CN105245228B - 一种信号采集控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种信号采集控制电路，其解决了现有光纤振动入侵监测系统对瑞利光信号的处理过程中ADC的信号采集范围小的技术问题，其包括FPGA数字控制电路、ADC采集电路、单端转差分电路、数字电位器和比较器电路，比较器电路的输出端与FPGA数字控制电路连接，数字电位器的控制端与FPGA数字控制电路连接，数字电位器的输出端与单端转差分电路的反相端连接，单端转差分电路的输出端与ADC采集电路的输入端连接，ADC采集电路的输出端与FPGA数字控制电路连接。本发明广泛用于光纤振动入侵监测系统。

Description

一种信号采集控制电路

技术领域

本发明涉及一种ADC控制电路，尤其是涉及一种信号采集控制电路。

背景技术

光纤振动入侵监测系统作为新型的周界入侵监测系统，能够感知外界振动信息，而且抗电磁干扰、不受恶劣环境的影响，其主要用于管道、站场、重要建筑物的入侵监测。光纤振动入侵监测系统无论在测量距离、使用寿命、安全性、可靠性、隐蔽性，还是在探测精度、报警效率上都具有明显优势。光纤振动入侵监测系统灵活简易，成本较低，已成为新一代的安全监测的首选产品。

目前常用的光纤振动入侵监测系统往往是基于原理或干涉原理，其中基于干涉原理的光纤振动入侵监测系统需要搭建干涉光路，通过解调算法进行入侵定位以及入侵判断，是早期的光纤入侵振动监测系统研究的热点，但是由于其定位精度较差，误报率高的缺点，市场反响一般。而基于原理的光纤振动传感系统得到越来越多的应用，该系统利用光时域反射仪OTDR技术实现了扰动定位功能，定位精度较高，工作时需控制激光器发出脉冲光，发出的脉冲光在光纤中传播，由于瑞利散射作用，会返回带有干涉特点的瑞利光信号，通过检测该瑞利信号，分析干涉的变化，便能够判断是否有入侵行为。

瑞利光信号的检测需要经过光电转换、电信号放大以及电信号的采集。光纤振动入侵探测器所使用的ADC往往需要较高的采集速率，这样才能保证较高的定位精度。目前常用的高速ADC的信号采集范围较小，大多数为±1V，采集精度为12bit，这种条件下，ADC测量的模拟信号范围被限制在±1V。通常，返回得到的瑞利散射信号为呈指数衰减的OTDR信号，测量距离越远，衰减就越大。因此，±1V的模拟信号采集范围就大大减小了光纤振动入侵探测器的测量距离，如果能增加ADC的信号采集范围，就能够相应的增加测量距离。

现有的信号处理方式是将转换得到的模拟信号直接送给ADC前端的单端转差分芯片，经过差分后的信号被ADC芯片采集到。这种方式的主要缺点在于光信号转换为电压信号的电压值大于0V，这种情况下，ADC采集的信号幅值在0～1V之间，ADC的采集范围没有被完全利用到，ADC所采集信号的范围为0～1V。对于一个采样精度12bit，采集范围为±1V的ADC来说，0～1V的采集范围对应的采集精度为11bit，最小分辨的电压值为1V/2¹¹，这样造成了浪费。

发明内容

本发明就是为了解决现有光纤振动入侵监测系统对瑞利光信号的处理过程中ADC的信号采集范围小的技术问题，提供了一种信号采集范围大的信号采集控制电路。

本发明提供的信号采集控制电路，包括FPGA数字控制电路、ADC采集电路、单端转差分电路、数字电位器、模拟电路和比较器电路，模拟电路的一端作为比较器电路的输入端，模拟电路的另一端作为单端差分电路的输入端；

比较器电路的输出端与FPGA数字控制电路连接，数字电位器的控制端与FPGA数字控制电路连接，数字电位器的输出端与单端转差分电路的反相端连接，单端转差分电路的输出端与ADC采集电路的输入端连接，ADC采集电路的输出端与FPGA数字控制电路连接；

单端转差分电路用于将单端电压信号转差分信号以及对差分电压信号范围实时调整；

FPGA数字控制电路用于接收并处理ADC采集电路输出的数据，结合比较器电路的输出电平实时调整数字电位器输出值的大小，进而控制单端转差分电路的输出范围。

优选地，ADC采集电路包括LTC2205芯片，单端转差分电路包括LT1994芯片，LT1994芯片的VoutN引脚与LTC2205芯片的AN-引脚连接，LT1994芯片的VoutP引脚与LTC2205芯片的AN+引脚连接，LT1994芯片的Vocm引脚与LTC2205芯片的Vocm引脚连接，LT1994芯片的Van引脚与VoutP引脚之间通过第四电阻连接，LT1994芯片的Vap引脚与VoutN引脚之间通过第二电阻连接，数字电位器的输出端通过第三电阻与LT1994芯片的Van引脚连接，LT1994芯片的Vap引脚连接有第一电阻；第一电阻和第二电阻的阻值相同，第三电阻和第四电阻的阻值相同。

优选地，还包括基准电源，模拟电路的输出端与第一电阻连接，基准电源与数字电位器输入端连接；比较器电路的正相端与模拟电路的输出端连接，比较器电路的反相端接2V基准电压。

优选地，比较器电路为TLV3501芯片。

本发明的有益效果是，依据OTDR曲线呈指数衰减的特征，实时调整单端转差分电路的输出电压范围，实现瑞利信号的分段式测量，相对于传统的处理方式，大大提高了采集信号的范围，提高OTDR信号的测量范围，增加测试距离。

本发明进一步的特征，将在以下具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是单端转差分电路、数字电位器和ADC采集电路的原理图；

图3是比较器电路的原理图。

附图符号说明：

1.模拟电路，2.单端转差分电路；3.ADC采集电路；4.FPGA数字控制电路；5.数字电位器；6.基准电源；7.比较器电路；8.系统光路；9.上位机；R1、R2、R3、R4分别为第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻。

具体实施方式

以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，系统光路8与FPGA数字控制电路4连接，模拟电路1与系统光路8连接，上位机9与FPGA数字控制电路4连接，比较器电路7的同相端与模拟电路1的输出端连接，比较器电路7的反相端接2V基准电压，比较器电路7的输出端与FPGA数字控制电路4连接；基准电源6与数字电位器5输入端连接，数字电位器5的控制端与FPGA数字控制电路4连接，数字电位器5的输出端与单端转差分电路2的反相端连接；模拟电路1的输出端与单端转差分电路2的正相端连接，单端转差分电路2的输出端与ADC采集电路3的输入端连接，ADC采集电路3的输出端与FPGA数字控制电路4连接。

模拟电路1将系统光路8发出的光信号转换为电信号并且将电信号放大，模拟电路1包括跨阻运放电路和比例运算放大电路。模拟电路1的带宽设置在1MHz，供电电源为±5V，通过控制放大倍数及光功率的大小，最终，调整输出模拟信号范围为0～4V之间，对应ADC所要采集的信号范围即为0～4V，设计目标是采用±1V采集范围的ADC实现0～4V电压信号的采集。

单端转差分电路2实现了单端电压信号转差分信号以及差分电压信号范围实时调整的功能，本发明将0～4V的信号分为0～2V和2～4V两个阶段采集过程。依据OTDR曲线呈指数型式衰减的特征，曲线幅值有高到低变化，因此ADC芯片首先采集2～4V之间的信号，第二阶段进行0～2V信号的采集。

ADC采集电路3主要实现了数据采集功能，所使用的ADC为12bit精度，采集范围为2V_P-P。

FPGA数字控制电路4用以接收ADC采集电路3输出的数据，并进行处理，处理后通过USB接口上传上位机9。FPGA数字控制电路4需要结合比较器电路7的输出电平实时调整数字电位器5输出的Vadj值的大小，进而控制单端转差分电路2的输出范围。

基准电源6和数字电位器5结合起来用以控制数字电位器5输出的Vadj值的大小，基准电源6需要能够提供质量较高的电压信号，且输出电压能够大于3V。

比较器电路7用以实现第一阶段到第二阶段的控制时间的判断。

如图2所示，单端转差分电路2的具体芯片选择依据ADC不同而不同，ADC采集电路3采用凌特的LTC2205芯片，单端转差分电路2采用芯片LT1994。芯片LT1994的VoutN引脚与芯片LTC2205的AN-引脚连接，芯片LT1994的VoutP引脚与芯片LTC2205的AN+引脚连接，芯片LT1994的Vocm引脚与芯片LTC2205的Vocm引脚连接，芯片LT1994的Van引脚与VoutP引脚之间通过第四电阻R4连接，芯片LT1994的Vap引脚与VoutN引脚之间通过第二电阻R2连接。数字电位器5通过第三电阻R3与芯片LT1994的Van引脚连接。芯片LT1994的Vap引脚通过第一电阻R1与模拟电路1的2～4V输出端连接。

利用运放虚短及虚断的原理，可以列出以下公式：

Vap＝Van (3)

Vout＝VoutP-VoutN (4)

上述公式中，Vin表示模拟电路1输出的电压信号，电压值为0～4V，其中第一阶段采集2～4V信号，第二阶段采集0～2V信号；Vap表示芯片LT1994同相端电压；Van表示芯片LT1994反相端电压；Vadj为加载在芯片LT1994反相端的电压，其目的是调整差分运放的输出范围；VoutP、VoutN表示差分运放输出的两个差分电压；Vout表示芯片LTC2205所采集到的差模信号大小，其值为VoutP及VoutN的差值，设计要求Vout的值在-1V～1V之间，保证在ADC采集范围以内；Vocm为差分运放的共模信号，由芯片LTC2205提供，保证VoutP、VoutN在一定范围内。

第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4用以调整差分运放电路的增益。

R1＝R2、R3＝R4，差分运放的增益为1，再由公式(1)～(4)得出：

Vout＝VoutP-VoutN＝Vin-Vadj (7)

对于第一阶段采集：

采集的模拟信号范围为：2V＜Vin＜4V，这时通过控制数字电位器5调整控制Vadj为3V的直流电压，于是可以得到最终的输出电压范围同样为：-1V＜Vout＜1V，满足芯片LTC2205的电压信号范围。

对于第二阶段采集：

采集的模拟信号范围为：0V＜Vin＜2V，这时需要控制数字电位器5调整Vadj为1V的直流电压，于是可以得到最终的输出电压范围同样为-1V＜Vout＜1V。

通过2个阶段的采集，采用了精度为12bit、采集范围为-1～1V的ADC实现了0～4V的模拟信号采集器，其中对应的采集精度相当于13位精度ADC，相对于以往的设计0～1V的采集范围，采样精度提高了4倍。

数字电位器6可以采用AD5243数字电位器或AD5248数字电位器。基准电源6可采用LM4140ACM-4.1芯片，能够实现4V的直流电压输出。

如图3所示，比较器电路7采用高速比较器，这里使用芯片为TLV3501的比较器，该比较器最高速度达4.5ns。TLV3501芯片的同相端接模拟电路1的输出端，TLV3501芯片的反相端接2V的基准电压，TLV3501芯片的输出端接FPGA数字控制电路4。TLV3501芯片将模拟电路1的输出值与2V直流电压信号进行比较，判断模拟信号的输出值大小，当模拟信号的输出值高于2V时，为FPGA数字控制电路4相应的引脚输出高电平，系统判断处于第一采集阶段，当低于2V时为FPGA的引脚提供低电平，系统判断为第二采集阶段。2V的直流电压同样由基准芯片给出，基准芯片可选用型号为LM4140ACM-2.0的基准电源。

系统工作时，FPGA数字控制电路4触发系统光路8中的激光器发光，系统光路8中返回的瑞利光信号被模拟电路1接收，模拟电路1接收到瑞利光信号后将光信号转换为电信号并进行放大，最终放大的信号在0～4V范围内；模拟电路1输出的信号分两部分，一部分接单端转差分电路2，另一部分接入比较器电路7；单端转差分电路2输出的差分电压信号与ADC采集电路3相连接，进行ADC采集；ADC采集电路3将采集到的模拟信号转换为数字信号并与FPGA数字控制电路4相连接；FPGA数字控制电路4将数据上传给上位机9；之后FPGA数字控制电路4再进行第二次触发，进行下一轮的采集。为实现采集信号范围的扩大，整个过程中需要有比较器7接收到模拟信号，并依据信号的幅值进行判断，判断模拟信号应处于第一阶段的采集状态还是第二阶段采集状态，将判断的高低电平信号与FPGA数字控制电路4相连接；FPGA数字控制电路4依据比较器7接收到的高低电平信号控制数字电位器5使得单端转差分电路2能够将超出ADC量程的信号转换为在ADC采集电压范围以内的信号；数字电位器5对基准电源6分压。

FPGA数字控制电路4每次触发光源发出脉冲光后，得到返回的瑞利信号均经过了两个个阶段的采集，最终实现了更高幅值信号的测量，提高了采集的信号范围。

以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种信号采集控制电路，其特征在于，包括FPGA数字控制电路、ADC采集电路、单端转差分电路、数字电位器、模拟电路和比较器电路，所述模拟电路的一端作为所述比较器电路的输入端，所述模拟电路的另一端作为所述单端差分电路的输入端；

所述比较器电路的输出端与所述FPGA数字控制电路连接，所述数字电位器的控制端与所述FPGA数字控制电路连接，所述数字电位器的输出端与所述单端转差分电路的反相端连接，所述单端转差分电路的输出端与所述ADC采集电路的输入端连接，所述ADC采集电路的输出端与所述FPGA数字控制电路连接；

所述单端转差分电路用于将单端电压信号转差分信号以及对差分电压信号范围实时调整；

所述FPGA数字控制电路用于接收并处理所述ADC采集电路输出的数据，结合所述比较器电路的输出电平实时调整所述数字电位器输出值的大小，进而控制所述单端转差分电路的输出范围。

2.根据权利要求1所述的信号采集控制电路，其特征在于，所述ADC采集电路包括LTC2205芯片，所述单端转差分电路包括LT1994芯片，所述LT1994芯片的VoutN引脚与所述LTC2205芯片的AN-引脚连接，所述LT1994芯片的VoutP引脚与所述LTC2205芯片的AN+引脚连接，所述LT1994芯片的Vocm引脚与所述LTC2205芯片的Vocm引脚连接，所述LT1994芯片的Van引脚与VoutP引脚之间通过第四电阻连接，所述LT1994芯片的Vap引脚与VoutN引脚之间通过第二电阻连接，所述数字电位器的输出端通过第三电阻与LT1994芯片的Van引脚连接，所述LT1994芯片的Vap引脚连接有第一电阻；所述第一电阻和第二电阻的阻值相同，所述第三电阻和第四电阻的阻值相同。

3.根据权利要求2所述的信号采集控制电路，其特征在于，还包括基准电源，所述模拟电路的输出端与所述第一电阻连接，所述基准电源与所述数字电位器输入端连接；所述比较器电路的正相端与所述模拟电路的输出端连接，所述比较器电路的反相端接2V基准电压。

4.根据权利要求3所述的信号采集控制电路，其特征在于，所述比较器电路为TLV3501芯片。