CN101917196A

CN101917196A - 模数联合型数据采集装置

Info

Publication number: CN101917196A
Application number: CN 201010256463
Authority: CN
Inventors: 韩红彪; 库祥臣; 李济顺; 马伟; 段明德; 贾现召
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: CN101917196B

Abstract

本发明涉及模数联合型数据采集装置，属于数据采集技术领域；该装置包括第一级模拟放大调理电路、并行多路模拟放大调理电路、AD采样模块和数字控制模块，所述并行多路模拟放大调理电路包括由两运算放大器串联构成N路放大调理电路，第一级模拟放大调理电路的输出端与并行多路模拟放大调理电路的N路输入端相连，并行多路模拟放大调理电路的N路输出端分别与AD采样模块的N路模拟输入端相连，AD采样模块与数字控制模块通过控制端口相连；本采集装置可根据模拟输入信号的大小，智能地实现量程自动切换，保证了采样精度，扩大了动态范围，无需额外的量程自动切换时间，提高了采样速率，保证了系统的带宽。

Description

模数联合型数据采集装置

技术领域

本发明涉及一种采用模拟电路和数字控制电路联合而进行的模数联合型数据采集装置，属于数据采集技术领域。

背景技术

在用传感器进行测量时，有时不知被测量的大小，测试电路在开始时无法选择合适的放大倍数。当被测量忽小忽大地变化时，若选择的放大倍数较小时，能获得大的被测量的采样值，但对小的被测量得到的采样值就很小，不能实现精确测量；若选择放大倍数较大时，小的被测量能被精确地采样到，但对大的被测量将因超出量程而无法获得正确的采样值。因此，在测量过程中随着模拟量值的变化，测试电路的放大倍数和量程必须能够动态地随之而变化。

一般的采集系统都是一个模拟信号连接一路模拟放大电路和一个AD采样通道，模拟放大电路通常采用程控增益放大电路来自动改变放大器的增益，从而使信号经放大后具有合适的动态范围，即实现量程自动切换。但是这种方式限制了采集系统的带宽，无法实现高速数据采集。因为改变放大电路的增益需要一定的过程和响应时间，放大电路的增益改变后还需要一个跟踪保持采样时间才能进行AD转换，使量程自动切换所需的时间较长，无法满足快速变化的高频信号的采集需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种模数联合型数据采集装置，以对未知大小的模拟量和变化范围比较大且变化剧烈的瞬态冲击模拟量实现超宽增益高速数据采集。

为实现上述目的，本发明的模数联合型数据采集装置包括第一级模拟放大调理电路、并行多路模拟放大调理电路、AD采样模块和数字控制模块，所述并行多路模拟放大调理电路包括N路放大调理电路，其中N>2，所述N路中的每一路都是由两运算放大器串联构成的两级放大调理电路，所述第一级模拟放大调理电路的运算放大器的输出端与所述并行多路模拟放大调理电路的N路输入端相连，所述并行多路模拟放大调理电路的N路输出端分别与对应的所述AD采样模块的N路模拟输入端相连，所述AD采样模块与数字控制模块通过控制端口相连。

进一步的，所述数字控制模块包括单片机、程序存储器、SDRAM数据存储器和采样数据存储器。

进一步的，所述单片机为BF532型DSP芯片，所述程序存储器采用M29W320DB16型芯片，所述SDRAM数据存储器采用MT48LC32M16型芯片，所述采样数据存储器采用K9F1G08型芯片。

进一步的，所述并行多路模拟放大调理电路中N=4。

进一步的，所述AD采样模块包括一AD7934型AD芯片。

本发明的模数联合型数据采集装置在使用时，模拟量输入AI先连接到第一级模拟放大调理电路，经放大和调理后的信号同时连接到并行多路模拟放大调理电路的输入上，经过并行的N路放大调理电路后，模拟信号变成N个不同放大倍数的信号同时输入到AD采样模块的不同的通道上，数字控制模块可控制AD采样模块的N个通道同时触发AD转换，转换一旦结束立即读取满足采样精度和测量范围的通道的采样值，当模拟量输入较小时，采集装置会从放大倍数较大的通道读取采样值，当模拟量输入逐渐变大时，采集系统会不断变换采样通道，逐步从放大倍数变小的通道读取采样值。因此，本采集装置可根据模拟输入信号的大小，智能地实现量程自动切换，保证了采样精度，扩大了动态范围，而且模拟输入信号经并行多路模拟放大调理电路后被同时变换成不同放大倍数的信号，接入AD采样模块的不同采样通道后可同时触发AD转换，数字控制模块可根据精度需要读取相应通道的采样值，无需额外的量程自动切换时间，从而提高了采样速率，保证了系统的带宽。

附图说明

图1是本发明实施例的系统原理图；

图2是本发明实施例的电路图；

图3是本发明实施例的通道与切换上下限关系图；

图4是本发明实施例的四通道系统的自动切换三角波图。

具体实施方式

以N=4路并行模拟放大调理电路为例来详细说明本发明的模数联合型数据采集装置，该装置的系统原理图如图1所示。模数联合型数据采集装置包括第一级模拟放大调理电路、并行多路模拟放大调理电路、AD采样模块和数字控制模块，第一级模拟放大调理电路的运算放大器的输出端与并行多路模拟放大调理电路的N路输入端相连，并行多路模拟放大调理电路的N路输出端分别与AD采样模块的N路通道模拟输入端相连，AD采样模块与数字控制模块通过控制端口相连。

N=4时，采集装置的电路图如图2所示。第一级模拟放大调理电路包括运算放大器IC3，并行多路模拟放大调理电路由四路模拟放大调理电路组成，其中每一路都是由两运算放大器串联构成的两级放大调理电路，运算放大器IC1、IC2串联成第四路放大调理电路，运算放大器IC5、IC6串联成第三路放大调理电路，运算放大器IC7、IC8串联成第二路放大调理电路，运算放大器IC9、IC10串联构成第一路放大调理电路；运算放大器IC4A组成参考电压驱动电路，AD采样模块可控制各路放大调理电路的参考电压。以第一路放大调理电路为例：运算放大器IC9组成第二级放大电路，运算放大器IC10组成调理电路，将信号转换为AD芯片能够接收的信号，能够对正负信号进行采样；二极管D4、电容C15、电阻R32对信号进行限电压、滤波、限流，确保信号不会超过AD芯片的模拟输入接口的量程。

图2中U1(AD7934)为AD采样芯片，可对4路模拟量进行AD转换，转换精度为12位，采样频率最高1.5MHz。数字控制模块主要包括DSP芯片U2(BF532)、程序存储器U3(M29W320DB16)、SDRAM数据存储器U4(MT48LC32M16)、采样数据存储器组成U5(K9F1G08)。U2（BF532）是AD公司的16位高速DSP芯片，内核最高工作速度可达600MHz。U3(M29W320DB16)是一个16位的32M字节的FLASH存储器，主要用来存储装置的系统工作程序。U4(MT48LC32M16) 是一个16位的32M字节的SDRAM存储器，主要用来临时存储工作数据和采样数据。U5(K9F1G08)是一个8位的1G字节的FLASH存储器，主要用来永久和长时间保存采样数据和用户参数等。

模拟量AI输入经过IC3实现第一级放大调理后，同时连接到四路放大调理电路的输入上，分别经过放大、调理后转变成具有不同放大倍数的信号VIN0、VIN1、VIN2和VIN3，然后连接到AD采样芯片的四路通道模拟输入上。DSP控制模块能通过引脚AMS3、AWE、TIMR0和数据总线来控制AD采样芯片进行AD转换的频率、触发时间等参数，当AD转换完成通过引脚PF8触发DSP的硬件中断，并能通过引脚AMS3、ARE和数据总线读取某个通道的采样值进行临时保存在SDRAM中，等信号采集过程结束后将数据再保存到U5(K9F1G08)的FLASH存储器中。该数据可通过通讯接口传送到上位计算机中进行分析。

并行多路模拟放大调理电路由N（这个N可根据实际需要来确定，一般大于2，本电路中有4路）个电路原理相同的放大调理电路组成，它们具有相同的输入和各自相应的输出，每个电路的放大倍数不同，并按一定的规律排列以保证其测量范围和精度。每个电路的输出都被调理到AD采样芯片所要求的输入范围内，然后连接到AD采样电路的不同的采样通道上。本电路采用一个4输入的AD芯片，若并行多路模拟放大调理电路的路数较多，可以采用多片AD芯片。也可以采用更多输入通道和转换频率更高的AD芯片。数字控制电路也可采用其它电路，只要工作速度和存储空间等满足要求即可。

具体的实施例：

如图3所示。当N=4时，第一级模拟放大调理电路的放大倍数设为1，并行多路模拟放大调理电路的四路模拟放大调理电路的放大倍数分别设为1、2、4、8，则对应于AD芯片的各采样通道VIN0～VIN3的放大倍数分别为1、2、4、8。每个AD采样通道的输入范围都是0～5V，则VIN3通道对应的输入模拟量的范围是0～0.625V，VIN2通道对应的输入模拟量的范围是0～1.25V，VIN1通道对应的输入模拟量的范围是0～2.5V，VIN0通道对应的输入模拟量的范围是0～5V。AD采样芯片的采样精度是12位，所以其AD转换后的读数为0～4096。为保证数据的一致性，将其它通道的采样值都转换成VIN3通道的值，即VIN3的读数范围是0～4096，VIN2的读数范围是0～4096×2，VIN1的读数范围是0～4096×4，VIN0的读数范围是0～4096×8。

为保证采样精度和实现通道自动切换，可设当输入模拟量经放大后，达到AD采样通道输入范围的80％时为切换上限值（即4V），达到AD采样通道输入范围的32％时为切换下限值（即1.6V），那么对应每个通道的切换上限和切换下限如上图所示。

则对于一个0～5V变化的三角波，采样初始通道设为VIN3，当波形由0V到0.5V变化时，由放大倍数最大的VIN3通道读数，当波形超过0.5V后系统自动切换到VIN2通道读数，当波形超过1V后系统自动切换到VIN1通道读数，当波形超过2V后系统自动切换到VIN0通道读数。波形达到5V开始下降，当波形下降到1.6V后系统自动切换到VIN1通道读数，当波形下降到0.8V后系统自动切换到VIN2通道读数，当波形下降到0.4V后系统自动切换到VIN3通道读数。其变化如下图所示。

对于不同的情况，N可以取不同的值，每一路的放大倍数也可取不同的值，则相应的切换上限与切换下限也可根据实际情况和精度要求取不同的值。

Claims

1. 一种模数联合型数据采集装置，其特征在于，该装置包括第一级模拟放大调理电路、并行多路模拟放大调理电路、AD采样模块和数字控制模块，所述并行多路模拟放大调理电路包括N路放大调理电路，其中N>2，所述N路中的每一路都是由两运算放大器串联构成的两级放大调理电路，所述第一级模拟放大调理电路的运算放大器的输出端与所述并行多路模拟放大调理电路的N路输入端相连，所述并行多路模拟放大调理电路的N路输出端分别与对应的所述AD采样模块的N路模拟输入端相连，所述AD采样模块与数字控制模块通过控制端口相连。

2. 根据权利要求1所述的模数联合型数据采集装置，其特征在于：所述数字控制模块包括单片机、程序存储器、SDRAM数据存储器和采样数据存储器。

3. 根据权利要求2所述的模数联合型数据采集装置，其特征在于：所述单片机为BF532型DSP芯片，所述程序存储器采用M29W320DB16型芯片，所述SDRAM数据存储器采用MT48LC32M16型芯片，所述采样数据存储器采用K9F1G08型芯片。

4. 根据权利要求1至3中任一项所述的模数联合型数据采集装置，其特征在于：所述并行多路模拟放大调理电路中N=4。

5.根据权利要求4所述的模数联合型数据采集装置，其特征在于：所述AD采样模块包括一AD7934型AD芯片。