位移传感器数据高精度采集电路设计
光纤位移传感器信号处理电路设计
（） ４ 直接对外 围电阻进行调 节 ， 参数调整方便 ， 而且对 电阻
值 误差不敏感 ； （） ５ 提供 了专 门的设 计软件 ， 便进行 高 阶滤波 器设计 计 方 算。 ＭＡ ２ ４内部总共包含 了 ４个二阶滤波器 。每个二 阶滤波 Ｘ７ 器 皆有 １ 个信号输人 端 ， １个低通输出端和 １个带通输 出端 ， 各 个二阶滤波器之 间可 以级联用 于设 计高 阶的滤波器 ， 内部单 其 元 结构图如 图 ２所示 。
ｐ ｎ ｉ ｌ ｄ ｍｅ ｓ ｏ ｈ ａ ｄ ｐ ｓ ｉ ｅ ｅ ｅ ｔ ｅ ｍａｎ ｐ ｉ ｔ ｄ ｒ ｇ ｔ ｅ ｄ ｓｇ ｒｃ ｓ ． ｈ ｅ ｕ ｔ ｆｔ ｅ ｅ ｐ ｒ ｎ ｎ ｉａ ｅ ｉ ｒ ｃ ｐ ｅ ａ ａ ｆｔ ｅ ｂ ｎ — ａ ｓ ｆ ｔ ｒｗ ｒ ｈ ｉ ｏｎ ｓ ｕ ｎ ｈ ｅ ｉ ｎ ｐ ｏ ｅ ｓ Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｏ ｈ ｘ ｅ ｉ ｎ ｎ ｌ ｉ ｍｅ ｔｉ ｄｃ ｔ ｓ ｔ ａ ｈ ｉｎ ｌ ｒ ｃ ｓ ｉ ｕ ｔ ａ ｌ ｎ ｔ ｈ ｏ ｓ ｘ ｄ ｉ ｅｕ ｅｕ ｉｎ ｌ ｆ ｃｉ ｅｙ Ｔ ｅ ｓ ｎ ｏ ａ ａ ｉ ｅ ｉｎ ｌｏ ｔ ｕ ． ｈ ｔｔ ｅｓｇ ａ ｏ ｅ ｓｃｒ ｉ ｃ ｎ ｅ ｉ ａ ｅｔ ｅ ｎ ｉｅ ｍｉｅ ｎ ｔ ｓ ｆ ｌ ｇ ａ ｆ ｔ ｌ ． ｈ ｅ ｓ ｒｈ ｓ ａｓ ｔ ｆ ｄ ｓ ａ ｕ ｐ ｔ ｐ ｃ ｍｉ ｈ ｓ ｅｅ ｖ ｓ ｉ ｇ
Ｍ ａ ．２ １ ｙ ０１
元件较多 ， 以体积 比较大 ， 所 参数 调整 比较 复杂 ， 而且 电路 中常 会 引入杂散 电容 ， 这对滤波器非 常不 利。这里采用 八 阶滤波器 芯片 ＭＡ ２ ４ Ｘ ７ 。选用 Ｍ Ｘ ７ Ａ ２４设计 的滤波器 有以下优点 ： （） １ 无需外接 电容， 避免 了增加 元件 引入 杂散 电容对 滤波 器高频工作 ； （） ３ 所设计的滤波器噪声低 ， 动态性能好 ， 不会引入 时钟信
传感器电路设计与数据采集技术
-数字信号通过计算机接口传输到计算机上，进行数据处理和存储。
3.数据采集技术应用
数据采集技术被广泛应用于各个领域。以工业控制为例，数据采集技术可以实时监测设备状态、环境参数等，并进行自动控制和报警。在医疗诊断中，数据采集技术可以用于生理参数监测和病情分析。此外，数据采集技术在环境监测、通信、交通等方面也具有重要应用。
四、结论
传感器电路设计和数据采集技术在现代科技中扮演着重要角色。合理的传感器电路设计可以提高信号测量的准确性和稳定性，而数据采集技术则为信号处理和分析提供了便利和高效性。随着科技的不断发展，传感器电路设计和数据采集技术将继续发挥重要作用，并在更多领域得到应用。
3.传感器电路设计实例：温度传感器
以温度传感器为例，其原理是利用热电效应或热敏电阻特性来测量温度变化。传感器电路设计步骤如下：
-选择合适的温度传感器类型，如热电偶、热敏电阻等。
-根据测量范围确定电路放大倍数，设计合适的放大电路。
-设计温度补偿电路，以消除温度对测量误差的影响。
-添加滤波电路，以消除传感器电路中的噪声。
三、数据采集技术
1.数据采集系统
数据采集技术用于将传感器测量到的模拟信号转换为数字信号，并通过计算机进行处理和分析。数据采集系统由传感器、信号调理电路、模数转换器（ADC）以及计算机接口等组成。
2.数据采集流程
数据采集流程包括以下几个步骤：
-传感器测量模拟信号，经过传感器电路处理后输出。
-信号调理电路对信号进行放大、滤波和校准等处理，以提高信号质量。
2.传感器电路设计要点
传感器电路设计的目标是实现准确的信号测量和传递。以下是一些传感器电路设计的要点：
通过基于光电编码器的数字电路实现直线位移高精度测量
通过基于光电编码器的数字电路实现直线位移高精度测量的一种方法王锋山东电力建设第二工程公司电仪工程处摘要:本文主要介绍了用光电编码器实现大直线位移高精度测量的一种方法。
主要是通过数字电路实现。
数字电路首先对光电编码器输出信号进行辨向，通过符号及加减控制电路实现对计数器的控制，倍频电路对光电编码器的输出信号进行倍频，起到提高测量的精度和消除信号抖动作用，倍频后的的信号输入计数器计数，并通过LED显示器显示测量结果。
关键词：直线位移，光电编码器，数字电路1、光电编码器在位移测量中的应用原理光电编码器是一种高精度的角位移传感器。
因其具有直接输出数字量、响应快、精度高、抗干扰能力强、分辨率高、输出稳定等特点。
用光电编码器测量直线位移时，需用传动机构将直线位移转换为光电编码器的转动角度。
设当被测物体上升时，光电编码器正转，此时A相超前B相1／4个周期；当被测物体下降时，光电编码器反转，A相落后B相1／4个周期，如图1所示.图1 光电编码器输出波形若被测物体停在某一位置时，位移为零。
以此为基准，被测物体上升时，位移增加；下降时，位移减小。
当位移减少到零而被测物体再继续下降时，位移变为负且数值增加；当被测物体再上升时，位移减小但仍为负.当位移减到零后,，位移变为正.可见位移测量不仅要知道位移的大小，还要知道位移的正负。
因此，利用光电编码器测直线位移时，符号判别及加减运算判别是关键。
在使用光电编码器时,符号的判断和加减运算的判别,既可以通过数字电路来实现,也可以通过当今流行的单片机来实现.这里介绍了通过数字电路实现增量式编码器测位移的方法.2、数字电路的原理数字电路主要包括以下几部分：编码器输出的相位相差900的信号经过细分倍频电路一方面可以提高测量的精度，如果编码器一圈输出N个脉冲，其分辨率3600/N，经过四倍频细分后即可达到3600/4N。
另一方面可起到消除信号抖动的作用。
细分后信号一路形成计数信号接入计数器，另一信号警方向判别控制电路，形成方向和加减信号，接入计数器，计数结果及正负经驱动电路由LED 显示。
位移传感器电路设计及位移误差校准方法研究
位移传感器电路设计及位移误差校准方法研究位移传感器是一种常用的测量装置，广泛应用于工业自动化、航空航天、机器人等领域。
它能够将物体的位移转换为电信号输出，通过对输出信号的处理和校准，可以实现对位移的高精度测量。
本文将重点探讨位移传感器电路设计及位移误差校准方法的研究。
一、位移传感器电路设计1. 传感器选择位移传感器的选择取决于具体应用的要求和性能指标。
常见的位移传感器包括电感式传感器、电容式传感器和压阻式传感器等。
根据被测物体的特性和测量范围，选用合适的位移传感器。
2. 信号调理电路设计位移传感器的输出信号往往是微弱的模拟信号，为了提高测量精度和信噪比，需要进行信号调理。
常用的信号调理电路包括放大电路、滤波电路、稳压电路等。
放大电路可以增大传感器输出信号的幅度，滤波电路用于滤除噪声干扰，稳压电路可以提供稳定的工作电压。
3. AD转换电路设计为了将模拟信号转换为数字信号进行处理，需要使用AD转换器。
选择合适的AD转换器并进行电路设计，保证转换精度和采样频率符合测量要求。
同时，在电路设计中要注意抑制干扰和提高抗干扰能力，以确保转换结果的准确性。
4. 电源与供电电路设计位移传感器的工作需要稳定的电源供应，因此需要设计合适的电源与供电电路。
这包括电池、稳压电源、滤波电路等，确保传感器能够长时间稳定可靠地工作。
二、位移误差校准方法研究1. 线性校准方法位移传感器的输出应与被测物体的位移成线性关系，但实际中存在一定的线性误差。
线性校准方法通过对传感器的输出信号进行多点标定和线性回归，确定校准曲线以消除线性误差。
2. 温度校准方法温度是影响位移传感器测量精度的重要因素。
温度变化会导致传感器的零点漂移和灵敏度变化，影响测量结果的准确性。
温度校准方法主要包括散热和温度补偿技术。
散热是通过散热片、散热风扇等降低传感器温度，减少温度变化对测量的影响；温度补偿技术是通过建立温度与输出信号之间的关系，对测量数据进行修正。
一种新型电容式位移传感器电路设计
一种新型电容式位移传感器电路设计随着科技的不断进步，电容式位移传感器正被越来越广泛地应用于各种领域，如机械制造、汽车工业、医疗器械等。
本文将介绍一种新型的电容式位移传感器电路设计。
在传统的电容式位移传感器电路中，通常采用了电容变化量与位移之间的线性关系来实现位移测量。
然而，线性关系往往无法完全精确，且传感器精度受温度、湿度等环境因素的影响较大。
为了提高传感器的精度和稳定性，我们设计了一种新型的电容式位移传感器电路。
该电路采用了微处理器和电容变化量的比较器，通过对电容变化量的实时测量和分析，实现对位移的准确测量。
该电路的设计如下：1.传感器结构：传感器由两个金属片组成，分别固定在测量物体和静态基座上。
当测量物体发生位移时，测量物体金属片与静态基座金属片之间的电容值发生变化。
2.接口电路：传感器的金属片与电容检测电路相连接，形成一个电容。
3.电容检测电路：该电路由微处理器和电容变化量的比较器组成。
微处理器用于对电容变化量的实时测量和分析，电容变化量的比较器用于判断位移的正负，并输出相应的信号。
4.微处理器：微处理器是电路的核心部分，负责对电容变化量的测量和分析。
它通过检测电容值的变化来确定位移的大小，并将结果输出给用户。
5.电容变化量的比较器：该比较器用于判断位移的正负，并输出相应的信号。
当位移为正时，比较器输出高电平；当位移为负时，比较器输出低电平。
6.供电电路：为了保证电路的正常工作，需要为电路提供稳定的电源。
7.输出接口：通过输出端口将测量结果传输给用户，用户可以根据测量结果做出相应的操作。
通过该新型的电容式位移传感器电路设计，我们可以大大提高传感器的精度和稳定性。
该电路具有较高的测量精度和抗干扰能力，能够准确测量位移并输出相应的信号。
同时，该电路具有较低的功耗和小尺寸，适用于各种场合的位移测量。
总之，本文介绍的新型电容式位移传感器电路设计，通过引入微处理器和电容变化量的比较器，实现了对位移的准确测量。
基于PSD高精度激光位移传感器的设计
基于PSD高精度激光位移传感器的设计摘要：介绍了PSD器件的工作原理，对基于三角法测量原理的传感器主要结构参数进行了分析，给出了设计的传感器外形。
并设计一种含有多种放大倍数的PSD的检测电路，可实现测量中对环境变化的自适应能力。
最后分析了影响传感器测量精度的各种因素，并讨论了消除的方法。
关键词：高精度位移传感器；位位置敏感器件（PSD）;激光三角法；发大电路Design and Analysis of High Precision Laser Displacement Sensor Based on Position SensitiveDetector(PSD)Abstract：The operating principle of PSD was introduced briefly.Configuration parameters of laser triangulation sensor were analyzed.The PSD detection circuit with a variety of manifications was designed to achieve the ability of self –adapting .Finally, the variou factors of influencing sensor measurement accuracy and elimination methods were analyzed and discussed.Key words: high precision displacement sensor; position sensitive detector(PSD); laser triangulation ；amplification circut目录1 绪论 (4)2 PSD工作原理及特点 (4)3 结构原理及主要参数分析 (6)3.1结构原理 (6)3.2参数β (7)3.3透镜位置参数s/和s (7)3.4 PSD的倾角α的确定 (8)4 PSD检测电路的设计 (8)4.1信号检测与处理系统方案 (9)4.2前置放大电路 (9)4.2.1前置电路 (10)4.2.2 放大器的选择 (12)4.2.3前置放大电路设计 (12)4.3数据采集电路 (13)4.3.1A/D转换器的选择 (13)4.3.2A/D转换器的数据采集 (14)4.3.3 A/D转换器与单片机的接口 (16)4.4 MCU接口电路与计算、控制程序 (16)4.4.1 MCU选择 (16)4.4.2 MCU接口电路 (18)4.4.3 MCU计算与控制程序 (20)4 激光测距传感器应用于工业检测的若干问题 (25)5 影响传感器测量精度的因素及消除方法 (26)6 结论 (27)1 绪论基于PSD的激光位移传感器主要应用在高灵敏度、高精度的位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域。
电感式位移传感器应用电路设计
东北石油大学课程设计2015年7 月8日任务书课程传感器课程设计题目电感式位移传感器应用电路设计专业测控技术与仪器祖景瑞学号120601240222主要容：本设计要完成电感式位移传感器应用电路的设计，通过学习和掌握电感式传感器的原理、工作方式及应用来设计一个电路。
电路要能够检测一定围位移的测量，并且能够通过LED进行数字显示。
位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器等技术。
基本要求：1、能够检测0~20cm 的位移；2、电压输出为1~5V；3、电流输出为4~20mA；主要参考资料：[1]贾伯年，俞朴.传感器技术[M].：东南大学，2006：68-69.[2]王煜东. 传感器及应用[M].：机械工业，2005：5-9.[3] 唐文彦.传感器[M].：机械工业，2007: 48-50.[4] 志萍.传感器与检测技术[M].：高等教育，2002:80-90.完成期限2015.7.4—2015.7.8指导教师专业负责人2015年7 月1 日摘要测量位移的方法很多，现已形成多种位移传感器,而且有向小型化、数字化、智能化方向发展的趋势。
位移传感器又称为线性传感器，常用的有电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器，磁致伸缩位移传感器以及基于光学的干涉测量法，光外差法，电镜法，激光三角测量法和光谱共焦位移传感器等技术。
电感式位移传感器具有无滑动触点，工作时不受灰尘等非金属因素的影响，并且低功耗，长寿命，可使用在各种恶劣条件下。
电感式位移传感器主要应用在自动化装备生产线对模拟量的智能控制方面。
针对目前电感式位移传感器的应用现状，本文提出了一种电感式位移传感器的设计方法，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点，可以广泛应用于机械位移的测量与控制。
关键词：电感式传感器；自感式传感器；结构简单；成本低目录一、设计要求 (1)二、方案设计 (1)1、方案说明 (1)2、方案论证 (1)三、传感器工作原理 (2)四、电路的工作原理 (4)五、单元电路设计、参数计算和器件选择 (5)1、单元电路设计 (5)2、参数计算 (6)3、器件选择 (6)六、总结 (7)参考文献 (8)电感式位移传感器应用电路设计一、设计要求本设计要应用电感式传感器的原理来设计一个位移传感器的应用电路，要求能够检测能够检测0~20cm的位移；电压输出为1~5V；电流输出为4~20mA；并且能够通过LED进行数字显示，具有控制及数据处理等功能，结构简单、成本低等优点。
基于位置敏感探测器的微位移测量关键电路设计
种 设 计 来 可 以 对 入 射 光 斑 位 置 及 其 变 化 进 行 连续 探 测 的 光 电器 件 。为 了 探 测 入 射 光 斑 的 位 置 ， 各 种 方 法 可 以 使 用 ， 有 包 括 使 用 小 的 分 离 的 探 测 器 阵 列 或 多 单 元 如 Ｃ Ｄ 这 样 的 Ｃ
位 置 敏 感 探 测 器 Ｐ Ｄ（ ｏ ｉｏ ｅ ｓｔ ｅ Ｄｅｅ ｔｒ【是 一 Ｓ Ｐ ｓｔ ｎ Ｓ ｎｉｖ ｔｃｏ ）】 ｉ ｉ
小 ， 了 需 要 对 其 应 用 条 件 （ 照 明光 源 、 景 光 屏 蔽 等 ） 除 如 背 进 行 处 理 ， 要 在 其 输 出信 号 的处 理 上 必 须 采 用 高 精 度 、 稳 还 高
ＪＡＮＧ ａ—ｕ ，Ｌ ｎ Ｉ Ｘｉｏｇ ｏ ＩＨｏ ｇ，ＹＡＮＧ Ｘｉｇｌ Ｗ ＥＮ Ｌ ｎ ，Ｓ ｉ—ｈ ｉ ＨＡＮＧ ｉ ｈ ，Ｗ Ａ ｎ — ｎ， ｉ ｏ ｇ ＨＩＪｎｓ ｕ ，Ｚ Ｋａ— ｉ ｚ ＮＧ ａ Ｙｕ ｎ
（ｎｔｕｅ ｆＦｕｄＰ ｙｉ ， Ａ Ｐ Ｍｉ ｙｎ ２ ９ ０ Ｃ ｉａ Ｉｓｔｔ ｏ ｌｉ ｈｓ ｓ Ｃ Ｅ ， ａ ａｇ６ １０ ， ｈｎ ） ｉ ｃ ｎ
应 时 间约 几 微 秒 ） 系 统 简 洁 的 特 点 ， 位 置探 测 及 相 关领 域 内获 得 了 广 泛 的 应 用 ； Ｐ Ｄ 的 输 出信 号 小 ， 受 到 电 、 在 但 Ｓ 易 路 噪 声 的 影 响 ， 要 充分 发 挥 其 性 能 ， 需要 高精 度 、 若 则 高稳 定度 、 噪 声 的 测 量 电路 。针 对 Ｐ Ｄ 这 种 较 高的使 用要 求 ， 低 ｓ
定 度 、 噪声 的测量 电路 ， 则 ， 低 否 由于 噪 声 等 的 影 响 ， 同样 将
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位移传感器数据高精度采集电路设计张斌;栾红民;李玉霞;吴庆林;王晶;曲云昭【摘要】High precision acquisition of displacement transducer data is the key link to realize the position monitoring and controlling of the primary mirror of large telescope. Input requirements of the acquisition circuit, according to which hardwares are designed,are analyzed in detail. The displacement transducer signal is conditioned by scaling and filtering,then inputs to the ADC chip ADS1259 to realize A/D conversion. DSP chip TMS320F28069 is used to read the digital data output by ADS1259,and to sent them to PC for processing and display after decoding. Meanwhile,the CAN bus interface is designed to establish the LAN between distributed acquisition circuit. After testing,the effective resolution can reach 17bi t,and acquisition displacement error less than 2 μm,the relative error is less than 0.01%, the acquisition circuit could collect the displacement transducer signal with high precision,and provides the guarantee and foundation for the telescope primary mirror monitoring and controlling.%对位移传感器数据进行高精度采集是实现大型望远镜主镜位置监控的关键环节.详细分析了位移传感器数据采集电路的输入需求并依此设计硬件电路.将位移传感器信号经过缩放、滤波等调理后输入至ADC芯片ADS1259完成A/D转换;使用DSP芯片TMS320F28069读取ADS1259输出的数字信号,解码后发送给PC机进行处理与显示.同时设计了CAN总线接口,用来实现分布式采集电路组建局域网.经过测试,采集电路的有效分辨率可达到17 bit,位移采集误差小于2μm,相对误差小于0.01%,能够实现对位移传感器信号的高精度采集,为望远镜主镜监控提供保证和依据.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2017(040)005【总页数】5页(P1204-1208)【关键词】位移传感器;数据采集;信号调理;CAN;望远镜【作者】张斌;栾红民;李玉霞;吴庆林;王晶;曲云昭【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京101400;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京101400;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春130033;中国科学院大学,北京101400【正文语种】中文【中图分类】TN710望远镜是进行深空观测与天文研究的最重要的、最基本的工具,其口径越大,集光能力越强,分辨能力越高[1]。
在大型望远镜系统中,主镜是整个主光学系统的基准[2],主镜与镜室的位置关系稳定是保证光学成像质量的前提,所以需要对主镜的位置进行实时监控。
主镜位置通过X、Y、Z、θX、θY、ΔR共6个自由度描述,这 6个自由度的获得需要通过安装在主镜底部与侧部的6个位移传感器的数据进行解算得出[3],图1为位移传感器布局示意图。
因此对位移传感器的数据采集是实现主镜位置监控的关键环节与前提,其准确与否直接影响解算出的主镜位置的准确性,进而影响对主镜位置的监控,影响大望远镜的成像质量。
针对大型望远镜主镜位置监控的需求,设计位移传感器数据的高精度采集电路。
位移传感器采用NovoTechnic公司的F205-1g型位移传感器,其线性量程为-2.5 mm～+2.5 mm,灵敏度为4.5 V/mm,输出差分电压信号,幅值在-11.25 V～+11.25 V之间;根据望远镜主镜相对镜室发生位移的特点,位移传感器输出的信号能量主要在几百赫兹以下,属于低频信号,但是受到的干扰特别强,如主镜支撑结构的震动所造成的干扰、工频干扰以及信号接地不良所引起的干扰等[4]。
所以,设计位移传感器数据采集电路主要实现以下功能:对信号进行缩放与滤波,将其从噪声中提取出来并满足ADC输入的幅值要求;然后输入至ADC芯片完成A/D转换过程;此外采用DSP处理器对转换后的数字信号进行读取与处理。
因为要对主镜上6个位置的位移信息进行采集,所以采集电路的设计有两种方案:其一,设计多通道数据采集电路,然后通过长导线连接至位移传感器;其二,设计单通道的数据采集电路,分别与每个位移传感器就近连接,然后利用总线技术将分布式采集电路组网。
方案一使用一套PCB板即可,但是位移传感器与采集电路之间的长导线受外界影响会引入噪声,影响测量结果[5];此外位移传感器输出电压信号,经过长距离传输产生的衰减也会造成测量误差。
方案二需要使用6套采集电路,成本较高,但是位移传感器与采集电路之间的连线短,布线简单,而且引入的噪声较方案一大幅度降低,测量结果更为精确。
综上,采用第2种方案进行设计,即设计单通道的位移传感器数据采集电路,然后利用总线技术组网实现主镜6个自由度位移信息的测量。
有多种总线可实现局域网组建,本文主要分析3种总线技术:以太网、RS485以及CAN总线。
以太网支持TCP/IP的一系列协议,其中的TCP协议设计成熟,使用广泛,可以10 Mbit/s的速率进行数据传输,并且能够纠错检错保证可靠性。
但是TCP协议传输的每条信息都需要附加至少70 byte的帧头[6],而在本文所设计的采集电路中,大部分信息都在4 byte～8 byte之间,使用TCP协议组网的效率会非常低下。
RS485总线采用差分格式传输信息,通信距离长,支持多点通信。
但是RS485总线没有标准的通信协议与纠错检错机制,需要自定义,可靠性不高;而且由于RS485采用主机轮询、下位机应答的机制解决数据冲突的问题,实时性不高,效率较低[7-8]。
CAN总线又称局域控制网,节点不分主从,采用优先级方式仲裁总线,自带校验检错功能,一般使用双绞线进行传输,布线简单而且可靠性高,其最高速率可达1M/s,实时性比较高[5,9]。
综合考虑,本文选取CAN接口进行组网设计。
对于位移传感器输出的差分信号,有两种方式对其进行滤波:(1)对差分信号线上的两路信号分别滤波;这种方式简单易行,但是要求两路信号上的滤波环节中的各元件参数严格匹配,否则会使差分线上的两路信号产生相位以及幅值上的偏差,从而产生测量误差。
(2)将差分信号转换为单端信号,然后滤波;该方法虽然额外加入了差分转单端的环节,但是能够较好的实现信号的滤波,并且不会引入方式1中产生的测量误差。
本文采用第2种方式进行滤波。
综上所述,设计位移传感器采集电路原理框图如图2所示。
基本思想是调理电路部分使用仪表放大器接收位移传感器信号,实现差分至单端的转换;转换后的单端信号经过低通滤波器后由差分放大器转换为差分信号输入至ADC芯片转换为数字信号;使用DSP芯片F28069作为处理器接收ADC输出的数字信号,解析后通过RS422接口发送给PC机;设计CAN总线接口用来实现分布式采集电路的组网。
2.1 信号调理与转换电路信号调理与转换电路由前置电路、滤波电路、ADC转换电路以及ADC参考电源电路构成,具体如图3所示。
根据佛里斯公式可知,前置电路的噪声系数对系统的总噪声系数影响最大,故要求前置电路必须噪声小、增益稳定、抗干扰能力强[10]。
采用低噪声仪表放大器AD8221接收位移传感器输出的差分信号,实现差分至单端的转换。
RG端开路,设置为单位增益,可使其具有80 dB以上的共模抑制能力,能够抑制传感器与电路之间长导线拾取的共模噪声。
电路前端采用阻容式射频滤波器,抑制射频噪声,防止其破坏测量结果,同时也在测量带宽内维持了较高的输入阻抗,避免增加信号源的负载。
将差分信号转换成单端信号后,为了满足ADC的量程,使用ADA4004设计反相放大器,增益为0.2,使信号缩放至ADC的输入幅值要求范围内。
为了限制噪声带宽并避免混叠,设计低通滤波电路将信号从噪声中提取出来。
因为Butterworth 滤波器通带内的幅频响应曲线非常平坦,能保证采集器精度,所以本文设计Butterworth低通滤波器实现滤波功能。
理论上说,低通滤波电路阶数越高,滤波的效果越好。
但是考虑到阶数增高带来的设计与调试问题,本文选择二阶低通滤波。
图3中所示为2极点单位增益Sallen-Key滤波器[11],相关公式如下:经过计算,可得到该滤波器的截止频率大约为1 kHz,Q值为0.71。
该滤波器仅允许目标频率通过,从而防止ADC对混叠频率进行采样;同时,在单位增益的Sallen-Key 滤波器中,运算放大器被用作单位增益缓冲器,使其具有高增益精度,提高信号采集质量。
ADC芯片是采集电路的核心器件,其性能将对系统精度产生重大的影响。
选用24位ADC芯片ADS1259进行数据转换;ADS1259具有高达14 ksample/s的可配置采样速率,内部集成了Δ-Σ调制器,具有出色的噪声抑制性能和线性特性[12]。
ADC采用全差分输入设计,不仅具备良好的共模噪声抑制特性,同时也可以将二次失真改变为共模噪声进行抑制;使用差分放大器AD8476作为驱动芯片将单端信号转换为差分信号输入至ADC。
ADC的参考输入采用ADR431基准电压芯片提供,相对于ADC芯片的片上基准,ADR431具有更小的噪声,更高的精度和稳定性;因为ADS1259参考输入端内部没有缓冲器,所以外接运放OPA227提高参考电压的驱动能力。