一種小信號采集系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及信號采集設備領域，特別是一種小信號采集系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]隨著通信技術和半導體技術的不斷發(fā)展，自動化控制和自動化測量越來越多的參與到重要的生產(chǎn)建設中來。這種趨勢建立在測量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的精度不斷提高，有效測量或控制范圍不斷擴展這一基礎上。一般而言，測量是控制系統(tǒng)中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)系統(tǒng)又好又快進行控制的關鍵因素。一個完整的測量系統(tǒng)由四大部分組成，分別是傳感器部分，信號采集和處理部分，控制部分以及供電部分。一個功能完善，讀數(shù)可信的測量結果需要各個部分協(xié)作給出，系統(tǒng)中任何一個模塊設計不當都可能造成最終的測量數(shù)據(jù)不符合預期。比如說，信號采集和處理部分沒有做好，那么傳感器給出的數(shù)據(jù)在采集和處理過程中就會發(fā)生失真或被干擾污染，而這種信號的惡化往往是不可逆的。具體來看，對于微弱的信號，尤其需要注意整個系統(tǒng)的小信號模擬通道和電源的供電部分，因為這兩部分的優(yōu)劣會直接影響信號質(zhì)量的好壞，而實際上這兩個部分也恰恰是整個測量系統(tǒng)的難點所在。
【實用新型內(nèi)容】
[0003]本實用新型目的在于:針對上述存在的問題，提供一種小信號采集系統(tǒng)，專門為識別微弱的電壓信號實用新型，也即系統(tǒng)需要較高的電壓分辨率。系統(tǒng)整體采用高精度電路的設計思路，并在保證系統(tǒng)指標的提前下小型化。
[0004]一種小信號采集系統(tǒng)，由模擬前端電路，控制及對外通信電路以及電源電路三部分組成。從整個系統(tǒng)的角度來看，信號流向如下:傳感器產(chǎn)生的差分信號直接被高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)拾取，在ADC內(nèi)部進行放大和濾波等信號調(diào)理工作，再轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送到控制芯片，控制芯片對該數(shù)字信號進行幅值校正，增益校正等適當?shù)恼{(diào)整，再將調(diào)整后的信號通過USB總線傳動給上位機，上位機接收到數(shù)據(jù)后通過上位機程序講信號波形顯示出來，用戶可以使用上位機程序?qū)π盘柌ㄐ芜M行伸縮和存儲等操作。ADC的參考電壓由精密電壓參考源提供，系統(tǒng)中集成了一個溫度傳感器用于測量傳感器輸出信號的溫度曲線，并通過構建不同的溫度曲線來實現(xiàn)對不同傳感器的調(diào)校。
[0005]輸入電源為12V直流穩(wěn)壓電源，外接電源經(jīng)過LC濾波器后作為系統(tǒng)的12V電源供后級使用，精密電流源，傳感器以及精密電壓參考源直接由輸入電源供電，輸入電源經(jīng)過一片低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)產(chǎn)生5V電源給ADC芯片的模擬部分和復位芯片供電，輸入電源經(jīng)過另一片LDO產(chǎn)生3.3V。設有TPS7A4901芯片。采用了 S0T-223封裝的LMl117提供3.3V電源，防止電源抑制比惡化。
[0006]精密電流源為傳感器提供偏執(zhí)電流，也即為傳感器提供靜態(tài)工作電流。在電流源的直流偏執(zhí)下，信號以差分電壓的形式給出。電流源的基本組成形式應該是一個帶有負反饋的V-1轉(zhuǎn)換電路，本實用新型使用LT3092芯片。該芯片的工作原理為:10uA參考電流源通過編程電阻RSET放電，同時在RSET上產(chǎn)生壓降USET，輸出電阻ROUT上流過負載電流IS0URCE產(chǎn)生壓降UOUT，運算放大器通過放大USET和UOUT的差值來調(diào)整三極管Tl和T2的發(fā)射極電流，進而調(diào)整負載電流。
[0007]本實用新型系統(tǒng)選取了 ADS1255這款芯片，該芯片內(nèi)部集成了差分輸入的緩沖放大器，I到64倍7種可調(diào)增益的程控增益放大器和一個24位125 Δ - Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)輸出速率最高可以達到30kSPS。芯片的輸出采用SPI接口形式，通過Data ready信號(15腳)對控制芯片發(fā)起中斷提醒控制芯片讀取轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)。ADC的參考電壓源是整個采集系統(tǒng)中的電壓基準，參考電壓源輸出電壓的準確性直接決定采樣數(shù)據(jù)的可靠性，參考電壓源的噪聲也會以加性噪聲的形式直接折算在ADC的模擬輸入信號上。系統(tǒng)選取標稱輸出電壓為2.5V的MAX6225為ADC提供電壓參考。芯片本身具有很高的溫度穩(wěn)定性和初始精確度。芯片具有15mA的電流驅(qū)動的穩(wěn)定能力。傳感器輸出的差分信號AIN_P和AIN_N經(jīng)過一級差分低通濾波器進行抗混疊濾波后直接輸入到ADS1255的模擬輸入端，MAX6225與ADS1255直接相連為其提供參考電壓。采用ADS1255，能把硬件電路需要進行的工作抽象成對ADS1255片內(nèi)寄存器的修改，這在簡化硬件電路設計和調(diào)試的同時也實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的小型化。
[0008]控制芯片對外接口，控制芯片的主要任務是在上電之后對ADC進行配置，使其以一個合適的工作狀態(tài)工作，同時初始化各個對外接口，以保證數(shù)據(jù)可以上傳到上位機進行進一步處理。因為上位機程序本身的控制比較復雜，系統(tǒng)中采用USB總線作為主要的數(shù)據(jù)通道，同時保留串口作為調(diào)試接口，本實用新型采用一塊帶有USB2.0接口的ARM芯片作為主控制器，串口配合MAX3232 —起使用。
[0009]系統(tǒng)的整個工作過程如下:上電后，電源系統(tǒng)為各個芯片供電，復位芯片對控制芯片進行復位，用戶代碼開始執(zhí)行?？刂菩酒謩e對片上的SPI控制器，USB控制器和串口控制器進行配置，然后通過SPI控制器對ADC進行配置，再通過GP1對溫度傳感器進行配置。配置結束后，控制器打開中斷等待ADC轉(zhuǎn)換結束，在ADC的數(shù)據(jù)準備好的同時，控制芯片進入中斷，讀取ADC的值和溫度傳感器的值，計算ADC的轉(zhuǎn)換結果，并通過對比當前溫度和存儲器中保存的傳感器的溫度曲線對ADC的轉(zhuǎn)換結果進行修調(diào)，最后將結果通USB總線發(fā)送到上位機上，之后控制器進入空閑狀態(tài)，等待下個中斷的到來。上位機對系統(tǒng)的控制通過USB總線實現(xiàn)，上位機發(fā)起控制指令后，USB控制器對主控制器發(fā)起中斷，主控制器讀取上位機發(fā)來的指令并在下一個轉(zhuǎn)換中斷之后中把新的配置寫入到ADC中。在軟件部分的具體實現(xiàn)過程中，USB接口是一個比較復雜的模塊，采用現(xiàn)成的代碼進行修改和調(diào)整可以較快的完成開發(fā)工作。
[0010]作為本實用新型的一種優(yōu)選方案，輸入電源可以使用12V鋰電池。
[0011]本實用新型的有益效果:可以識別微弱的電壓信號，且結構相對簡單，容易實現(xiàn)，成本相對較低。
【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型的系統(tǒng)框圖。
[0013]圖中標記精密電流源、2-溫度傳感器、3-參考電壓源、4-ARM、5-USB、6-PC端軟件、7-串口、8-數(shù)模轉(zhuǎn)換器、9-傳感器。