CN105652697A - 一种小信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出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125??∑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，系统可达到5uV的电压分辨率。

Description

一种小信号采集系统

技术领域

本发明涉及信号采集设备领域，特别是一种小信号采集系统。

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。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。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也恰恰是整个测量系统的难点所在。

发明内容

本发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种小信号采集系统，专门为识别微弱的电压信号发明，也即系统需要较高的电压分辨率。系统整体采用高精度电路的设计思路，并在保证系统指标的提前下小型化。

一种小信号采集系统，由模拟前端电路，控制及对外通信电路以及电源电路三部分组成。从整个系统的角度来看，信号流向如下：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控制芯片，控制芯片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总线传动给上位机，上位机接收到数据后通过上位机程序讲信号波形显示出来，用户可以使用上位机程序对信号波形进行伸缩和存储等操作。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。

输入电源为12V直流稳压电源，外接电源经过LC滤波器后作为系统的12V电源供后级使用，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。设有TPS7A4901芯片。采用了SOT-223封装的LM1117提供3.3V电源，防止电源抑制比恶化。

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。在电流源的直流偏执下，信号以差分电压的形式给出。电流源的基本组成形式应该是一个带有负反馈的V-I转换电路，本发明使用LT3092芯片。该芯片的工作原理为：10uA参考电流源通过编程电阻RSET放电，同时在RSET上产生压降USET，输出电阻ROUT上流过负载电流ISOURCE产生压降UOUT，运算放大器通过放大USET和UOUT的差值来调整三极管T1和T2的发射极电流，进而调整负载电流。

本发明系统选取了ADS1255这款芯片，该芯片内部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和一个24位125△-∑模数转换器，数据输出速率最高可以达到30kSPS。芯片的输出采用SPI接口形式，通过Dataready信号（15脚）对控制芯片发起中断提醒控制芯片读取转换好的数据。ADC的参考电压源是整个采集系统中的电压基准，参考电压源输出电压的准确性直接决定采样数据的可靠性，参考电压源的噪声也会以加性噪声的形式直接折算在ADC的模拟输入信号上。系统选取标称输出电压为2.5V的MAX6225为ADC提供电压参考。芯片本身具有很高的温度稳定性和初始精确度。芯片具有15mA的电流驱动的稳定能力。传感器输出的差分信号AIN_P和AIN_N经过一级差分低通滤波器进行抗混叠滤波后直接输入到ADS1255的模拟输入端，MAX6225与ADS1255直接相连为其提供参考电压。采用ADS1255，能把硬件电路需要进行的工作抽象成对ADS1255片内寄存器的修改，这在简化硬件电路设计和调试的同时也实现了整个系统的小型化。

控制芯片对外接口，控制芯片的主要任务是在上电之后对ADC进行配置，使其以一个合适的工作状态工作，同时初始化各个对外接口，以保证数据可以上传到上位机进行进一步处理。因为上位机程序本身的控制比较复杂，系统中采用USB总线作为主要的数据通道，同时保留串口作为调试接口，本发明采用一块带有USB2.0接口的ARM芯片作为主控制器，串口配合MAX3232一起使用。

系统的整个工作过程如下：上电后，电源系统为各个芯片供电，复位芯片对控制芯片进行复位，用户代码开始执行。控制芯片分别对片上的SPI控制器，USB控制器和串口控制器进行配置，然后通过SPI控制器对ADC进行配置，再通过GPIO对温度传感器进行配置。配置结束后，控制器打开中断等待ADC转换结束，在ADC的数据准备好的同时，控制芯片进入中断，读取ADC的值和温度传感器的值，计算ADC的转换结果，并通过对比当前温度和存储器中保存的传感器的温度曲线对ADC的转换结果进行修调，最后将结果通USB总线发送到上位机上，之后控制器进入空闲状态，等待下个中断的到来。上位机对系统的控制通过USB总线实现，上位机发起控制指令后，USB控制器对主控制器发起中断，主控制器读取上位机发来的指令并在下一个转换中断之后中把新的配置写入到ADC中。在软件部分的具体实现过程中，USB接口是一个比较复杂的模块，采用现成的代码进行修改和调整可以较快的完成开发工作。

作为本发明的一种优选方案，输入电源可以使用12V锂电池。

本发明的有益效果：可以识别微弱的电压信号，且结构相对简单，容易实现，成本相对较低。

附图说明

图1是本发明的系统框图。

图中标记：1-精密电流源、2-温度传感器、3-参考电压源、4-ARM、5-USB、6-PC端软件、7-串口、8-数模转换器、9-传感器。

具体实施方式

本发明的系统主要由三大部分组成，分别为模拟前端电路，控制及对外通信电路以及电源电路。从整个系统的角度来看，信号流向如下：传感器产生的差分信号直接被高精度ADC拾取，在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控制芯片，控制芯片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总线传动给上位机，上位机接收到数据后通过上位机程序讲信号波形显示出来，用户可以使用上位机程序对信号波形进行伸缩和存储等操作。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。

输入电源可以采用12V直流稳压电源也可以采用12V锂电池提供，外接电源经过LC滤波器后作为系统的12V电源供后级使用，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。因为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，PSRR尽量高的LDO提供，实际电路中采用了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。

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。因为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，PSRR尽量高的LDO提供，所以采用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，输出电流能力和热阻，采用了SOT-223封装的LM1117提供3.3V电源。

相对于以往的信号调理电路单独作为信号链上一级模块的做法，使用ADS1255能在保证系统性能的前提下大大简化整体，信号调理电路属于精密的模拟电路，需要细致的布局和布线工作以保证性能，一般而言，布局、布线的质量和整个电路板的面积是一对矛盾，所以这个工作往往会受到各种各样实际限制而难以达到最佳。采用ADS1255片内的器件，能把硬件电路需要进行的工作抽象成对ADS1255片内寄存器的修改，这在简化硬件电路设计和调试的同时也实现了整个系统的小型化。

控制芯片的主要任务是在上电之后对ADC进行配置，使其以一个合适的工作状态工作，同时初始化各个对外接口，以保证数据可以上传到上位机进行进一步处理。因为上位机程序本身的控制比较复杂，采用USB总线作为主要的数据通道，同时保留串口作为调试接口。串口可以辅助输出一些数据以便获知模拟前端和USB总线的工作状态。选用一块带有USB2.0接口的ARM芯片作为主控制器，串口配合MAX3232一起使用。

系统的整个工作过程如下：上电后，电源系统为各个芯片供电，复位芯片对控制芯片进行复位，用户代码开始执行。控制芯片分别对片上的SPI控制器，USB控制器和串口控制器进行配置，然后通过SPI控制器对ADC进行配置，再通过GPIO对温度传感器进行配置。配置结束后，控制器打开中断等待ADC转换结束，在ADC的数据准备好的同时，控制芯片进入中断，读取ADC的值和温度传感器的值，计算ADC的转换结果，并通过对比当前温度和存储器中保存的传感器的温度曲线对ADC的转换结果进行修调，最后将结果通过USB总线发送到上位机上，之后控制器进入空闲状态，等待下个中断的到来。上位机对系统的控制通过USB总线实现，上位机发起控制指令后，USB控制器对主控制器发起中断，主控制器读取上位机发来的指令并在下一个转换中断之后中把新的配置写入到ADC中。

Claims (8)

1.一种小信号采集系统，由模拟前端电路，控制及对外通信电路以及电源电路三部分组成，其特征在于：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拾取，在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控制芯片，控制芯片对该数字信号进行幅值校正，再将调整后的信号通过USB总线传动给上位机，上位机接收到数据后通过上位机程序讲信号波形显示出来，用户使用上位机程序对信号波形进行操作。

2.根据权利要求1所述的一种小信号采集系统，其特征在于：所述的电源部分，输入电源为12V直流稳压电源，外接电源经过LC滤波器后作为系统的12V电源供后级使用，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产生5V电源给ADC芯片的模拟部分和复位芯片供电。

3.根据权利要求1所述的一种小信号采集系统，其特征在于：所述的精密电流源使用LT3092芯片，为传感器提供偏执电流，在电流源的直流偏执下，信号以差分电压的形式给出。

4.根据权利要求3所述的一种小信号采集系统，其特征在于：所述的精密电流源芯片的工作原理为：10uA参考电流源通过编程电阻RSET放电，同时在RSET上产生压降USET，输出电阻ROUT上流过负载电流ISOURCE产生压降UOUT，运算放大器通过放大USET和UOUT的差值来调整三极管T1和T2的发射极电流，进而调整负载电流。

5.根据权利要求1所述的一种小信号采集系统，其特征在于：信号链部分采用ADS1255芯片，芯片内部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和一个24位125△-∑模数转换器，芯片的输出采用SPI接口形式，通过Dataready信号对控制芯片发起中断提醒控制芯片读取转换好的数据。

6.根据权利要求1所述的一种小信号采集系统，其特征在于：控制芯片采用USB总线作为主要的数据通道，保留串口作为调试接口，并设有一块USB2.0接口的ARM芯片作为主控制器，串口配合MAX3232一起使用。

7.根据权利要求1所述的一种小信号采集系统，其特征在于：工作过程为：上电后，电源系统为各个芯片供电，复位芯片对控制芯片进行复位，用户代码开始执行；控制芯片分别对片上的SPI控制器，USB控制器和串口控制器进行配置，然后通过SPI控制器对ADC进行配置，再通过GPIO对温度传感器进行配置；配置结束后，控制器打开中断等待ADC转换结束，在ADC的数据准备好的同时，控制芯片进入中断，读取ADC的值和温度传感器的值，计算ADC的转换结果，并通过对比当前温度和存储器中保存的传感器的温度曲线对ADC的转换结果进行修调，最后将结果通USB总线发送到上位机上，之后控制器进入空闲状态，等待下个中断的到来；上位机对系统的控制通过USB总线实现，上位机发起控制指令后，USB控制器对主控制器发起中断，主控制器读取上位机发来的指令并在下一个转换中断之后中把新的配置写入到ADC中。

8.根据权利要求1所述的一种小信号采集系统，其特征在于：输入电源使用12V锂电池。