CN103076480B

CN103076480B - 微小信号采集卡

Info

Publication number: CN103076480B
Application number: CN201210593583.4A
Authority: CN
Inventors: 郭恩全; 杨朋; 聂文彬; 王一鸣; 高宝平; 邓云海; 宁成军
Original assignee: Shaanxi Hitech Electronic Co Ltd
Current assignee: Shaanxi Hitech Electronic Co Ltd
Priority date: 2012-12-30
Filing date: 2012-12-30
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2032-12-30
Also published as: CN103076480A

Abstract

本发明涉及微小信号采集卡，包括功能切换电路、电流源电路、信号调理电路、电流采样电路、信号采集处理电路以及通讯接口电路，功能切换电路的一端连接有端子HI、接地端子L、端子HS、端子LS、端子I、电流源电路以及电流采样电路，功能切换电路的另一端依次与信号调理电路、信号采集处理电路和通讯接口电路连接，端子HI、接地端子L形成电压采集端，端子HS和端子LS形成电阻采集端，接地端子L和端子I形成电流采集端和电流源输出端。本发明解决了现有微小信号采集卡采样速率低、精度不高的技术问题，本发明能够实现对于常规信号的高精度测量，具有高动态范围，能够同时提供对于微欧、纳安及纳伏信号的采集、测量功能。

Description

微小信号采集卡

技术领域

本发明属于测试测量、仪器仪表、信号调理等领域。

背景技术

目前对于微小信号的采集普遍存在采样速率低、精度不高的特点，随着现代科学技术的迅速发展，尤其是在航空航天、石油测井、自动控制等领域，采集信号幅度越来越小，采集精度要求越来越高。在这种情况下，开发高精度的微小信号采集卡具有很好的工程应用。本采集卡的测量功能能够充分满足对于压力、应变、温度、振动等传感器输出的微小信号采集。

发明内容

为了解决现有微小信号采集卡采样速率低、精度不高的技术问题，本发明提供一种微小信号采集卡，本发明能够实现对于常规信号的高精度测量，具有高动态范围，能够同时提供对于微欧、纳安及纳伏信号的采集、测量功能。

本发明的技术解决方案：

微小信号采集卡，其特殊之处在于：包括功能切换电路、电流源电路、信号调理电路、电流采样电路、信号采集处理电路以及通讯接口电路，

所述功能切换电路的一端连接有端子HI、接地端子L、端子HS、端子LS、端子I、电流源电路以及电流采样电路，所述功能切换电路的另一端依次与信号调理电路、信号采集处理电路和通讯接口电路连接，

所述端子HI、接地端子L形成电压采集端，所述端子HS和端子LS形成电阻采集端，所述接地端子L和端子I形成电流采集端和电流源输出端，

所述电流源电路经过功能切换电路向电阻采集端处的被测电阻提供恒流源激励；所述电流采样电路经过功能切换电路采集流经电流采集端的被测电流，

所述功能切换电路将被测电阻、电流转化为电压信号，并传输给信号调理电路进行信号放大或衰减处理。

上述功能切换电路包括开关K1、开关K2、开关K3以及四选一模拟开关K4，所述开关K2的一端与端子HI连接，所述开关K2的另一端分两路，一路经过开关K1与电流源电路连接，另一路与四选一模拟开关K4的触点A连接，端子I经过开关K3、电流采样电路后与四选一模拟开关K4的触点B连接，端子HS与四选一模拟开关K4的触点C连接，端子LS与四选一模拟开关K4的触点D连接，四选一模拟开关K4的触头与信号调理电路连接。

上述电流源电路包括钳位电路、限流电路，档位选择开关J1-J14，反馈输出电路，所述限流电路包括限流电阻R4-R10，所述限流电阻R4-R10一端并联。

所述钳位电路包括第一运算放大器U1B、场效应管Q1、稳压二极管D2、电阻R1、电阻R2，所述反馈输出电路包括第二运算放大器U1A、稳压二极管D1以及电阻R3，

所述第一运算放大器U1B的正极接5V电源，所述第一运算放大器U1B的负极通过电阻R2接地，所述第一运算放大器U1B的输出端接场效应管Q1的栅极，所述场效应管Q1的源极接电阻R2，所述场效应管Q1的漏极分两路，一路与电阻R1的一端连接，另一路与第二运算放大器U1A的正极连接，所述电阻R1的另一端分两路，一路通过稳压二极管D2与电源连接，另一端与限流电路的一端连接，

所述限流电路的电阻R4的另一端分两路，一路通过档位选择开关J1与第二运算放大器U1A的负极连接，另一路通过档位选择开关J8与场效应管Q2的漏极连接，所述限流电路的电阻R5-R10的另一端的连接方式与电阻R4相同，

所述第二运算放大器U1A的输出端通过稳压二极管D1与电阻R3的一端连接，所述场效应管Q2的栅极与电阻R3的一端连接，所述电阻R3的另一端与电源连接。

上述信号调理电路包括第三运算放大器U1C、第四运算放大器U1D、第五运算放大器U1E、第六运算放大器U1F、电阻R11-R19以及电阻R_ref，所述第三运算放大器的正极接地，所述第三运算放大器的负极、电阻R_ref的一端以及电阻R12的一端连接，所述第三运算放大器的输出端、电阻R12的另一端以及电阻R14的一端连接，

所述第四运算放大器U1D的负极、电阻R11以及电阻R_ref的另一端连接，所述第四运算放大器U1D的输出端、电阻R11的另一端以及电阻R13的一端连接，第四运算放大器U1D的正极接VIN，

所述电阻R14的另一端、第五运算放大器U1E的负极、电阻R15的一端连接，

所述电阻R13的另一端、第五运算放大器U1E的正极以及电阻R16的一端以及电阻R19的一端连接，

所述第五运算放大器U1E的输出端、电阻R15的另一端、电阻R17的一端以及电阻R18的一端连接，所述电阻R18的另一端作为输出电源的正极，

所述电阻R17的另一端、电阻R16的另一端、第六运算放大器U1F的负极连接，

所述电阻R19的另一端和第六运算放大器U1F的输出端作为输出电源的负极，第六运算放大器U1F的正极接差分输出公模电压V_ref。

上述电流采样电路包括稳压二极管D3-D6、第七运算放大器U1G以及采样电阻R0，所述采样电阻R0的一端、稳压二极管D6的阳极以及稳压二极管D4的阴极均接地，所述采样电阻R0的另一端、稳压二极管D5的阴极和稳压二极管D3的阳极均与第七运算放大器U1G的正极连接，所述稳压二极管D3的阴极、稳压二极管D4的阳极、稳压二极管D5的阳极和稳压二极管D6的阴极均与第七运算放大器U1G的负极连接，所述第七运算放大器U1G的输出端与第七运算放大器U1G的负极连接；所述第七运算放大器U1G的正极作为电流采样电路的采样端，所述第七运算放大器U1G的输出端作为电流采样电路的输出端，所述第七运算放大器U1G的正极与功能切换电路连接。

上述通讯接口电路为RS232、USB或以太网数字接口。

本发明所具有的优点：

1、本发明在对微小电阻测量时，电流源具有从500nA～1A共9个档位的输出能力，电阻测量范围从10微欧姆～10M欧姆，测量的精度高。

2、本发明的信号调理电路采用改进的仪表放大电路，大大减小了模拟开关导通电阻对于增益的影响。

3、本发明优化的电流采样电路，减小漏电流对采集精度的影响，电流测量范围从10nA～3A。

4、本发明的目的在于实现对于常规信号(电阻、电压、电流)的高精度测量，具有高动态范围，提供对于微欧、纳安及纳伏信号的采集、测量功能。

附图说明

图1为本发明微小信号采集卡的原理示意图；

图2为本发明功能切换电路结构图；

图3为本发明电流源电路示意图；

图4为本发明信号采集处理电路示意图；

图5为本发明电流采样电路示意图。

具体实施方式

如图1所示，微小信号采集卡包括电流源电路、信号调理电路、电流采样电路、信号采集处理电路及通讯接口电路。图1为微小信号采集卡的结构框图。HI和L为电压采集、两线电阻采集和电流源输出端子；HS和LS为四线电阻采集端子；I和L为电流采集端子。

电流源电路用于电阻测量时提供恒流源对被测元件(电阻)进行激励。

电流采样电路用于电流测量时对被测电流进行采样。

功能切换电路实现电阻、电压、电流测量的功能切换，将被测电阻、电流转化为电压信号，传输给信号调理电路进行信号放大或衰减到合理的范围。

信号采集处理电路进行电压信号的模拟-数字转化，并且进行数字低通滤波，转化为实际的测量值。模拟-数字转化采用具有24位分辨力芯片，实际有效分辨力可达21位，采样速率从6.8Hz～3.5KHz程控可调。

通信接口电路主要实现RS232、USB、及以太网等数字接口。

功能切换电路如图2所示，由开关K1，K2，K3，K4组成。K1，K2，K3为单刀单掷继电器，K4为四选一模拟开关。K1，K2，K3，K4的不同切换状态就实现了电阻、电压、电流的测量功能。

四线电阻举例说明：

电流源电路输出电流，经K2，K1继电器流经被测对象，经L流回板卡。K4继电器C触点吸合，采集一侧电压值，然后K4继电器D触点吸合，采集另一侧电压值，两值做差，即可计算出电流源流经被测对象之后的压降，根据公式R＝V/I，即可计算出电阻值。

表1功能选择与开关的闭合状态表

电流源电路具有从500nA～1A共9个档位的输出能力。图为电流源实现原理示意图，可以输出电流为1uA～1A。运算放大器U1B将R2两端的电压钳位在5V，流过R2的电流为1mA，由于R1和R2阻值相等，因此R1两端的电压也为5V，根据运算放大器的虚短的原理，当J1吸合时，R4两端的电压也为5V，此时流过R4的电流为1A，根据运算放大器的虚断的原理，当J8吸合时1A电流经Q2输出。表2描述了电流输出与开关闭合的关系。

表2电流输出与开关闭合关系表

信号调理电路采用改进的仪表放大电路，该设计对常规的仪表放大电路做如下改进：

改变增益控制电路，消除模拟开关导通电阻对增益影响。

将仪表放大电路输出变换为差分输出，有利于提高模数转换芯片对信号采集的精度。

常规仪表放大电路一般情况下，增益反馈电阻由模拟开关控制切换，模拟开关导通电阻R_on为数十欧姆，当增益反馈电阻R3为百欧姆或更小时，模拟开关的导通电阻对增益精度影响不能消除。

如图3所示，将切换开关J1、J2放在反馈回路上，根据运算放大器虚断的原理，流过开关J1、J2的电流为零，从而消除模拟开关的影响。U1E和U1F将输出信号转化为差分信号。

假设R1＝R2＝4＝R5＝R6＝R7＝R8＝R9＝R10＝R，当J1、J2同时闭合时：

Vout = {2 V}_{ref} + \frac{Vin \times (1 + 2 R / R_{ref})}{2}

Vout = {2 V}_{ref} - \frac{Vin \times (1 + 2 R / R_{ref})}{2}

电流采样电路加入运算放大器反馈电路，以减小D1～D4引起的漏电流。电路设计如图5所示，D3～D6为过压保护电路，R0为电流采样电阻，通过采集R0两端的电压来计算流过R0的电流。根据运算放大器虚短的原理，使D5和D6两端的电压为零，从而最大限度的限制了漏电流，保证了对纳安级电流的采集。

Claims

1.微小信号采集卡，包括功能切换电路、电流源电路、信号调理电路、电流采样电路、信号采集处理电路以及通讯接口电路，

所述功能切换电路将被测电阻、电流转化为电压信号，并传输给信号调理电路进行信号放大或衰减处理；

所述功能切换电路包括开关K1、开关K2、开关K3以及四选一模拟开关K4，所述开关K2的一端与端子HI连接，所述开关K2的另一端分两路，一路经过开关K1与电流源电路连接，另一路与四选一模拟开关K4的触点A连接，端子I经过开关K3、电流采样电路后与四选一模拟开关K4的触点B连接，端子HS与四选一模拟开关K4的触点C连接，端子LS与四选一模拟开关K4的触点D连接，四选一模拟开关K4的触头与信号调理电路连接。

2.根据权利要求1所述的微小信号采集卡，其特征在于：

所述电流源电路包括钳位电路、限流电路，档位选择开关J1-J14，反馈输出电路，所述限流电路包括限流电阻R4-R10，所述限流电阻R4-R10一端并联；

3.根据权利要求2所述的微小信号采集卡，其特征在于：所述信号调理电路包括第三运算放大器U1C、第四运算放大器U1D、第五运算放大器U1E、第六运算放大器U1F、电阻R11-R19以及电阻R_ref，所述第三运算放大器的正极接地，所述第三运算放大器的负极、电阻R_ref的一端以及电阻R12的一端连接，所述第三运算放大器的输出端、电阻R12的另一端以及电阻R14的一端连接，

4.根据权利要求3所述的微小信号采集卡，其特征在于：所述电流采样电路包括稳压二极管D3-D6、第七运算放大器U1G以及采样电阻R0，所述采样电阻R0的一端、稳压二极管D6的阳极以及稳压二极管D4的阴极均接地，所述采样电阻R0的另一端、稳压二极管D5的阴极和稳压二极管D3的阳极均与第七运算放大器U1G的正极连接，所述稳压二极管D3的阴极、稳压二极管D4的阳极、稳压二极管D5的阳极和稳压二极管D6的阴极均与第七运算放大器U1G的负极连接，所述第七运算放大器U1G的输出端与第七运算放大器U1G的负极连接；所述第七运算放大器U1G的正极作为电流采样电路的采样端，所述第七运算放大器U1G的输出端作为电流采样电路的输出端，所述第七运算放大器U1G的正极与功能切换电路连接。

5.根据权利要求4所述的微小信号采集卡，其特征在于：所述通讯接口电路为RS232、USB或以太网数字接口。