CN105573189A - 一种高精度小信号采集系统 - Google Patents

Abstract

一种高精度小信号采集系统。本发明可以与不同的传感器进行衔接以实现对各类信号的检测，在仪器仪表中有着重要的应用价值。本发明包括ARM控制模块、上位PC机、传感器；其结构要点是：所述ARM控制模块输入端包括温度传感器、模数转换器（ADC）；所述ARM控制模块输出端连接包括传口模块、USB接口模块；所述串口模块和USB接口模块都连接到上位PC机；所述传感器输入端连接包括精密电流源和温度传感器，所述模数转换器（ADC）的输入端连接传感器和参考电压源。

Description

一种高精度小信号采集系统

技术领域

本发明属于仪器仪表领域，具体地涉及一种高精度小信号采集系统。

背景技术

随着通信技术和半导体技术的不断发展，自动化控制和自动化测量越来越多的参与到重要的生产建设中来。具体来看，这种趋势建立在测量系统和控制系统的精度不断提高，有效测量或控制范围不断扩展这一基础上。一般而言，测量是控制系统中必不可少的一个重要环节，也是实现系统又好又快进行控制的关键因素，主要关注独立的测量系统和控制系统中的测量单元。一个完整的测量系统由四大部分组成，分别是传感器部分，信号采集和处理部分，控制部分以及供电部分。一个功能完善，读数可信的测量结果需要各个部分协作给出，系统中任何一个模块设计不当都可能造成最终的测量数据不符合预期。比如说，信号采集和处理部分没有做好，那么传感器给出的数据在采集和处理过程中就会发生失真或被干扰污染，而这种信号的恶化往往是不可逆的。具体来看，对于微弱的信号，尤其需要注意整个系统的小信号模拟通道和电源的供电部分，因为这两部分的优劣会直接影响信号质量的好坏，而实际上这两个部分的设计也恰恰是整个测量系统的难点所在。

发明内容

本发明就是针对上述问题，弥补现有技术的不足，提供一种高精度小信号采集系统。本发明可以与不同的传感器进行衔接以实现对各类信号的检测，在仪器仪表中有着重要的应用价值。

为实现本发明的上述目的，本发明采用如下技术方案。

本发明一种高精度小信号采集系统，包括ARM控制模块、上位PC机、传感器；其结构要点是：所述ARM控制模块输入端包括温度传感器、模数转换器（ADC）；所述ARM控制模块输出端连接包括传口模块、USB接口模块；所述串口模块和USB接口模块都连接到上位PC机；所述传感器输入端连接包括精密电流源和温度传感器，所述模数转换器（ADC）的输入端连接传感器和参考电压源。

作为本发明的一种优选方案，所述参考电压源采用12V直流稳压电源进行供电。

作为本发明的另一种优选方案，所述精密电流源采用LT3092，该电流源带有负反馈的V-I转换电路。

作为本发明的另一种优选方案，所述模数转换器（ADC）采用24位△-Σ模数转换器ADS1255，所述ADS1255内部还集成了差分输入的缓冲放大器，1到64倍7种可调增益的程控增益放大器。

本发明的有益效果是。

本发明提供了一种高精度小信号采集系统，在仪器仪表中有着重要的应用价值。系统可以与不同的传感器进行衔接以实现对各类信号的检测。整个系统的工作流程为：传感器通过内部的惠斯通电桥将电信号以差分信号的形式输出到高性能24位Δ?Σ模数转换器ADS1255上，ADS1255将采得的数据输出到上位机上，经过上位机软件的校正，传感器输出的信号最终呈现在显示设备上。实测结果表明，本系统可达到5uV的电压分辨率。

本发明一种基于采用精密电流源和运用△-Σ架构的24bits模拟数字转换器的高精度信号采集系统。本发明分析了整个系统的硬件设计流程，对关键电路的选型和设计思路给出详细的说明，并简单介绍了软件系统的工作流程。最后在介绍测试方法的同时给出了整个系统的实际测试结果，实测结果表明，系统能给出高达5uV的电压分辨率。

附图说明

图1是本发明一种高精度小信号采集系统的系统框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明一种高精度小信号采集系统的系统框图。其中，包括ARM控制模块、上位PC机、传感器；其结构要点是：所述ARM控制模块输入端包括温度传感器、模数转换器（ADC）；所述ARM控制模块输出端连接包括传口模块、USB接口模块；所述串口模块和USB接口模块都连接到上位PC机；所述传感器输入端连接包括精密电流源和温度传感器，所述模数转换器（ADC）的输入端连接传感器和参考电压源。

结合上述附图说明本发明的信号流向：传感器产生的差分信号直接被高精度模拟数字转换器（ADC）拾取，在模拟数字转换器（ADC）内部进行放大和滤波等信号调理工作，再转换成数字信号传送到ARM控制模块，ARM控制模块对该数字信号进行幅值校正，增益校正等适当的调整，再将调整后的信号通过USB接口模块传动给上位PC机，上位PC机接收到数据后通过上位PC机程序讲信号波形显示出来，用户可以使用上位PC机程序对信号波形进行伸缩和存储等操作。模拟数字转换器（ADC）的参考电压由精密电压参考源提供，系统中集成了一个温度传感器用于测量传感器输出信号的温度曲线，并通过构建不同的温度曲线来实现对不同传感器的调校。

本发明所述参考电压源采用12V直流稳压电源进行供电，外接电源经过LC滤波器后作为系统的12V电源供后级使用，所述精密电流源、传感器以及精密电压参考源直接由输入电源供电；输入电源经过一片低压差线性稳压器（LDO）产生5V电源给ADC芯片的模拟部分和复位芯片供电，输入电源经过另一片LDO产生3.3V电源给ADC芯片的数字部分以及控制器，接口芯片等主要数字芯片供电。ADC的模拟部分属于精密的线性电路，对电源的噪声比较敏感，所以5V电源需要由一块噪声尽量低，电源抑制比（PSRR）尽量高的LDO提供，本发明电路中采用了TPS7A4901这款芯片。同时，3.3V电源的功耗相对较高，采用5V线性稳压器降压产生的话需要5V电源提供较高的输出电流，一般情况下随着输出电流的提高，LDO的电源抑制比会恶化，这样增加了5V电源选型的困难程度，综合考虑芯片的最高输入电压，输出电流能力和热阻，实际中采用了SOT-223封装的LM1117提供3.3V电源。

所述精密电流源采用LT3092。本发明所述精密电流源为传感器提供偏执电流，也即为传感器提供静态工作电流。传感器本身最常见的实现方式为一个惠斯通电桥。在电流源的直流偏执下，信号以差分电压的形式给出。如果电桥的四个臂电阻完全一致或完全符合比例，那么静态工作电流的变化会以共模电压的形式表现在输出信号上，在输出到后级电路后，该共模电压被高共模抑制比的后级电路抑制掉。但是，实际中四个臂电阻不可能完全一致，所以静态工作电流的变化会以噪声的形式叠加在有效的差分电压上，造成信噪比的降低。因此，电流源的设计需要特别注意输出电流的稳定性。同时，因为传感器的臂电阻阻值不一定，而输出信号的共模电压又不能过高，所以电流源的输出电流需要具有一定的调节范围。所述模数转换器（ADC）采用24位△-Σ模数转换器ADS1255，所述ADS1255内部还集成了差分输入的缓冲放大器，1到64倍7种可调增益的程控增益放大器。

Claims (4)

1.一种高精度小信号采集系统，包括ARM控制模块、上位PC机、传感器；其特征在于：所述ARM控制模块输入端包括温度传感器、模数转换器（ADC）；所述ARM控制模块输出端连接包括传口模块、USB接口模块；所述串口模块和USB接口模块都连接到上位PC机；所述传感器输入端连接包括精密电流源和温度传感器，所述模数转换器（ADC）的输入端连接传感器和参考电压源。

2.根据权利要求1所述的一种高精度小信号采集系统，其特征在于：所述参考电压源采用12V直流稳压电源进行供电。

3.根据权利要求1所述的一种高精度小信号采集系统，其特征在于：所述精密电流源采用LT3092，该电流源带有负反馈的V-I转换电路。

4.根据权利要求1所述的一种高精度小信号采集系统，其特征在于：所述模数转换器（ADC）采用24位△-Σ模数转换器ADS1255，所述ADS1255内部还集成了差分输入的缓冲放大器，1到64倍7种可调增益的程控增益放大器。