CN209590067U - 信号采集系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种信号采集系统。该系统包括：恒流源电路和依次相连的加速度传感器、第一级信号放大电路、第二级信号放大电路、模数转换电路。通过第一级信号放大电路和第二级信号放大电路的信号调理可提高信号的采集精度；将第一级信号放大电路、第二级信号放大电路、模数转换电路和恒流源电路集成于同一电路板上，可实现结构简单紧凑的信号采集系统。

Description

信号采集系统

技术领域

本实用新型涉及电子电路技术领域，特别是涉及一种信号采集系统。

背景技术

压电式加速度传感器是一种常用的加速度计，其结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长，在测量领域中已经得到了广泛的应用。通常，由于传感器输出的电压、电流或电阻变化非常微弱，因此采集到的信号不能直接转换为数字信号，在变换为数字信号之前必须进行调理放大、缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器的输入。

然而，传统的加速度传感器信号调理器体积大、电路复杂，导致占用电路板的空间大。

实用新型内容

基于此，有必要提供一种结构简单的信号采集系统。

一种信号采集系统，包括：恒流源电路和依次相连的加速度传感器、第一级信号放大电路、第二级信号放大电路、模数转换电路；所述第一级信号放大电路、所述第二级信号放大电路、所述模数转换电路和所述恒流源电路集成于同一电路板上；

所述加速度传感器用于获取加速度模拟信号，并将所述加速度模拟信号输出至所述第一级信号放大电路；

所述第一级信号放大电路用于滤除所述加速度模拟信号中的射频干扰信号，并将滤除后的所述加速度模拟信号进行一级放大处理；

所述第二级信号放大电路用于将一级放大处理后的所述加速度模拟信号进行差分转换，并输出转换后的差分信号至所述模数转换电路；

所述模数转换电路用于将所述差分信号转换为加速度数字信号；

所述恒流源电路连接所述加速度传感器，用于为所述加速度传感器提供恒流电。

在其中一个实施例中，所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

在其中一个实施例中，所述第一级信号放大电路包括滤波器和放大器，所述滤波器与所述放大器连接；

所述滤波器用于限制所述加速度模拟信号的带宽，以滤除所述射频干扰信号；

所述放大器用于将所述加速度模拟信号进行放大处理。

在其中一个实施例中，所述第二级信号放大电路包括差分衰减精密放大器，所述差分衰减精密放大器用于对所述加速度模拟信号进行衰减、电平转换和差分信号转换。

在其中一个实施例中，所述信号采集系统还包括控制器和温度信号采集电路；

所述温度信号采集电路连接所述控制器，用于获取温度模拟信号，并将所述温度模拟信号转换为温度数字信号后输出至所述控制器；

所述控制器还与所述模数转换电路连接，用于获取所述加速度数字信号。

在其中一个实施例中，所述信号采集系统还包括转速信号采集电路，所述转速信号采集电路连接所述控制器，用于获取转速模拟信号，并将所述转速模拟信号转换为转速数字信号后输出至所述控制器。

在其中一个实施例中，所述信号采集系统还包括音频信号采集电路，所述音频信号采集电路连接所述控制器，用于获取音频模拟信号，并将所述音频模拟信号转换为音频数字信号后输出至所述控制器。

在其中一个实施例中，所述恒流源电路包括：三端恒流器和第一电阻；

所述三端恒流器具有电源输入端、电源输出端、电流设定端；所述电源输入端连接电源，所述电源输出端连接所述加速度传感器；所述电流设定端和所述电源输出端之间连接所述第一电阻。

在其中一个实施例中，所述恒流源电路还包括二极管和第二电阻，所述二极管连接于所述电源输出端与所述加速度传感器之间；所述第二电阻与所述第一电阻并联。

在其中一个实施例中，所述信号采集系统还包括MOS开关电路；所述MOS开关电路连接所述恒流源电路，用于控制所述恒流源电路导通或截止。

上述信号采集系统中，包括：恒流源电路和依次相连的加速度传感器、第一级信号放大电路、第二级信号放大电路、模数转换电路；其中，通过第一级信号放大电路和第二级信号放大电路可提高信号的采集精度；将第一级信号放大电路、第二级信号放大电路、模数转换电路和恒流源电路集成于同一电路板上，可实现结构简单紧凑的信号采集系统。

附图说明

图1为第一个实施例中的信号采集系统的结构示意图；

图2为第二个实施例中的信号采集系统的结构示意图；

图3为一实施例中的恒流源电路的结构示意图；

图4为另一实施例中的恒流源电路的结构示意图；

图5为一实施例中的第一级信号放大电路的结构示意图；

图6为一实施例中的第二级信号放大电路的结构示意图；

图7为一实施例中的模数转换电路的结构示意图；

图8为第三个实施例中的信号采集系统的结构示意图；

图9为第四个实施例中的信号采集系统的结构示意图；

图10为第五个实施例中的信号采集系统的结构示意图；

图11为第六个实施例中的信号采集系统的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平”的、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

如图1所示，一种信号采集系统，包括：恒流源电路100和依次相连的加速度传感器200、第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400、模数转换电路500。其中，第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400、模数转换电路500和恒流源电路100集成于同一电路板600上。该加速度传感器200用于获取加速度模拟信号，并将加速度模拟信号输出至第一级信号放大电路300；该第一级信号放大电路300用于滤除加速度模拟信号中的射频干扰信号，并将滤除后的加速度模拟信号进行一级放大处理；该第二级信号放大电路400用于将一级放大处理后的加速度模拟信号进行差分转换，并输出转换后的差分信号至模数转换电路500；该模数转换电路500用于将差分信号转换为加速度数字信号。恒流源电路100连接加速度传感器200，用于为加速度传感器200提供恒流电。

本实施例中，通过第一级信号放大电路300和第二级信号放大电路400的信号调理可提高信号的采集精度；将第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400、模数转换电路500和恒流源电路100集成于同一电路板600上，可实现结构简单紧凑的信号采集系统。

具体地，加速度传感器200为压电式加速度传感器。例如：IEPE(IntegralElectronic Piezoelectric，压电集成电路)传感器。IEPE传感器指一种自带电量放大器或电压放大器的传感器，其输出信号是带有一定的直流分量的加速度模拟信号，该加速度模拟信号不能直接被模数转换器(Analog To Digital Converter，ADC)的采集电路(即模数转换电路500)采集，并且IEPE传感器的电源模式是独特的，它需使用恒流电源。因此，该实施例中，加速度传感器200需要恒流源电路100为其供给恒流电，并同时需要第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400将加速度传感器200的输出信号调理成标准的加速度电压信号，例如±5V。

需要说明的是，IEPE传感器内置放大器，其输出的加速度模拟信号就是已经被放大器放大了的，因此加速度模拟信号在传输过程中受到干扰的影响微乎其微，甚至可以忽略，信噪比高。应当理解地是，IEPE传感器基于压电晶体产生的电量是很小的，因此传感器产生的电信号很容易受到噪声干扰，需要用灵敏的电子器件对其进行信号调理和放大。并且IEPE传感器需要有IEPE信号调理器，以及为IEPE传感器提供一个2～20mA的恒流源，从而实现信号放大，滤波等相关功能，将IEPE传感器采集到的加速度模拟信号转换成数据采集卡可以直接采集到的相对较大的电压。

在其中一个实施例中，如图2所示，加速度传感器200与第一级信号放大器300之间的连接线为双芯电缆700。该双芯电缆700具有第一传输线710和第二传输线720，且第一传输线710与恒流源电路100连接，第二传输线720接地。

本实施例中，恒流源电路100为加速度传感器200提供电流的线路同时也是加速度传感器200的信号输出线路(即第一传输线710)，只需在第一传输线710引出一线连接第一级信号放大电路300，即可将加速度传感器200的输出信号分离出来，并输出至第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400进行信号调理，最终输出至模数转换电路500转换为数字信号。

在其中一个实施例中，如图2所示，加速度传感器200包括：压电加速度传感器210和第一放大器220。其中，压电加速度传感器210连接第一放大器220；压电加速度传感器210用于获取加速度模拟信号，并将加速度模拟信号输出至第一放大器220；第一放大器220用于将加速度模拟信号放大，并输出至第一传输线710。

在其中一个实施例中，如图3所示，恒流源电路100包括：三端恒流器110和第一电阻120。其中，三端恒流器110具有电源输入端V⁺、电源输出端V^-、电流设定端R_SET；该电源输入端V⁺连接电源(图未显示)，电源输出端V^-连接第一传输线(图未显示)；电流设定端R_SET和电源输出端V^-之间连接第一电阻120(即R1)。

在其中一个实施例中，参见图3，三端恒流器110的型号包括LM334。LM334为单片集成芯片LM334，该集成芯片LM334用于提供恒流源电。需要说明的是，LM334可调电流来源具有10000:1的工作电流范围，可调电压动态范围为1V至40V的。

应当理解地，参见图3，通过LM334(即三端恒流器110)的电流(I_SET)的总和是通过第一电阻120(R1)和LM334的偏置电流(I_BIAS)的和，只要改变第一电阻120的大小就可改变LM334的电流值。

在其中一个实施例中，如图4所示，恒流源电路100还包括二极管130和第二电阻140(即R2)。其中，该二极管130连接于电源输出端与第一传输线(图未显示)之间；第二电阻140与第一电阻120并联。

本实施例中，增加一个二极管130和一个第二电阻140在LM334电路上能够消除LM334温度系数的影响特性。应当理解地，LM334具有与绝对温度成正比的敏感电压特性，因此也可以用作温度传感器。具体地，LM334为正温度系数(约+0.23mV/℃)器件，而二极管130的正向偏压为负温度系数(约为-2.5mV/℃)。当R2/R1＝10/1时，LM334的温度系数为零。可以理解地，实际LM334电路的温度系数只是接近零，要想获得更好的结果，可以在规定的温度范围内测试I_SET温度系数。如果测得I_SET的温度系数为正，就应减少R2的值。如果测得I_SET的温度系数为负，就应增加R2的值。

具体地，用+227uV/℃作为LM334的参数，-2.5mV/℃作为二极管130的参数，则LM334的温度系数为零的计算公式(即温漂计算公式)如下：

上式中，R1为第一电阻120；R2为第二电阻140。随着R1和R2之间的比例的确定，R1和R2的值就可以根据需要设定的恒流电来设置它们的值。具体地，恒流电计算公式如下：

上式中，参见图4，I_SET为通过LM334(即三端恒流器110)的电流；V_R为在第一电阻120(R1)上的压降；V_D为在二极管130上的压降。一实施例中，当V_D为0.6V，V_R为67.7mV，R2/R1＝10/1时，I_SET的值计算如下：

在其中一个实施例中，第一电阻120的阻值范围包括30Ω至34Ω；第二电阻140的阻值范围包括300Ω至340Ω。例如，当第一电阻120的阻值为34Ω时，根据上式的计算可得I_SET的值为4mA。当然，第一电阻120的阻值还可以为33Ω，此时可得I_SET的值为4.06mA，误差只有1％左右。因此，第一电阻120的阻值范围可包括30Ω至34Ω，具体值不做限定。

具体地，如图5所示，第一级信号放大电路300包括滤波器310和放大器320，该滤波器310与放大器320连接。其中，滤波器310用于限制加速度模拟信号的带宽，以滤除射频干扰信号；放大器320用于将加速度模拟信号进行放大处理。

本实施例中，放大器320的型号为AD8422(精密仪表放大器)。AD8422具有如下特性：AD8422是一款高精度、低功耗、低噪声轨到轨仪表放大器，具有业界最佳的每单位微安性能，该器件以超低失真性能处理信号，在整个输出范围内负载不影响性能；AD8422具有极低的偏置电流，高源阻抗时不会产生误差，允许多个传感器多路复用至输入端；AD8422具有鲁棒的输入过压保护，确保其稳定性，并且不牺牲噪声性能；AD8422具有高ESD抑制能力和针对来自相反供电轨、高达40V的连续电压输入保护。

具体地，在有强射频干扰信号的应用中使用放大器320时，一般都存在射频整流问题，这种干扰表现为较小的直流失调电压。故，在放大器320前端设置滤波器310可将射频干扰信号(高频信号)滤除。具体地，滤波器310对输入信号(加速度模拟信号)带宽加以限制的关系式如下：

上式中，参见图5，DIFF为差模干扰频率；CM为共模干扰频率；R为电阻；C_C为共模电容；C_D为差模电容。

需要说明的是，射频干扰信号包括差模干扰信号和共模干扰信号；C_C影响共模信号，C_D影响差模信号。

一实施例中，C_D≥C_C。例如，C_D＝10nF(纳法)；C_C＝1nF。C_D的值比C_C大一个数量级，可以降低不匹配的影响，从而改善性能。

具体地，如图6所示，第二级信号放大电路400包括差分衰减精密放大器410，差分衰减精密放大器410用于对加速度模拟信号进行衰减、电平转换和差分信号转换。

本实施例中，差分衰减精密放大器410的型号为AD8475。AD8475能使高达±10V的信号与单电源ADC(模数转换器)接口。因此，AD8475适用于衰减最高20V的信号，同时维持高CMR(系统命令执行)性能并提供差分输出来驱动差分输入ADC。

具体地，AD8475具有如下特性：AD8475具有高精度和衰减增益，并且可以对最高±12V的差分输入进行电平转换；AD8475能够有效驱动高压应用中的低压、高精度差分输入型ADC，同时节省电路板空间并在电源电压5V或3V的ADC接口的应用中，AD8475能够将这两种信号电平整合起来，从而简化设计，使设计方案无需使用多个元件就能实现类似的结果。

在一实施例中，如图7所示，模数转换电路500包括型号为AD7768的模数转换器，AD7768是一款每通道集成Σ-Δ型调制器和数字滤波器的8通道同步采样Σ-Δ型24位模数转换器(ADC)，支持交流和直流信号的同步采样。AD7768提供丰富的数字滤波性能，如宽带、±0.005dB低通带纹波、集成急剧滚降性能的抗混叠低通滤波器，以及在奈奎斯特频率的105dB衰减。频域测量可使用宽带线性相位滤波器，该滤波器在以下范围具有平坦的通带(±0.005dB纹波)：DC至102.4kHz(256KSPS)，DC至51.2kHz(128KSPS)或DC至12.8kHz(32KSPS)。AD7768还提供sinc响应(通过sinc5滤波器)、低带宽的低延迟路径和低噪声测量。可为每个通道选择并运行宽带和sinc5滤波器。

需要说明的是，DC的意思是直流，直流的频率就是0Hz；Hz：赫兹；KSPS：KiloSamples Per Second，每秒千次取样数；sinc：理想低通滤波器在频域是一个门函数，时域对应的是一个sinc函数。

在一实施例中，如图8所示，信号采集系统还包括控制器800和温度信号采集电路900。其中，温度信号采集电路900连接控制器800，用于获取温度模拟信号，并将温度模拟信号转换为温度数字信号后输出至控制器800；控制器800还与模数转换电路500连接，用于获取加速度数字信号。

本实施例中，温度信号采集电路900负责采集传感器端(例如温度传感器，图8未显示)传输过来的温度模拟信号，并将此信号数字化，转化成温度值。温度值将会通过板间通讯的方式传送到核心控制板的控制器800中，由控制器800统一分析处理，并打包上传到服务器。

在一实施例中，如图9所示，信号采集系统还包括转速信号采集电路1000，转速信号采集电路1000连接控制器800，用于获取转速模拟信号，并将转速模拟信号转换为转速数字信号后输出至控制器800。

本实施例中，转速信号采集电路1000集成2路转速信号采集电路用于监测旋转件的转速。转速模拟信号包括：脉冲、涡流、霍尔等转速信号。转速模拟信号经转速信号采集电路1000采集后通过板间通讯的方式传送到核心控制板的控制器800中，由控制器800统一分析处理，并打包上传到服务器。

在一实施例中，如图10所示，信号采集系统还包括音频信号采集电路1100，音频信号采集电路1100连接控制器800，用于获取音频模拟信号，并将音频模拟信号转换为音频数字信号后输出至控制器800。

本实施例中，音频信号采集电路1100集成至少2路4-20mA的音频模拟信号的采集电路，支持至少2通道开关量信号接入，此开关通道支持继电器信号的接入，同时支持音频信号的采集、分析和上传。音频模拟信号经音频信号采集电路1100采集后通过板间通讯的方式传送到核心控制板的控制器800中，由控制器800统一分析处理，并打包上传到服务器。

在一实施例中，如图11所示，信号采集系统还包括MOS开关电路1200。MOS开关电路1200连接恒流源电路100，用于控制恒流源电路100导通或截止。

本实施例中，MOS开关电路1200还与电路板600上的主控芯片连接(图未显示)，通过主控芯片可实时控制恒流源电路100的导通或截止，从而节约电源，以及在电路短路时保护电路。

上述信号采集系统中，包括：恒流源电路100和依次相连的加速度传感器200、第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400、模数转换电路500。通过第一级信号放大电路300和第二级信号放大电路400的信号调理可提高信号的采集精度；将第一级信号放大电路300、第二级信号放大电路400、模数转换电路500和恒流源电路100集成于同一电路板600上，可实现结构简单紧凑的信号采集系统。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种信号采集系统，其特征在于，包括：恒流源电路和依次相连的加速度传感器、第一级信号放大电路、第二级信号放大电路、模数转换电路；所述第一级信号放大电路、所述第二级信号放大电路、所述模数转换电路和所述恒流源电路集成于同一电路板上；

所述加速度传感器用于获取加速度模拟信号，并将所述加速度模拟信号输出至所述第一级信号放大电路；

所述第一级信号放大电路用于滤除所述加速度模拟信号中的射频干扰信号，并将滤除后的所述加速度模拟信号进行一级放大处理；

所述第二级信号放大电路用于将一级放大处理后的所述加速度模拟信号进行差分转换，并输出转换后的差分信号至所述模数转换电路；

所述模数转换电路用于将所述差分信号转换为加速度数字信号；

所述恒流源电路连接所述加速度传感器，用于为所述加速度传感器提供恒流电。

2.根据权利要求1所述的信号采集系统，其特征在于，所述加速度传感器为压电式加速度传感器。

3.根据权利要求1所述的信号采集系统，其特征在于，所述第一级信号放大电路包括滤波器和放大器，所述滤波器与所述放大器连接；

所述滤波器用于限制所述加速度模拟信号的带宽，以滤除所述射频干扰信号；

所述放大器用于将所述加速度模拟信号进行放大处理。

4.根据权利要求1所述的信号采集系统，其特征在于，所述第二级信号放大电路包括差分衰减精密放大器，所述差分衰减精密放大器用于对所述加速度模拟信号进行衰减、电平转换和差分信号转换。

5.根据权利要求1所述的信号采集系统，其特征在于，还包括控制器和温度信号采集电路；

所述温度信号采集电路连接所述控制器，用于获取温度模拟信号，并将所述温度模拟信号转换为温度数字信号后输出至所述控制器；

所述控制器还与所述模数转换电路连接，用于获取所述加速度数字信号。

6.根据权利要求5所述的信号采集系统，其特征在于，还包括转速信号采集电路，所述转速信号采集电路连接所述控制器，用于获取转速模拟信号，并将所述转速模拟信号转换为转速数字信号后输出至所述控制器。

7.根据权利要求6所述的信号采集系统，其特征在于，还包括音频信号采集电路，所述音频信号采集电路连接所述控制器，用于获取音频模拟信号，并将所述音频模拟信号转换为音频数字信号后输出至所述控制器。

8.根据权利要求1所述的信号采集系统，其特征在于，所述恒流源电路包括：三端恒流器和第一电阻；

所述三端恒流器具有电源输入端、电源输出端、电流设定端；所述电源输入端连接电源，所述电源输出端连接所述加速度传感器；所述电流设定端和所述电源输出端之间连接所述第一电阻。

9.根据权利要求8所述的信号采集系统，其特征在于，所述恒流源电路还包括二极管和第二电阻，所述二极管连接于所述电源输出端与所述加速度传感器之间；所述第二电阻与所述第一电阻并联。

10.根据权利要求1所述的信号采集系统，其特征在于，还包括MOS开关电路；所述MOS开关电路连接所述恒流源电路，用于控制所述恒流源电路导通或截止。