微小信号采集电路的设计与研究

微小信号采集电路的设计与研究

刘文光　牛荣军　陈扬枝

摘要　介绍微小信号采集电路的硬件、软件设计和工作原理,将采集到的微小信号放大后进行A/D转换,并通过串行通信方式传送到上位机,以便对信号进行分析处理。经对所制作微小信号采集电路的试验测试,测试结果显示,采集电路性能满足设计要求。

关键词:微小信号　采集　模数转换

中图分类号:TP24　文献标识码:A　文章编号:1671—3133(2005)07—0101—03

D esi gn and study on the c i rcu it for collecti n g ti n y si gna l

L i u W enguang,N i u Rongjun,Chen Yangzh i

Abstract　The design of hard ware and s oft w are of the circuit f or collecting tiny signal and its operating p rinci p le has been intr o2 duced.So as t o analyze and deal with the signal,the collected tiny signal has been ADC after a mp lified,and send it t o the PC thr ough UART.After testing experi m ent on the circuit of collecting tiny signal,the results turn out that the perfor mance of the cir2 cuit f or collecting can reach t o the request of design.

Keywords:T i n y si gna l　Collecti on　ADC

医用人体管道微机器人是当前国际微机械电子技术研究的一个热点,其研究难点在于微机器人的驱动方法及其驱动装置。笔者采用一种新型的轮式驱动方法及其驱动装置设计了管道微机器人的模型样机(如图1所示)。该驱动方法通过弹性啮合与摩擦耦合组合传动的方式使微机器人运动。目前微机器人已经顺利通过直径<20mm的塑料管道的实验,证明了该驱动方法及其驱动装置的原理可行性。因为微机器人采用的是一种新型的轮式驱动方法,该驱动方法最终要使用到医用人体管道微机器人,具体应用到人体肠胃道环境,其性能是否可靠需要进一步的理论与实验研究。同时管道微机器人采用的是直径为<8mm的微直流电动机为驱动源,其输出驱动力十分微小,如此大小的驱动力能否带动管道微机器人在人体肠道这种粘弹性环境中顺利运行,还需要对微机器人的驱动力进行测试与研究。由于管道微机器人驱动力的微小性,给测试与研究带来很大的困难。为了测试管道微机器人驱动力的大小,实验过程中利用悬臂梁式微小力传感器将微小力信号转换成微小电压信号。传感器输出的微小电压信号经过放大并A/D转换后直接送入微机进行计算、存储和显示。基于上述设计要求,本文对微小信号采集电路进行了设计和研究

。

图1　微机器人模型样机

1　采集电路的硬件设计

1.1　电路的组成与工作原理

采集电路主要包括放大电路、A/D转换和单片机三部分,组成框图如图2所示。其工作原理是:管道微机器人的驱动力作用在悬臂梁式微小力传感器上,传感器将微小力信号转换成微小电压信号。微小电信号输入到采集电路后,经过二级放大电路放大到0～5V,以满足A/D转换的需要,放大后的电压信号送入A/D 转换芯片ADS1286。AT89C51单片机根据ADS1286

4)在松开轴向锁定螺钉6时,螺钉不可松开过多,一般应控制在1/4～1/2圈内,以保证O形密封圈始终都处在压偏的密封状态下。

5　结语

可调偏心卡盘已在C620车床和曲柄磨床上使用,解决了695Q型柴油机曲轴等偏心件的生产问题。实践证明,使用效果良好。

参　考　文　献

1　顾维邦.金属切削机床概论[M].北京:机械工业出版社, 1991

2　陈万利.机械设备改装[M].北京:机械工业出版社,1997

3　陈永泰.机械制造技术实践.北京:机械工业出版社,2001

4　陆剑中.金属切削原理与刀具.北京:机械工业出版社,1999

作者通迅地址:湖南工学院(筹)西校区机械系(衡阳421101)

收稿日期:20050104

　交叉学科:机械工程/生物医学・艺术造型　

的工作要求产生控制A /D 转换的时序脉冲,并发送到ADS1286芯片。ADS1286芯片将输入的放大电压信号转换成数字信号并送入单片机。单片机通过串行通信的方式将数字信号送入微机,数据显示软件接收单片机发送的数字信号并将数字信号换算成电压信号,并把电压时间曲线在电脑上显示出来。通过观察随时间变化的电压的波动情况,可以分析管道微机器人运行过程中驱动力的变化情况。采集电路中,二级放大电路直接由开关电源提供±12V 工作电压,ADS1286由高精度基准源AD586提供5V 电压,AT89C51由三端稳压块7805提供电源

。

图2　采集电路原理框图

1.2　放大电路的设计

放大电路的设计主要由输入微小信号的特性和A /D 转换器的0～5V 输入范围决定

。由于管道微机

图3　放大电路原理图

器人驱动力的微弱性,经过传感器采集后其输出的电压一般是毫伏级甚至是微伏级,因此放大电路设计最基本的要求就是要有大的增

益。放大电路的原理如图3所示。

本放大电路采用两级放大的方式,并采用差分输入方式以减小外界干扰。第一级放大采用芯片I N A128进行放大,I N A128是一款精密度卓越的通用

型仪表放大器,只须配用一个外部电阻,其增益便可在

1～10000V /V 之间设定,其静态电流仅750μA 。I N A

的其他主要技术指标:5μV 的最大失调电压;0.5μV /℃的漂移,120dB 的高共模抑制,输入保护达±40V 。第一级放大倍数为500。第二级放大采用的是国产的高精度、低漂移OP07双极运算放大器,该级放大电路通过调节可调电阻的大小可以控制放大倍数的多少。整个放大电路的放大倍数就是两级放大倍数的乘积。1.3　A /D 转换为了将放大后的电压信号可以送入电脑进行计算、存储和显示,需要将电压模拟信号转换成数字信号。为保证系统精度,减少由于模数变换时引入的量化误差,应选用高分辨率的A /D 转换芯片。本电路使用的A /D 转换芯片是ADS1286,其为12位分辨率,

20kHz 采样频率,低功耗,工作电流仅为250

μA ,采用串行接口通信适合远距离信号传输。

单片机用来产生控制A /D 转换的时序脉冲信号,同时将输出的串行数字信号保存到单片机,并通过串行方式上传到微机进行分析处理。基于AT89C51控制器的I/O 口资源分配为:时序信号(DCLOCK )接P1.0,串行数据输出(D OUT )接P1.1,片选端(CS/SH 2I CN )接P1.2。

2　采集电路的软件设计

2.1　

单片机软件设计

图4　单片机工作流程

单片机主要为

ADS1286数模转换芯片提供转换脉冲时序,并接收ADS1286发送出来的数字信号和将数字信号发送到电脑显示。其具体工作

流程如图4所示。2.2　数据显示软件的设计

为了更好地对

采集电路放大转换后的电压信号进行分析,利用C ++builder 编写了数据显示软件,将电压时间曲线显示

出来。软件主要有接收单片机发送的数字信号、将数

字信号转换成模拟信号、显示电压时间曲线、显示当前电压值和存储图片等功能。该数据显示软件界面如图5所示

。

图5　数据显示软件界面

3　实验测试及数据处理

微小信号采集电路实验测试仪器选用:量程为

　交叉学科:机械工程/生物医学・艺术造型