CN114265349B - 一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统 - Google Patents

Abstract

一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，属于测试技术领域。所述数据采集系统包括：系统电源模块、微处理模块、通讯模块、继电器阵列模块、EMI滤波模块和全差分数据采集模块。解决了现有数据采集系统由于模拟电子开关导通电阻大且不一致，造成的测量精度低、通道数量少、测量误差大、测试成本高的问题。具有多通道、高输入阻抗、全差分、可编程增益放大和衰减、高分辨率、模块化等特性，并提供了RFI滤波和EMI滤波，可以有效地抑制RFI和EMI干扰。提供了PGA网络可以针对信号幅度进行放大和衰减，通过软件编程实现自适应功能，适用于工业控制领域对被检测对象产生的电信号进行实时采集。

Description

一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统

技术领域

本发明属于测试技术领域，进一步来说涉及传感器电信号采集领域，具体来说，涉及一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统。

背景技术

在现有传感器模拟电信号采集系统中，通常采用模拟电子开关进行通道扩展，实现多通道数据采集，该技术方案存在以下几方面的问题：

首先，由于模拟电子开关的导通电阻在几十到几百欧姆，当连接到阻抗较高传感器时，会造成明显的加载效应，导致测量精度的大幅下降。

其次，由于模拟开关通道间导通电阻的不一致，以及导通电阻会随检测电压以及环境变化而变化，导致每个通道的加载效应存在较大的差异，导致无法进行更多通道的扩展。

最后，传统数据系统为了解决模拟电子开关由于导通电阻导致的加载效应，通常会在传感器输出级，增加缓冲器，在多通道采集系统中，缓冲器的加入会大幅增加生产成本，此外，由于不同缓冲器存在不同的失调，会造成明显的测量误差。

综合以上三个方面的问题可知，传统的数据采集系统适用于通道数较少，源阻抗较低的大信号测量，不适合多通道、高阻抗微弱小信号测量。

本数据采集系统的提出，是为了解决多通道高阻抗微弱信号的测试难题。随着工业生产过程控制技术的不断发展，要求检测的信号从微伏到伏，检测范围跨度大，信号驱动能力不完全相同。因此，改进传统数据采集系统，以适应不同等级的信号采集势在必行。。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是：解决现有数据采集系统由于模拟电子开关导通电阻大且不一致，造成的测量精度低、通道数量少、测量误差大、测试成本高的问题。

本发明的发明构思是：采用继电器阵列实现多通道切换，同时采用FDA(全差分放大技术)和PGA(可编程增益控制技术)实现不同等级的信号精确测量。

首先，由于继电器导通电阻只有几十毫欧，在多个通道之间导通电阻一致性可以维持在几毫欧，甚至跟小，可以彻底解决由于模拟电子开关导通电阻大以及导通电阻不一致，导致对信号源的加载效应的不一致问题。

同时，由于FDA输入级具有非常高的阻抗(通常为十吉欧级别)，当连接在高阻抗传感器输出端时，加载效应会明显降低，可实现微弱小信号的精确测量。

最后，由于PGA可以实现信号的衰减和放大，在进行大信号检测时，通过PGA衰减网络实现大信号精确检测；在进行小信号检测时，通过PGA增益网络可实现小信号精确检测。

本采集系统可实现±20mV～±20V超宽输入信号的精确测量，同时，EMI滤波模块的使用，以及数字滤波技术的使用，可以有效地降低外界电磁干扰，增强测量的可靠性，同时提升测试精度。

为此，本发明提供一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，如图1所示。

所述数据采集系统包括：系统电源模块、微处理模块、通讯模块、继电器阵列模块、EMI滤波模块和全差分数据采集模块；

所述系统电源模块输入端连接正电源接口和负电源接口，输出端为±15V电源接口、+5V电源接口、+3.3V电源接口，±15V电源接口分别与继电器阵列模块、EMI滤波模块和全差分数据采集模块的电源端连接；+5V、+3.3V电源接口分别与微处理模块和通讯模块供电的相应电源端连接；

所述微处理模块通过并行数据总线控制继电器阵列模块，通过SPI串行总线控制全差分数据数据采集模块，通过USART数据总线将转换结果传送到通讯模块；

所述继电器阵列模块接收微处理控制模块的实时控制，将模拟信号X₀、X₁、…、X_n复用到差分数据线MON+和MON-上；

所述EMI滤波模块通过差分数据线接收继电器阵列模块的MON+和MON-信号，产生低噪声的差分信号DIF+和DIF-；

所述全差分数据采集模块通过差分数据线接收EMI滤波模块的DIF+和DIF-信号，将转换结果通过SPI数据总线发送给微处理模块进行数据处理；

所述通讯模块通过USB数据总线实时上传数据给外部系统。

如图1所示：各模块之间的相互连接关系所示，系统电源模块将外部提供的正负双路电源转换为低纹波、精密的±15V、+5V、+3.3V电压输出，±15V电压输出主要为继电器阵列模块，EMI滤波模块和全差分数据采集模块供电；+5V、+3.3V电压输出主要为微处理模块和通讯模块供电；微处理模块首先通过并行数据总线控制继电器阵列模块实现通道的切换控制，其次通过SPI串行总线控制全差分数据数据采集模块对EMI滤波模块产生的全差分信号进行数据转换，最后通过异步串行(USART)数据总线将转换结果通过通讯模块实时上传；继电器阵列模块接收微处理控制模块的实时控制，实现多通道扩展，将模拟信号X₀、X₁、…、X_n复用到差分数据线MON+和MON-上；EMI滤波模块接收继电器阵列模块的差分信号，并进行EMI滤波，产生低噪声的差分信号DIF+和DIF-；全差分数据采集模块在微处理模块的控制下，根据EMI滤波模块产生的差分信号幅度，进行自适应增益控制和数据转换，并将转换结果通过SPI数据总线发送给MCU进行数据处理。

本发明的特点和应用范围：

本发明具有多通道、高输入阻抗、全差分、可编程增益放大和衰减、高分辨率、模块化等特性，并提供了RFI滤波和EMI滤波，可以有效地抑制RFI和EMI干扰。

解决了传统数据采集系统的无法多通道应用的局限性；

解决了传统数据采集系统由于加载效应导致测量误差过大的问题；

提供了PGA网络可以针对信号幅度进行放大和衰减，通过软件编程实现自适应功能，适合于输入信号跨度较大场合。

本发明是可以广泛用于工农业生产中，对传感器产生的微弱电信号进行采集，并实时传送给执行结构进行过程控制，本发明是一种多通道、全差分、高压、高精度实时数据采集系统，适用于工业控制领域对被检测对象产生的电信号进行实时采集。

附图说明

图1为数据采集系统框图结构示意图。

图2为系统电源原理框图结构示意图。

图3为继电器阵列模块原理框图结构示意图。

图4为数据采集模块原理框图结构示意图。

图5为PT100测温电路原理示意图。

图6为FHA放大器失调电压在线测试原理示意图。

具体实施方式

结合图1-图6，所述的一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，具体实施方式如下：

如图1所示，包括系统电源模块，微处理模块，通讯模块，继电器阵列模块，EMI滤波模块和全差分数据采集模块。所述系统电源模块主要产生低纹波、稳定的+15V、-15V、+5V和+3.3V电源，为系统中的各个模块进行供电；所述继电器阵列模块实现多通道扩展，差分形式的模拟信号X₀、X₁、…、X_n作为模块的输入信号，所有信号经过继电器阵列复用到差分对MON+和MON-；所述EMI滤波模块实现对差分对MON+和MON-进行电磁干扰滤波，输出差分信号DIF+和DIF－；所述全差分数据采集模块接收差分信号DIF+和DIF－，该模块可以根据信号幅度大小，自动进行衰减和放大控制，并对处理后的模拟信号进行模数转换；所述微处理模块实现继电器阵列模块开关切换控制、全差分数据采集模块模数转换控制以及转换结果的读取和通讯模块数据发送控制。

如图2所示，所述系统电源模块，是将正电源和负电源输入，经过滤波网络，同步开关降压电路，以及LDO稳压电路，产生低纹波+15V，-15V，+5V和+3.3V输出，为系统其他模块进行供电；

所述系统电源模块包括：二极管D1、D2、D3，电解电容CT1、CT2、CT3，瓷介电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12；电阻R1、R2、R3、R4，电感L1，电路功能模块U1、U2，熔断器F1、F2；

外部正电源经过正电源输入接口连接到D1阳极，进D1阴极传输到由CT1与C1并联，C2与C3并联，在和F1组成π型滤波电路，产生低纹波的+15V输出。

外部负电源经过负电源输入接口连接到D3阴极，进D3阳极传输到由CT3与C4并联，C5与C6并联，在和F2组成π型滤波电路，产生低纹波的-15V输出。

+15V输出为U1进行供电，R1连接在U1的2脚和PGND之间，默认将U1设置为工作状态，C7连接在U1的1脚和8脚，U1的8脚为内部功率管的输出节点，连接到L1的一端和D2的阴极端，C2与C8并联和L1串联形成LC低通滤波电路，对U1的8脚输出的脉动信号进行滤波，产生低纹波的+5V输出，R2、R3、R4串联组成了分压检测电路，检测信号从R2与R3的公共端取出，反馈到U1的4脚进行误差控制，产生低纹波的+5V输出。

+5V输出经过C9、C10并联电路进行滤波，传输到U2的3脚进行线性降压，U2的2脚输出经过C11、C12并联电路进行滤波，产生低纹波的+3.3V输出。

R5连接在PGND和GND之间实现功率地和数字地隔离，R6连接在PGND和AGND之间实现功率地和模拟地隔离。

如图3所示，所述继电器阵列模块，通过双刀双掷继电器实现多通道信号开关切换，X₁～X₈为模拟输入信号，所有输入信号采用全差分形式，MON+和MON-为检测信号输出端口。

所述继电器阵列模块由双刀双掷继电器和晶体管开关控制电路组成，由于双刀双掷继电器的使用，可以实现全差分信号的切换，所有信号连接到继电器常开触点，可以有效的切断所有模拟输入信号，继电器阵列采用模块化设计，每个模块可实现八个全差分信号通道的切换控制，通过多个模块级联可实现更多通道切换控制。

如图4所示，所述全差分数据采集模块采用高压ADC转换器实现数据采集，接收差分信号DIF+和DIF－，根据信号幅度大小，自动进行衰减和放大控制，并对处理后的模拟信号进行模数转换；

所述全差分数据采集模块，包括传感器连接检测电路、EMI滤波电路、一阶RC低通滤波电路、PGA可编程增益放大电路、衰减和电平移位电路、AD数据转换电路、高压电源滤波和保护电路；

所述数据转换模块可以接受±20V高压差分信号和单端信号，在差分模式下，检测信号从MON+和MON-输入；在单端模式下，信号通过MON+或者MON-输入，信号参考点是MGND，在该模式下可以同时检测两路单端信号。差分模式具有抗干扰能力强的优点，适合远距离传感器信号的检测，单端模式通过共用参考点，可同时采样两路信号，由于共用参考点，单端模式不适用于远距离多通道扩展，本数据采集系统采用全差分模式，提升了信号传输的抗干扰能力。

差分对MON+和MON-分别通过高阻抗电阻R1和R2连接到HVAVDD和HVAVSS，在传感器开路状态下，高压信号传输到后级电路中，使AD转换输出满量程；在传感器短路状态下，微伏级信号传输到后级电路中，使AD转换输出零；通过检测AD转换接口实现传感器连接性检测。

差分对MON+和MON-进过传感器连接性检测电路，传递到有R3、R4以及C1、C2和C3组成的EMI滤波电路进行滤波，分别传递到有R5、C4和R6、C5组成的一阶低通滤波电路进行滤波，在分别传递经过PGA可编程增益放大电路、衰减和电平移位电路，将差分信号MON+和MON-控制在AD转换器可接受的合理范围了，进行模数转换。

外部高压信号HV_AVDD和HV_AVSS分别经过R18、C7和C9并联组成的滤波电路、R17、C6和C8并联组成的滤波电路，以及VZ1组成的高压保护电路，为AD转换电路进行供电。

所述EMI滤波模块对差分信号进行差模干扰和共模干扰进行滤除，一阶RC低通滤波电路分别对MON+和MON-的高频干扰信号进行滤波，为后级电路提供纯净的检测信号。电路的在信号输入端，加入传感器连接性检测电路，可以检测继电器阵列通道是否正确连接、传感器是否正确连接等异常。数据采集模块在高压电源接口加入滤波电路和保护电路，可以防止高压电源上电过程中的浪涌和数据转换过程中导致电源电压的波动。

所述一阶RC低通滤波电路由C4、C5、R5、R6组成；

所述PGA可编程增益放大电路由A1、A2、R5、R6、R7、R8、RG、D1～D4组成；

所述衰减和电平移位电路由A3、A4、R9、R10、R11、R12组成；

R5和C4形成一阶RC低通滤波，对差分信号DIF+进行滤波，R6和C5形成一阶RC低通滤波，对差分信号DIF-进行滤波，D1、D2反向并联连接在A1的同相端和反相端，D3、D4反向并联连接在A2的同相端和反相端，分别用于钳位A1和A2输入电压，RG、R7和A1组成同相放大，对DIF+信号进行放大，RG、R8和A2组成同相放大，对DIF-信号进行放大，通过调节RG实现增益控制，R9、R10和A3组成反相比例衰减和电平移位电路将放大后DIF+的信号转化为ADC+，R11、R12和A4组成反相比例衰减和电平移位电路将放大后DIF-的信号转化为ADC-。

应用实例1通过恒流源驱动PT100实现温度测量

如图5所示，PT100铂电阻，其阻值是温度相关函数，因其在0℃时阻值为100Ω取名为PT100。在-200℃时，阻值为-18.52Ω，在700℃时，阻值为345.28Ω。由于PT100温度特性好，通过测量PT100的阻值可以实现温度的精确测量。

本实例利用系统自带的可编程恒流源，为PT100提供100uA驱动电流，根据欧姆定律，当电流流过PT100，会在PT100上产生一个电压Vpt＝Ipt×Rpt，通过继电器阵列传送至本系统的数据转换模块进行数据采集。

在本实例，PT100在-200℃～700℃温度范围内，通过100uA的驱动电流产生的检测电压为1.852mV～34.528mV，其检测信号比较微弱，且该电路输出阻抗为PT100的阻值，当连接到阻抗较低的模拟开关或者AD转换器，将产生明显的加载效应，从而导致较大的测量误差。由于本数据采集系统具有非常高的输入阻抗，其加载效应几乎可以忽略，同时，本系统具有精密的增益放大，可以进一步提高测量精度。

PT100用于温度测量时，一个主要的缺点是PT100的自身发热，在使用较大的驱动电流时尤为明显，本系统的恒流源可以通过编程进行控制，并可以完全关断，本系统采用的100μA恒流源作为PT100的驱动电流，即使在700℃糟糕情况下PT100产生的功率约为3.45uW，其自发热非常的小。同时通过编程控制，在进行测量时才开启恒流源，可进一步解决PT100自身发热问题，从而实现被测对象温度的精确测量。

应用实例2FHA放大器失调电压在线测试

如图6所示，FHA是一款自研、采用厚膜工艺实现的高增益的放大器，主要用于较微弱的信号放大，并用于后级控制电路的驱动。其失调电压Vos是该放大器的主要误差来源，该放大器的最大失调电压为±5.0mV，精确测量毫伏水平的失调电压是保证该产品正常筛选的必要保障。此外，由于该放大器采用了金属外壳封装，在进行低温测试时，采用传统方式，先保温后在开放空间进行测试，存在因外壳化霜快，导致测试结果的不准确，实现多通道在线测试势在必行。

FHA放大器的失调电压Vos定义为输入接地时在输出端测得的电压。通过将本系统的继电器阵列可以实现多路FHA放大器失调电压的同时测量。同时，本系统数据采集模块具有高增益放大电路，可以实现毫伏微弱小信号的精确测量。此外，本系统的数据采集模块可接受全差分信号，通过带屏蔽的差分信号线可以实现远距离小信号测量，为实现FHA放大器失调电压精确在线测试提供了必要的保障。

此外，FHA在其工作状态异常时，其输出电压会摆动到其供电电压范围。由于FHA在进行参数测试时其施加的供电电压为±15V，因此，在对FHA进行失调电压参数测试过程，其输出电压范围为-15.0V～+15.0V。因而，测试系统处理信号范围必须满足FHA输出摆动幅度要求，而且在其规定的范围内不会损坏测试系统。本系统输入级是高阻抗输入级，可以直接接受±15.0V输入信号，且输入级具有过压保护电路，可以有效的防止输入信号超范围导致系统损坏。因此，本系统非常适合FHA多通道在线失调电压测试。

以上内容是结合最佳实施方案对本发明说做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只限于这些说明。本领域的技术人员应该理解，在不脱离由所附权利要求书限定的情况下，可以在细节上进行各种修改，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，其特征在于，所述数据采集系统包括：系统电源模块、微处理模块、通讯模块、继电器阵列模块、EMI滤波模块和全差分数据采集模块；

所述系统电源模块输入端连接正电源接口和负电源接口，输出端为±15V电源接口、+5V电源接口、+3.3V电源接口，±15V电源接口分别与继电器阵列模块、EMI滤波模块和全差分数据采集模块的电源端连接；+5V、+3.3V电源接口分别与微处理模块和通讯模块供电的相应电源端连接；

所述微处理模块通过并行数据总线控制继电器阵列模块，通过SPI串行总线控制全差分数据采集模块，通过USART数据总线将转换结果传送到通讯模块；

所述继电器阵列模块接收微处理控制模块的实时控制，将模拟信号X₀、X₁、…、X_n复用到差分数据线MON+和MON-上；

所述EMI滤波模块通过差分数据线接收继电器阵列模块的MON+和MON-信号，产生低噪声的差分信号DIF+和DIF-；

所述全差分数据采集模块通过差分数据线接收EMI滤波模块的DIF+和DIF-信号，将转换结果通过SPI数据总线发送给微处理模块进行数据处理；

所述通讯模块通过USB数据总线实时上传数据给外部系统；

所述继电器阵列模块的导通电阻小于100毫欧；

所述全差分数据采集模块的输入阻抗为大于10吉欧；

所述系统电源模块将产生的正电源和负电源经过滤波网络，同步开关降压电路，以及LDO稳压电路，输出低纹波+15V，-15V，+5V和+3.3V电压，为系统其他模块供电；

所述系统电源模块包括：二极管D1、D2、D3，电解电容CT1、CT2、CT3，瓷介电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12；电阻R1、R2、R3、R4，电感L1，电路功能模块U1、U2，熔断器F1、F2；

外部正电源经过正电源输入接口连接到D1阳极，进D1阴极传输到由CT1与C1并联，C2与C3并联，在和F1组成π型滤波电路，产生低纹波的+15V输出；

外部负电源经过负电源输入接口连接到D3阴极，进D3阳极传输到由CT3与C4并联，C5与C6并联，在和F2组成π型滤波电路，产生低纹波的-15V输出；

+15V输出为U1进行供电，R1连接在U1的2脚和PGND之间，C7连接在U1的1脚和8脚，U1的8脚为内部功率管的输出节点，连接到L1的一端和D2的阴极端，C2与C8并联和L1串联形成LC低通滤波电路，对U1的8脚输出的脉动信号进行滤波，产生低纹波的+5V输出，R2、R3、R4串联组成了分压检测电路，检测信号从R2与R3的公共端取出，反馈到U1的4脚进行误差控制，产生低纹波的+5V输出；

+5V输出经过C9、C10并联电路进行滤波，传输到U2的3脚进行线性降压，U2的2脚输出经过C11、C12并联电路进行滤波，产生低纹波的+3.3V输出；

R5连接在PGND和GND之间实现功率地和数字地隔离，R6连接在PGND和AGND之间实现功率地和模拟地隔离；

所述继电器阵列模块实现多通道扩展，差分形式的模拟信号X₀、X₁、…、X_n作为模块的输入信号，所有信号经过继电器阵列复用到差分对MON+和MON-；

所述EMI滤波模块实现对差分对MON+和MON-进行电磁干扰滤波，输出差分信号DIF+和DIF－；

所述全差分数据采集模块采用高压ADC转换器实现数据采集，接收差分信号DIF+和DIF－，根据信号幅度大小，自动进行衰减和放大控制，并对处理后的模拟信号进行模数转换；

所述全差分数据采集模块，包括传感器连接检测电路、EMI滤波电路、一阶RC低通滤波电路、PGA可编程增益放大电路、衰减和电平移位电路、AD数据转换电路、高压电源滤波和保护电路；

所述传感器连接检测电路接收差分对MON+和MON-信号，经EMI滤波电路进入一阶RC低通滤波电路，所述一阶RC低通滤波电路输出信号依次经过PGA可编程增益放大电路、衰减和电平移位电路进行AD数据转换电路；所述AD数据转换电路与高压电源滤波和保护电路连接，将数据经SPI总线传输出去。

2.如权利要求1所述的一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，其特征在于，所述AD数据转换电路可接受±20V高压差分信号和单端信号；在差分模式下，检测信号从MON+和MON-输入；在单端模式下，信号通过MON+或者MON-输入，信号参考点是MGND，同时检测两路单端信号。

3.如权利要求1所述的一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，其特征在于：

所述一阶RC低通滤波电路由C4、C5、R5、R6组成；

所述PGA可编程增益放大电路由A1、A2、R5、R6、R7、R8、RG、D1～D4组成；

所述衰减和电平移位电路由A3、A4、R9、R10、R11、R12组成；

R5和C4形成一阶RC低通滤波，对差分信号DIF+进行滤波，R6和C5形成一阶RC低通滤波，对差分信号DIF-进行滤波，D1、D2反向并联连接在A1的同相端和反相端，D3、D4反向并联连接在A2的同相端和反相端，分别用于钳位A1和A2输入电压，RG、R7和A1组成同相放大，对DIF+信号进行放大，RG、R8和A2组成同相放大，对DIF-信号进行放大，通过调节RG实现增益控制，R9、R10和A3组成反相比例衰减和电平移位电路将放大后DIF+的信号转化为ADC+，R11、R12和A4组成反相比例衰减和电平移位电路将放大后DIF-的信号转化为ADC-。

4.如权利要求1所述的一种多通道全差分高压高精度实时数据采集系统，其特征在于，所述微处理模块实现继电器阵列模块开关切换控制、全差分数据采集模块模数转换控制以及转换结果的读取和通讯模块数据发送控制。

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