一种高精度信号采集系统的设计和研究＊

2012-10-16袁立军王向军

舰船电子工程 2012年12期

袁立军龚涛王向军

（1.海军驻江南造船集团军代室上海 200000）（2.中国船舶重工集团公司第七〇一研究所武汉 430064）（3.海军工程大学武汉 430033）

1 引言

随着传感器技术的飞速发展，各类传感器的出现，例如压力传感器、温度传感器、速度传感器等，怎样准确高速地采集这些传感器信号就是需要重点研究的内容。通常传感器的信号都比较微弱，需要进行放大处理［1］。这时就必然要用到放大器了，要求放大器增益高，性能稳定，尤其是零点漂移、温度漂移、增益、稳定性等指标要求较高，也就是要能对信号实现精密放大处理，满足计量要求［2～3］。然后要求采集系统能够同时对多个不同传感器的信号进行采集，这就要求信号采集的实时性。本文针对这两个方面的问题，设计了一个多通道高精度的实时采集系统［4～5］。

2 整体设计

本装置采用DSP作为主处理器，可以同时采集八路通道的信号。同时把信号放大100倍，提高采集的精度。系统整体结构框图如图1所示。

图1 系统整体结构图

3 硬件设计

3.1 放大模块

针对微弱的传感器信号，采用高精度的仪表放大器AD620来进行放大，提高信号采集的精度。AD620仪表放大器是美国AD公司的产品。由于它的超β先进工艺，使其最大工作电流为1.3mA，输入失调电压为5μV，输入失调漂移最大为1μV／℃，共模抑制比93dB，增益范围可调，且调节方便，噪声低。AD620的核心是二级运放电路，有较高的共模抑制比，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小。且精确度高、使用简易、噪声低，应用十分广泛。多年来，AD620已经成为工业标准的高性能、低成本的仪表放大器［6～7］。AD620 是一种完整的单片仪表放大器，提供8引脚D IP和SO IC两种封装，引脚少，设计方便，引脚定义如图2所示。

图2 AD620引脚图

AD620是传统AD524仪表放大器的第二代产品，并且包含一个改进的传统三级运放电路。经过激光微调的片内薄膜电阻器R1和R2使用户只需使用一只外部电阻器便可以设置从1到1000任何要求的增益，最大误差在±0.3%之内。精度高，使用非常方便。根据一个固定公式可以得到外加电阻阻值和放大增益之间的关系，从而确定外加电阻的阻值。此公式为

本系统设计的放大增益为100的放大模块，根据上式可以确定在AD620的1脚和8脚之间需要连接一个500Ω的电阻就可以了。为了放大增益的准确性，以避免大的寄生电阻串入RG，同时也为了使RG具有最小的增益漂移，选用0.1%精度、温度系数TC低于10ppm／℃的电阻，具体的电路使用接线图如图3所示［8］。

图3 AD620使用接线图

其中的RG。

3.2 多路模拟信号选择模块

现在的测量控制系统通常都会同时连接多个不同类型的传感器，这样就需要同时测量这些传感器的数值，本系统采用8通道模拟量选择芯片ADG408来实现这个功能［9］。

图4 ADG408引脚图

ADG408的转换速度非常的快，在接到选择指令后120ns就可以完成转换，基本上可以认为是实时的数据，能够很好地完成模拟量的选择功能。采用16脚的封装，8路输入，1路输出，3个引脚接控制信号，如图4所示。其中的A0、A1、A2三个引脚接到DSP芯片的I／O口，表1显示了不同控制信号所对应选择的模拟通道。本系统通过DSP的软件设计，让8个通道从1～8进行循环选择，实现各种信号的采集。

在设计的时候，将引脚EN接上5V电源，强制芯片使能，S1－S8引脚连接到信号输入接线端子，电源采用±12V的DC／DC电源。输出引脚D连接到AD转换芯片ADS7805上进行模数转换。

表1 ADG408通道选择真值表

此模块的设计原理图如图5所示。

图5 多路模拟量选择模块设计图

3.3 模数转换模块

一个采集系统的精度是否很高，除了之前的放大模块的设计外，A／D转换芯片的选择、外围电路的设计也是至关重要的。

本系统采用16位的A／D转换芯片ADS7805来实现模数转换的功能［10］。ADS7805可以达到每分钟100kHz的采样频率，输入信号为±10V，除上之前放大的100倍，整个系统可以采集的信号范围是±100mV，满足大部分传感器的信号采集。而且可以动态的改变放大模块的放大增益，实现不同输入信号的设置。具体的设计原理图如图6所示。