CN214333884U - 一种信号采集电路及信号处理系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种信号采集电路及信号处理系统，电路包括多个传感器、多路复用器、信号调理电路、模数转换器、衰减电路和控制器，多个所述传感器的输出端分别与所述多路复用器的多个第一端电连接，所述多路复用器的第二端与所述信号调理电路的第一端电连接，所述多路复用器的第三端与所述控制器的第三端电连接，所述信号调理电路的第二端与所述模数转换器的第一端电连接，所述模数转换器的第三端通过所述衰减电路连接至所述信号调理电路的第三端，所述模数转换器的第二端与所述控制器的第一端电连接，所述衰减电路适于调节所述信号调理电路的输出电压。本实用新型的技术方案提高了模数转换器输入电压的稳定性。

Description

一种信号采集电路及信号处理系统

技术领域

本实用新型涉及信号采集电路技术领域，具体而言，涉及一种信号采集电路及信号处理系统。

背景技术

现有技术中，在获取到传感器信号时，为了将模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的数字信号，通常需要采用信号调理电路和模数转换器对传感器信号进行处理。如图1所示的现有技术的信号采集电路，多个传感器采集信号时，多个传感器的输出端分别通过一个信号调理电路连接至模数转换器的输入端，模数转换器的输出端连接至控制器的输入端。

但是，若为每路传感器信号分别配置一个信号调理电路，会使得电路结构过于复杂，并且，当信号调理电路的输出信号的电压超出模数转换器的输入电压范围时，常在模数转换器的输入端直接加入分压电阻，将模数转换器的输入信号的电压调节到输入电压范围内，但分压电阻的电压会随着负载电压的变化而变化，导致模数转换器的输入电压容易出现波动，稳定性差。

实用新型内容

本实用新型解决的问题是如何提高模数转换器输入电压的稳定性。

为解决上述问题，本实用新型提供一种信号采集电路及信号处理系统。

第一方面，本实用新型提供了一种信号采集电路，包括多个传感器、多路复用器、信号调理电路、模数转换器、衰减电路和控制器，多个所述传感器的输出端分别与所述多路复用器的多个第一端电连接，所述多路复用器的第二端与所述信号调理电路的第一端电连接，所述多路复用器的第三端与所述控制器的第三端电连接，所述信号调理电路的第二端与所述模数转换器的第一端电连接，所述模数转换器的第三端通过所述衰减电路连接至所述信号调理电路的第三端，所述模数转换器的第二端与所述控制器的第一端电连接，所述衰减电路适于调节所述信号调理电路的输出电压。

可选地，所述衰减电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第三运算放大器的同相输入端与所述模数转换器的第三端电连接，所述第三运算放大器的反相输入端连接至所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端连接至所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端连接至所述第二运算放大器的同相输入端，所述第六电阻的第二端还通过所述第八电阻接地，所述第二运算放大器的输出端连接至所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接至所述第二运算放大器的反相输入端，所述第七电阻的第二端还与所述信号调理电路的第三端电连接。

可选地，还包括滤波电路，所述滤波电路包括第四电容和第八电容，所述第四电容的第一端连接至直流电源，所述第四电容的第二端通过所述第八电容接地，所述第四电容的第二端还与所述第七电阻的第二端电连接。

可选地，所述信号调理电路包括电荷-电压转换电路和放大电路，所述电荷-电压转换电路的第一端分别与所述多路复用器的第二端和所述衰减电路的输出端电连接，所述电荷-电压转换电路的第二端与所述放大电路的第一端电连接，所述放大电路的第一端还与所述衰减电路的输出端电连接，所述放大电路的第二端连接至所述模数转换器的第一端。

可选地，所述电荷-电压转换电路包括第一运算放大器、第九电阻、第十电阻和第五电容，所述第一运算放大器的同相输入端分别与所述多路复用器的第二端和所述衰减电路的输出端电连接，所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第十电阻连接至所述多路复用器的第二端，还通过所述第五电容连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第九电阻与所述第五电容并联，所述第一运算放大器的输出端连接至所述放大电路的第一端。

可选地，所述放大电路包括第四运算放大器、第十一电阻、第十三电阻、第十四电阻和RC滤波器，所述第四运算放大器的同相输入端通过所述第十一电阻连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第十三电阻连接至所述衰减电路的输出端，并通过所述第十四电阻连接至所述第四运算放大器的输出端，所述第四运算放大器的输出端通过所述RC滤波器连接至所述模数转换器的第一端。

可选地，还包括通信电路，所述通信电路的第一端与所述控制器的第二端电连接，所述通信电路的输出端与上位机通信连接。

可选地，所述通信电路包括信号转换装置和USB接口，所述信号转换装置的第一端与所述控制器的第二端电连接，所述信号转换装置的第二端通过所述USB接口连接至上位机。

可选地，还包括电源电路，所述电源电路包括稳压装置，所述稳压装置的第一端连接至所述USB接口的电源引脚，所述稳压装置的第二端用作直流电源。

第二方面，本实用新型提供了一种信号处理系统，包括如上所述的信号采集电路和上位机，所述信号采集电路的输出端与所述上位机通信连接。

本实用新型的信号采集装置及信号处理系统的有益效果是：多个传感器的输出端分别连接至多路复用器的多个输入端，多路复用器的输出端连接至信号调理电路的输入端，只需设置一个信号调理电路，通过多路复用器对各路传感器信号进行切换，控制传感器与信号调理电路的接通，相较于为每路传感器分别配置一个信号调理电路，结构更加简单。衰减电路用于对模数转换器的第三端的电压进行处理，产生一个失调电压，模数转换器的第三端可为基准电压引脚，将失调电压输入至信号调理电路，调节信号调理电路的输出电压，使该输出电压在模数转换器的输入电压范围内。本发明通过衰减电路调节信号调理电路的输出电压，相较于直接使用分压电阻调节模数转换器的输入电压，不受负载电压的影响，稳定性更好。

附图说明

图1为现有技术的信号采集电路的电路结构示意图；

图2为本实用新型实施例的一种信号处理系统的结构示意图；

图3为本实用新型实施例的一种信号采集电路的电路结构示意图；

图4为本实用新型实施例的多路复用器的结构示意图；

图5为本实用新型实施例的信号调理电路的电路结构示意图；

图6为本实用新型实施例的滤波电路的电路结构示意图；

图7为本实用新型实施例的通信电路的电路结构示意图；

图8为本实用新型实施例的电源电路的电路结构示意图。

附图标记说明：

10-衰减电路；20-滤波电路；30-信号调理电路；301-电荷-电压转换电路；302-放大电路。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，本实用新型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。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

在使用传感器进行动态测量时，采样点较多且采样时间较短，例如使用压电薄膜传感器采集多点足底信号时，控制器每次处理一路传感器信号，此时需要考虑各路信号的切换，若为每个压电薄膜传感器采集的压力信号配置一个信号调理电路30，会使得整个电路结构过于复杂，成本高、功耗高。

如图2所示，本实用新型实施例提供的一种信号处理系统，包括如上所述的信号采集电路和上位机，所述信号采集电路与所述上位机通信连接。

可选地，所述信号采集电路中的传感器为压电薄膜传感器，所述压电薄膜传感器设置在足底。

具体地，可通过本信号处理系统动态监测足底受力情况，在足底多个位置分别布设压电薄膜传感器采集压电信号，采样点较多，在测试者步行过程中，每个压电薄膜传感器的采样时间较短。

如图3所示，本实用新型实施例提供的一种信号采集电路，包括多个传感器、多路复用器U3、信号调理电路30、模数转换器U2、衰减电路10和控制器，多个所述传感器的输出端分别与所述多路复用器U3的多个输入端电连接，所述多路复用器U3的输出端与所述信号调理电路30的第一输入端电连接，所述多路复用器U3的控制端与所述控制器的第一输出端电连接，所述信号调理电路30的输出端与所述模数转换器U2的输入端电连接，所述模数转换器U2的第一输出端通过所述衰减电路10连接至所述信号调理电路30的第二输入端，所述模数转换器U2的第二输出端连接至所述控制器的输入端，所述衰减电路10适于调节所述信号调理电路30的输出电压。

具体地，本实施例中采用多路复用器U3对多路传感器信号进行切换，多路复用器U3也叫高速模拟开关，影响多路复用器U3性能的主要参数包括通道数量、泄露电流、导通电阻、导通电阻的平坦度、切换速度、电源电压范围等。其中，通道数量越多，寄生电容和泄露电流就越大。而对于导通电阻而言，一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。若导通电阻过大，会造成传感器信号损失，使得传感器信号精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时，损失更大，故应尽量选择导通电阻较小的多路复用器U3。

本实施例中，多个传感器的输出端分别连接至多路复用器U3的多个输入端，多路复用器U3的输出端连接至信号调理电路30的输入端，只需设置一个信号调理电路30，通过多路复用器U3对各路传感器信号进行切换，控制传感器与信号调理电路30的接通，相较于为每路传感器分别配置一个信号调理电路30，结构更加简单，能够降低功耗，且成本更低。衰减电路10用于对模数转换器U2的第三端的电压进行处理，产生一个失调电压，模数转换器U2的第三端可为基准电压引脚，将失调电压输入至信号调理电路30，调节信号调理电路30的输出电压，使该输出电压在模数转换器20的输入电压范围内。本发明通过衰减电路10调节信号调理电路30的输出电压，相较于直接使用分压电阻调节模数转换器U2的输入电压，由于基准电压固定，使得模数转换器U2的输入电压不受负载电压的影响，稳定性更好。

如图4所示的多路复用器U3的结构示意图，本实施例中可选用型号为ADG706的多路复用器，通过4位标志位A0、A1、A2、A3和片选位EN控制16路信号的通断，一瞬间只有一路信号导通，标志位A0、A1、A2、A3和片选位EN所在引脚分别通过第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4和第五电阻R5连接至控制器的第一输出端，第一至第五电阻R5的型号和参数完全一样。多路复用器U3的电源端连接至3.3V直流电源，并分别通过第一电容C1和第二电容C2接地，进行滤波。多个传感器的输出端可通过接线端子P1连接至多路复用器U3。

需要说明的是，本技术方案中控制多路复用器U3对多路传感器信号的切换为现有技术，本技术方案仅涉及电路结构的改进，不涉及软件程序的改进。

可选地，如图5中所示的衰减电路10，所述衰减电路10包括第二运算放大器U1B、第三运算放大器U1C、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，所述第三运算放大器U1C的同相输入端与所述模数转换器U2的基准电压引脚电连接，所述第三运算放大器U1C的反相输入端连接至所述第三运算放大器U1C的输出端，所述第三运算放大器U1C的输出端连接至所述第六电阻R6的一端，所述第六电阻R6的另一端连接至所述第二运算放大器U1B的同相输入端，所述第六电阻R6的另一端还通过所述第八电阻R8接地，所述第二运算放大器U1B的输出端连接至所述第七电阻R7的一端，所述第七电阻R7的另一端连接至所述第二运算放大器U1B的反相输入端，所述第七电阻R7的另一端还与所述信号调理电路30的第二输入端电连接。

具体地，衰减电路10通过第二运算放大器U1B、第三运算放大器U1C、第六电阻R6和第八电阻R8对基准电压进行缓冲和衰减，产生1.25V的失调电压，并将失调电压输入到信号调理电路30，用于将来自传感器的交流信号调理至模数转换器U2的输入电压范围内。模数转换器U2的输入端还可连接至第五测试点TP5，第五测试点TP5便于检测模数转换器U2的输入电压，第七电阻R7的另一端还可连接至第六测试点TP6，第六测试点TP6便于检测失调电压。模数转换器U2的基准电压引脚还通过第三电容C3接地，用于滤波，模数转换器U2的输出端分别通过第二十三电阻R23、第二十四电阻R24、第二十五电阻R25和第二十六电阻R26连接至控制器，R23至R26四个电阻型号和参数一样。

本可选的实施例中，通过衰减电路10产生失调电压，并将失调电压输入至信号调理电路30中，能够调节模数转换器U2的输入电压，保证模数转换电路U2的输入电压在规定的电压范围内，不需要额外设置升降压电路，结构简单。

可选地，如图6所示，还包括滤波电路20，所述滤波电路20包括第四电容C4和第八电容C8，所述第四电容C4的一端连接至直流电源，所述第四电容C4的另一端通过所述第八电容C8接地，所述第四电容C4的另一端还与所述第七电阻R7的第二端电连接。

本可选的实施例中，第七电阻R7和第八电容C8组成RC滤波器，对第二运算放大器U1B的输出进行滤波，能够降低带外噪声。

可选地，如图5中所示的信号调理电路30，所述信号调理电路30包括电荷-电压转换电路301和放大电路302，所述电荷-电压转换电路301的输入端分别与所述多路复用器U3的输出端和所述衰减电路10的输出端电连接，所述电荷-电压转换电路301的输出端与所述放大电路302的第一输入端电连接，所述放大电路302的第二输入端与所述衰减电路10的输出端电连接，所述放大电路302的输出端连接至所述模数转换器U2的输入端。

可选地，所述电荷-电压转换电路301包括第一运算放大器U1A、第九电阻R9、第十电阻R10和第五电容C5，所述第一运算放大器U1A的同相输入端分别与所述多路复用器U3的第一输出端和所述衰减电路10的输出端电连接，所述第一运算放大器U1A的反相输入端通过所述第十电阻R10连接至所述多路复用器U3的第二输出端，还通过所述第五电容C5连接至所述第一运算放大器U1A的输出端，所述第九电阻R9与所述第五电容C5并联，所述第一运算放大器U1A的输出端连接至所述放大电路302的输入端。

具体地，第一运算放大器U1A的反相输入端还连接至第三测试点TP3，第三测试点TP3用于检测传感器输出的信号，第一运算放大器U1A的输出端连接至第四测试点TP4，第四测试点TP4用于检测第一运算放大器U1A的输出电压。

可选地，所述放大电路302包括第四运算放大器U1D、第十一电阻R11、第十三电阻R13、第十四电阻R14和RC滤波器，所述第四运算放大器U1D的同相输入端通过所述第十一电阻R11连接至所述第一运算放大器U1A的输出端，所述第四运算放大器U1D的反相输入端通过所述第十三电阻R13连接至所述衰减电路10的输出端，并通过所述第十四电阻R14连接至所述第四运算放大器U1D的输出端，所述第四运算放大器U1D的输出端通过所述RC滤波器连接至所述模数转换器U2的输入端。

具体地，经过多路复用器U3后的传感器信号，经过电荷-电压转换电路301中的第一运算放大器U1A和第五电容C5转换成电压，然后由放大电路302中的运算放大器、第十三电阻R13和第十四电阻R14进行放大。并且，衰减电路10输出的失调电压HRef分别输入到第一运算放大器U1A的同相输入端和第四运算放大器U1D的反相输入端，分别与对应的输入信号进行共模或差模运算，使第四运算放大器U1D的输出电压在模数转换器U2的输入电压范围内。

第四运算放大器U1D的输出电压范围为0.1V到2.4V，与模数转换器U2的输入电压范围(0V到2.5V)相匹配，同时能提供100mv的裕量以保持线性度。AD8608的最小额定输出电压为50mV(2.7V电源)和290mV(5V电源)，负载电流为10mA，温度范围为-40℃至+125℃。在3.3V电源、负载电流低于1mA、温度范围更窄的情况下，保守估计最小输出电压为45mV至60mV。且信号调理电路30支持单电源供电。

可选地，如图3所示，还包括通信电路，所述通信电路的输入端与所述控制器的第二输出端电连接，所述通信电路的输出端与上位机通信连接。

可选地，如图7所示，所述通信电路包括信号转换装置U5和USB接口CN1，所述信号转换装置U5的输入端与所述控制器的第二输出端电连接，所述信号转换装置U5的输出端通过所述USB接口CN1连接至上位机。

本可选的实施例中，信号转换装置U5可采用型号为CH340G的串口转USB装置，然后通过USB接口CN1与上位机连接，简单便捷。并且，采用USB接口CN1进行信号传输，还可通过USB接口CN1为整个电路供电。

可选地，如图8所示，还包括电源电路，所述电源电路包括稳压装置VR1，所述稳压装置VR1的输入端连接至所述USB接口CN1的电源引脚，所述稳压装置VR1的输出端用作直流电源。

具体地，可采用型号为AMS1117-3.3的线性稳压电源装置，将USB接口CN1提供的5V电源电压，转换成3.3V为模拟电路部分供电。

虽然本实用新型公开披露如上，但本实用新型公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本实用新型公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种信号采集电路，其特征在于，包括多个传感器、多路复用器、信号调理电路、模数转换器、衰减电路和控制器，多个所述传感器的输出端分别与所述多路复用器的多个第一端电连接，所述多路复用器的第二端与所述信号调理电路的第一端电连接，所述多路复用器的第三端与所述控制器的第三端电连接，所述信号调理电路的第二端与所述模数转换器的第一端电连接，所述模数转换器的第三端通过所述衰减电路连接至所述信号调理电路的第三端，所述模数转换器的第二端与所述控制器的第一端电连接，所述衰减电路适于调节所述信号调理电路的输出电压。

2.根据权利要求1所述的信号采集电路，其特征在于，所述衰减电路包括第二运算放大器、第三运算放大器、第六电阻、第七电阻和第八电阻，所述第三运算放大器的同相输入端与所述模数转换器的第三端电连接，所述第三运算放大器的反相输入端连接至所述第三运算放大器的输出端，所述第三运算放大器的输出端连接至所述第六电阻的第一端，所述第六电阻的第二端连接至所述第二运算放大器的同相输入端，所述第六电阻的第二端还通过所述第八电阻接地，所述第二运算放大器的输出端连接至所述第七电阻的第一端，所述第七电阻的第二端连接至所述第二运算放大器的反相输入端，所述第七电阻的第二端还与所述信号调理电路的第三端电连接。

3.根据权利要求2所述的信号采集电路，其特征在于，还包括滤波电路，所述滤波电路包括第四电容和第八电容，所述第四电容的第一端连接至直流电源，所述第四电容的第二端通过所述第八电容接地，所述第四电容的第二端还与所述第七电阻的第二端电连接。

4.根据权利要求1至3任一项所述的信号采集电路，其特征在于，所述信号调理电路包括电荷-电压转换电路和放大电路，所述电荷-电压转换电路的第一端分别与所述多路复用器的第二端和所述衰减电路的输出端电连接，所述电荷-电压转换电路的第二端与所述放大电路的第一端电连接，所述放大电路的第一端还与所述衰减电路的输出端电连接，所述放大电路的第二端连接至所述模数转换器的第一端。

5.根据权利要求4所述的信号采集电路，其特征在于，所述电荷-电压转换电路包括第一运算放大器、第九电阻、第十电阻和第五电容，所述第一运算放大器的同相输入端分别与所述多路复用器的第二端和所述衰减电路的输出端电连接，所述第一运算放大器的反相输入端通过所述第十电阻连接至所述多路复用器的第二端，还通过所述第五电容连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第九电阻与所述第五电容并联，所述第一运算放大器的输出端连接至所述放大电路的第一端。

6.根据权利要求5所述的信号采集电路，其特征在于，所述放大电路包括第四运算放大器、第十一电阻、第十三电阻、第十四电阻和RC滤波器，所述第四运算放大器的同相输入端通过所述第十一电阻连接至所述第一运算放大器的输出端，所述第四运算放大器的反相输入端通过所述第十三电阻连接至所述衰减电路的输出端，并通过所述第十四电阻连接至所述第四运算放大器的输出端，所述第四运算放大器的输出端通过所述RC滤波器连接至所述模数转换器的第一端。

7.根据权利要求1至3任一项所述的信号采集电路，其特征在于，还包括通信电路，所述通信电路的第一端与所述控制器的第二端电连接，所述通信电路的输出端与上位机通信连接。

8.根据权利要求7所述的信号采集电路，其特征在于，所述通信电路包括信号转换装置和USB接口，所述信号转换装置的第一端与所述控制器的第二端电连接，所述信号转换装置的第二端通过所述USB接口连接至上位机。

9.根据权利要求8所述的信号采集电路，其特征在于，还包括电源电路，所述电源电路包括稳压装置，所述稳压装置的第一端连接至所述USB接口的电源引脚，所述稳压装置的第二端用作直流电源。

10.一种信号处理系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的信号采集电路和上位机，所述信号采集电路的输出端与所述上位机通信连接。

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