的噪聲系數(shù)對(duì)于整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的噪聲特性具有決定性作用，系統(tǒng)可檢測(cè)的最小信號(hào)取決于低噪聲放大器的噪聲系數(shù)，因?yàn)樗a(chǎn)生的噪聲會(huì)被后續(xù)的各級(jí)放大器進(jìn)一步放大。目前，低噪聲放大器可以通過(guò)選用噪聲指標(biāo)好的集成電路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。INA128是一種低功耗、高精度儀表用差分放大器，相比普通的集成運(yùn)算放大器它有更低的輸入偏置電壓和溫度系數(shù)，對(duì)實(shí)現(xiàn)微伏級(jí)的信號(hào)檢測(cè)是很有利的，同時(shí)它的輸入端內(nèi)部集成了 ±40伏的過(guò)電壓保護(hù)，差分輸入端超過(guò)±40伏的電壓自動(dòng)保護(hù)，使器件免遭損壞，對(duì)輸入信號(hào)的共模干擾起到了很好的抑制?？紤]到信號(hào)特征及硬件上的易實(shí)現(xiàn)性，系統(tǒng)在低通濾波器上采用了巴特沃思有源低通濾波器。考慮到在強(qiáng)噪聲的背景中檢測(cè)微弱信號(hào)需要在抑制環(huán)境噪聲的同時(shí)也要盡可能的降低系統(tǒng)自身的對(duì)信號(hào)的干擾，而通帶內(nèi)的微小波動(dòng)也有可能對(duì)微弱的信號(hào)變化產(chǎn)生大的干擾，所以這里選用四階巴特沃斯濾波器。該濾波器由兩級(jí)二階無(wú)限增益多端反饋低通濾波器級(jí)聯(lián)組成四階低通濾波器。當(dāng)接收信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍較大時(shí)，為了提高儀器的信噪比、測(cè)量精度及輸入動(dòng)態(tài)范圍，對(duì)前段模擬信號(hào)采用了兩級(jí)儀用程控放大器級(jí)聯(lián)的方法，并且兩級(jí)程控放大采用直接耦合差動(dòng)連接的方式，將每級(jí)引入的共模干擾降低到最小。放大部分主要任務(wù)是在DSP的控制下，將初級(jí)放大的信號(hào)放大到ADE量化最佳區(qū)間，以提高儀器的動(dòng)態(tài)范圍和靈敏度。最終選擇了 PGA204、PGA205組合。PGA204，PGA205是BB公司推出的高共模抑制比的儀用程控放大器，共模抑制最高可達(dá)123DB。前置放大器采用電壓跟隨器的方式。PGA204的可控放大倍數(shù)為1，10，100，1000 ;PGA205的可控放大倍數(shù)為1，2，4，8。所以，級(jí)聯(lián)后程控放大部分的可控放大倍數(shù)可有16種組合方式，2，4，8，16，20，40，80，160，200，400，800，1600，2000，4000，8000，16000，能滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。PGA204，PGA205均為雙端輸入單端輸出型儀用程控放大器。兩個(gè)正負(fù)電極接收到信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器仍然為單極性信號(hào)，使其分別作為其中一片PGA205的正負(fù)輸入端，這樣就構(gòu)成了第一級(jí)差分放大器。兩片PGA205輸出，分別作為PGA204的正負(fù)輸入端,這樣就構(gòu)成了第二級(jí)差分放大器。全程采用了信號(hào)反向差分有效抑制了共模干擾，提高了放大器信噪比。兩級(jí)程控放大器級(jí)聯(lián)示意圖如圖2所示。當(dāng)干擾電壓超過(guò)信號(hào)電壓很多時(shí)，它就會(huì)支配前置放大器和主放大器的增益，使放大器不能有效地放大來(lái)自傳感器的接收信號(hào)，因此采集電路中必須設(shè)置50Hz陷波器。為了能達(dá)到檢測(cè)級(jí)信號(hào)的能力，這里采用凌特公司的LTC2400，是世界上最小的24位高準(zhǔn)確度模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部具有精度較高的集成震蕩器時(shí)鐘，外部不需任何頻率調(diào)整元件。該轉(zhuǎn)換器具有4ppm的線(xiàn)性度，24位無(wú)漏碼；4ppm的滿(mǎn)度增益誤差等優(yōu)良直流性能和良好的低噪聲特性。此外，該轉(zhuǎn)換器擁有SPI數(shù)字接口，非常方便地與微處理器接口，簡(jiǎn)化了線(xiàn)路設(shè)計(jì)。LTC2400是單通道的A / D轉(zhuǎn)換器，其封裝形式為S08貼片式。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路，其特征在于:前置差分放大器INA128、四階巴特沃思有源低通濾波器、主放大器、50Hz陷波器電路順序連接后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入至DSP;該四階巴特沃思有源低通濾波器為兩級(jí)二階無(wú)線(xiàn)增益多端反饋低通濾波器級(jí)聯(lián)組成，主放大器由高共模抑制比的雙端輸入單端輸出型儀用程控放大器PGA204，PGA205組合而成，陷波器電路為一個(gè)二階雙T型50Hz陷波器電路，A/D轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)TC2400。
【專(zhuān)利摘要】高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理電路,前置差分放大器INAl28、四階巴特沃思有源低通濾波器、主放大器、50Hz陷波器電路順序連接后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器輸入至DSP；該四階巴特沃思有源低通濾波器為兩級(jí)二階無(wú)線(xiàn)增益多端反饋低通濾波器級(jí)聯(lián)組成，主放大器由高共模抑制比的雙端輸入單端輸出型儀用程控放大器PGA204，PGA205組合而成，陷波器電路為一個(gè)二階雙T型50Hz陷波器電路，A/D轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)TC2400。模擬信號(hào)調(diào)理電路具有高精度、低噪聲、抗干擾能力強(qiáng)等特性，適和作為野外工作的信號(hào)采集系統(tǒng)前端模擬信號(hào)調(diào)理電路，具有很高的共模抑制比和串模抑制比，特別適用于在地球物理勘探儀器的數(shù)據(jù)采集模塊中。
【IPC分類(lèi)】H03F3-45, G05B19-042
【公開(kāi)號(hào)】CN104635555
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310554996
【發(fā)明人】樊勇, 龍寧
【申請(qǐng)人】成都龍騰中遠(yuǎn)信息技術(shù)有限公司
【公開(kāi)日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2013年11月8日