高速数据采集系统信号调理电路的设计

合集下载

基于FPGA的高速数据采集系统的电路设计

＊收稿日期：ＯＯ０２２１一１ — ６
作者简介：建秋（９８，，东昌邑人，坊职业学院汽车工程系讲师。王１６一）男山潍
一
１ — ６
第４期
王建秋：于ＦＧＡ的高速数据采集系统的电路设计基Ｐ
通过对两个ＳＡＭ的交叉时序法的控制，ＤＲ来达到对两个ＳＲＡＭ“ Ｄ同时” 行数据的存储，而提高了原进进有单个的ＳＲＡＭ数据存储速率，ＡＤ经理论上的分析其系统的存储速率达到单个的ＳＤＲＡＡＭ数据存储
来描述其内部逻辑电路，于修改和升级。如果在高速数据采集系统中采用ＦＧ控制器，会极大地便ＰＡ将
提高系统的稳定性与可靠性。本文设计了一个基于ＦＧＡ的高速数据采集系统，其硬件电路部分进行Ｐ对
同，而保证了输入时钟和ＦＧ时钟以及ＳＲ从ＰＡＤＡＭ时钟之间的零延迟；ＰＣＱ０ＣＥ２８２８７具有８５２６个Ｌｓ３个ＲＡＭｌｃｓ１５８ＡＭｉ，８个内嵌的乘法器，个ＰＬ最大可使用１２个ＩＯ口，ｅ，６ｂｏｋ，６８８Ｒｂｔ１ｓ２Ｌ，８／多种
ＣｃｏｅＩ件的密度范围从４０Ｅ和１９０ｉＲｙｌｎ器Ｉ６８Ｌ１８８ｂｔＡＭ，６４６Ｅ和ｌ５００ｉＡＭ。Ｃｃｎ器到８１Ｌ１２０ｂｔＲｙｌｅＩｏＩ

基于可编程增益放大器的多路高速数据采集系统设计

维普资讯
煤矿现代化
２７０年第５０期
总第８期Ｏ
基于可编程增益放大器的多路高速数据采集系统设＂ｉｔ
安徽理工大学电气系吴居娟齐娟
摘
要
介绍了一种增益可编程的多路高速数据采集系统，系统以高速ＦＧ该ＰＡ为时序控制器来控制
２３ＡＤ转换电路．／
Ａ９３Ｄ４０是美国ＡＤ公司推出的一种１高速、低功耗２位ＡＤ转换器。它采用３３．Ｖ单电源供电，因而简化了系统电源设计。Ａ９３Ｄ４０片内自带的参考电压源和采样保持器使其在系统
数转换器（／，ＡＤ）通常采用增加ＡＤ的位数来扩大系统的动／态范围，但是ＡＤ的位数越高，价格也越昂贵，／其而且这种线
传感器采集的数据，频率一般都较低，为保证对信号的分析、断及处理的准确，判信号放大的无畸变传输尤为重要，其中滤波器的作用更为突出。在众多的有源滤波器中，唯有贝塞尔（ｅｅ）Ｂｓ１滤波器，ｓ在特定的频率范围内，有近似的线性时延或相位特性和较平坦的幅度特性，从而使贝塞尔滤波器在数
性区间之内，并尽可能使模拟输入量在１ＶＥ－ＲＦ之／ＲＦ一ＶＥ２间。解决这个问题的方法，就是对弱信号，采用高的放大倍数；
对强信号，采用低的放大倍数，据输入信号的量值自动选并根
择合适的增益或衰减倍数。
煤矿中数据采集系统采集的信号量特别多，而且系统还必须具有较高的采集速率，用普通的ＭＵ或ＤＰ以完成，ＣＳ难系统采用了现场可编程逻辑阵列（ＰＡ）ＦＧ作为时序控制器。ＦＧＰＡ具有Ｉ／Ｏ管脚多、运行速度快，而且可自由编程支配、定义其功能，将硬件的设计转化为软件设计，便于仿真、改和修

两千兆高速数据采集电路设计

技术创新电子设计您的论文得到两院院士关注两千兆高速数据采集电路设计The Design of an 2GSPS High Speed Data Acquizition System(中国石油大学北京)桑泉柯式镇钱步仁SANG Quan KE Shi-zhen QIAN Bu-ren摘要:本文采用美国国家半导体公司的高速双通道模数转换器(ADC08D1000),以及Altera 公司CycloneII 系列的FPGA (EP2C70F896C8)实现对双路信号的高速采样,每片ADC 通过交叉采样对每路信号的采样率达到2GSPS 。

本文着重介绍电路的设计,以及PCB 制版过程当中的技巧问题。

关键词:高速采集;LVDS;阻抗匹配;电源分割中图分类号:TP274+.2文献标识码:BAbstract:In this paper,a high speed dual ADC(ADC08D1000)produced by National Semiconductor and an FPGA (EP2C70F896C8)in CycloneII series of Altera are used to sampling two signals in the same time ,and each converter is interleaved to increased the sample rate up to 2GSPS.Here our emphases are on some tips on design of the cirsuit and PCB board.Key words:High speed acuizition;LVDS;Impedance matching;Spliting on power board文章编号:1008-0570(2010)04-2-0191-021高速ADC 芯片ADC08D1000ADC08D1000是美国国家半导体公司(National Semiconduc －tor)于近年推出的双通道、低功耗高速采样芯片,具有8位分辨率,单通道最高采样率达到1.3GHz 。

基于USB2.0的高速高精度数据采集系统模拟电路设计

ｃｉｒｃｕｉｔ，ｉｎ－ｄｅｐｔｈｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ＡＤＣｃｉｒｃｕｉｔｉｓｇｉｖｅｎａｎｄｋｅｅｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎａｃｃｕｒａｃｙｉｎ
杜改丽
（河南职工医学院河南郑州４５１１９１）摘要：为了满足数据采集系统对输入信号的高速高精度采集．本文重点介绍了模拟前端放大器件选型以及模拟前端信号调理电路的设计，深入的研究了影响数据采集精度的关键技术．给出了ＡＤＣ电路设计中提高和保持转换精度的
ＤＵＧａｉ — ｌｉ
（ＨｅｎａｎＭｅｄｉｃａｌｆｆｅ，０ｒＳｔａｆａｎｄＷｏｒｋｓ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５１１９１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｐｕｔｓｉｇｎａｌａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｍａｉｎｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅａｎａｌｏｇｆｒｏｎｔ－ｅｎｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｎａｌｏｇｒｆｏｎｔ－ｅｎｄｓｉｇｎａｌｄｉｓｐｏｓａｌ

基于FPGA的PXI高速数据采集系统设计

ｆ系统Ｉ
Ｉ时钟ｌ
输速率和稳定可靠的传输性能得到了越来越广泛的
Ａ采样时钟Ｄ
ＦＩＦＯ写入时钟
外部模拟
Ｉ
外部模拟
堙礁
厂
Ｆ ’ Ｌ—＾ＩＦＧＡ仆０＿ＰＩＴ２６３＿Ｄ７Ｖ３９ — ＥＦＯ０ｒＰ１Ｋ１
线的外部中断请求后，ＩＯ内存储的数据经由ＰＩＦＦＣ总线分时传送到主机中。
２１信号调理电路．
ＡＤ采样后的数字信号在ＦＦＩＯ写入时钟的驱动下
送入ＦＦ。当ＦＦＩＯＩＯ写人数据半满时，ＩＯ发送半ＦＦ
满信号给ＦＧＦＧＰＡ，ＰＡ收到半满信号后产生ＰＩＸ总
可达２Ｐ０ＭＳＳ。
种高性能的３／４位地址数据复用总线，２６支持突
发传输，Ｘ（向仪器系统的ＰＩＰＩ面Ｃ扩展）一种坚是固的基于ＰＣ的测量和自动化平台，Ｘ的数据传输ＰＩ速率的峰值于３Ｍｚ３ｉ总线上，达３Ｈ、２ｂｔ的可１２ＭＢｓ于６Ｈ、４ｂｔ的总线上则可高达３／；６Ｍｚ６ｉ５８Ｍ／，２Ｂｓ远高于ＧＩＰＢ与ＶＩ口的传输速率…。Ｘ接
器实现，在输入幅度为一２～＋的范围内时，２Ｖ输入的模拟信号经过运放缓冲后，接进入Ａ直Ｄ转换芯片进行模数转换，此时ＦＧＰＡ不控制继电器切换；
检测与仪表
化自化仪，０，７）０６工动及表２０３５：～１（６３

信号调理电路资料

摘要信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。

是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。

把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的数字信号。

但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等。

信号调理将把数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。

信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。

若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。

关键词：放大器，传感器，滤波，信号采集1设计任务描述1.1设计题目：信号调理电路1.2设计要求1.2.1设计目的（1）掌握传感器信号调理电路的构成，原理与设计方法（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法1.2.2基本要求（1）输出幅度在0-3V，线性反应输入信号的幅值（2）信号的频率范围在50Hz-10KHz（3）匹配的信号源一般复读在100mv，内阻10KΩ左右（4）匹配的负载在100kΩ左右，信号传输的损失尽量小1.2.3发挥部分（1）超出上下限的保护电路及指示（2）电桥信号采集（3）其他2设计思路这次我们小组课程设计的题目是信号调理电路。

信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

在初始阶段用一个电压跟随器来发出信号，利用一个电桥收集信号并发出差分电压，选择放大器与传感器正确接口，使放大器与传感器特性匹配，测量应变片传感器通常要通过桥网络，用高精度和非常低漂移(随温度)的精密电压基准驱动放大器A1。

这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。

因为共模电压大约为激励电压的一半，所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。

毕业设计--基于单片机的高速数据采集系统设计

目录1.绪论 (1)1.1 课题研究的意义 (1)1.2 数据采集技术的发展历程和现状 (1)1.3 本文的研究内容 (2)1。

4 系统设计涉及的理论分析 (2)2.系统设计 (4)2.1方案选择 (4)2。

2系统框图 (5)3.单元电路设计 (6)3.1信号调理电路 (6)3.2高速Ａ／Ｄ模块 (7)3。

3 FPGA模块设计 (8)3。

4MCU模块设计 (8)3.5数据采集通道总体原理图 (9)3.6硬件电路总体设计 (9)4。

软件设计 (10)4。

1 信号采集与存储控制电路工作原理 (10)4.2 信号采集与存储控制电路的FPGA实现 (11)4.3 原理图中的各底层模块采用VHDL语言编写 (12)4。

3。

1三态缓冲器模块TS8 (12)4.3。

2分频器模块fredivid (13)4.3.3地址锁存器模块dlatch8 (14)4。

3.4地址计数器模块addrcount (15)4.3.5双口RAM模块lpm_ram_dp (16)4.4 数据显示模块设计 (18)4。

4.1 主程序 (18)4。

4。

2 INT0中断服务程序 (19)4。

4.3 INT1中断服务程序 (19)4。

5软件仿真 (20)4.5.1三态缓冲器模块TS8 (20)4。

5.2分频器模块fredivid (20)4。

5。

3地址锁存器模块dlatch8 (20)4.5。

4地址计数器模块addrcount (21)5。

系统调试 (21)5.1 单片机子系统调试 (21)5。

2 FPGA子系统调试 (22)5.3 高速A/D模块的调试 (22)6 总结 (22)致谢 (22)参考文献 (23)附录 (25)高速数据采集系统设计摘要：随着数字技术的飞速发展，高速数据采集系统也迅速地得到了广泛的应用.在生产过程中，应用这一系统可以对生产现场的工艺参数进行采集、监视和记录，为提高生产质量，降低成本提供了信息和手段。

在科学研究中，应用数据采集系统可以获取大量的动态数据，是研究瞬间物理过程的有力工具，为科学活动提供了重要的手段.而当前我国对高速数据采集系统的研究开发都处于起步阶段,因此，开发出高速数据采集系统就显得尤为重要了。

信号调理电路

信号调理电路信号调理电路就是信号处理电路，把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的数字信号。

是指利用内部的电路，如滤波器、转换器、放大器等来改变输入的讯号类型并输出。

在实际应用中工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清。

信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟－数字转换器（ADC）的范围，从而提高测量精度和灵敏度。

此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号－噪声比。

2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。

这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。

衰减对于测量高电压是十分必要的。

3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。

除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。

4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。

多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。

5.过滤滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。

高速数据采集系统设计说明书

基于FPGA和SoC单片机的高速数据采集系统设计一．选题背景及意义随着信息技术的飞速发展，各种数据的实时采集和处理在现代工业控制和科学研究中已成为必不可少的部分。

高速数据采集系统在自动测试、生产控制、通信、信号处理等领域占有极其重要的地位。

随着SoC单片机的快速发展，现在已经可以将采集多路模拟信号的A/D转换子系统和CPU核集成在一片芯片上，使整个数据采集系统几乎可以单芯片实现，从而使数据采集系统体积小，性价比高。

FPGA为实现高速数据采集提供了一种理想的实现途径。

利用FPGA高速性能和本身集成的几万个逻辑门和嵌入式存储器块，把数据采集系统中的数据缓存和控制电路全部集成在一片FPGA芯片中，大大减小了系统体积，提高了灵活性。

FPGA 还具有系统编程功能以及功能强大的EDA软件支持，使得系统具有升级容易、开发周期短等优点。

二．设计要求设计一高速数据采集系统，系统框图如图1-1所示。

输入模拟信号为频率200KHz、Vpp=0.5V的正弦信号。

采样频率设定为25MHz。

通过按键启动一次数据采集，每次连续采集128点数据，单片机读取128点数据后在LCD模块上回放显示信号波形。

图1-1 高速数据采集原理框图三．整体方案设计高速数据采集系统采用如图3-1的设计方案。

高速数据采集系统由单片机最小系统、FPGA最小系统和模拟量输入通道三部分组成。

输入正弦信号经过调理电路后送高速A/D转换器，高速A/D转换器以25MHz的频率采样模拟信号，输出的数字量依次存入FPGA内部的FIFO存储器中，并将128字节数据在LCD模块回放显示。

图3-1 高速数据采集系统设计方案四．硬件电路设计1.模拟量输入通道的设计模拟量输入通道由高速A/D转换器和信号调理电路组成。

信号调理电路将模拟信号放大、滤波、直流电平位移，以满足A/D转换器对模拟输入信号的要求。

2.高速A/D转换电路设计五．FPGA模块设计本设计的数据缓冲电路采用FIFO存储器。

数据采集_设计实验报告

一、实验目的1. 理解数据采集系统的基本原理和组成；2. 掌握数据采集系统的设计方法和步骤；3. 学会使用数据采集设备进行数据采集；4. 分析和解读采集到的数据。

二、实验原理数据采集系统是指将各种物理量、化学量、生物量等转换成数字信号，并存储、处理和分析的系统。

它由数据采集器、信号调理电路、数据传输线路和数据处理软件等组成。

三、实验器材1. 数据采集器：采用USB接口的数据采集器，可连接计算机；2. 信号调理电路：包括放大器、滤波器等；3. 计算机及数据处理软件；4. 模拟信号源：提供不同的模拟信号；5. 连接线及电源。

四、实验步骤1. 数据采集器与计算机连接，打开数据处理软件；2. 设计信号调理电路，对模拟信号进行放大、滤波等处理；3. 将信号调理电路与数据采集器连接，并连接模拟信号源；4. 设置数据采集器参数，如采样频率、分辨率等；5. 采集模拟信号，并将数据保存到计算机；6. 对采集到的数据进行处理和分析。

五、实验内容1. 采集不同频率的正弦信号，分析频率与幅值的关系；2. 采集不同带宽的滤波信号，分析带宽与滤波效果的关系；3. 采集不同放大倍数的信号，分析放大倍数与信号幅值的关系；4. 采集不同温度下的热电偶信号，分析温度与电势的关系。

六、实验结果与分析1. 频率与幅值的关系：在信号源频率不变的情况下，采集到的正弦信号的幅值随放大倍数的增大而增大，符合正比关系；2. 带宽与滤波效果的关系：在信号源带宽不变的情况下，滤波器的带宽越大，信号中的噪声成分越少，滤波效果越好；3. 放大倍数与信号幅值的关系：在信号源幅值不变的情况下，采集到的信号幅值随放大倍数的增大而增大，符合正比关系；4. 温度与电势的关系：在热电偶温度不变的情况下，采集到的电势随温度的升高而增大，符合线性关系。

七、实验结论1. 数据采集系统是进行科学实验和工程应用的重要工具，具有广泛的应用前景；2. 在数据采集过程中，信号调理电路的设计对采集结果具有重要影响；3. 通过数据处理软件对采集到的数据进行处理和分析，可以得到有价值的实验结果。

基于PCI_1712的高速数据采集系统设计_李锦

通知功能接着调用ＤＲＶ＿ＦＡＩＤｍａＥｘＳｔａｒｔ（）函数启动ＤＭＡ高
速数据转换，由于调用了事件触发ＤＲＶ＿ＥｎａｂｌｅＥｖｅｎｔ（）函数，
所以当数据采样缓存半满或全满后会发送
ＡＤＳ＿ＥＶＴ＿ＢＵＦＣＨＡＮＧＥ事件，就需要及时取走数据，这时通过
ＤＲＶ＿ＦＡＩＣｈｅｃｋ（）函数来判断哪个缓存已经被填满，再调用
放大、滤波，并借助 PCI- 1 71 2 卡作为硬件采集平台，采用 C++ 高级语言在 C++ Bui lder 编程环境中对采集卡进行驱动和控
制，实现了声信号的高速采集、传输和存储。该系统可广泛应用于多种高速数据采集领域，具有良好的通用性和可扩展性。
关键词：PCI- 1 71 2；DMA；高速采样；C++ Bui lder
ＤＲＶ＿ＦＡＩＴｒａｎｓｆｅｒ（）函数将数据以ＤＭＡ方式传到用户缓冲
区，最后再保存到ＳＣＳＩ高速硬盘中。ＤＲＶ＿ＦＡＩＴｅｒｍｉｎａｔｅ（）函
数随时都可以中止采样操作。
（５）释放采样缓存、用户缓存和数据采集卡。当数据采集
和传输结束后，先通过ＧｌｏｂａｌＵｎＬｏｃｋ（）和ＧｌｏｂａｌＦｒｅｅ（）释
Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｄｒｉｖｅｔｈｅａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎｂｏａｒｄ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓａｃｏｕｓｔｉｃｓｉｇｎａｌ
ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄａｔａａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ，ｄａｔａｔｒａｎｓｆｅｒａｎｄｓｔｏｒａｇｅ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｇｅｎｅｒａｌｉｔｙａｎｄｅｘｐａｎｓｉｂｉｌｉｔｙ

有关信号采集功能中的信号调理的电路设计

采取一种全新的设计理念、方法，运用相关软件来实施一些简洁的设定，透过单片机来完成对光继电器的控制及数字电位器的调节，从而实现对不同信号的采集的功能
【关键词】信号采集；单片机；信号调理电路
采用的是三线制接法，消除了长距离传输时传输导线的电阻带来的误１．硬件设计采集过来的电阻值接在ＩＮ１、ＩＮ２两端ＩＮ２、ＩＮ３被三线制接法后短信号调理电路单路输入的硬件结构，包括信号输入、放大、单片机差。２．５ｖ基准电压此时加在热电阻及Ｒ８、Ｒ９上，变为毫伏级电压信号控制等几大部分信号输入电路由精密基准电源ＭＡＸ８７２、光继电器接．｜ＩＯ０输入３９０．２６１１时转换为约２９０ｍＶ左右的电压输出ＡＱＷ２１２Ｅ、运放４５０２及精密仪表开关电容模块ＬＴＣ１０４３等组成。其输入当为Ｐ（３）采集每个通道信号前还要采集两个不同的基准电压，实现仪中精密基准电源的使用一方面提升输入信号的电位，避免低电位测量Ｘ８７２输的时的干扰误差：另一方面作为一路检测电路其测量结果可以修正其它表存测量中的白校正功能电路中精密基准电源ＭＡ．５Ｖ电压经精密电阻Ｒ１（６６ｋ１￣１、Ｒ３（１９２ｋｆ￣）分后，将约为６４０ｍＶ左回路的检测结果．实现系统的在线自校正。ＭＡＸ８７２具有较宽的电压输２９２４１的０号电位器分压此时继电器ｓ４、ｓ５、Ｓ６断开，继电器入范围ｆ２．７～２０Ｖ）．输出精度可达２．５００Ｖ＋０．２％。ＬＴＣ１０４３ＣＮ是双精密右加在Ｘ３７合上。仪表开关电容．电容外接多用于精密仪表放大电路、压频转换电路和Ｐ２．软件设计采样保持电路等当内部开关频率被设定在额定值３００Ｈｚ时，软件部分所要完成的工作就是控制各光继电器的状态及设定数ＬＴＣ１０４３ＣＮ的传输精确度最高，此时电容器ｃｓ和ＣＨ大小均为１ ¨ Ｆ。９２４１中各数字电位器滑动端的位置本模块采用单片机控ＬＴＣ１０４３ＣＮ和运放ＬＴ１Ｏ１３组成差分单端放大器，采用ＬＴＣ１０４３ＣＮ为字电位器Ｘ差分输入的电压采样值电压保持在电容器ｃｓ上并送到接地参考电制．可与其它模块单片机或上位机进行通信信号类型的设定也可通容器ＣＨ中．而ＣＨ的电压送到ＬＴ１０１３的非反相输入端放大过扫描键盘或Ｉｃ卡完成确定了各路的信号类型后，对应不同的输入数字电位器Ｘ９２４１内部的４个电位器滑动端的数值不同，其中ＬＴＣ１０４３ＣＮ是通过电容完成电压的传输－ｆ吏电压由差分输入变为信号单端输入．并起到了很好的信号隔离作无线机车信号系统是用无线信决定放大倍数的电位器ＲＷ１ＲＷ２．ＲＷ３的数值ｎｌ，ｎ２，ｎ３可用下面计使得当信号输入为上限值时在ＬＴ１０１３的输出端得到约道方式代替轨道电路。传输行车信息的新型铁路信号系统它实现了算方法得到列车与地面之间的双向通信，列车可将其位置、速度等信息传给车站，为５００ｍＶ的输出电压算法为令ｎ１＝６３ＶｉＨ５００ｎ２＝／１１＋１【ＩｊｌＪ得到电阻同时车站也可将行车信号和命令传给列车，实现了对列车的闭环控制，ＲＷ３两端的电压Ｖ３＝５００Ｈ６３（ｒｎＶ）。不间断地跟踪、监控列车运行提高了列车运行的安全性无线机车信由ｖｉ＝（ｖ３Ｈ６３）ｎ３＋（５０ＯＨ６３）ｎ１得到ｎ３＝（６３ｘ６３Ｈ５００）・Ｖｉ一６３ｎｌ其号系统可分为２种类型： ①列车从一个车站到另一个车站的整个运行中ｖｉ为信号输入上限值时对应的ＬＴ１０ｌ３输出电值．．若采集８个通过程中都有机车信号显示，称为连续式无线机车信号用ＧＳＭ— Ｒ无线道．则需将２４个字节数据的电位器ＲＷ１，ＲＷ２，ＲＷ３的数值ｎ１，ｎ２，ｎ３另外还要保存８个字节的通道信号类型。当传输方式实现： ⑦列车从一个车站到另一个车站运行时只有在临近车顺序保存在本模块的中，～７八个通道时．根据不同的通道号．一方面从ＥＥＰＲＯＭ巾站地区才有机车信号．称为接近连续式无线机车信号，用普通数传电台巡回采集Ｏ即可实现青藏铁路就采用了接近连续式无线机车信号用在本设计取出Ｘ９２４１滑动端相应的数值通过总线写入Ｘ９２４ｌ数据寄存器巾，数中双电容的巧妙接法解决了热电阻的三线制输入问题据寄存器的内容可传输到滑动计数寄存器ＷＣＲ以设置滑动端的位放大电路由运放ＬＴ１０１３和数字电位器Ｘ９２４１Ｍ组成．放大增益置：另一方面从ＥＥＰＲＯＭ中取出该通道的信号类型根据信号类型控ＱＷ２１２Ｅ的开合状态．并将Ｘ９２４１的０号电位器ＲＷ由数字电位器Ｘ９２４１中二个数字电位器决定，使输入信号经过放大后制各光继电器Ａ均变为０～５００ｍＶ的电压信号满足模数转换器允许的电压输入范围置上合适的数值实现信号的正确输入及调理在没计中，电压、电流、热电偶、热电阻等多种类型的输入信号，完本部分电路仅完成信号输入是我们研制网络化智能仪表的一部分对于输入信号模数转换、数据处理、显示则由其它模块完成ｓ４、ｓ５、ｓ６成了对各种输入信号以及多种输入范围的高精度测量设汁巾器件传低端的测量是关键，它们影响着测量的精是控制一路输入的光继电器．采集该路信号时同时合上其他电路是所输信号的线性度与信号高、有通道信号输入的公共电路，只是根据输入信号的不同单片机改变其度．在小信号测量时注意提升电位大信号测量时注意电源的供给要在软件上做一些算法修正，这个信余光继电器的状态形成不同的输入电路具体可分为以下几种情况：留有余量通过选择精密的元器件（１）采集１～５ｖ电压信号时：继电器ＣＨ合上，Ｐ１１、ＳＩ、Ｐ３７断开，通号调理电路的线性度很好，而且通过白校正算法克服了零漂。过电阻Ｒ２、Ｒ４实现分压后变为０．２５～１．２５Ｖ的电压信号加在数字电位器Ｘ９２４１的０号电位器ｖ０的两端经过软件实现对该电位器的调节【参考文献】令其滑动端的数值为２５按２５Ｊ６３（电位器内共有６３个电阻单元组成［１］乔巍，杜爱玲，陈春，叶艽生高速数据采集系统信号渊理电路的没计ｌＪ１＿电子技的阵列１这样比例继续分压变为约１００～５００ｍＶ信号，加ＬＴＣ１０４３ＣＮ的术，２００３，（ｏ４）电容ｃｓ上．此时数字电位器Ｘ９２４１的其它３个电位器形成的放大倍ｆ２］应秀华，徐兵．一种光电编码器数字滤波电路的误计数原因探讨ｌＪｌｌ机床与液数应为１．才能保证在运放ＬＴ１０１３的输出端最大电压不超过５００ｍＶ；压，２００２，（Ｏ４）．『３］胡东源．ＧＳＭ— Ｒ／ＣＴＣＳ在中国铁路的应用与发展战略ｌＪＩ铁道通信信号．具体如何设置这３个电位器滑动端的数值见后面软件部分００３（１）．（２）采集热电阻信号时：继电器ｓＩ、Ｐ１１合上，ｃＨ、Ｐ３７断开。热电阻２

信号调理电路参数、adc采集频率、位数等参数。

信号调理电路参数、ADC采集频率、位数等参数在数字信号处理中扮演着重要的角色，对于数字信号的准确采集和处理起着至关重要的作用。

在本文中，我将从简到繁，由浅入深地探讨这些参数对数字信号处理的影响，帮助您更深入地理解这一主题。

一、信号调理电路参数1. 信号调理电路的增益信号调理电路中的增益是指输入信号与输出信号之间的比值。

增益的大小直接影响着信号的灵敏度和分辨率。

当增益过大时，会导致信号失真，影响ADC采集的准确性；而增益过小则会导致信号被噪音淹没，使得信噪比过低。

在设计信号调理电路时，需要根据具体的应用场景来合理设定增益。

2. 滤波器的设计滤波器在信号调理电路中起着关键作用，能够滤除掉频谱中不需要的成分，提高信号的质量。

根据信号的特点，可以选择不同类型的滤波器，如低通滤波器、高通滤波器等，来达到所需的信号处理效果。

3. 输入输出阻抗匹配为了最大限度地减小信号源和信号采集器之间的失配带来的误差和失真，需要在信号调理电路中进行输入输出阻抗的匹配。

这样可以有效地提高信号的传输效率，并减小信号的失真程度。

二、ADC采集频率1. 采样定理根据采样定理，信号的采样频率至少要是信号本身最高频率的两倍，才能够准确地还原原始信号。

在确定ADC的采集频率时，需要考虑被采集信号的频率范围，以及信号中所包含的有效信息。

2. 信号失真当采集频率过低时，会导致信号失真，从而影响信号的准确性。

需要根据具体应用需求来合理地设置ADC的采集频率，以充分保留信号的信息。

三、位数1. 位数与分辨率ADC的位数决定了其分辨率，位数越高，分辨率越高，可以更精细地表示被采集信号的大小。

在应用中，需要根据被采集信号的范围和精度要求来选择合适的位数。

2. 位数与存储空间位数的增加会导致采集数据的存储空间增大，因此需要在存储介质有限的情况下，权衡位数和存储空间之间的关系，以确保数据能够被有效地存储和处理。

总结回顾：在数字信号处理中，信号调理电路参数、ADC采集频率、位数等参数的合理设置对于数字信号的准确采集和处理至关重要。

信号调理电路的原理、功能

什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。

此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。

2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。

这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。

衰减对于测量高电压是十分必要的。

3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。

除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。

5 Gsps高速数据采集系统的设计与实现

5 Gsps 高速数据采集系统的设计与实现摘要：以某高速实时频谱仪为应用背景，论述了5 Gsps 采样率的高速数据采集系统的构成和设计要点，着重分析了采集系统的关键部分高速ADC(analog to digital，模数转换器)的设计、系统采样时钟设计、模数混合信号完整性设计、电磁兼容性设计和基于总线和接口标准(PCI Express)的数据传输和处理软件设计。

在实现了系统硬件的基础上，采用Xilinx 公司ISE 软件的在线逻辑分析仪(ChipScope Pro)测试了ADC 和采样时钟的性能，实测表明整体指标达到设计要求。

给出上位机对采集数据进行处理的结果，表明系统实现了数据的实时采集存储功能。

关键词：高速数据采集；高速ADC；FPGA；PCI Express 高速实时频谱仪是对实时采集的数据进行频谱分析，要达到这样的目的，对数据采集系统的采样精度、采样率和存储量等指标提出了更高的要求。

而在高速数据采集系统中，ADC 在很大程度上决定了系统的整体性能，而它们的性能又受到时钟质量的影响。

为满足系统对高速ADC 采样精度、采样率的要求，本设计中提出一种新的解决方案，采用型号为EV8AQ160 的高速ADC 对数据进行采样；考虑到ADC 对高质量、低抖动、低相位噪声的采样时钟的要求，采用AD9520 为5 Gsps 数据采集系统提供采样时钟。

为保证系统的稳定性，对模数混合信号完整性和电磁兼容性进行了分析。

对ADC 和时钟性能进行测试，并给出上位机数据显示结果，实测表明该系统实现了数据的高速采集、存储和实时后处理。

1 系统的构成高速数据采集系统主要包括模拟信号调理电路、高速ADC、高速时钟电路、大容量数据缓存、系统时序及控制逻辑电路和计算机接口电路等。

图1 所示为5 Gsps 高速数据采集系统的原理框图。

所用ADC 型号为EV8AQ160，8 bit 采样精度，内部集成4 路ADC，最高采样率达5 Gsps，可以工作在多种模式下。

一种应用于iepe传感器数据采集系统的调理电路设计

第３５卷㊀第２期２０２０年２月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀C h i n e s e J o u r n a l o fL i q u i dC r y s t a l s a n dD i s p l a ys ㊀㊀㊀㊀㊀V o l ．３５㊀N o ．２㊀F e b ．２０２０㊀㊀收稿日期:２０１９Ｇ０７Ｇ１１;修订日期:２０１９Ｇ１１Ｇ０２．㊀㊀基金项目:中央高校基本科研业务费中国民航大学专项(N o ．３１２２０１６U ００７)S u p p o r t e db y C e n t r a lU n i v e r s i t y B a s i cR e s e a r c hB u s i n e s sf e eC i v i lA v i a t i o n U n i v e r s i t y o fC h i n aS pe c i a l (N o ．３１２２０１６U ００７)㊀㊀∗通信联系人,E Ｇm a i l :r d l r ７８＠１６３．c o m文章编号:１００７Ｇ２７８０(２０２０)０２Ｇ０１４３Ｇ０８一种应用于I E P E 传感器数据采集系统的调理电路设计关㊀静１∗,全㊀超２,任亚莉３(１．中国民航大学中欧航空工程师学院,天津３００３００;２．天津航空机电有限公司,天津３００３００;３．陇东学院电气工程学院,甘肃庆阳７４５０００)摘要:为解决压电集成电路(I n t e g r a lE l e c t r o n i cP i e z o e l e c t r i c ,I E P E )传感器数据采集系统中采集的输出信号波动较大㊁不适合直接采集的问题,设计了一种应用于I E P E 传感器数据采集系统的调理电路.在调理电路的设计中运用了微功耗电源电路㊁低功耗可程控前端信号调理电路以及高精度模数转换电路,并将F P G A (F i e l d ＧP r o g r a mm a b l eG a t eA r r a y)运用到整个I E P E 传感器数据采集系统设计当中,增进了其操作的便利性以及工作的稳定性.实验结果显示,I E P E 传感器数据采集系统具有更高的数据采集精度以及更低的电功率耗损值,该数据采集系统具有较强的实践可行性.关㊀键㊀词:压电集成电路;数据采集系统;调理电路中图分类号:T N ９５㊀㊀文献标识码:A㊀㊀d o i :１０．３７８８/Y J Y X S ２０２０３５０２．０１４３D e s i g no f a c o n d i t i o n i n g c i r c u i t a p p l i e d t o IE P Es e n s o r d a t a a c q u i s i t i o n s ys t e m G U A NJ i n g １∗,Q U A N C h a o ２,R E N Y a Ｇl i ３(１．S i n o ＧE u r o p e a nI n s t i t u t e o f A v i a t i o nE n gi n e e r s ,C i v i lA v i a t i o nU n i v e r s i t y o f C h i n a ,T i a n ji n ３００３００,C h i n a ;２．T i a n j i nA v i a t i o nE l e c t r o m e c h a n i c a lC o ．,L t d ．,T i a n ji n ３００３００,C h i n a ;３．C o l l e g e o f E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ,L o n g d o n g U n i v e r s i t y ,Q i n g y a n g ７４５０００,C h i n a )A b s t r a c t :I no r d e r t o s o l v e t h e p r o b l e mt h a t t h e o u t p u t s i g n a l c o l l e c t e d i n t h e I E P Es e n s o r d a t a a c qu i Ｇs i t i o n s y s t e mf l u c t u a t e s g r e a t l y a n di sn o ts u i t a b l ef o rd i r e c ta c q u i s i t i o n ,ac o n d i t i o n i n g ci r c u i t f o r I E P Es e n s o r d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mi s d e s i g n e d ．I n t h e d e s i g n o f c o n d i t i o n i n g c i r c u i t ,t h em i c r o Ｇpo w e r s u p p l y c i r c u i t ,l o w Ｇp o w e r p r o g r a mm a b l e f r o n t Ｇe n ds i g n a l c o n d i t i o n i n g c i r c u i t a n dh i g h Ｇpr e c i s i o na n a Ｇl o g Ｇt o Ｇd i g i t a l c o n v e r s i o n c i r c u i t a r e u s e d ,a n dF P G A i s a p p l i e d t o t h ew h o l e i n t h e d e s i gn o f I E P Es e n Ｇs o r d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m ,t h e c o n v e n i e n c e o f o p e r a t i o na n d t h e s t a b i l i t y ofw o r ka r e e n h a n c e d ．T h et e s t r e s u l t s s h o wt h a t t h e I E P Es e n s o r d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mh a s h i g h e r d a t a a c q u i s i t i o n a c c u r a c y a n d l o w e r e l e c t r i c p o w e r l o s s v a l u e．T h e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mh a s s t r o n gp r a c t i c a l f e a s i b i l i t y．K e y w o r d s:p i e z o e l e c t r i c i n t e g r a t e d c i r c u i t;d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m;c o n d i t i o n i n g c i r c u i t１㊀引㊀㊀言㊀㊀I E P E是一种集成电路式压电传感器,由于具备优异的性能,在近几年的发展当中,常常被人们用来测量航天及建筑等领域的振动冲击数值[１],但I E P E不适合运用直接采集的方式来获取信号[２].为了使I E P E传感器能够获得精确度较高的信号采集数据值,相关研究人员根据其信号输出的特点,有针对性地设计了具备参数可编程性的调理电路和转换电路[３].此外,一些手持式设备仪器往往需要具备便携功能,在长时间使用状态中利用蓄电池来为电源提供能量[４].为了使这类便携式设备仪器具备高精度信号采集数值,需要对其续航能力进行提升,以便其在使用过程当中呈现低能耗状态[５],从而延长使用时间.经相关调查,目前市面上的这类数据采集系统大多数都运用单片机作为主控芯片,因而数据采集系统普遍在数据处理的速度方面不具备实效性及连续性,在设备的续航能力以及数据采集精度上也无法满足实际需求[６].为了实现上述目标,采用F P G A[７Ｇ１０]作为系统主控芯片,这种设计方式能使数据采集系统在续航能力以及数据采集精度方面得到大幅性能提升,同时由于I/O口数量的增加,在复杂情形下系统能够通过连接更多外设来解决问题,具备较高的可靠性.２㊀系统方案设计本研究的系统设计方案包括３个方面:前端信号调理电路设计;高精度模数转换电路设计;低能耗电源电路设计.详细设计体系如图１所示.在本系统的主控器选择方面,为了使其具备较好的续航能力[１１],采用了能耗数值较低的微型器件A G L N２５０.在系统运行时,上位机会对系统下发相应的指令,此时作为主控芯片的F P G A 会接收此指令,并以此来调配前段调理电路各模块的配置,其中具体的设定信息包括接口通断㊁采样率㊁放大倍数以及截止频率.当完成上述配置设定以后[１２],模数转换电路会将以上信息转换为数字信号.在经过相应的处理和储存措施以后,为下一步的数据上传提供便利.图１㊀系统总体框图F i g．１㊀O v e r a l l b l o c kd i a g r a mo f t h e s y s t e m３㊀硬件电路设计３．１㊀前端信号调理电路硬件设计前端调理电路的模块构成,共分为以下４个部分:恒流源接口模块;程控衰减放大模块;低通滤波模块;电压跟随模块.其中接口模块会在传感器与数据采集系统之间起到连接作用[１３],不仅能够为传感器提供符合其需求的电流数值,还能够将其输出的模拟电压值与数据采集系统进行连接.程控衰减放大模块会对振动信号进行衰减调整,将其从原始数值(０５~２３．５V)调整到适宜输出的数值范围(０~２．５V)内.为了实现系统的低能耗性,衰减模块在电路设计方面采用了低功率的同相比例电路.此外,由于此种电路类型在带负载能力上也具备较优异性能[１４],保证了信号传输过程中的稳定性及相位一致性.本研究在设计中运用的双路运算放大器L T１６３８,其中一路用来进行衰减作用实现,另外一路用来进行跟随作用实现,各部分的外围电阻精度均保持一致数值０．１％.其中衰减模块的具体硬件电路情况如图２所示.当系统中的电压信号经过衰减模块的处理之后,会接着进入到程控放大模块进行调配处理.当信号状态调配到能够与A/D采集匹配时,可作为有效信号进行输入.为了能够使此模块具备较强的抗干扰能力,提升信号精确值,在此模块采用低通滤波器MA X７４２４.此外,为了能够有效实４４１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀图２㊀衰减电路硬件原理图F i g．２㊀A t t e n u a t i o n c i r c u i t h a r d w a r e s c h e m a t i c 现程控衰减模块与转换电路模块的阻抗匹配,在模块进行A/D采集之前还运用了基于精准运算放大器O P A３６５的电压跟随模块.其具体原理情况如图３所示.图３㊀硬件电路原理框图F i g．３㊀P r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo f h a r d w a r e c i r c u i t ３．２㊀电源电路硬件设计在续航能力环节,电源电路部分的设计是实现能耗性能优异的关键.其中供电数值范围采用９~１５V,并依据各模块电路的实际需求,在低能耗前提下设计相应的电压转换电路.其中各电路的电压供给均由具备低能耗以及微小封装优势的电压基准芯片L T６６６０提供[１５].这种基准芯片有利于缩减P C板所占用的实际空间.同时为了兼顾能耗性以及空间性,在基准芯片L T６６６０导向下为系统提供了一种具备可行性的电流设计方案,其具体原理情况如图４所示.图４㊀基于L T６６６０的无限流供电方式F i g．４㊀I n f i n i t e c u r r e n t s u p p l y b a s e do nL T６６６０为了解决I E P E传感器输出电压信号幅值较高的问题[１６],在进行输入电压数值设定时进行了相应调整,运用了具备纤巧型封装的L T３４９４使其供电电压数值提高到２５V. L T３４９４不仅在电压供给方面具备较强的稳定性,还能保证系统运行的低能耗性以及系统数据采集的精确性[１３].本研究以电压数值需求为导向,进行相应的外围电阻值计算,其具体硬件电路情况如图５所示.图５㊀基于L T３４９４的２５V电压供电F i g．５㊀２５V p o w e r s u p p l y b a s e do nL T３４９４３．３㊀模数转换电路硬件设计在本文设计的模数转换电路当中,为了使数据采集具备较高精确性,采用了１６位高精度模数转换器A D S８３２９,同时为了使系统运用具备较强的续航能力,采用了低能耗微型控制器A G L N２５０.其硬件具体原理情况如图６所示.图６㊀模数转换硬件原理图F i g．６㊀A n a l o gＧt oＧd i g i t a l c o n v e r s i o nh a r d w a r e为了避免输入信号当中存在干扰因素,对模数转换器产生影响效应,在此部分充分运用了A/D有效位的功能[１７].首先在信号输入端纳入一阶无源低通R C滤波器进行使用,其次在构成方面采用电阻数值相同的两个２０Ω电阻以及一个电容数值为４７０p F的电容器.在本电路的供电电压数值选取方面,采取能够提高系统精确度的模拟电压数值＋５V.在参考电压５４１第２期㊀㊀关㊀静,等:一种应用于I E P E传感器数据采集系统的调理电路设计数值设定方面,采用具有稳定性且能耗性较低的L M ４０４０.当系统处于非自动运行模式时,主控芯片F PG A 会进行配置实施,其后在E O C 反馈信号导向下,通过C O N V E S T 引脚控制对A /D 采样率进行配置设定.当以上设定步骤实施完毕后,转换数据会在触发作用下通过S D O 引脚串行将数据传送给主控芯片F P G A .４㊀仿真与测试分析４．１㊀滤波仿真结果分析为了对设计的系统数据采集精确度进行精准评估,运用仿真软件F i l t e r C A D 对系统的幅频特性进行检测.经过数据的详细分析,再将其与计算数据对比,发现其数值结果误差性几乎为０,仿真效果较好,能够满足数据采集的高精度需求.图７㊀幅频特性分析F i g ．７㊀A m p l i t u d e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c a n a l ys i s 经过上述数据的精确度测试之后,还需要对设计系统的信号抗干扰能力进行分析验证,采用仿真软件L T s p i c e 对其进行验证实施.首先在选定频率为４０k H z 的有用信号中加入１６０k H z 的干扰信号,再比较经过滤波作用前后的信号数值,其具体数值情况如图８所示.从图８仿真频谱图可以看到,有信号的数值误差范围在可接受范围内,纳入的干扰信号在经过滤波作用以后,也明显实现了衰减作用和幅度分量的数值要求.将其与计算数据进行比对,其数值结果误差性几乎为０,仿真效果较好,同样能够满足数据采集的高精度需求.４．２㊀滤波电路的测试及校准在滤波电路传输带宽的测试环节中,采用两种仪器对其进行测试,分别是扫频仪和频谱仪.图８㊀利用L T s pi c e 工具仿真F F T 频谱图F i g ．８㊀S i m u l a t i o no fF F Ts p e c t r u m w i t hL T s pi c e 首先设定扫频仪的输入信号条件,使其信号范围在１~８０k H z 之间,其后需要利用频谱仪对输出信号进行幅频特性测试.根据测试结果得知,信号幅值与频率之间存在负相关关系.为了验证滤波器截止频率是否存在理论值和实际数值之间的误差,利用频谱仪对上述电路进行了实际数值方面的检测,其具体数据如表１所示.表１㊀滤波器的参数测量T a b ．１㊀M e a s u r e m e n t p a r a m e t e r s o f t h e f i l t e r 理论值/k H z实际值/k H z误差率/％１１．０２０．０２５５．０３０．０３１０１０．０８０．００５２０２０．１３０．００８３０３０．２８０．０１２４０４０．４２０．０１１由表１数据可知,滤波器截止频率在实际值与理论值之间的误差范围满足本文设计方案的需求.按照系统设计方案的需求,将系统运行的截止频率调节到最大数值４０k H z ,使用高精度万用表对滤波电路的直流信号进行幅值初次校准,其误差范围数值没达到理想状态.为了对数据精确性进行提升处理,采取数据拟合的方式对其进行相应标定.在拟合处理步骤当中进行直线拟合,并设定其拟合方程式为y ＝k x ＋b ,在软件的运行下进行直流偏置消除,利用MA T L A B [１８Ｇ１９]对数据进行线性拟合处理,如图９所示,并将结果导入表２.６４１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀图９㊀MA T L A B 拟合直线F i g ．９㊀F i t t i n gl i n ew i t h MA T L A B 表２㊀滤波器的测试校准T a b ．２㊀M e a s u r e m e n t c a l i b r a t i o no f t h e f i l t e r 输入值/m V 输出值/m V 实际精度/％拟合后输出/m V 校准后精度/％４９．８６１．６２３５４９．８８０．４６９９．８１１２．０１２３９９．５６０．６９１４９．７１６３．４８６１４９．８６０．２１２００２１４２６８２００．０１０．２３２９９．８３１３．８４８．９３００．１３０．０８５００．０５１７．３３２５００．２００．１７６００．２６２０．１３０６０１．１２０．９３９０１．１９２３．７２５９０２．０６０．９４２００１．５２０３７．９１１８２００１．７８０．０９３００２．５３０５１．２１５．８３００３．２９０．２５由表２的数据结果可知,经过软件拟合作用后的数据,在测量精度上确实得到了有效提升,因此,利用拟合作用的数据精度提升方案具备实践可行性.４．３㊀高精度前端调理电路测试在主控芯片对系统各模块数值进行相应的配置设定后,随即进行正弦输入信号的数值调节处理,将其幅值调节为４V ,偏置调节为２．５V ,并在不同的输入频率数值下进行输入环节与输出环节间时域关系的测试,具体情况如图１０所示.图１０㊀不同输入频率下的输入输出时域图F i g ．１０㊀I n p u ta n do u t p u t t i m ed o m a i nd i a gr a m sa t d i f f e r e n t i n p u t f r e qu e n c i e s 对图１０的时域图数据结果分析可知,此系统的前段调理电路部分在不同信号频率下,无论是在衰减模块的减值测试中,还是在滤波器的抗干扰能力测试中,其数据结果都同时呈现出较为优异的精确性能,各项数据在理论数值与实际数值的比对分析中误差范围程度都较小.因此,可以判定本文在调理电路设计部分实现了高精度的数据采集功能.４．４㊀系统整体精度测试通过主控芯片F P G A 将A /D 采样率数值调节为最低数值２００k H z ,并将系统运行模式设定为非自动模式.为了对位于０~２３．５V 输入幅值范围内的直流信号采集精确度做出分析验证,在信号源方面采用电源P A N Ｇ３５,利用c h i p s c o p e 工具对输出信号A /D 的采样数值进行即时获取,并将获取的实际数值进行平均化处理,最终数据结果如表３所示.表３㊀A /D 直流信号采集精度测试结果T a b ．３㊀R e s u l t s o fA /DD Ca c q u i s i t i o na c c u r a c y传感器输出/V 调理电路输出/V转换后数字量转换后模拟量/V标定后输出/V 标定后误差/％１．４５４０．１５２６４．０６２０．１５６０．１４５２０．１５２．９６６５０．３０３６６８．０４１０．３０６６０．２９８０．１２４．９１５０．４９８５１３１３２０．５０２０．４９１４０．０７７４１第２期㊀㊀关㊀静,等:一种应用于I E P E 传感器数据采集系统的调理电路设计续㊀表传感器输出/V调理电路输出/V转换后数字量转换后模拟量/V标定后输出/V标定后误差/％７．０８８１０．７１５８１１８８４２０．７１８９０．７０９２０．０５９．９５３１．００２３２６３４６１．００６０．９９５４０．０２１２．４１３１．２４８３３２８０１．２５１５１．２４１８０．０３１５．６１８１．５６８８４１１８４１．５７２１．５６１４０．０５１７．４９６１１．７５６６１４６１２９１．７５９７１．７４９８０．０３２０．１６４２．０２３４５３１１１２．０２７２．０１６２０．０２２３．６１２２．３６８２６２１５５２．３７２２．３６１４０．０２㊀㊀根据表３显示的数据结果可知,系统调理和转换模块的数据结果均与传感器的实际输出数值存在差异,为了实现对上述两模块数据精度的提升,依旧采用标定拟合方法对数据进行精确性能提升,根据表３记载的标定后数据情况,可知数据误差范围已经达到精度要求范围(０．１５％以下).４．５㊀功耗测试为了对本文设计系统的实际续航能力进行深度了解,需要对其能耗性能进行测试,具体测试内容主要包括对系统主电路模块以及各部分电路模块进行不同运行状态下的能耗测试.一是静态能耗测试,此时整个系统电路还没有经过主控芯片F P G A的配置设定环节,并且也没有相应的信号输入;二是动态能耗测试,此时系统电路正处于正常工作状态,各部分已经通过主控芯片F P G A的设定配置.整个测试环节的供电设施采用电源P A NＧ３５,供给电压数值为１２V.测试环节的流程顺序依据表４测试内容依次进行.首先对主电路模块两种运行状态下的能耗情况进行测试,随后进行调理电路运行状态下的能耗测试,再将上述能耗数值在对应状态下进行相减,得到单一模块运行状态下的能耗情况.在其后的测试环节中,也运用上述测试方法,将具体测试数据结果录入表４.㊀㊀据表４数据结果可知,整个系统在不同运行状态下的能耗数值均维持在较低范围内,本文设计的电路系统具备较强的续航能力.表４㊀各模块及整体功耗测试T a b．４㊀E a c hm o d u l e a n d t h ew h o l e p o w e r c o n s u m p t i o n t e s t 测试内容静态功耗/mW工作功耗/mW 电源电路模块３５５５调理电路模块３０５０A/D与F P G A主控模块３５５０整体测试９５１５５５㊀结㊀㊀论本文设计的数据采集系统与传统数据采集系统相比,具有下列优势:(１)系统内各参数,如放大倍数㊁截止频率㊁采样率等均具备可调控性,这有利于系统进行数据采集活动,较强的灵活性也使得系统硬件设计的难度及成本降低.(２)采集系统在软件和硬件方面都提升了数据的测试精度. (３)具备较强的续航能力,无论处于何种运行状态下,都能够实现较低的能耗.参㊀考㊀文㊀献:[１]㊀李科,陈紫强,谢跃雷．基于F P G A的多通道实时地震勘探采集系统设计[J]．现代电子技术,２０１８,４１(９):２４Ｇ３０．L IK,C H E NZQ,X I EYL．D e s i g n o fm u l t iＧc h a n n e l r e a lＧt i m e s e i s m i c e x p l o r a t i o n a c q u i s i t i o n s y s t e mb a s e d o nF PＧG A[J]．M o d e r nE l e c t r o n i c sT e c h n i q u e,２０１８,４１(９):２４Ｇ３０．(i nC h i n e s e)[２]㊀卢振国,王红亮,胡晓峰．种通道可扩展的堆叠式数据采集系统设计[J]．中国测试,２０１８,４４(３):９１Ｇ９６．L UZG,WA N G H L,HU XF．D e s i g no f c h a n n e l s c a l a b l e a n d s t a c k e dd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m[J]．C h i n a M e a sＧ８４１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀u r e m e n t&T e s t i n g T e c h n o l o g y ,２０１８,４４(３):９１Ｇ９６．(i nC h i n e s e )[３]㊀袁小康,焦新泉,储成群,等．振动传感器信号调理电路设计及分析[J ]．测试科学与仪器,２０１８,９(２):１７４Ｇ１７９．(i nE n gl i s h )Y U A N X K ,J I A O X Q ,C HU C Q ,e t a l ．D e s i g na n da n a l y s i so f s i n g a l c o n d i t i o n i n g c i r c u i t f o rv i b r a t i o ns e n s o r [J ]．J o u r n a l o f Me a s u r e m e n t S c i e n c e a n dI n s t r u m e n t a t i o n ,２０１８,９(２):１７４Ｇ１７９．[４]㊀Z HA N G RL ,G UFS ,MA N S A FH ,e t a l ．G e a rw e a rm o n i t o r i n g b y m o d u l a t i o n s i g n a l b i s p e c t r u mb a s e d o nm o t o r c u r r e n t s i g n a l a n a l y s i s [J ]．M e c h a n i c a lS y s t e m s a n dS i g n a lP r o c e s s i n g ,２０１７,９４:２０２Ｇ２１３．[５]㊀Y A OZ ,L I A N G T ,J I A P G ,e t a l ．Ah i g h Ｇt e m p e r a t u r e p i e z o r e s i s t i v e p r e s s u r e s e n s o rw i t ha n i n t e g r a t e ds i g n a l Ｇc o n d i t i o n i n g ci r c u i t [J ]．S e n s o r s ,２０１６,１６(６):９１３．[６]㊀B A OS ,Y A N H R ,C H IQP ,e t a l ．F P G A Ｇb a s e d r e c o n f i g u r a b l e d a t a a c q u i s i t i o n s y s t e mf o r i n d u s t r i a l s e n s o r s [J ]．I E E E T r a n s a c t i o n s o nI n d u s t r i a l I n f o r m a t i c s ,２０１７,１３(４):１５０３Ｇ１５１２．[７]㊀王向军,张继龙,阴雷．光流法运动估计在F P G A 上的实现与性能分析[J ]．光学精密工程,２０１９,２７(１):２１１Ｇ２２０．WA N G XJ ,Z HA N GJL ,Y I NL ．I m p l e m e n t a t i o na n d p e r f o r m a n c e a n a l y s i s o f o p t i c a l f l o wb a s e dm o t i o ne s t i m a Ｇt i o no nF P G A [J ]．O p t i c s a n dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g ,２０１９,２７(１):２１１Ｇ２２０．(i nC h i n e s e )[８]㊀张恒,马庆军,王淑荣．紫外遥感仪器高速C MO S 成像电子学系统[J ]．光学精密工程,２０１８,２６(２):４７１Ｇ４７９．Z HA N G H ,MA QJ ,WA N GSR．H i g h s p e e dC MO S i m a g i n g e l e c t r o n i c s s y s t e mf o r u l t r a v i o l e t r e m o t e s e n s i n gi n Ｇs t r u m e n t [J ]．O p t i c s a n dP r e c i s i o nE n g i n e e r i n g ,２０１８,２６(２):４７１Ｇ４７９．(i nC h i n e s e )[９]㊀陈洋君,吴志勇,崔明,等．基于MA X ９２５９/MA X ９２６０的C a m e r a L i n k 图像数据光纤传输技术[J ]．中国光学,２０１８,１１(６):１０１７Ｇ１０２３．C H E N YJ ,WUZY ,C U IM ,e t a l ．C a m e r a L i n k i m a g ed a t a f i b e r t r a n s m i s s i o n t e c h n o l o g y b a s e do n MA X ９２５９/MA X ９２６０．E d i t o r i a l C o mm i t t e e o fC h i n e s eO pt i c s ,２０１８,１１(６):１０１７Ｇ１０２３．(i nC h i n e s e )[１０]㊀刘明,邓军,冯献飞,等．高灵敏度空间点目标探测系统设计[J ]．中国光学,２０１８,１１(１):１１５Ｇ１２２．L I U M ,D E N GJ ,F E N G XF ,e t a l ．D e s i g no f h i g h l y s e n s i t i v e s p a c e p o i n t t a r g e t d e t e c t i o n s ys t e m．[J ]．C h i n e s e O pt i c s ,２０１８,１１(１):１１５Ｇ１２２．(i nC h i n e s e )[１１]㊀K H E D K A RA A ,K HA D ER H．H i g h s p e e dF P G A Ｇb a s e dd a t a a c q u i s i t i o n s y s t e m [J ]．M i c r o pr o c e s s o r s a n d M i c r Ｇo s y s t e m s ,２０１７,４９:８７Ｇ９４．[１２]㊀张根苗,李斌,王群,等．基于F P G A 的高精度数字程控直流变换器设计[J ]．电子技术应用,２０１７,４３(１１):１３９Ｇ１４２,１４６．Z HA N G G M ,L I B ,WA N GQ ,e t a l ．D e s i g n o f a h i g h p r e c i s i o n d i g i t a l p r o g r a mm a b l eD Cc o n v e r t e r b a s e d o nF P ＧG A [J ]．A p p l i c a t i o no f E l e c t r o n i cT e c h n i qu e ,２０１７,４３(１１):１３９Ｇ１４２,１４６．(i nC h i n e s e )[１３]㊀李尚斌,林永峰,樊枫．倾转旋翼气动特性风洞试验与数值模拟研究[J ]．工程力学,２０１８,３５(６):２４９Ｇ２５６．L I SB ,L I N YF ,F A NF ．T h e r e s e a r c ho f a e r o d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t i l t r o t o r u s i n g wi n d t u n n e l t e s t a n dn u Ｇm e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d s [J ]．E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ,２０１８,３５(６):２４９Ｇ２５６．(i nC h i n e s e )[１４]㊀童一飞,王红亮．低功耗I E P E 传感器数据采集系统的设计与实现[J ]．电测与仪表,２０１９,５６(５):１０１Ｇ１０４,１１８．T O N G YF ,WA N G H L ．D e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no f l o w Ｇp o w e r I E P Es e n s o r d a t a a c q u i s i t i o n s ys t e m [J ]．E Ｇl e c t r i c a lM e a s u r e m e n t&I n s t r u m e n t a t i o n ,２０１９,５６(５):１０１Ｇ１０４,１１８．(i nC h i n e s e)[１５]㊀郭广阔,黄春跃,吴松,等．基于H F S S 的埋入式电容串扰分析[J ]．电子元件与材料,２０１４,３３(４):６０Ｇ６３．G U O G K ,HU A N GCY ,WUS ,e t a l ．A n a l y s i s o f c r o s s t a l k o f t h e e m b e d d e d c a pa c i t o r sb a s e d o nH F S S [J ]．E Ｇl ec t r o n i cC o m p o n e n t s&M a t e r i a l s ,２０１４,３３(４):６０Ｇ６３．(i nC h i n e s e )[１６]㊀曾贵伟,汤宝平,邓蕾,等．机械振动无线传感器网络节点高精度数据采集方法[J ]．振动与冲击,２０１６,３５(１６):５９Ｇ６３,７１．Z E N G G W ,T A N GBP ,D E N GL ,e t a l ．Ah i g h p r e c i s i o nm e t h o d f o rm e c h a n i c a l v i b r a t i o n d a t a a c qu i s i t i o nb a s e d o nw i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k sn o d e [J ]．J o u r n a l o f Vi b r a t i o na n dS h o c k ,２０１６,３５(１６):５９Ｇ６３,７１．(i nC h i n e s e )[１７]㊀C HA N D A N A M ,M E R V I NJ ,S E L V A K UMA R D．P o w e r i n t e g r i t y a n a l y s i s f o rh i g h p e r f o r m a n c ed e s i gn [C ]//P r o c e e d i n g s o f ２０１５I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o nC o n t r o l ,E l e c t r o n i c s ,R e n e w a b l eE n e r g y an dC o mm u n i c a t i o n s ．B a n d u n g,I n d o n e s i a :I E E E ,２０１５:４８Ｇ５３．[１８]㊀许燚赟,董科研,安岩,等．离焦对激光通信接收视场的影响分析[J ]．中国光学,２０１８,１１(５):８２２Ｇ８３１．９４１第２期㊀㊀关㊀静,等:一种应用于I E P E 传感器数据采集系统的调理电路设计X U Y Y ,D O N G K Y ,A N Y ,e t a l ．A n a l ys i s o f t h e i n f l u e n c e o f d e f o c u s o n t h e f i e l d o f v i e wo f l a s e r c o mm u n i c a Ｇt i o n r e c e p t i o n [J ]．C h i n e s eO p t i c s ,２０１８,１１(５):８２２Ｇ８３１．(i nC h i n e s e )[１９]㊀张家齐,张立中,董科研,等．二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术[J ]．中国光学,２０１８,１１(４):６４４Ｇ６５３．Z HA N GJQ ,Z HA N GLZ ,D O N GK Y ,e t a l ．C o a r s e t r a c k i n g t e c h n o l o g y o f s e c o n d a r y i m a g i n g c o u d e Ｇt y pe l a s e r c o mm u n i c a t i o n t e r m i n a l [J ]．C h i n e s eO p t i c s ,２０１８,１１(４):６４４Ｇ６５３．(i nC h i n e s e )作者简介:㊀关㊀静(１９７７－),女,辽宁锦州人,博士,副教授,２００８年于东北大学获得博士学位,主要从事传感器数据采集㊁电路设计㊁电路信号㊁数学模型与最优化研究.E Ｇm a i l :r d l r ７８＠１６３．c o m０５１㊀㊀㊀㊀液晶与显示㊀㊀㊀㊀㊀㊀第３５卷㊀。

ADC0809_多路数据采集和控制系统设计

1. 设计目的本设计包括确定控制任务、系统总体设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，使学生进一步学习理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能。

2. 设计内容设计一由微机控制的A/D数据采集和控制系统，该卡具有对八个通道上0-5V的模拟电压进行采集的能力，且可以用键盘选择装换通道，选择ADC0809 作为A/D转换芯片。

并在显示器上动态显示采集的数据。

3. 设计要求（1）根据题目要求的指标，通过查阅有关资料，确定系统设计方案，并设计其硬件电路图。

（2）画出电路原理图，分析主要模块的功能及他们之间的数据传输和控制关系。

（3）用protel软件绘制电路原理图。

（4）软件设计，给出流程图及源代码并加注释。

4. 系统总体设计步骤第一步：信号调理电路第二步：8路模拟信号的产生与A/D转换器被测电压要求为0~5V的直流电压，可通过电位器调节产生。

考虑本设计的实际需要，我选择八位逐次比较式A/D转换器（ADC0809）。

第三步：发送端的数据采集与传输控制器第四步：人机通道的借口电路第五步：数据传输借口电路用单片机作为控制系统的核心，处理来之ADC0809的数据。

经处理后通过串口传送，由于系统功能简单，键盘仅由两个开关和一个外部中断组成，完成采样通道的选择，单片机通过接口芯片与LED数码显示器相连，驱动显示器相应同采集到的数据。

串行通信有同步和异步两种工作方式，同步方式传送速度快，但硬件复杂；异步通信对硬件要求较低，实现起来比较简单灵活，适用于数据的随机发送和接受。

采用MAX485芯片的转换接口。

经过分析，本系统数据采集部分核心采用 ADC0809，单片机系统采用8051 构成的最小系统，用LED 动态显示采集到的数据，数据传送则选用 RS-485标准，实现单片机与PC 机的通信。

数据采集与传输系统一般由信号调理电路，多路开关，采样保持电路，A/D ，单片机，电平转换接口，接收端（单片机、 PC 或其它设备）组成。

信号调理电路的原理、功能

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。

模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。

但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。

调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。

然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。

信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。

此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。

2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。

这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。

衰减对于测量高电压是十分必要的。

3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。

除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。

数据采集系统中通用信号调理电路的分析

收稿日期:2006-03-12作者简介:黎琼(1971—),女,重庆人,湛江师范学院实验师,从事计算机应用及控制技术研究. 2006年6月第27卷第3期湛江师范学院学报JOURNA L OF ZH AN J I ANG NORMA L C O LLEGE Jun 1,2006V ol 127　N o 13数据采集系统中通用信号调理电路的分析黎　琼,温泉彻,方大良(湛江师范学院教育技术部,广东湛江524048) 摘　要:信号调理的实质就是通过电子器件的有机组合,对信号进行调节、变换和整理的过程.信号调理电路的具体实现应综合考虑数据采集的目的、现场环境及控制系统的算法设计等各种因素审慎为之.该文论述了不同情况下通用信号调理电路的具体实现方法,并应用传递函数及其框图刻画了调理电路中信号的流动及转换过程,且在此基础上得出了信号调理电路的有关特征参数.关键词:数据采集系统;通用信号调理电路;信号变换;传递函数中图分类号:TP58 文献标识码:A 文章编号:1006-4702(2006)03-0130-041　信号调理一个数据采集系统通常是由传感器(sens or )、信号调理电路(signal conditioning circuit )、A/D 转换器(analog -digital converter ,ADC )及微型计算机等4个主要部分组成.DAS 具体构成随其接受信号的类型、采集信号的目的及要求等不同而不同,但传感器是必不可少的.传感器的作用就是按照一定规律将被检测量(如温度、压力或速度)转换为DAS 能够识别的电信号(如电流或电压),并与所检测的物理量成比例地变化.传感器所产生的信号由于其电气特性而一般不能直接输入PC ;此外,实验室及各类各种测控现场环境中,由于经传感器转换和放大的电信号,一般会受到测量现场的电磁干扰、传感器以及放大电路本身的影响,往往含有多种频率的噪声信号.如果不把噪声信号剔除,测试系统将不能正确地获取信号,因此必须对信号进行调理,包括信号放大、隔离、模拟滤波、多路转换等;另外,为了尽可能获得精确数据,采集的数据必须经过校准、消除漂移、剔除奇异项、平滑、数字滤波等处理方法以最大限度地消除误差[1-2].作为信号采集系统中的一个重要环节,信号调理一般可分为传感器调理和通用信号调理两个部分.由于传感器的种类繁多,涉及的学科领域十分广阔,既有物质的微观结构又有材料的宏观性质,所以要正确设计传感器调理电路对非专业人员而言实非易事.基此,各专业厂家考虑到终端客户的需求,纷纷推出商业化的变送器.与传感器相比,变送器除了能将被测量转换为能够识别的电信号外,还包括传感器调理且能输出符合国际标准的电信号.对电流型变送器而言,其输出信号一般是0～10mADC 或4～20mADC 的标准电流信号;而电压型变送器的输出通常则是0～5VDC 、0～10VDC 、-5～+5VDC 、-10～+10VDC 等4种可供用户选择的标准电压信号.有了标准的信号形式和数值范围,变送器的兼容性和互换性大为提高,极大地方便了科学研究和测试测控现场数据采集系统的实现,通用性和可靠性也大为提高.由于篇幅的限制,本文主要论述基于变送器的通用信号调理电路的实现及其分析.2　通用信号调理电路的实现数据采集系统的信号调理除了传感器调理外,还执行大量的通用调理功能.所谓通用信号调理是指对变送器所输出的标准电信号进行调理,以进一步改进信号质量和稳定性.它一般也包括放大、隔离及滤波等几个主要部分,其调理电路的实现应根据测试测控现场具体环境、数据采集卡的技术规范、数据采集的目的及精度要求等进行,具有较大的灵活性[1-3].概括起来,通用信号调理电路可分为以下几种实现方式:1)对以测量为主的DAS ,信号调理电路可根据数据采集卡的量程进行调理,以尽量提高DAS 的实际分辨率.对电压型变送器而言,一般可将变送器输出的电压信号直接接入数据采集卡;而对电流型变送器而言,应先通过合适的采样电阻将输出的电流信号(如4～20mA )转换为电压信号后,再接入数据采集卡.对采集到的数据进行处理时,可通过通用PC 上强大的软件(如MAT LAB 或ORIGI N )进行滤波、剔除奇异项、平滑及FFT 等后续变换,这样可大大简化信号调理电路的硬件设计.2)对以实时控制为主要目的的DAS ,为了避免噪声的引入对控制系统的运行造成干扰,信号调理电路的设计应综合考虑现场的环境和噪声源,合理设计调理电路,否则可能会由于采集数据的不准确而引起控制系统的误操作,甚至会产生不可预计的严重后果(如电梯实时控制).另外,调理电路的设计还应考虑控制系统的算法设计、实时性要求及微机的处理速度等各种因素.3)使用商业化的通用信号调理模块.由于各类变送器的输出信号皆为符合国际标准的电信号,无论信号类型还是信号的变化范围都是有限的,这为研制通用信号调理模块提供了可能.有关专业厂商所开发的商业化的通用信号调理模块(如研华公司的ADAM -3014),极大地方便了非专业人员的需要.图1所示为研华公司所研制的通用信号调理模块的内部框图.该信号调理模块的输入、输出信号皆可通过选择开关以匹配实际输入信号和数据采集卡的要求.它既可以接受电流信号也可以接受电压信号;信号可以为单极性的也可以为双极性的.它通过光隔离技术消除了现场环境中的地环、电机噪声及其它电磁干扰对DAS 系统的不利影响.ADAM -3014隔离电压的幅值为1000VDC ,典型温漂系数(tem perature drift )为150ppm ,隔离噪音大于100dB (50H z/60H z ).图1　ADAM -3014内部模块图3　调理电路的参数分析为了能针对测试测控现场环境研制出满意的调理电路,性能参数分析是不可缺少的.不论信号调理电路的具体形式如何,信号调理的实质都是信号通过电子器件变换过程.下面结合实际使用中常见的一种简易信号调理电路,如图2所示,通过建立该调理电路中信号变换的传递函数和框图,刻画调理电路中信号变换的过程并得出其有关技术参数.根据电学定律和Laplace 变换可得以i i (t )作为输入信号,以u o (t )作为输出信号的调理电路中信号变换方框图,如图3所示.该采样电路的传递函数为131第3期黎琼等:数据采集系统中通用信号调理电路的分析G (s )=U 0(s )I i (s )=K K ′Cs +1(1)式中K =(R 4/R 3)+1K ′=(R 2/R 1)+1 图2　信号调理电路理论分析例图图3　信号调理电路的传递函数框图由式(1)可知,图2所示的调理电路为典型的一阶系统.式中,K 为调理电路的系统增益;在该调理电路中,由于集成运放的比例运算电路为同相输入,运放电路的比例系数为(1+R 4/R 3);K ′C 为采样电路的时间常数,以T 表示;R 1为采样电阻;R 2和C 组成阻容滤波电路.将式⑴所表示的调理电路传递函数中的s 换成j ω,则可得到上述调理电路的频率特性G (j ω)=K jTω+1(2)由(2)式可得A (ω)=|G (j ω)|=K (T ω)2+1(3)∠G (j ω)=-arctg (Tω)(4)式(3)和(4)分别为图2所示电路的幅频特性及其相频特性.令ωT =1/T ,ωT 称转折频率.将(3)式且两边取db 数可得20l g A (ω)=201g K +20l g ωT -10l g (ω2+ω2T )(5)当ω=0时,其零频值的分贝数为20l g A (0)=20l g K(6)根据截至频率ωb 的定义,对一阶系统而言,其截至频率ωb 就等于转折频率ωT ,即ωb =ωT =1T =1K ′C =1[(R 2/R 1)+1]C (7)如果调理电路中有关元器件的参数分别取值如下:R 1=250Ω,C =0.1μF ,R 2=10k Ω,R 3=R 4=22k Ω,则调理电路的幅频特性和相频特性的Bode 图如图4所示.由图4和式(5)可知:当ω ωb 时,A (ω)=K ,此时输入信号几乎不衰减地通过,因此上述采样电路所形成的低通滤波器是一个不失真传输系统;当ω=ωb ,A (ωb )=(2/2)K ,ωb 称为系统的截至频率;当ω ωb 时,有u 0≈KT ∫i i d t =K(R 2R 1+1)C ∫i i d t (8)即此时输出u o 与输入i i 的积分成正比,上述低通滤波器起着积分器的作用,对高频成分的衰减率为-20dB /10倍频程.如想加大衰减率,应提高低通滤波器的阶数,也可将几个一阶低通滤波器串联使用,但串联后231湛江师范学院学报(自然科学)第27卷后级的滤波电阻、电容对前一级电容起并联作用,产生负载效应.由于级间耦合,高频衰减率并非简单的叠加.图4　调理电路的Bode 图4　结束语信号调理的实质就是通过电子元器件的有机组合,对信号进行调节、变换和整理的过程[1].信号调理的基本要求是去伪存真、安全可靠.信号调理电路的具体实现应综合考虑数据采集的目的、现场环境、控制系统的实时性要求、算法设计及PC 机的性能等各种因素审慎为之.传递函数及其框图可以深入刻画信号调理电路中信号流动及变换的流程,是对信号调理电路进行分析、校核及求解有关特征参数的有效方法.参考文献:[1]黎琼,陈文庆,温泉澈.通用数据采集系统的信号调理[J ].湛江师范学院学报,2004,25(6):119-123.[2]孙以材,刘玉岭,孟庆浩.压力传感器的设计、制造与应用[M].北京:冶金工业出版社,2000.[3]邵钟武,柴勤忠,马晓敏.数据采集系统[M].北京:石油大学出版社,1998.Analysis on G eneral Signal Conditioning in Data Acquisition SystemLI Qiong ,WEN Quan-che ,F ANG Da-liang(Department of T eaching T echnology ,Zhanjiang N ormal C ollege ,Zhanjiang ,G uangdong 524048,China )Abstract :The essential of signal conditioning is a trans form process by electronic com ponents.The design of signal conditioning circuit is related with the g oal of data acquisition ,field environment ,real-time demands and alg orithm of the control system as well as PC performance etc.Different methods of the general signal conditioning circuit are discussed.The trans fer function and signal flow diagrams are used for description of the signal trans form in the signal conditioning circuit and characteristic parameters of signal conditioning circuits are ealculated.K ey w ords :data acquisition system ;general signal conditioning circuit ;signal conditioning ;trans fers function 331第3期黎琼等:数据采集系统中通用信号调理电路的分析。