基於線性相位前端高速數據採集信號調理電路的製作方法
2023-10-26 17:25:07 2
本實用新型涉及弱信號調理領域，具體涉及基於線性相位前端高速數據採集信號調理電路。
背景技術：
在國內外，相應的類型的傳感器的採集系統很多，但是其抗幹擾性能和信號抗失真效果較差。傳統的前段採集系統方式噪聲大，精度低、採樣頻率低。並且輸出的信號常常存在溫度漂移、信號比較弱以及非線性等問題，不能被處理模塊直接利用。特別是傳統採用的高通無源濾波器方法處理，其負面影響較大，濾波頻段會隨著負載的變化而變化，使整個採集系統的穩定性降低。
技術實現要素：
本實用新型的目的是針對現有技術的不足，而提供一種基於線性相位前端高速數據採集信號調理電路，這種電路具有功耗低，可靠性好，精度高，噪聲小、頻率高的優點。
為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案為：
基於線性相位前端高速數據採集信號調理方法，包括以下步驟：
1）壓電式加速度傳感器與數據採集系統連接，得到電壓信號；
2）去掉壓電式加速度傳感器本身的直流信號，得到線性相位信號；
3） 對線性相位信號進行預採樣，把單路信號變成雙路差分信號；
4）對雙路差分信號進行數位訊號判斷，判斷是否可以進行程控放大和放大倍數；
5）放大判斷後的信號；
6）放大信號從單通道信號變成雙通道信號，差分電路將放大信號從單通道信號變成雙通道信號；
7）對雙通道信號進行小波去噪，並輸出原始數據和處理結果，通過接口上傳給ARM供測量人員顯示和分析。
步驟2）中去掉傳感器的本身的直流信號採用8階貝塞爾濾波器，所述濾波器的增益為20dB，上限截止頻率為fH=10kHz，阻帶衰減小於-45dB。
步驟4）中對雙路差分信號進行數模轉換的信號判斷：通過數模轉換電路後進行判斷，當輸入為「0」時，與第二輸出端接通；當輸入為「1」時，與第一輸出端接通；數模轉換電路的第二輸出端與放大電路的正向輸入端連接並接地，數模轉換電路的第一輸出端與放大電路的向輸入端連接，參考電壓REF端與放大電路的輸出端連接，模擬信號從數模轉換電路的參考電壓REF端輸入；
實現上述方法的基於線性相位前端高速數據採集信號調理電路，包括
恆流源電路，為取樣傳感器提供電流激勵；
低通濾波電路，濾除取樣傳感器本身的直流信號；
第一差分電路，單通道信號變成雙通道差分信號；
數字判斷電路，對雙路差分信號進行數模轉換的信號判斷；
放大電路，將判斷後的信號進行放大；
第二差分電路，單通道信號變成雙通道差分信號；
小波去噪電路，減少剔除噪聲產生的小波係數，最大限度的保留真實信號的係數；
所述恆流源電路、低通濾波電路、第一差分電路、數字判斷電路、放大電路、第二差分電路、小波去噪電路順序連接。
低通濾波電路為8階貝塞爾濾波器，濾波器的增益為20dB，上限截止頻率為fH=10kHz，阻帶衰減小於-45dB。
本實用新型用於解決傳感器傳來的單通道信號進行濾波和浮點放大的問題，並保證對信號的相位信息的分析、判斷以及處理的準確性。
這種方法能夠實現對傳感器產生的微弱信號進行放大、濾波和處理，達到對相位信息處理的更精確和對弱信號調理的目的；這種電路能滿足各項參數要求，通過調整參數，該電路可以滿足對信號相位要求高的場合，並且具有較高的使用價值。
附圖說明
圖1為基於線性相位前端高速數據採集信號調理電路方框連接圖；
圖2為圖1中恆流源電路圖；
圖3為圖1中低通濾波電路圖；
圖4為預採樣電路圖；
圖5為圖1中放大電路圖；
圖6為基準電壓電路圖；
圖7為圖1中第一、第二差分電路圖；
圖8為A/D採樣電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本實用新型內容作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅用於解釋相關的實用新型內容，而非對該實用新型的限定。
實施例：
基於線性相位前端高速數據採集信號調理方法，包括以下步驟：
1）壓電式加速度傳感器與數據採集系統連接，得到電壓信號信號；
2）去掉壓電式加速度傳感器本身的直流信號，得到線性相位信號；
3） 對線性相位信號進行預採樣，把單路信號變成雙路差分信號；
4）對雙路差分信號進行數位訊號判斷，判斷是否可以進行程控放大和放大倍數；
5）放大判斷後的信號；
6）放大信號從單通道信號變成雙通道信號，差分電路將放大信號從單通道信號變成雙通道信號；
7）對雙通道信號進行小波去噪，並輸出原始數據和處理結果，通過接口上傳給ARM供測量人員顯示和分析。
步驟2）中去掉傳感器的本身的直流信號採用8階貝塞爾濾波器，所述濾波器的增益為20dB，上限截止頻率為fH=10kHz，阻帶衰減小於-45dB。
步驟4）中對雙路差分信號進行數模轉換的信號判斷：通過數模轉換電路後進行判斷，當輸入為「0」時，與第二輸出端接通；當輸入為「1」時，與第一輸出端接通；數模轉換電路的第二輸出端與放大電路的正向輸入端連接並接地，數模轉換電路的第一輸出端與放大電路的向輸入端連接，參考電壓REF端與放大電路的輸出端連接，模擬信號從數模轉換電路的參考電壓REF端輸入。
如圖1所示，實現上述方法的基於線性相位前端高速數據採集信號調理電路，包括
恆流源電路，為取樣傳感器提供電流激勵；
低通濾波電路，濾除取樣傳感器本身的直流信號；
第一差分電路，單通道信號變成雙通道差分信號；
數字判斷電路，對雙路差分信號進行數模轉換的信號判斷；
放大電路，將判斷後的信號進行放大；
第二差分電路，單通道信號變成雙通道差分信號；
小波去噪電路，減少剔除噪聲產生的小波係數，最大限度的保留真實信號的係數；
所述恆流源電路、低通濾波電路、第一差分電路、數字判斷電路、放大電路、第二差分電路、小波去噪電路順序連接。
如圖2所示，採用晶片為LM134組成的恆流源電路，LM134是三端可調的恆流源器件，電壓範圍為1-40v，通過外接一隻電阻即可構成一種典型的恆流源電路，LM134的正溫度係數約為+0.23 mv/℃。恆流源電路連接壓電式加速度傳感器，並為其提供4mA的電流激勵。通過兩個電容組成的二階RC高通濾波器去掉傳感器的本身的直流信號。
如圖3所示，低通濾波電路為8階貝塞爾濾波器，濾波器的增益為20dB，上限截止頻率為fH=10kHz，阻帶衰減小於-45dB。
為了達到特定的阻帶衰減水平，使用的是高階貝塞爾濾波器。對於低通濾波器的要求增益為20dB,濾波器的上限截止頻率為fH=10kHz，並且阻帶衰減小於-45dB，因此採用了8階貝塞爾低通濾波器。從傳感器的信號經過二階RC高通濾波器後通過8階貝塞爾低通濾波器處理而得到一個理想的線性相位信號輸入到後面的電路當中。
步驟3）輸入的信號通過圖4中的預採樣電路，首先經過第一差分電路，如圖7所示，把輸入的單路信號變成雙路差分信號，再經過8位A/D採樣晶片進行A/D轉換後，所輸出的信號進入FPGA進行處理。
步驟4 ）FPGA判斷後的信號，決定好放大倍數後，通過圖5的程控放大電路進行放大，其中預採樣和FPGA還有程控放大電路組成了浮點放大電路。D/A的8位輸入DB7-DB0分別控制其內部的高速模擬開關S1-S8。當它的輸入為「0」時，模擬開關與OUT2接通；當輸入為「1」時，模擬開關與OUT1接通。放大器與8位D/A的連接方式為：D/A的OUT2端與放大器的正向輸入端連接並接地，D/A的OUT1端與放大器的方向輸入端連接，REF與放大器的輸出端連接，模擬信號從D/A的REF端輸入。這樣就可以形成浮點放大所要求的電路結構。
步驟5）提供參考電壓，如圖6所示，使用ADR434基準電壓源設定參考電壓，其中電壓為4.096V。它具有低噪聲、高精度、低溫度漂移的性能。
步驟6）中的第二差分電路將從浮點放大電路的放大信號從單通道信號變成雙通道信號，並輸入到A/D採樣電路中。
步驟7）中的為16位A/D採樣晶片，如圖8所示，負責對從差分電路進來的雙通道信號進行採樣處理，並且將採集完的數據發送到DSP分析判斷。設定參數進行小波去噪，並將原始數據和處理結果通過接口上傳給ARM供測量人員顯示和分析。