CN103605304B

CN103605304B - 一种多路微弱信号采集处理电路

Info

Publication number: CN103605304B
Application number: CN201310554704.9A
Authority: CN
Inventors: 周伟; 刘绍斌; 张小六; 吴杰
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2013-11-09
Filing date: 2013-11-09
Publication date: 2015-11-18
Anticipated expiration: 2033-11-09
Also published as: CN103605304A

Abstract

本发明的目的是针对现有微弱信号采集处理电路采集精度低，调节困难的缺陷提供了一种多路微弱信号采集处理电路。包括采集模块、低通滤波器、多路模拟开关、放大模块、陷波器、单片机处理模块、无线传输模块、显示模块，其中多个采集单元分别对应接入多路模拟开关输入口，多路模拟开关输出端接入陷波器，陷波器输出端接入单片机处理模块输入端，单片机处理模块I/O端口接多路模拟开关控制端口，用于多路模拟开关的选择，单片机处理模块连接显示模块和无线传输模块，用于实现采集信号的显示和传输。该采集处理电路能够实现多路微弱信号的采集处理，如压力、光照、温度、湿度等，采集精度高，调节便利。

Description

一种多路微弱信号采集处理电路

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体涉及一种多路微弱信号采集处理电路。

背景技术

在高速发展的信息时代，对高精度测量仪器仪表、数据采集系统要求不断提高。传统信号采集电路采用机械传感器，现代社会越来越多地采用电子传感器，随着半导体技术的发展，利用敏感元件作的传感器因其优良的性能成为广泛研究的重点。

目前，微弱信号采集处理电路要求较高灵敏度，常用微弱信号采集处理电路主要包括采集电路、滤波电路、陷波器、放电电路，其中陷波器的作用为消除杂波干扰、如50Hz的工频干扰，是保证电路信号采集精度的关键。常用陷波器采用双T带阻滤波器，如图1所示，该陷波器的谐振角频率ω₀=1/R₀C₀，对电子元器件的要求较高，而在实际中，电阻和电容值是存在一定误差，故其匹配精度不是非常的高，电路的谐振角频率ω₀略会出现偏移，从而导致采集信号也被部分衰减，极大的影响采集电路采集精度；而调节时，需要同时调节三个电阻（R0、R0、R0/2）或三个电容（C0、C0、2C0）的值，故调节困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有微弱信号采集处理电路采集精度低，调节困难的缺陷提供了一种多路微弱信号采集处理电路。该采集处理电路能够实现多路微弱信号的采集处理，如压力、光照、温度、湿度等，采集精度高，调节便利。

本发明技术方案为：一种多路微弱信号采集处理电路，包括依次连接的多路采集模块、低通滤波器、多路模拟开关、放大模块、陷波器、单片机处理模块，其中单片机处理模块连接多路模拟开关控制端口（A0、A1、A2），用于控制电路；其特征在于，所述陷波器由第三运放（U3）、第四运放（U4）、第二十二、二十三、二十四、二十五、二十六电阻（R22、R23、R24、R25、R26）和第十电容（C10）、第十一电容（C11）组成，其中第二十四电阻（R24）接于第三运放（U3）的同向输入端与放大模块输出端之间；第二十二电阻（R22）一端与第二十四电阻共接于放大模块输出端，另一端接于第三运放（U3）的反向输入端；第二十三电阻（R23）接在第三运放（U3）的反向输入端和输出端之间；第十电容（C10）接于第三运放（U3）的同向输入端与第四运放（U4）同向输入端之间；第二十五电阻（R25）的一端接入第四运放（U4）同向输入端，另一端连接第二十六电阻（R26）后接地信号；第十一电容（C11）一端与第二十五、第二十六电阻（R25、R26）共接点共接，另一端接入第四运放（U4）的输出端；第四运放（U4）反向输入端与输出端用导线相连接；第三运放（U3）的输出端接入单片机处理模块模拟输入口进行数据的接收与处理。

进一步的，所述放大模块由一AD623仪表放大器（U2），第八、第九电容（C8、C9）和第十七、十八、十九、二十、二十一电阻（R17、R18、R19、R20、R21）组成，第八、第九电容（C8、C9）并联后一端接电源（Vcc），另一端接信号地；第十七电阻（R17）一端接电源（Vcc），另一端与第十八电阻（R18）串连后接信号地，第十七电阻（R17）与第十八电阻（R18）共接点接入仪表放大器（U2）的-IN端口；第十九电阻（R19）一端接接电源（Vcc），另一端与第二十电阻（R20）串联后接信号地，第十九电阻（R19）与第二十电阻（R20）共接点接入仪表放大器（U2）的REF端口；第二十一电阻（R21）两端分别接入仪表放大器（U2）的-RG端口与+RG端口；仪表放大器（U2）的+VS端口接电源（Vcc），仪表放大器（U2）的-VS接信号地。

进一步的，所述信号采集模块由八个采集单元组成，每个采集单元包括一个负系数敏感元件和一个正系数敏感元件，负系数敏感元件是指其电阻值随待测变量的增加而减少，即灵敏度S<0；正系数敏感元件是指其电阻值随待测变量的增加而增大，即灵敏度S>0。负系数敏感元件一端接电源（Vcc），另外一端与正系数敏感元件串联后信号地，共接点作为输出端，接入所述多路模拟开关输入口。

进一步的，所述多路模拟开关输入口分别连接采集单元输出端，控制端口（A0、A1、A2）分别连接到单片机的I/0端口，输出端口接入放大模块AD623仪表放大器（U2）的+IN端口。

另外，所述低通滤波器，由两端接于多路模拟开关（U1）输入口与信号地之间的电容构成，为RC滤波。所述单片机处理模块用于整个电路的控制，单片机有三个I/0端口接多路模拟开关（U1）的三个二进制控制端口A0、A1、A2，有一个模拟输入口接陷波器中第三运放U3的输出端，另外单片机还连接显示模块和无线传输模块，用于对显示模块和无线传输模块的控制，实现对采集信号的显示与传输。所述采集模块的采集单元中负系数敏感元件的灵敏度和正系数敏感元件的灵敏度为相反数。

本发明提供一种多路微弱信号采集处理电路，其中采集多路采集模块使用敏感元件，如力敏电阻、光敏电子、热敏电阻、湿敏电阻等，用以采集压力、光照、温度、湿度等信号；同一采集单元使用同一类敏感元件，多个采集单元实现多路信号的采集。低通滤波器用于过滤电路中的杂波；多路模拟开关在用于输入端输入信号的选择；放大模块用于对输入的信号进行放大作用；陷波器用于过滤电路中某一频率的干扰杂波，如50Hz的工频；单片机处理模块用于对多路模拟开关的选择控制、信号的处理、无线传输模块的控制以及显示模块的控制。

该多路微弱信号采集处理电路对采集信号先进行放大，然后再接入陷波器中，避免引入其他的干扰信号。由于接收到的信号和噪声幅度都很小，若先滤波再放大，则可能在滤波过程引入其他微弱干扰同时使信号产生一定的畸变，这就相当于加入了噪声。本发明采集电路中陷波器中第四运放（U4）与第二十五、第二十六电阻（R25、R26）及第十、第十一电容（C10、C11）构成谐振电路，其谐振角频率由于其谐振频率是由R25、R26、C10、C11四个元件决定的，能够通过调节C10或C11的电容值实现对谐振频率的调节，所以该陷波器能更好地通过调节元件的值来满足谐振频率，保证采集信号不被衰减，提高采集电路的采集精度。

综上，本发明提供一种多路微弱信号采集处理电路，有效提高了采集精度，同时实现多路微弱信号的采集。

附图说明

图1为现有陷波器电路图。

图2为本发明多路微弱信号采集处理电路电路结构框图。

图3为本发明多路微弱信号采集处理电路中陷波器电路图。

图4为本发明多路微弱信号采集处理电路中陷波器仿真图。

图5为本发明多路微弱信号采集处理电路电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例与附体进一步说明本发明。

如图5所示，本实施例中信号采集处理电路包括8个采集单元、低通滤波器、多路模拟开关U1、放大模块、陷波器、单片机处理模块、无线传输模块、显示模块，其中8个采集单元分别对应接入多路模拟开关U1中8个输入口（D0～D7），多路模拟开关输出端（OUT）接入陷波器，陷波器输出端接入单片机处理模块输入端，单片机处理模块三个I/0端口接多路模拟开关（U1）的三个二进制控制端口A0、A1、A2，用于多路模拟开关的选择，单片机处理模块连接显示模块和无线传输模块，用于实现采集信号的显示和传输。

每个采集单元由一个负系数敏感元件和一个正系数敏感元件组成。负系数敏感元件是指其电阻值随待测变量的增加而减少，即灵敏度S<0；正系数敏感元件是指其电阻值随待测变量的增加而增大，即灵敏度S>0。以第一采集单元为例，当其采集压力信号时，该电路由一个负系数力敏电阻R1（灵敏度为S1）和一个正系数力敏电阻R2（灵敏度为S2）组成，S2=-S1=S。负系数敏感元件R1一端接电源Vcc，另一端接正系数敏感元件R2，正系数敏感元件R2的另一端接地。负系数敏感元件R1和正系数敏感元件R2的电阻值均为R，其中间共接点的电位为Vin。当外界待测信号强度为0时，即负系数敏感元件R1和正系数敏感元件R2受到的外力为0，Vin=Vcc/2；当外界待测信号强度为T时，负系数敏感元件R1和正系数敏感元件R2均受到外力T，负系数敏感元件R1的电阻值变为R-T·S，正系数敏感元件R2的电阻值变为R+T.S，此时两敏感元件中间点的电位Vin变为Vcc/2+Vcc·T·S/（2R），通过测量电位Vin的变化即可得到外界待测信号的强度。

滤波模块采用RC滤波是一个低通滤波器，该结构虽简单，但能起到良好的滤波效果。第一采集单元中，电容C0连接到模拟开关U1的输入口D0信号地之间。电容C0、C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7可使用1nf～1uf的电容。

多路模拟开关采用AD7501，选择模拟开关的好处在于可以减少电子元器件的使用。模拟开关U1的三个二进制控制端口A0、A1、A2分别连接到单片机的3个I/0口，输出端口Y接到放大器模块中AD623仪表放大器U2的+IN端口。

放大模块由AD623仪表放大器U2、电容C8、C9和电阻R17、R18、R19、R20和R21组成。电容C8、C9并联后接到电源Vcc和地之间，起到滤波和稳定仪表放大器U2的电源电压的作用，C8采用0.1uf的电容，C9采用10uf～50uf的电容；电阻R17的两端分别连接到电源Vcc和仪表放大器U2的-IN端口之间，电阻R18的两端分别连接到仪表放大器U2的-IN端口与地之间，电阻R17和电阻R18的电阻值应相等，以使提供给-IN端口的电压为Vcc/2；电阻R19的两端分别连接到电源Vcc和仪表放大器U2的REF端口之间，电阻R20的两端分别连接到仪表放大器U2的REF端口与地之间，电阻R19、R20一般取10kΩ以上以获得较低的功耗；电阻R21的两端分别连接到仪表放大器U2的-RG端口与+RG端口之间，电阻R21的电阻值决定着仪表放大器的放大倍数。仪表放大器U2的+VS端口接电源Vcc，仪表放大器U2的-VS接地。

陷波器，由运放U3、U4、电阻R22、R23、R24、R25、R26和电容C10、C11组成。电阻R24接于运放U3的同向输入端与放大模块输出端之间；电阻R22一端与电阻R24共接于放大模块输出端，另一端接于运放U3的反向输入端；电阻R23接在运放U3的反向输入端和输出端之间；电容C10接于运放U3的同向输入端与运放U4同向输入端之间；电阻R25的一端接入运放U4同向输入端，另一端连接电阻R26后接地信号；电容C11一端与电阻R25、R26共接点共接，另一端接入运放U4的输出端；运放U4反向输入端与输出端用导线相连接；运放U3的输出端接入单片机处理模块模拟输入口进行数据的接收与处理。运放U4与R25、R26、C10、C11构成谐振电路，R22、R23、R24、R25及R26的值满足R25=R26、R22/R23＝R24/(2·R25)。而在此电路结构中，谐振角频率写为C10、C11的值由谐振频率确定。为了消除50Hz工频的干扰，各元件的取值可以为R22=R23=6KΩ，R24=2KΩ，R25=R26=1KΩ，C10=10uf，C11=1uf，带入公式可以得到谐振频率为f₀＝ω₀/（2π）=50Hz。对该陷波器进行仿真，仿真结果如图4所示，表明该陷波器能够有效地消除ω₀的波形，该陷波器只在ω₀衰减，其它频率处几乎不衰减，即该陷波器性能优良。

单片机处理模块负责对整个电路的控制。单片机有三个端口接模拟开关U1的三个二进制控制端口A0、A1、A2，有一个模拟输入口接运放U3的输出端。单片机初始化后，首先给模拟开关的A2、A1、A0置000，给单片机输入的信号为多路采集模块的第0条支路（第0个采集单元）所采集到的信号,单片机再对输入该信号进行A/D转换和保存。然后单片机依次改变给模拟开关的A2、A1、A0置的值，此时给单片机输入的信号为多路信号采集模块中的对应支路所采集到的信号，这样即可实现将多路采集模块中的每一个采集单元采集到的信号传送到单片机中。最后单片机再将上述信号进行处理，无线传输和显示。

以上所述多路微弱信号采集处理电路能够实现多路信号的采集，采集精度高。以上实施例仅为本发明优选实施例，并不限制本发明。

Claims

1.一种多路微弱信号采集处理电路，包括依次连接的多路采集模块、低通滤波器、多路模拟开关、放大模块、陷波器和单片机处理模块，其中单片机处理模块连接多路模拟开关控制端口(A0、A1、A2)，用于控制电路；其特征在于，所述陷波器由第三运放(U3)、第四运放(U4)、第二十二、二十三、二十四、二十五、二十六电阻(R22、R23、R24、R25、R26)、第十电容(C10)和第十一电容(C11)组成，其中第二十四电阻(R24)接于第三运放(U3)的同向输入端与放大模块输出端之间；第二十二电阻(R22)一端与第二十四电阻共接于放大模块输出端，另一端接于第三运放(U3)的反向输入端；第二十三电阻(R23)接在第三运放(U3)的反向输入端和输出端之间；第十电容(C10)接于第三运放(U3)的同向输入端与第四运放(U4的)同向输入端之间；第二十五电阻(R25)的一端接入第四运放(U4)同向输入端，另一端连接第二十六电阻(R26)后接地信号；第十一电容(C11)一端与第二十五、第二十六电阻(R25、R26)共接点共接，另一端接入第四运放(U4)的输出端；第四运放(U4)反向输入端与输出端用导线相连接；第三运放(U3)的输出端接入单片机处理模块模拟输入口进行数据的接收与处理。

2.按权利要求1所述一种多路微弱信号采集处理电路，其特征在于，所述放大模块由一AD623仪表放大器(U2)、第八、第九电容(C8、C9)和第十七、十八、十九、二十、二十一电阻(R17、R18、R19、R20、R21)组成，第八、第九电容(C8、C9)并联后一端接电源(Vcc)，另一端接信号地；第十七电阻(R17)一端接电源(Vcc)，另一端与第十八电阻(R18)串连后接信号地，第十七电阻(R17)与第十八电阻(R18)共接点接入仪表放大器(U2)的-IN端口；第十九电阻(R19)一端接接电源(Vcc)，另一端与第二十电阻(R20)串联后接信号地，第十九电阻(R19)与第二十电阻(R20)共接点接入仪表放大器(U2)的REF端口；第二十一电阻(R21)两端分别接入仪表放大器(U2)的-RG端口与+RG端口；仪表放大器(U2)的+VS端口接电源(Vcc)，仪表放大器(U2)的-VS接信号地。

3.按权利要求1所述一种多路微弱信号采集处理电路，其特征在于，所述信号采集模块由八个采集单元组成，每个采集单元包括一个负系数敏感元件和一个正系数敏感元件，负系数敏感元件是指其电阻值随待测变量的增加而减少，即灵敏度S<0；正系数敏感元件是指其电阻值随待测变量的增加而增大，即灵敏度S>0；负系数敏感元件一端接电源(Vcc)，另外一端与正系数敏感元件串联后接信号地，共接点作为输出端，接入所述多路模拟开关输入口。

4.按权利要求1所述一种多路微弱信号采集处理电路，其特征在于，所述多路模拟开关输入口分别连接采集单元输出端，控制端口(A0、A1、A2)分别连接到单片机的I/0端口，输出端口接入放大模块AD623仪表放大器(U2)的+IN端口。

5.按权利要求1所述一种多路微弱信号采集处理电路，其特征在于，所述低通滤波器，由两端接于多路模拟开关(U1)输入口与信号地之间的电容构成，为RC滤波。

6.按权利要求1所述一种多路微弱信号采集处理电路，其特征在于，所述单片机处理模块用于整个电路的控制，单片机有三个I/0端口接多路模拟开关(U1)的三个控制端口A0、A1、A2，有一个模拟输入口接陷波器中第三运放(U3)的输出端，另外单片机还连接显示模块和无线传输模块，用于对显示模块和无线传输模块的控制，实现对采集信号的显示与传输。