[发明专利]一种小信号采集系统

说明书

技术领域

本发明涉及信号采集设备领域，特别是一种小信号采集系统。

背景技术

随着通信技术和半导体技术的不断发展，自动化控制和自动化测量越来越多的参与到重要的生产建设中来。这种趋势建立在测量系统和控制系统的精度不断提高，有效测量或控制范围不断扩展这一基础上。一般而言，测量是控制系统中必不可少的一个重要环节，也是实现系统又好又快进行控制的关键因素。一个完整的测量系统由四大部分组成，分别是传感器部分，信号采集和处理部分，控制部分以及供电部分。一个功能完善，读数可信的测量结果需要各个部分协作给出，系统中任何一个模块设计不当都可能造成最终的测量数据不符合预期。比如说，信号采集和处理部分没有做好，那么传感器给出的数据在采集和处理过程中就会发生失真或被干扰污染，而这种信号的恶化往往是不可逆的。具体来看，对于微弱的信号，尤其需要注意整个系统的小信号模拟通道和电源的供电部分，因为这两部分的优劣会直接影响信号质量的好坏，而实际上这两个部分也恰恰是整个测量系统的难点所在。

发明内容

本发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种小信号采集系统，专门为识别微弱的电压信号发明，也即系统需要较高的电压分辨率。系统整体采用高精度电路的设计思路，并在保证系统指标的提前下小型化。

一种小信号采集系统，由模拟前端电路，控制及对外通信电路以及电源电路三部分组成。从整个系统的角度来看，信号流向如下：传感器产生的差分信号直接被高精度模拟数字转换器（ADC）拾取，在ADC内部进行放大和滤波等信号调理工作，再转换成数字信号传送到控制芯片，控制芯片对该数字信号进行幅值校正，增益校正等适当的调整，再将调整后的信号通过USB总线传动给上位机，上位机接收到数据后通过上位机程序讲信号波形显示出来，用户可以使用上位机程序对信号波形进行伸缩和存储等操作。ADC的参考电压由精密电压参考源提供，系统中集成了一个温度传感器用于测量传感器输出信号的温度曲线，并通过构建不同的温度曲线来实现对不同传感器的调校。

输入电源为12V直流稳压电源，外接电源经过LC滤波器后作为系统的12V电源供后级使用，精密电流源，传感器以及精密电压参考源直接由输入电源供电，输入电源经过一片低压差线性稳压器（LDO）产生5V电源给ADC芯片的模拟部分和复位芯片供电，输入电源经过另一片LDO产生3.3V。设有TPS7A4901芯片。采用了SOT-223封装的LM1117提供3.3V电源，防止电源抑制比恶化。

精密电流源为传感器提供偏执电流，也即为传感器提供静态工作电流。在电流源的直流偏执下，信号以差分电压的形式给出。电流源的基本组成形式应该是一个带有负反馈的V-I转换电路，本发明使用LT3092芯片。该芯片的工作原理为：10uA参考电流源通过编程电阻RSET放电，同时在RSET上产生压降USET，输出电阻ROUT上流过负载电流ISOURCE产生压降UOUT，运算放大器通过放大USET和UOUT的差值来调整三极管T1和T2的发射极电流，进而调整负载电流。

本发明系统选取了ADS1255这款芯片，该芯片内部集成了差分输入的缓冲放大器，1到64倍7种可调增益的程控增益放大器和一个24位125△-∑模数转换器，数据输出速率最高可以达到30kSPS。芯片的输出采用SPI接口形式，通过Dataready信号（15脚）对控制芯片发起中断提醒控制芯片读取转换好的数据。ADC的参考电压源是整个采集系统中的电压基准，参考电压源输出电压的准确性直接决定采样数据的可靠性，参考电压源的噪声也会以加性噪声的形式直接折算在ADC的模拟输入信号上。系统选取标称输出电压为2.5V的MAX6225为ADC提供电压参考。芯片本身具有很高的温度稳定性和初始精确度。芯片具有15mA的电流驱动的稳定能力。传感器输出的差分信号AIN_P和AIN_N经过一级差分低通滤波器进行抗混叠滤波后直接输入到ADS1255的模拟输入端，MAX6225与ADS1255直接相连为其提供参考电压。采用ADS1255，能把硬件电路需要进行的工作抽象成对ADS1255片内寄存器的修改，这在简化硬件电路设计和调试的同时也实现了整个系统的小型化。

控制芯片对外接口，控制芯片的主要任务是在上电之后对ADC进行配置，使其以一个合适的工作状态工作，同时初始化各个对外接口，以保证数据可以上传到上位机进行进一步处理。因为上位机程序本身的控制比较复杂，系统中采用USB总线作为主要的数据通道，同时保留串口作为调试接口，本发明采用一块带有USB2.0接口的ARM芯片作为主控制器，串口配合MAX3232一起使用。