CN111756377A - 一种信号采集电路及增益自适应变换的信号采样方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种信号采集电路，涉及传感技术领域，其包括传感器、恒流或恒压电路，多级稳压电路以及增益放大电路和滤波电路，其中，所述多级稳压电路的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，所述恒流或恒压电路为所述传感器供电，所述传感器的输出端经过增益放大电路以及滤波电路连接至外部的信号接收器。本发明还公开了一种增益自适应变换的信号采样方法。本发明通过sensorPGA和adcPGA组合构建放大倍数，解决现有技术中以信号最大值而设定的固化性采集灵敏度，导致系统无法发挥最优分辨力对大动态范围的信号及弱小信号进行自适应的最优采集，使得整个系统的灵敏度和精确度降低的技术问题。

Description

一种信号采集电路及增益自适应变换的信号采样方法
技术领域
本发明涉及一种传感器技术领域，具体涉及一种基于传感器的信号采集电路及增益自适应变换的信号采样方法。
背景技术
通常情况下，传感器的输出信号需要进行放大，以提高整个系统的灵敏度和精确度。然而，当传感器输出电信号比较微弱时，单用一个PGA IC(可编程增益放大器芯片)，其可编程的放大范围一般不超过256倍，对小信号的放大还不足，导致应用范围太小，达不到理想采样精度。且对于不可变量程的测量系统而言，固定以信号最大值而设定的采集灵敏度去采集低量程段的弱小信号，其放大值不能及时变化，导致系统无法发挥最优分辨力对大动态范围的信号及弱小信号进行自适应的最优采集。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供信号采集电路，其通过程控可变量程的采样电路，从而解决现有技术中的对弱小信号放大不足的技术问题。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种信号采集电路，其包括传感器、恒流或恒压电路，多级稳压电路以及增益放大电路和滤波电路，其中，所述多级稳压电路的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，所述恒流或恒压电路为所述传感器供电，所述传感器的输出端经过增益放大电路以及滤波电路连接至外部的信号接收器；所述增益放大电路采用可编程增益放大器，所述信号接收器包括内部带有可编程增益放大器的模数转换电路和微处理器，所述模数转换电路的输入端连接至滤波电路的输出端，所述模数转换电路的输出端连接至微处理器的输入端。
作为一个优选的实施例，所述恒流或恒压电路包括芯片U6、电阻R12、电阻R7、PNP三极管Q2、PMOS管Q10以及电阻R13，其中，所述芯片U6为XTR111，所述芯片U6的输入端通过电阻R12连接至多级稳压电路的输出端；所述芯片U6的输出端连接至PNP三极管Q2的发射极，所述PNP三极管Q2的基极连接至PMOS管Q10的源极，所述芯片U6的门驱动极连接至PMOS管Q10的栅极，所述PNP三极管Q2的集电极连接至PMOS管Q10的栅极和芯片U6的门驱动极之间，所述电阻R7的两端分别连接至PNP三极管Q2的发射极和基极，所述PMOS管Q10的漏极通过电阻R13连接至传感器的电源端。
作为一个优选的实施例，所述增益放大电路包括芯片U25以及共模电感，所述芯片U25为PGA280，所述共模电感的两个输入端分别连接至传感器的正输出端和负输出端，所述共模电感的两个输出端分别连接至芯片U25的正输入端和负输入端，所述芯片U25的输出端连接至滤波电路。
作为一个优选的实施例，所述滤波电路包括滤波子电路和阻抗变换子电路，所述滤波子电路的输入端连接至芯片U25的输出端，所述滤波子电路的输出端经由所述阻抗变换子电路连接至所述信号接收器。
作为一个优选的实施例，所述滤波子电路包括电阻R49、电阻R50以及一个或多个并联的滤波电容，所述电阻R49和电阻R50的一端分别连接至芯片U25的正输出端和负输出端，所述电阻R49和电阻R50的另一端分别连接至一个或多个并联的滤波电容的两端。
作为一个优选的实施例，所述阻抗变换子电路包括电阻R46、电阻R58、电容C113以及电容C102和电容C124，所述电容C102和电阻R46并联后的一端接地，所述电容C124和电阻R58并联后的一端接地；所述电容C113与所述一个或多个并联的滤波电容并联，所述电容C102和电阻R46并联后的另一端以及电容C124和电阻R58并联后的另一端分别连接至电容C113的两端，所述电容C113的两端还连接至信号接收器的输入端。
作为一个优选的实施例，所述模数转换电路包括芯片U28，所述芯片U28为ADS1255，所述芯片U28的两个输入端分别连接至滤波电路的两个输出端，所述芯片U28的输出端连接至微处理器的输入端。
作为一个优选的实施例，所述多级稳压电路包括芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9，所述芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9分别为MC78M09、REF195GZ、ADR421、AMS1117-3.3，所述芯片U15的输入端连接至外部的直流源，所述芯片U13的输入端连接至芯片U15的输出端，所述芯片U16的输入端连接至芯片U13的输出端，所述芯片U9的输入端连接至芯片U13的输出端；所述芯片U16的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，所述芯片U9的输出端为所述增益放大电路供电。
作为一个优选的实施例，所述多级稳压电路还包括第一输入滤波电路、第二输入滤波电路、第三输入滤波电路以及第一输出滤波电路和第二输出滤波电路；所述第一输入滤波电容的一端连接至芯片U15的输入端和外部的直流源之间，所述第一输入滤波电容的另一端接地；所述第二输入滤波电容的一端连接至芯片U15的输出端和芯片U13的输入端之间，所述第二输入滤波电容的另一端接地；所述第三输入滤波电容的一端连接至芯片U16或/和芯片U9的输入端和芯片U13的输出端之间，所述第三输入滤波电容的另一端接地；所述第一输出滤波电路和第二输出滤波电路的一端分别连接至芯片U16和芯片U9的输出端，所述第一输出滤波电路和第二输出滤波电路的另一端均接地。
本发明的目的之二在于提供一种增益自适应变换的信号采样方法，其通过程控可变量程的采样方法，解决现有技术中的对弱小信号放大不足的技术问题。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种利用本发明目的之一所述的信号采集电路进行增益自适应变换的信号采样方法，其包括以下步骤：
获取所述传感器的最大输出信号值，以及所述数模转换电路的可采样信号最大值；
基于所述最大输出信号值设置多个量程段，每个量程段均对应固定的放大倍数，以使得所述每个量程段均对应有最大的原始信号值，将所述最大的原始信号值按照由小至大的顺序排列，并分别记为A1、A2……An，其中，An为第n个量程段对应最大的原始信号值，An与传感器的最大输出信号值相等；所述放大倍数为增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数的乘积；
针对每个量程段选取多个原始信号值，对所述每个量程段进行标定，生成每个量程段的标定表，所述标定表为转换信号与测量结果的对应关系表或关系曲线，所述转换信号为模数转换电路的输出信号；
检测所述传感器的输出目标信号值，并将所述输出目标信号值与多个所述最大的原始信号值进行比对，确定目标量程段；
确定目标量程段对应的目标放大倍数以及目标标定表；
调整所述增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数，以使二者的乘积等于所述目标放大倍数；通过所述微处理器接收模数转换电路发送的转换信号并基于所述目标标定表确定目标测量结果。
作为一个优选的实施例，针对第i个量程段，标定时选取的原始信号值Pi满足：A(i-1)≤Pi≤Ai；
或/和；
当所述传感器的输出目标信号值Q满足A(i-1)＜Q≤Ai，则所述输出目标信号值对应的目标量程段为第i个量程段，即最大的原始信号值Ai对应的量程段；
或/和；
所述每个量程段均对应固定的放大倍数，满足Bi＝T/Ai，其中，Bi为第i个量程段对应的放大倍数，T为采样信号最大值，Ai为第i个量程段对应的最大原始信号值；1≤i≤n，当i＝1时，A0＝0。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、通过可编程增益放大器芯片(PGA IC，记为sensorPGA)以及内部带有可编程程序放大器(记为adcPGA)的数模转换电路的组合，形成程控可变量程的采样电路和采样方法，解决现有技术中大量程对弱小信号分辨力不足的问题。
2、传感器采用高稳定、低温漂、低噪声恒流源或恒压源电路，减低电路噪声对传感器信号的影响。
3、通过增益放大电路降低传感器输出阻抗大对后级检测电路产生信号衰减，并可通过配置放大倍数，提高模数转换精度，且全差分输入可提高信号输入的抗噪能力，消除偶次谐波，可以和现行的大部分传感器的输出阻抗匹配，并能通过程序控制增益系数，为后级电路提供合适幅值的信号源。
4、在模数转换电路前端设计抗混叠滤波电路，防止有效信号带宽外的噪声可以提高传感器的工作稳定性抑制干扰，在模数转换电路采样过程中和采样频率混叠到有效信号带宽内，进一步提高信号采集精度。
附图说明
图1为本发明信号采集电路的结构框图；
图2为本发明恒流或恒压电路的电路原理图；
图3为本发明增益放大电路以及滤波电路的电路原理图；
图4为本发明模数转换电路的电路原理图；
图5为本发明多级稳压电路的电路原理图一；
图6为本发明多级稳压电路的电路原理图二；
图7为本发明增益自适应变换的信号采样方法的流程图。
具体实施例方式
下面，结合附图以及具体实施例方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。除特殊说明的之外，本实施例中所采用到的材料及设备均可从市场购得。所述实施例的实例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解对本申请的限制。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或者暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
实施例一
请参照图1所示，一种信号采集电路，其包括传感器10、恒流或恒压电路70，多级稳压电路60以及增益放大电路20和滤波电路30，其中，多级稳压电路的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，恒流或恒压电路为传感器供电，传感器的输出端经过增益放大电路以及滤波电路连接至外部的信号接收器。
传感器为有源传感器，用于采集待测机构的信号，并将待检测机构的信号转换为电信号，传送至信号接收器。传感器可以是用于检测压力值的压力传感器、检测温度的温度传感器、检测湿度的湿度传感器以及检测位移的位移传感器等等，这里不做限定。
在本发明较佳的实施例中，信号接收器为模数转换电路40和微处理器(MCU)50，其中，模数转换电路用于将滤波电路输出的模拟信号转换为数字信号，传送至微处理器。微处理器可以是任意价格便宜的单片机数模转换电路可以集成于微处理器中，也可以是单独分离元器件。微处理器接收到的数字信号用于显示或者其他的控制操作，这里不做限定。
增益放大电路采用可编程增益放大器(记为sensorPGA)，所述信号接收器包括内部带有可编程增益放大器(记为adcPGA)的模数转换电路和微处理器，所述模数转换电路的输入端连接至滤波电路的输出端，所述模数转换电路的输出端连接至微处理器的输入端。通过sensorPGA和adcPGA组合构建放大倍数，不但可以解决现有对弱小信号放大不足的技术问题，还可以解决固定以信号最大值而设定的采集灵敏度去采集低量程段的弱小信号，其放大值不能及时变化，会导致大量程系统对弱小信号无法分辨的问题。。
具体地：
为传感器供电的电路采用高稳定、低温漂、低噪声恒流源或恒压源电路，减低电路噪声对传感器信号的影响。
请参照图2所示，恒流或恒压电路采用恒流源，其包括芯片U6、电阻R12、电阻R7、PNP三极管Q2、PMOS管Q10以及电阻R13，其中，芯片U6采用高精度电压至电流转换器XTR111，芯片U6的输入端通过电阻R12连接至多级稳压电路的输出端；芯片U6的输出端连接至PNP三极管Q2的发射极，PNP三极管Q2的基极连接至PMOS管Q10的源极，芯片U6的门驱动极连接至PMOS管Q10的栅极，PNP三极管Q2的集电极连接至PMOS管Q10的栅极和芯片U6的门驱动极之间，电阻R7的两端分别连接至PNP三极管Q2的发射极和基极，PMOS管Q10的漏极通过电阻R13连接至传感器的电源端。
芯片U6的输入端的输入电压为2.5V，由多级稳压电路中芯片U16的输出端输出。XTR111是一款精密电压-电流转换器，用于输出0～20mA或4～20mA的模拟信号，最大的源极电流可提升到36mA。输入电压与输出电流之间的转换比率是靠电阻R11来设置，PNP三极管Q2起到放大作用，PMOS管Q10为开关管，用于确保高输出阻抗和宽范围的电压输出和电压良好的稳定性。
在芯片U6的输入端还连接有滤波电容C27和二极管D6，其中，二极管D6的正极以及滤波电容C27的一端均接地，二极管D6的负极以及滤波电容C27的另一端均连接至芯片U6的输入端和电阻R12之间，二极管D6用于对输入电压起限幅作用，滤波电容C27能旁路输入中的高频成分。芯片U6的输出端还连接有滤波电容C28，滤波电容C28的一端连接至电阻R13和PMOS管Q10的漏极之间，滤波电容C28的另一端接地，滤波电容C28用于对输入至传感器的信号进行滤波。
增益放大电路采用高阻抗输入可编程的全差分仪表放大器，降低传感器输出阻抗大对后级检测电路产生信号衰减，并可通过配置放大倍数，提高模数转换精度，且全差分输入可提高信号输入的抗噪能力，消除偶次谐波。滤波电路，在模数转换电路的前端设计抗混叠滤波器，防止有效信号带宽外的噪声在模数转换电路采样过程中和采样频率混叠到有效信号带宽内。
请参照图3所示，增益放大电路包括芯片U25以及共模电感，芯片U25为PGA280，共模电感采用ACM3225，共模电感的两个输入端分别连接至传感器的正输出端和负输出端，共模电感的两个输出端分别连接至芯片U25的正输入端和负输入端，芯片U25的输出端连接至滤波电路。
滤波电路包括滤波子电路和阻抗变换子电路，滤波子电路的输入端连接至芯片U25的输出端，滤波子电路的输出端经由阻抗变换子电路连接至信号接收器。
请参照图3所示，滤波子电路包括电阻R49、电阻R50以及一个或多个并联的滤波电容(即一个滤波电容或多个并联的滤波电容)，电阻R49和电阻R50的一端分别连接至芯片U25的正输出端和负输出端，电阻R49和电阻R50的另一端分别连接至一个或多个并联的滤波电容的两端。这里的滤波电容采用电容C114和C115的并联结构，即电容C114和C115的并联后的两端分别通过电阻R49和电阻R50的一端分别连接至芯片U25的正输出端和负输出端。
请参照图3所示，阻抗变换子电路采用电容分压器阻抗电路，阻抗变换子电路包括电阻R46、电阻R58、电容C113以及电容C102和电容C124，电容C102和电阻R46并联后的一端接地，电容C124和电阻R58并联后的一端接地；电容C113与电容C114和C115的并联后的两端并联，电容C102和电阻R46并联后的另一端以及电容C124和电阻R58并联后的另一端分别连接至电容C113的两端，电容C113的两端还连接至信号接收器的输入端。
模数转换电路采用高精度24bitADC采样及采用低温漂、低噪声电压基准芯片作为参考电压。请参照图4所示，模数转换电路包括芯片U28，芯片U28为ADS1255，芯片ADS1255内部带有可编程增益放大器，芯片U28的两个输入端分别连接至滤波电路的两个输出端，芯片U28的输出端连接至微处理器的输入端。
多级稳压电路，采用两级以上LDO(低压差线性稳压器)用于给恒流或恒压电路、及增益放大电路、模数转换电路等模拟部分电源的供电，提高整体电路对开关噪声及其他干扰的影响，从而提高信号处理的精度。
请参照图5和6所示，多级稳压电路包括芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9，芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9分别为MC78M09、REF195GZ、ADR421、AMS1117-3.3，芯片U15的输入端连接至外部的直流源，芯片U13的输入端连接至芯片U15的输出端，芯片U16的输入端连接至芯片U13的输出端，芯片U9的输入端连接至芯片U13的输出端；芯片U16的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，芯片U9的输出端为增益放大电路供电。
芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9的输出电压分别为9V、5V、2.5V和3.3V，外部的直流源可以是15V，当然，外部的直流源还可以通过市电经由整流电路获得。
另外，多级稳压电路还包括第一输入滤波电路、第二输入滤波电路、第三输入滤波电路以及第一输出滤波电路和第二输出滤波电路。
第一输入滤波电容采用LC滤波电路，用于对输入芯片U15的电压信号进行滤波。其包括电感L16和电容C57，其中，电感L16的两端分别连接至芯片U15的输入端和外部的直流源之间，电容C57的一端接地，另一端连接至电感L16的一端和芯片U15的输入端之间。
第二输入滤波电容用于对输入芯片U13的电压信号进行滤波，其包括电容C58和电容C60，其中，电容C58和电容C60并联，并联后的一端连接至芯片U15的输出端和芯片U13的输入端之间，并联后的另一端接地。
第三输入滤波电容用于对输入芯片U16和芯片U9的电压信号进行滤波，其包括电容C59和电容C56，电容C59和电容C56并联后的一端连接至芯片U16和芯片U9的输入端和芯片U13的输出端之间，电容C59和电容C56并联后的另一端接地。
第一输出滤波电路用于对芯片U16的输出电压信号进行滤波，其包括电容C61和电容C64，电容C61和电容C64并联后的一端分别连接至芯片U16和芯片U9的输出端，电容C61和电容C64并联后的另一端均接地。
第二输出滤波电路用于对芯片U9的输出电压信号进行滤波，其包括电容C40、电容C38以及电容C39和电感L11，电感L11的一端连接至芯片U9的输出端，电感L11的另一端输出3.3V直流电压，电容C40和电容C38并联后的一端连接至电感L11的一端和芯片U9的输出端之间，电容C40和电容C38并联后的另一端接地，电容C39的一端接地，电容C39的另一端连接至电感L11的另一端和3.3V直流电压之间。
实施例二
图7示出了使用上述实施例一的信号采集电路进行增益自适应变换的信号采样方法的流程图，请参照图7所示，其包括以下步骤：
210、获取所述传感器的最大输出信号值，以及所述数模转换电路的采样信号最大值。
传感器的最大输出信号值和模数转换器的采样信号最大值均可以根据使用器件的参数得到，二者影响量程段的设置数量以及相应的放大倍数。
220、基于所述最大输出信号值设置多个量程段，每个量程段均对应固定的放大倍数，以使得所述每个量程段均对应有最大的原始信号值，将所述最大的原始信号值按照由小至大的顺序排列，并分别记为A1、A2……An，其中，An为第n个量程段对应最大的原始信号值，An与传感器的最大输出信号值相等；所述放大倍数为增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数的乘积。
这里每个量程段对应的固定的放大倍数为了与sensorPGA和adcPGA的放大倍数进行区分，称为放大总倍数。
每个量程段的放大总倍数Bi满足Bi＝T/Ai。Ai是第i个量程段对应的最大的原始信号值，原始信号值不超过传感器的最大输出信号值，即在0至传感器的最大输出信号值之间设置多个点，每个点与在前的点之间构成一个量程段，第一个点与0构成第一个量程段，第一个点记为第一个量程段的最大原始信号值A1，以此类推，第n个量程段的最大原始信号值为传感器的最大输出信号值。
一般地，量程段可以设置2-5个，当然，在传感器的最大输出信号值足够大时，也可以设置更多个。各个量程段可以相等，也可以不等，这里不做限定。
230、针对每个量程段选取多个原始信号值，对所述每个量程段进行标定，生成每个量程段的标定表，所述标定表为转换信号与测量结果的对应关系表或关系曲线，所述转换信号为模数转换电路的输出信号。
针对第i个量程段，标定时选取的原始信号值Pi满足：A(i-1)≤Pi≤Ai，一般可以选取两个端点以及中间一个或多个原始信号值作为标定点。针对第i个量程段使用A(i-1)进行标定时，需要和第(i-1)个量程段同时进行标定，以使得二者存在且仅存在一个临界点，即A(i-1)对应的转换信号和测量结果的关系为二者的临界点。1≤i≤n，当i＝1时，A0＝0。
标定时，使得传感器输出信号值等于标定点对应原始信号值，从而得到数模转换电路输出的转换信号，以及该传感器输出信号值对应的测量结果值(例如，如果传感器为压力传感器，则测量结果为压力值，该压力值可以通过标准传感器的测量得到)，从而确定转换信号和测量结果的对应关系，基于该对应关系，可以建立二维数据表，即关系表，或者使用一些工具例如最小二乘法或SVM算法对对应关系(放置于XY坐标系中)的各个点进行拟合，得到转换信号和测量结果关系曲线。
240、检测所述传感器的输出目标信号值，并将所述输出目标信号值与多个所述最大的原始信号值进行比对，确定目标量程段。
根据传感器的输出目标信号值，可以确定其对应的目标量程段，具体地，当所述传感器的输出目标信号值Q满足A(i-1)＜Q≤Ai，则所述输出目标信号值对应的目标量程段为第i个量程段，即最大的原始信号值Ai对应的量程段，当然，对于第i个量程段和第(i-1)个量程段的临界点对应的最大原始信号值A(i-1)而言，可以归于第第i个量程段，也可以归属于第(i-1)个量程段，在本发明实施例中，为了防止混乱，将A(i-1)归属于第(i-1)个量程段中。
250、确定目标量程段对应的目标放大倍数以及目标标定表。
当确定了目标量程段，则目标放大倍数和目标标定表也随之确定。
260、调整所述增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数，以使二者(指代增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数)的乘积等于所述目标放大倍数；通过所述微处理器接收模数转换电路发送的转换信号并基于所述目标标定表确定目标测量结果。
根据目标放大倍数，调整所述增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数，以使二者的乘积等于所述目标放大倍数，事实上，确定目标量程段之后，目标放大倍数则可以根据预先设定完成设置，示例性地，假设目标放大倍数为1000时，可以设置sensorPGA的放大倍数为200，adcPGA为5。
微处理器接收到模数转换电路发送的转换信号即是根据目标量程段以目标放大倍数进行放大后，再通过数模转换得到的目标转换信号，通过目标标定表就可以查询或者计算得到目标测量结果。
在本发明实施例中，如果传感器输出信号为微弱信号，则可以通过sensorPGA和adcPGA的组合增加总的放大倍数，使得对弱小信号也可能放大足够大的倍数。针对被测信号可能存在较大动态范围的情况，由于采用分段式检测，使得放大倍数可以及时调整，可以保证整个系统的灵敏度和精确度。
例如，使用的压力传感器输出电压的信号范围为0～10mV(可以看出，压力传感器的最大输出信号值为10mV)，对应的压力范围(测量结果)为0～100kPa，假定A/D转换电路的采样电压范围0～5V(采样信号最大值为5V)。我们可以把压力传感器的输出分为两个量程段(或者多个)A段，B段。A段对应于0～5mV,压力对应约为0～50kPa；B段对应于0～10mV，压力对应约为0～100kPa。
如要保证传感器的灵敏度，系统测量的准确性，则需要提高系统的增益值，在A量程段，放大倍数为5000mV/5mV＝1000，那么就可调整sensorPGA和adcPGA组合的放大总倍数(sensorPGA设定值_adcPGA设定值)，使系统整体的增益达到1000，把系统放大后的输出幅值控制在合适的范围(0～5V)。通过标定系统，把(sensorPGA设定值_adcPGA设定值)、模数转换电路的输出信号以及0～50kPa对应的压力值，记录到MCU(微处理器)的存储器，做成标定表A。
在B量程段，放大倍数为5000mV/10mV＝500，那么就可调整sensorPGA和adcPGA组合的放大总倍数(sensorPGA设定值_adcPGA设定值)，使系统整体的增益达到500，把系统放大后的输出幅值控制在合适的范围(0～5V)。把(sensorPGA设定值_adcPGA设定值)、模数转换电路的输出信号以及0～100kPa对应的压力值，记录到MCU的存储器，做成标定表B。
系统正常工作时，当测量压力传感器实际输出信号(目标信号值)大于A量程小于B量程时，MCU调取最匹配的标定表(即标定表B)，确定目标放大倍数、以及转换信号与测量结果的关系表或关系曲线，从而调整sensorPGA和adcPGA组合的放大总倍数至500，然后MCU接收转换信号，利用转换信号与测量结果的关系表或关系曲线得到压力传感器实际输出信号对应的测量结果(压力值)。
最后应说明的是：上述实施方式仅为本发明的优选实施例方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种信号采集电路，其特征在于，其包括传感器、恒流或恒压电路，多级稳压电路以及增益放大电路和滤波电路，其中，所述多级稳压电路的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，所述恒流或恒压电路为所述传感器供电，所述传感器的输出端经过增益放大电路以及滤波电路连接至外部的信号接收器；所述增益放大电路采用可编程增益放大器，所述信号接收器包括内部带有可编程增益放大器的模数转换电路和微处理器，所述模数转换电路的输入端连接至滤波电路的输出端，所述模数转换电路的输出端连接至微处理器的输入端。
2.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述恒流或恒压电路包括芯片U6、电阻R12、电阻R7、PNP三极管Q2、PMOS管Q10以及电阻R13，其中，所述芯片U6为XTR111，所述芯片U6的输入端通过电阻R12连接至多级稳压电路的输出端；所述芯片U6的输出端连接至PNP三极管Q2的发射极，所述PNP三极管Q2的基极连接至PMOS管Q10的源极，所述芯片U6的门驱动极连接至PMOS管Q10的栅极，所述PNP三极管Q2的集电极连接至PMOS管Q10的栅极和芯片U6的门驱动极之间，所述电阻R7的两端分别连接至PNP三极管Q2的发射极和基极，所述PMOS管Q10的漏极通过电阻R13连接至传感器的电源端。
3.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述增益放大电路包括芯片U25以及共模电感，所述芯片U25为PGA280，所述共模电感的两个输入端分别连接至传感器的正输出端和负输出端，所述共模电感的两个输出端分别连接至芯片U25的正输入端和负输入端，所述芯片U25的输出端连接至滤波电路。
4.根据权利要求3所述的信号采集电路，其特征在于，所述滤波电路包括滤波子电路和阻抗变换子电路，所述滤波子电路的输入端连接至芯片U25的输出端，所述滤波子电路的输出端经由所述阻抗变换子电路连接至所述信号接收器。
5.根据权利要求4所述的信号采集电路，其特征在于，所述滤波子电路包括电阻R49、电阻R50以及一个或多个并联的滤波电容，所述电阻R49和电阻R50的一端分别连接至芯片U25的正输出端和负输出端，所述电阻R49和电阻R50的另一端分别连接至一个或多个并联的滤波电容的两端。
6.根据权利要求5所述的信号采集电路，其特征在于，所述阻抗变换子电路包括电阻R46、电阻R58、电容C113以及电容C102和电容C124，所述电容C102和电阻R46并联后的一端接地，所述电容C124和电阻R58并联后的一端接地；所述电容C113与所述一个或多个并联的滤波电容并联，所述电容C102和电阻R46并联后的另一端以及电容C124和电阻R58并联后的另一端分别连接至电容C113的两端，所述电容C113的两端还连接至信号接收器的输入端。
7.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述模数转换电路包括芯片U28，所述芯片U28为ADS1255，所述芯片U28的两个输入端分别连接至滤波电路的两个输出端，所述芯片U28的输出端连接至微处理器的输入端。
8.根据权利要求1-7任一项所述的信号采集电路，其特征在于，所述多级稳压电路包括芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9，所述芯片U15、芯片U13、芯片U16和芯片U9分别为MC78M09、REF195GZ、ADR421、AMS1117-3.3，所述芯片U15的输入端连接至外部的直流源，所述芯片U13的输入端连接至芯片U15的输出端，所述芯片U16的输入端连接至芯片U13的输出端，所述芯片U9的输入端连接至芯片U13的输出端；所述芯片U16的输出端连接至恒流或恒压电路的输入端，所述芯片U9的输出端为所述增益放大电路供电。
9.一种利用权利要求1-8任一项所述的信号采集电路进行增益自适应变换的信号采样方法，其特征在于，其包括以下步骤：
获取所述传感器的最大输出信号值，以及所述数模转换电路的可采样信号最大值；
基于所述最大输出信号值设置多个量程段，每个量程段均对应固定的放大倍数，以使得所述每个量程段均对应有最大的原始信号值，将所述最大的原始信号值按照由小至大的顺序排列，并分别记为A1、A2……An，其中，An为第n个量程段对应最大的原始信号值，An与传感器的最大输出信号值相等；所述放大倍数为增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数的乘积；
针对每个量程段选取多个原始信号值，对所述每个量程段进行标定，生成每个量程段的标定表，所述标定表为转换信号与测量结果的对应关系表或关系曲线，所述转换信号为模数转换电路的输出信号；
检测所述传感器的输出目标信号值，并将所述输出目标信号值与多个所述最大的原始信号值进行比对，确定目标量程段；
确定目标量程段对应的目标放大倍数以及目标标定表；
调整所述增益放大电路和模数转换电路内部可编程增益放大电路的放大倍数，以使二者的乘积等于所述目标放大倍数；通过所述微处理器接收模数转换电路发送的转换信号并基于所述目标标定表确定目标测量结果。
10.根据权利要求9所述的增益自适应变换的信号采样方法，其特征在于，针对第i个量程段，标定时选取的原始信号值Pi满足：A(i-1)≤Pi≤Ai；
或/和；
当所述传感器的输出目标信号值Q满足A(i-1)＜Q≤Ai，则所述输出目标信号值对应的目标量程段为第i个量程段，即最大的原始信号值Ai对应的量程段；
或/和；
所述每个量程段均对应固定的放大倍数，满足Bi＝T/Ai，其中，Bi为第i个量程段对应的放大倍数，T为数模转换电路的可采样信号最大值，Ai为第i个量程段对应的最大原始信号值；1≤i≤n，当i＝1时，A0＝0。
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