CN208156449U - Iepe传感器程控调理电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种IEPE传感器程控调理电路，仅需通过FPGA芯片软件程控就可实现整个调理电路的参数设置，包括传感器供电的通断、程控放大电路增益的调节以及巴特沃斯低通滤波器截止频率、阶数、阻带衰减等参数的调节；衰减电路增益为0.2倍，程控放大可实现的增益范围选项为0dB/20dB，截止频率可调范围为0Hz~50KHz；对于直流信号，此电路采用了线性拟合的软件设计方法，降低了硬件设计的难度和成本，减小了开关电容滤波器带来的直流偏置的误差，大大地提高了数据采集系统中直流信号采集的精度，精度优于0.1%；通过大量的数据测试显示，本设计方案无论是在交流信号还是直流信号的采集上都有非常高的精度，完全符合高精度数据采集系统的精度要求。

Description

IEPE传感器程控调理电路

技术领域

本实用新型涉及数据采集领域，特别涉及一种IEPE传感器程控调理电路。

背景技术

目前，加速度传感器广泛应用于工业现场设备的状态监测。IEPE传感器由于采用压电晶体和内置电荷放大，因此具有灵敏度高、输出质量好的优点。在IEPE传感器的数据采集系统中，因IEPE传感器内部包含有电荷放大部分，因此IEPE传感器输出的信号动态范围大、幅值高且噪声干扰严重，不适宜直接进行A/D转换，在进入A/D之前，会通过调理电路对其信号进行处理。调理电路一方面为前端传感器恒流源供电使其正常工作，一方面对IEPE传感器输出的原始振动信号进行放大、滤波处理。如果仅仅使用数字滤波器，当信号在进入A/D转换之前，有超出通带频率范围外的信号，就不能有效的滤除，从而不能使A/D有效位得到充分利用，大大地降低了采集精度。为提高整个IEPE传感器数据采集系统的精度，实际的放大倍数和截止频率应该依据现场信号的大小和A/D转换器的输入范围来决定。因此设计了一款应用于IEPE传感器数据采集系统的调理电路，整个电路由FPGA芯片程控，在不需要改变硬件电路基础上，可随时改变调理电路的调理参数，大大提高了IEPE传感器数据采集系统的精度，由于开关电容滤波器本身构造的原因，往往会在直流信号采集时带来不可避免的误差。

实用新型内容

为了使IEPE传感器输出的信号可以正常进行A/D采集，消除直流信号采集时直流偏置带来的误差，提高数据采集系统的精度，本实用新型提供一种针对IEPE传感器的前置程控调理电路。

本实用新型采用如下的技术方案完成：

一种桥式传感器程控调理电路，包括IEPE传感器恒流源接口电路、衰减电路、程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路、辅助电源电路和FPGA芯片； FPGA芯片作为主控芯片，分别与辅助电源电路的电源芯片、程控放大电路芯片、程控滤波电路芯片连接，实现整个调理电路的程控，通过FPGA芯片软件设置调理电路的参数； IEPE传感器恒流源接口电路、衰减电路、程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路依次连接。

其中，IEPE传感器恒流源接口电路连接一IEPE传感器，提供20mA电流源以驱动IEPE传感器工作，同时采集IEPE传感器输出的模拟信号，IEPE传感器恒流源接口电路包括一电流源，所述电流源为LT3092芯片，用以将接入的25V电压转换成20mA电流源。

其中，辅助电源电路的核心芯片为LT8570，以将9V-15V电压转换成25V电压后接入IEPE传感器恒流源接口电路供电，所述辅助电源电路在不需要IEPE传感器工作时，通过FPGA芯片程控关断。

其中，衰减电路使用芯片为OPA2192，分为两路输入，一路用来衰减，一路用来跟随，根据IEPE传感器输出的原始振动信号为0.5V~23.5V，调整衰减倍数为5。

其中，程控放大电路的核心芯片为PGA103，为单端输入单端输出芯片，用以匹配前端衰减电路和后端单端输入滤波电路，程控放大电路的增益由芯片引脚的逻辑电平控制，提供了1V/V、10V/V、100V/V、1000V/V四个内部增益选项，通过FPGA芯片旋转控制增益。

其中，程控滤波电路核心芯片为LTC1068，为八阶巴特沃斯型集成滤波器，输入时钟频率与中心频率之比为100:1，时钟频率由用户通过FPGA芯片程序控制。

其中，直流误差数据校准装置通过对输入输出数据进行线性拟合，通过大量的测试数据得到输入输出线性关系，得到补偿后的输出。

其中，电压跟随电路核心芯片为LT1211，以提高电路输入阻抗，降低对输入信号的影响。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：仅需通过FPGA芯片软件程控就可实现整个调理电路的参数设置，包括传感器供电的通断、程控放大电路增益的调节以及巴特沃斯低通滤波器截止频率、阶数、阻带衰减等参数的调节；衰减电路增益为0.2倍，程控放大可实现的增益范围选项为0dB/20dB，截止频率可调范围为0Hz~50KHz；对于直流信号，此电路采用了线性拟合的软件设计方法，降低了硬件设计的难度和成本，减小了开关电容滤波器带来的直流偏置的误差，大大地提高了数据采集系统中直流信号采集的精度，精度优于0.1%；通过大量的数据测试显示，本设计方案无论是在交流信号还是直流信号的采集上都有非常高的精度，完全符合高精度数据采集系统的精度要求。

附图说明

图1是本实用新型提供的一种IEPE传感器程控调理电路的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种IEPE传感器程控调理电路的IEPE传感器恒流源接口电路图；

图3是本实用新型提供的一种IEPE传感器程控调理电路的辅助电源电路图；

图4是本实用新型提供的一种IEPE传感器程控调理电路的衰减电路与程控放大电路图；

图5是本实用新型提供的一种IEPE传感器程控调理电路的波器部分的电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

结合图1说明本实用新型具体实施方式，提供一种IEPE传感器程控调理电路，IEPE传感器恒流源接口电路、衰减电路、程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路、辅助电源电路和FPGA芯片；FPGA芯片作为主控芯片，分别与辅助电源电路的电源芯片、程控放大电路芯片、程控滤波电路芯片连接，实现整个调理电路的程控，通过FPGA芯片软件设置调理电路的参数；IEPE传感器恒流源接口电路、衰减电路、程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路依次连接。本实用新型的IEPE传感器程控调理电路和连接的A/D转换器形成IEPE传感器的采集系统。

图2是本实用新型IEPE传感器恒流源接口电路图，图3是辅助电源电路图，IEPE传感器恒流源接口电路主要用来外接IEPE传感器，一方面通过接插件1脚对外提供20mA电流源以驱动IEPE传感器工作，一方面采集IEPE传感器输出的模拟信号，接插件2脚用于采集系统和IEPE传感器共地。IEPE传感器恒流源接口电路所选芯片为LT3092，此芯片可根据外围电路配比将25V电压转换成20mA电流源。如图3所示，电流源所需电压由辅助电源电路供给，此电路可将9V-15V电压转换成25V电压给IEPE传感器恒流源接口电路供电，电源芯片为LT8570，芯片具有软件关断功能，当不需要IEPE传感器工作时，可通过FPGA芯片程控此芯片5引脚为低，电路将不再工作，则IEPE传感器恒流源接口电路就没有电压供其工作，达到软件控制传感器供电的目的。

图4是本实用新型衰减电路与程控放大电路图，IEPE传感器输出的模拟信号通过IEPE传感器恒流源接口电路输入到衰减电路，衰减电路的核心芯片OPA2191，此芯片包含两路运放，一路用来衰减，一路用来跟随，根据IEPE传感器输出的原始振动信号为0.5V~23.5V，调整衰减倍数为5，将输入信号衰减到0.1V~4.7V范围内。再将此范围信号输入到程控放大电路中，程控放大电路核心芯片为PGA103，芯片为单端输入单端输出芯片，它的增益由芯片两个引脚A1，A0上的逻辑电平控制，可放大1倍或者10倍，当FPGA芯片收到改变此增益指令后向缓存模块写值输入到这两个引脚上，从而达到放大电路增益的程控。

图5为本实用新型滤波器部分设计电路图，根据模数转换器的分辨率、满幅输入值和采样率计算滤波器阶数、通带增益、阻带衰减、陡度以及截止频率，从而利用FilterCAD设计出滤波电路。在稳压部分为了提高输入阻抗，降低对输入信号的影响，设计了基于LT1211的高精度电压跟随电路。滤波电路核心芯片为LTC1068，通过对LTC1068程控滤波器硬件电路设计，实现了包括截止频率、阶数、阻带衰减等参数的可控的设计方案，此滤波器的截止频率由LTC1068芯片上一个引脚的输入时钟控制，其输入时钟与滤波电路截止频率之比最低为100:1，通过改变FPGA芯片输出到此引脚上的时钟频率即可改变此电路截止频率，截止频率为0Hz到50KHz可调。直流信号采集时设计了一种软件上提高采集精度的方法，即使用MATLAB对输入输出数据进行线性拟合，通过大量的测试数据得到输入输出线性关系，得到补偿后的输出。为了改善测量结果，对测量数据采用线性拟合的方法校准数据，不仅大大简化了硬件设计电路，节约了成本，而且有效提高了直流信号的精度。降低了硬件设计的难度和成本，解决了开关电容滤波器带来的直流偏置的误差，大大的提高了数据采集系统中直流信号采集的精度。此电路后端是一个增益为0dB的电压跟随电路，跟随电路核心芯片是LT1211，用来实现与后端A/D采集电路的阻抗匹配，起到缓冲作用。

本实用新型的IEPE传感器程控调理电路的工作原理如下：IEPE传感器输出的原始振动信号经IEPE传感器恒流源接口电路接插件1脚输入，作为程控调理电路的输入，2引脚用于采集系统和传感器的共地。通过FPGA芯片程序设置调理电路的参数，包括传感器供电的通断、程控放大电路增益的设置以及巴特沃斯低通滤波器截止频率、阶数、阻带衰减等参数的设置，经衰减电路将信号调节到0.1V~4.7V范围内，对于小于0.5V的电压，再经程控放大电路放大到1~5V，使加到A/D变换器输入端的信号幅值接近于A/D变化的过载电压，经滤波电路滤除假频信号后留下有用频率信号，从幅频特性仿真图和FFT频谱图中可以得出，有用信号40KHz输出时衰减为-3.0299dB，误差在1%以下，且160kHz的干扰信号经过抗混叠滤波电路后衰减了95.63dB，幅度分量明显在最小阶梯电平0.15mv以下，完全满足高精度数据采集的要求。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：仅需通过FPGA芯片软件程控就可实现整个调理电路的参数设置，包括传感器供电的通断、程控放大电路增益的调节以及巴特沃斯低通滤波器截止频率、阶数、阻带衰减等参数的调节；衰减电路增益为0.2倍，程控放大可实现的增益范围选项为0dB/20dB，截止频率可调范围为0Hz~50KHz；对于直流信号，此电路采用了线性拟合的软件设计方法，降低了硬件设计的难度和成本，减小了开关电容滤波器带来的直流偏置的误差，大大地提高了数据采集系统中直流信号采集的精度，精度优于0.1%；通过大量的数据测试显示，本设计方案无论是在交流信号还是直流信号的采集上都有非常高的精度，完全符合高精度数据采集系统的精度要求。

以上所述仅为本实用新型的实施方式，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：包括IEPE传感器恒流源接口电路、衰减电路、程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路、辅助电源电路和FPGA芯片；所述FPGA芯片作为主控芯片，分别与辅助电源电路的电源芯片、程控放大电路芯片、程控滤波电路芯片连接，实现整个调理电路的程控，通过FPGA芯片软件设置调理电路的参数；所述IEPE传感器恒流源接口电路、衰减电路、程控放大电路、程控滤波电路、电压跟随电路依次连接。

2.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述IEPE传感器恒流源接口电路连接一IEPE传感器，提供20mA电流源以驱动IEPE传感器工作，同时采集IEPE传感器输出的模拟信号，IEPE传感器恒流源接口电路包括一电流源，所述电流源为LT3092芯片，用以将接入的25V电压转换成20mA电流源。

3.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述辅助电源电路的核心芯片为LT8570，以将9V-15V电压转换成25V电压后接入IEPE传感器恒流源接口电路供电，所述辅助电源电路在不需要IEPE传感器工作时，通过FPGA芯片程控关断。

4.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述衰减电路使用芯片为OPA2192，分为两路输入，一路用来衰减，一路用来跟随，根据IEPE传感器输出的原始振动信号为0.5V~23.5V，调整衰减倍数为5。

5.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述程控放大电路的核心芯片为PGA103，为单端输入单端输出芯片，用以匹配前端衰减电路和后端单端输入滤波电路，程控放大电路的增益由芯片引脚的逻辑电平控制，提供了1V/V、10V/V、100V/V、1000V/V四个内部增益选项，通过FPGA芯片旋转控制增益。

6.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述程控滤波电路核心芯片为LTC1068，为八阶巴特沃斯型集成滤波器，输入时钟频率与中心频率之比为100:1，时钟频率由用户通过FPGA芯片程序控制。

7.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述直流误差数据校准装置通过对输入输出数据进行线性拟合，通过大量的测试数据得到输入输出线性关系，得到补偿后的输出。

8.根据权利要求1所述的IEPE传感器程控调理电路，其特征在于：所述电压跟随电路核心芯片为LT1211，以提高电路输入阻抗，降低对输入信号的影响。