一種高精度信號采集系統的設計和研究＊

袁立軍 龔 濤 王向軍

（1.海軍駐江南造船集團軍代室 上海 200000）（2.中國船舶重工集團公司第七〇一研究所 武漢 430064）（3.海軍工程大學 武漢 430033）

1 引言

隨著傳感器技術的飛速發展，各類傳感器的出現，例如壓力傳感器、溫度傳感器、速度傳感器等，怎樣準確高速地采集這些傳感器信號就是需要重點研究的內容。通常傳感器的信號都比較微弱，需要進行放大處理［1］。這時就必然要用到放大器了，要求放大器增益高，性能穩定，尤其是零點漂移、溫度漂移、增益、穩定性等指標要求較高，也就是要能對信號實現精密放大處理，滿足計量要求［2～3］。然后要求采集系統能夠同時對多個不同傳感器的信號進行采集，這就要求信號采集的實時性。本文針對這兩個方面的問題，設計了一個多通道高精度的實時采集系統［4～5］。

2 整體設計

本裝置采用DSP作為主處理器，可以同時采集八路通道的信號。同時把信號放大100倍，提高采集的精度。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

3 硬件設計

3.1 放大模塊

針對微弱的傳感器信號，采用高精度的儀表放大器AD620來進行放大，提高信號采集的精度。AD620儀表放大器是美國AD公司的產品。由于它的超β先進工藝，使其最大工作電流為1.3mA，輸入失調電壓為5μV，輸入失調漂移最大為1μV／℃，共模抑制比93dB，增益范圍可調，且調節方便，噪聲低。AD620的核心是二級運放電路，有較高的共模抑制比，溫度穩定性好，放大頻帶寬，噪聲系數小。且精確度高、使用簡易、噪聲低，應用十分廣泛。多年來，AD620已經成為工業標準的高性能、低成本的儀表放大 器［6～7］。AD620 是 一 種完整的單片儀表放大器，提供8引腳D IP和SO IC兩種封裝，引腳少，設計方便，引腳定義如圖2所示。

圖2 AD620引腳圖

AD620是傳統AD524儀表放大器的第二代產品，并且包含一個改進的傳統三級運放電路。經過激光微調的片內薄膜電阻器R1和R2使用戶只需使用一只外部電阻器便可以設置從1到1000任何要求的增益，最大誤差在±0.3%之內。精度高，使用非常方便。根據一個固定公式可以得到外加電阻阻值和放大增益之間的關系，從而確定外加電阻的阻值。此公式為

本系統設計的放大增益為100的放大模塊，根據上式可以確定在AD620的1腳和8腳之間需要連接一個500Ω的電阻就可以了。為了放大增益的準確性，以避免大的寄生電阻串入RG，同時也為了使RG具有最小的增益漂移，選用0.1%精度、溫度系數TC低于10ppm／℃的電阻，具體的電路使用接線圖如圖3所示［8］。

圖3 AD620使用接線圖

其中的RG。

3.2 多路模擬信號選擇模塊

現在的測量控制系統通常都會同時連接多個不同類型的傳感器，這樣就需要同時測量這些傳感器的數值，本系統采用8通道模擬量選擇芯片ADG408來實現這個功能［9］。

圖4 ADG408引腳圖

ADG408的轉換速度非常的快，在接到選擇指令后120ns就可以完成轉換，基本上可以認為是實時的數據，能夠很好地完成模擬量的選擇功能。采用16腳的封裝，8路輸入，1路輸出，3個引腳接控制信號，如圖4所示。其中的A0、A1、A2三個引腳接到DSP芯片的I／O口，表1顯示了不同控制信號所對應選擇的模擬通道。本系統通過DSP的軟件設計，讓8個通道從1～8進行循環選擇，實現各種信號的采集。

在設計的時候，將引腳EN接上5V電源，強制芯片使能，S1－S8引腳連接到信號輸入接線端子，電源采用±12V的DC／DC電源。輸出引腳D連接到AD轉換芯片ADS7805上進行模數轉換。

表1 ADG408通道選擇真值表

此模塊的設計原理圖如圖5所示。

圖5 多路模擬量選擇模塊設計圖

3.3 模數轉換模塊

一個采集系統的精度是否很高，除了之前的放大模塊的設計外，A／D轉換芯片的選擇、外圍電路的設計也是至關重要的。

本系統采用16位的A／D轉換芯片ADS7805來實現模數轉換的功能［10］。ADS7805可以達到每分鐘100kHz的采樣頻率，輸入信號為±10V，除上之前放大的100倍，整個系統可以采集的信號范圍是±100mV，滿足大部分傳感器的信號采集。而且可以動態的改變放大模塊的放大增益，實現不同輸入信號的設置。具體的設計原理圖如圖6所示。

圖6 模數轉換模塊設計圖

4 軟件設計

本系統在軟件程序的設計上，合理分配DSP資源，提高采樣頻率，保證數據的實時性，同時通過串口將數據發送到PC機上用于顯示和保存。具體的程序框圖如圖7所示。

原理是：首先程序進行初始化，對采集設備進行設置；然后進行自檢，并將檢查結果發送給主機；接著主機進行實驗的采集頻率設置，系統準備開始進行測量；測量開始后，系統對傳感器的信號進行通道選擇并采集、再進行模數轉換，接著將轉換后的數據發送到主機；系統一直循環運行直到接收主機發送的停止信號。

圖7 DSP程序框圖

5 結語

本設計在硬件上采樣高精度的儀表放大器AD620進行信號的放大，然后通過多路模擬量選擇芯片進行多通道的實時采集，形成了一個完整的高效的小信號采集系統。通過DSP軟件的配合，使整個系統運行起來更快速，更精確。由于放大增益是可調的，可以方便地實現±10V內任何區間電壓信號的高精度采集，測試效果很好。

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