一种高精度数据采集系统模拟信号调理电路的设计

2008年3月第9卷　第1期 长沙铁道学院学报(社会科学版) M ar .2008Vol .9　No .1　一种高精度数据采集系统模拟信号调理电路的设计3陈淑芳(福州职业技术学院,福建福州350001)摘　要:介绍一种高精度模拟信号调理电路,用于信号采集系统中对欲采集的模拟信号进行放大、滤波和模/数转换等模拟信号处理。

该电路具有很强的抑制共模噪声和串模噪声的能力。

模数转换采用24位A /D 转换器,能达到级的检测精度。

该电路可以用于一些地球物理探测仪器上,用于从强干扰噪声的背景中检测微小信号。

关键词:信号采集;微弱信号检测;模拟信号调理电路;高精度 一、前言自动测量与控制系统都离不开数据采集与处理,它是这些系统最初数据的来源。

数据采集技术是信息科学的一个重要分支,广泛应用于信号处理、频谱分析、通信及图像处理等现代电子信息实时处理工程。

良好的数据采集系统是保证智能仪器正常运行、正确识别传感器信号、获取算法软件的原始数据的关键因素。

数据采集技术涵盖的知识面广,包括模/数转换技术、模拟信号调理、微处理器技术、CP LD /FP AG 技术、DSP 技术、数据通讯与接口技术、数字信号处理、抗干扰与电磁兼容性设计等多项技术,而针对不同的应用环境和场合,不同的仪器或传感器又对数据的采集有不同的要求,因此,数据采集也成为智能仪器设计中难点多、工作量大、需要成本高的关键技术。

二、模拟信号调理电路简介一般的数据采集系统分为模拟信号调理部分和数字信号处理部分,其中模拟部分完成多通道的信号同步放大、采集、抗混叠滤波、工频陷波的功能。

因此模拟信号调理电路在数据采集系统中具有重要作用,它要能按照仪器的要求将模拟信号转化为数字信号,像采样频率的高低、对环境噪声的抑制能力、自身对有用信号的干扰和采样精度等都是模拟信号调理电路设计时需要考虑的问题。

特别是对信号幅度微弱、干扰与噪声幅度大、精度要求高、动态范围大、数据的实时性要求高的情况,对模拟信号调理电路的设计提出了更高的要求。

三、模拟信号调理电路基本组成本文所探讨的一种模拟信号调理电路具有高精度、低噪声、抗干扰能力强等特性,适和作为野外工作的信号采集系统前端模拟信号调理电路,具有很高的共模抑制比和串模抑制比,对广泛存在于自然环境中的50hz 工频干扰具有很强的抑制性,对于模拟信号的A /D 转换位数达到24位,能实现对信号的微伏级变化的检测,特别适用于在地球物理勘探仪器的数据采集模块中,因为地球物理仪器的使用环境比较恶劣—噪声和干扰强,温度、湿度变化大,信号微弱。

而地震仪、电法仪等地球物理仪器对信号采集的精度要求高,信号的实时性很强,通道数多,探测结果对数据的依赖性很强。

信号调理电路结构如图1。

图1　信号调理电路结构图 四、模拟信号调理电路的设计实现(一)前置差分放大器的设计前置放大器的噪声系数对于整个检测系统的噪声特性具有决定性作用,系统可检测的最小信号取决于低噪声放大器的噪声系数,因为它所产生的噪声会被后续的各级放大器进一步放大。

与普通放大器相比,低噪声放大器应具有低得多的噪声系数。

在研制低噪声放大器时,应该一开始就抓住低噪声这个关键指标来分析、计算并设计电路。

目前,低噪声放大器可以通过选用噪声指标好的集成电路来进行设计。

I N A128是是凌特公司(L inear )生产的一种低功耗、高精度仪表用差分放大器,它的最大输入失调电压为50μV,温度系数0.5μV /℃,最大输入失调电流为5n A,相比普通的集成运算放大器它有更低的输入偏置电压和温度系数,对实现微伏级的信号检测是很有利的,同时它的输入端内部集成了±40伏的过电压保护,差分输入端超过±40伏的电压自动保护,使器件免遭损坏。

它同时还有很宽的电源电压范围,可以在±2.25V 到±18V 的供电电压范围内稳定工作。

它的电压增益可以通过外接电阻改变,在1脚和8脚之间外接不同的电阻R G ,电压增益可以在0-10000的范围内变化,电压增益的计算公式为G =1+50kΩR G。

当电压增益大于100时,I N A128的输入共模抑制比达到120dB,对输入信号的共模干扰起到了很好的抑制。

5123收稿日期:2007-11-23作者简介:陈淑芳(1966-),女,福建莆田人,讲师。

(二)滤波器的设计考虑到信号特征及硬件上的易实现性,系统在硬件滤波器上采用了巴特沃思有源低通滤波器。

分析巴特沃斯低通滤波器的幅频曲线可知,在所有n 阶全极点滤波器中,若要讨论滤波器靠近ω=0处的幅频特性,则以巴特沃斯低通滤波器最为平直,因此巴特沃斯低通滤波器又称为最平响应滤波器。

考虑到在强噪声的背景中检测微弱信号需要在抑制环境噪声的同时也要尽可能的降低系统自身的对信号的干扰,而通带内的微小波动也有可能对微弱的信号变化产生大的干扰,所以这里选用四阶巴特沃斯滤波器。

该滤波器由两级二阶无限增益多端反馈低通滤波器级联组成四阶低通滤波器,查询巴特沃斯滤波器数据表可得到第一级滤波器中B1和C1值。

在计算电路中各电容、电阻值时,首先选定电容C 2,它近似等于10/f c μF 的标称值;再在满足下列关系的前提下选定C 1的最大标称值,即C 1ΦB 2C 24C (k +1)其中k 是滤波器的反相增益,在设计前事先取定,选好C 1后在按照下列公式选择其它参数:R 2=2(k +1)BC 2+B2C 22-4CC 1C 2(k +1)ωcR 1=R 2k,　R 3=1CC 1C 2R 2ω2C各电阻值的单位为Ω,各电容值的单位为F 。

各电阻值要尽量按上述各式中计算的值来选取。

如果计算出来的电阻值不容易实现,可以按照下述方法解决,即将电路中的所有电阻值乘以同一常数,同时把电容值处以这个常数,并不会改变滤波器的特性。

(三)程控放大电路当接收信号的动态范围较大时,为了提高仪器的信噪比、测量精度及输入动态范围,对前段模拟信号采用了两级仪用程控放大器级联的方法,并且两级程控放大采用直接耦合差动连接的方式,将每级引入的共模干扰降低到最小。

程控放大部分主要任务是在DSP 的控制下,将初级放大的信号放大到ADC 量化最佳区间,以提高仪器的动态范围和灵敏度。

设计这一部分主要考虑的因素有,器件的低频噪声特性和共模抑制比,放大倍数的步进长度等。

综合以上各种因素,最终选择了PG A204,PG A205组合。

PG A204,PG A205是BB 公司推出的高共模抑制比的仪用程控放大器,共模抑制最高可达123DB,最大输入噪声电压为13n V /Hz @0.1～10Hz 。

前置放大器采用电压跟随器的方式。

PG A204的可控放大倍数为1,10,100,1000;PG A205的可控放大倍数为1,2,4,8。

所以,级联后程控放大部分的可控放大倍数可有16种组合方式,2,4,8,16,20,40,80,160,200,400,800,1600,2000,4000,8000,16000,能满足系统要求。

PG A204,PG A205均为双端输入单端输出型仪用程控放大器,为了有利用其差分特性,采用了两级程控反向差分的方法,从而减小了信号放大过程中引入的共模干扰。

两个正负电极接收到信号经过前置放大器仍然为单极性信号,使其分别作为其中一片PG A205的正负输入端,这样就构成了第一级差分放大器。

两片PG A205输出,分别作为PG A204的正负输入端,这样就构成了第二级差分放大器。

全程采用了信号反向差分,有效抑制了共模干扰,提高了放大器信噪比。

前端模拟信号调理部分框图如图2所示。

图2　两级程控放大器级联 (四)50Hz 陷波器设计50Hz 工频干扰是数据采集中不可避免的严重干扰。

当干扰电压超过信号电压很多时,它就会支配前置放大器和主放大器的增益,使放大器不能有效地放大来自传感器的接收信号。

因此采集电路中必须设置50Hz 陷波器,将以差模形式串入的50Hz 及其谐波滤除。

图3　50Hz 陷波器电路 图3是一个二阶双T 型50Hz 陷波器电路,其中的电阻电容参数在实际中常被使用,当取R4=R5=R 和C1=C2=C3=C 时,陷波器的中心频率为:612f0=12πRC当取R1=R3=45K和C1=C2=C3=0.1uF时,中心频率为50Hz;取R1=R3=45K和C1=C2=C3=0.033uF时中心频率为150Hz;取R1=R3=45K和C1=C2=C3=0.02uF时,中心频率为250Hz。

由此构成三级陷波器,对50Hz及其奇数次谐波进行抑制。

(五)A/D采样设计为了能达到检测级信号的能力,这里采用凌特公司的LTC2400。

L TC2400是世界上最小的24位高准确度模/数转换器。

内部具有精度较高的集成震荡器时钟,外部不需任何频率调整元件,内部的四阶数字陷波滤波器对50Hz和60Hz 的信号具有最小为110d B的衰减能力。

该转换器具有4ppm 的线性度,24位无漏码;4ppm的满度增益误差,015ppm的失调误差,016ppm的噪声等优良直流性能和良好的低噪声特性。

转换器的输入回路无缓冲器,输入电压可以超过基准电压范围的12.5%,可以方便解决超量程和负电压的测量问题。

此外,该转换器拥有SP I数字接口,非常方便地与微处理器接口,简化了线路设计。

LTC2400是单通道的A/D转换器,其封装形式为S08贴片式,引脚排列如图7所示。

Vcc是电源输入端,其电压范围为2.7～5.5V。

VREF是外部基准输入端,变化范围从0.1V～VCC。

VN是转换器的电压输入端,其变化范围为-0.3V～VCC+0.3V。

CS是使能端,低电平时,可以唤醒转换器或输出转换结果。

S DO是三态数字输出端,在数据输出期间,这个脚被用于串行数据输出。

当芯片的使能端CS为高电平时, S DO脚处于高阻态。

SCK双向数字时钟引脚,在内部串行时钟数据输出阶段,S CK被用作内部串行接口输出时钟;在外部串行时钟模式,SCK被用作外部串行时钟输入。

Fo是频率控制引脚,当Fo脚接高电平时,转换器使用内部振荡器,并且数字滤波器的第一零点频率设置在50Hz,ADC转换速率为6.25Hz;当Fo脚接地时,数字滤波器的第一零点频率设置在60Hz,ADC转换速度为7.5Hz。

五、结语以上讨论了一种高精度模拟信号调理电路的设计方法,提出了整体设计方案并完成了各部分的芯片选型。

本文所讨论的电路适用用于从强噪声的环境中检测微弱信号,尤其适合作为对级信号进行采集和检测的数据采集系统的前端模拟信号调理电路。

该电路可以运用于地电阻率测量、地震前兆测量等地球物理仪器中,满足对此类微弱信号的调理要求。

参考文献:[1]王琳,商周,王学伟.数据采集系统的发展与应用[J].电测与仪表,2004.[2]赵新民,王祁.智能仪器设计基础[J].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1995.[3]沙占友.单片A/D转换器的发展及应用[J].电子技术应用,1996.[4]路林吉,饶家明.数据采集技术概论[J].电子技术,2000,(2).[5]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京:高等教育出版社,1999.(上接第210页)模条件下,建立四边固支模型,来模拟在压应力作用下的破坏情况。