[发明专利]高精度数据采集系统模拟信号调理电路

说明书

技术领域

本发明涉及一种数据采集电路，尤其是高精度数据采集系统模拟信号调理电路。

背景技术

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、CPLD／FPAG技术、DSP技术、数据通讯与接13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。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。

发明内容

本申请要解决的技术问题是克服上述缺陷，提供一种高精度数据采集系统模拟信号调理电路。

为解决上述技术问题，采用的技术方案是：

高精度数据采集系统模拟信号调理电路,前置差分放大器INAl28、四阶巴特沃思有源低通滤波器、主放大器、50Hz陷波器电路顺序连接后经A/D转换器输入至DSP；该四阶巴特沃思有源低通滤波器为两级二阶无线增益多端反馈低通滤波器级联组成，主放大器由高共模抑制比的双端输入单端输出型仪用程控放大器PGA204，PGA205组合而成，陷波器电路为一个二阶双T型50Hz陷波器电路，A/D转换器为LTC2400。

本发明的有益效果是：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。

附图说明

图1是模拟信号调理电路结构示意图；

图2是两级程控放大器级联示意图。

具体实施方式

高精度数据采集系统模拟信号调理电路,前置差分放大器INAl28、四阶巴特沃思有源低通滤波器、主放大器、50Hz陷波器电路顺序连接后经A/D转换器输入至DSP；该四阶巴特沃思有源低通滤波器为两级二阶无线增益多端反馈低通滤波器级联组成，主放大器由高共模抑制比的双端输入单端输出型仪用程控放大器PGA204，PGA205组合而成，陷波器电路为一个二阶双T型50Hz陷波器电路，A/D转换器为LTC2400。

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。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。INAl28是一种低功耗、高精度仪表用差分放大器，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，对输入信号的共模干扰起到了很好的抑制。考虑到信号特征及硬件上的易实现性，系统在低通滤波器上采用了巴特沃思有源低通滤波器。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。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。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ADE量化最佳区间，以提高仪器的动态范围和灵敏度。最终选择了PGA204、PGA205组合。PGA204，PGA205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。前置放大器采用电压跟随器的方式。PGA204的可控放大倍数为1，10，100，1000；PGA205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。PGA204，PGA205均为双端输入单端输出型仪用程控放大器。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PGA205的正负输入端，这样就构成了第一级差分放大器。两片PGA205输出，分别作为PGA204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。两级程控放大器级联示意图如图2所示。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。为了能达到检测级信号的能力，这里采用凌特公司的LTC2400,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。该转换器具有4ppm的线性度，24位无漏码；4ppm的满度增益误差等优良直流性能和良好的低噪声特性。此外，该转换器拥有SPI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。