（控制理论与控制工程专业论文）多路微弱电流采集系统设计.pdf

济南大学硕士论文 摘要 本文详细介绍了多路微弱光电流采集系统的设计方案。传统的电流采集由于反馈 电阻参数的分散性及信号放大处理电路中各通道的不均匀性误差对测量结果的准确 性有很大影响，基于上述原因，本文提出了电流直接切换方案。通过大量试验选择合 适的模拟开关，选择某一路电流后利用精密i v 转换电路，得到相应电压，此方案可 从原理上消除i 转换电路带来的分散性误差。由于模拟开关各通道间寄生电容的存 在，在1 v 转换时转换电压并不能立即稳定，出现振荡现象，本文分析这一现象，提 出电路模型并作出相应的解释。由于上述振荡现象的出现，使每一路信号的采集周期 变长，为达到系统指标，利用并行处理思想，用4 个i 厂v 转换模块同时工作以降低整 个电路的采集时闽，使用模拟开关c d 4 0 5 2 选择即将达到稳定的电压信号进入采样保 持器，在前向通道中采用“流水线”式作业，通过编码电路与可编程控制放大器 p g a 2 0 3 实现自动量程转换，不仅提高了模数转换的精度和速度，而且还提高了电路 的动态范围和处理速度。 比较了8 9 c 5 1 与m s p 4 3 0 单片机的优缺点，由于m s p 4 3 0 内部集成了模数转换、 两通道支持异步或同步串行通信接口、支持1 6 位运算并且超低功耗，因此选用以t i 公司生产的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为数据采集系统的核心器件，在单片机内部采用滑 动平均滤波算法对采集数据作数字滤波处理，利用r s 2 3 2 实现单片机和p c 机的串 行通讯。在整个p c b 板设计中前向通道与m s p 4 3 0 的高r 乜平电压并不兼容，在产品 发计时要转换电平。最后简要说明制作p c b 板时的注意事项。 上位机使用功能强大的图形化编程工具l a b v i e w 为数据处理平台，对采集数据作 各种指标分析，包括：均值、偏差以及方差计算，线性度分析、均匀性分析、稳定性 分析。测试结果表明，该方案能提高系统性能。 关键词：光电流检测：多路数据采集：m s p 4 3 0 多路微弱电流采集系统设计 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w eh a v ed e t a i l e di n t r o d u c e dm e t a l st om u l t i c h a n n e lw e a k n e s s p h o t o c u r r e n t t h ev e r a c i t yo fc o n v e n t i o n a lm e a n st oc u r r e n ta c q u i s i t i o ni sg r e a t l yi n f l u e n c e b yt h ed i s p e r s i o nc a u s e db y 。t h eu n i t so ff e e d b a c kr e s i s t a n c ea n dt h ee r r o rd u et o a s y m m e t r ya n dn o n l i n e a ro fe a c hc h m m e li ns i g n a la n a p l i f i c a t i o na n dp r o c e s s i n gc i r c u i t r y a c c o r d i n gt oa b o v er e a s o n ，t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dn e wm e a u st h a ti ss e l e c t i n go n e c h a n n e lo fc u r r e n td i r e c t l y a p p r o p r i a t em u l t i p l e x e ri sc h o i r e db yam a s so fe x a m i n a t i o n a f t e ro n ec h a n n e lo fc u r r e n ti sc o n f i r m e d ，t h ec o r r e s p o n d i n gv o l t a g ec a l lb eg e tb yn i c e t y i vc o n v e r s i o n f r o mt h ep r i n c i p l eo ft h i so p t i o nc o u l db et oe l i m i n a t et h es c a t t e r e de r r o r o fi 厂vc o n v e r s i o n a sa n a l o gs w i t c ht h ec h a n n e le x i s t sb e t w e e nt h ep a r a s i t i cc a p a c i t a n c e c o n v e r s i o nv o l t a g ei sn o tt ob es t a b i l i t yi m m e d i a t e l ya n di ta p p e a r so s c i l l a t i o n 耵l i sp a p e r d i s c u s s e st h i sp h e n o m e n o n ，a n di n t r o d u c e st h ec o r r e s p o n d i n gc i r c u i tm o d e lt oe x p l a i n a c c o r d i n gt oa b o v er e a s o n ，t h ea c q u i s i t i o nc y c l eo fe a c hs i g n a lc h a n n e lp r o l o n g s t o a c h i e v et h et a r g e to fs y s t e m ，t h i n k i n go fu s i n gp a r a l l e lp r o c e s s i n g ，f o u ri vc o n v e r s i o n c i r c u i tm o d u l e ss i m u l t a n e i t yw o r kt or e d u c et h ee n t i r ec o l l e c t i o nt i m e m u l t i p l e x e rc d 4 0 5 2 c h o o s et h ev o l t a g e s i g n a l t h a t w i l lb es t a b i l i z ei n t ot h e s a m p l e a n d h o l d d e v i c e s a s s e m b l yl i n e ”s t y l eo p e r a t i o ni sa d o p t e di np r e - a m p l i f i c a t i o nu n i t e s i t sn o to n l y i m p r o v e st h ea c c u r a c ya n ds p e e do ft h ea n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ，b u ta l s oi n c r e a s e st h e d y n a m i cr a n g ea n ds p e e db yp g a 2 0 3p r o g r a m m a b l ec o n t r o la m p l i f i e rc i r c u i t sa n dc o d i n g f o ra u t o m a t i cc o n v e r s i o nr a n g e c o m p a r e dw i t hm s p 4 3 0a n d8 9 c 5 1 ，w eu s et i sm s p 4 3 0 f 1 4 9a st h ec o r ed e v i c e so f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb e c a u s em s p 4 3 0i n t e r n a li n t e g r a t e da n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o n ，t w o c h m m e ls u p p o r ta s y n c h r o n o u so rs y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s u p p o n 16 一b i tc o m p u t i n ga n du l t r a l o wp o w e rc o n s u m p t i o n s c ma d o p t st h em o v i n ga v e r a g e d i g i t a l f i l t e rf o rd a t aa c q u i s i t i o n ，i t b r i e f l yd i s c u s s e ds e r i a l c o m m u n i c a t i o no nt h e m s p 4 3 0 f 1 4 9 t h er s 一2 3 2i su s e dt oc o n v e r s ev o l t a g eb e t w e e ns c ma n dp c t h ev o l t a g e o fm s p 4 3 0a n dp r o c e s s i n gs i g n a lu n i t si sn o tc o m p a t i b l ew i t ht h ec h a n n e l 、s ow es h o u l d n o t i c ei to nt h ep r o d u c td e s i g n i n g f i n a l l yab r i e fd e s c r i p t i o no ft h ep c bp r o d u c t i o n a t t e n t i o ni si n t r o d u c e d p cu t i l i z e st h ep o w e r f u ll a b v i e wg r a p h i c a lp r o g r a m m i n gt o o lf o rd a t ap r o c e s s i n g p l a t f o r m i ta n a l y s i st h ec o l l e c t e dd a t af o rg u i d el i n e ，i n c l u d i n g ：m e a n ，d e v i a i o nv a r i a n c e t t 济南大学硕士论文 c a l c u l a t i o n ，l i n e a ra n a l y s i s ，u n i f o r m i t ya n a l y s i s ，a n ds t a b i l i t ya n a l y s i s t e s tr e s u l t ss h o w t h a tt h ep r o g r a mc a r li m p r o v es y s t e mp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：p h o t o c u r r e n td e t e c t i o n ，m u l t i c h a n n e ld a t aa c q u i s i t i o n ，m s p 4 3 0 i i l 多路微弱电流采集系统设计 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：1 翻蜱 日 期：上q 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 。o 番鞋日期： 蛆f 刁 1 7 弩 珏 济南大学硕士论文 第一章引言 科学技术的发展依赖于测量技术，同时也对测量技术提出新的更高要求。概括来 讲，测量技术始终围绕着提高测量速度和精度这两个基本问题发展。测量速度的加快， 不仅仅是节省了测量时间，还意味着对被测量系统快速变化的响应能力和处理能力的 提高。测量精度是一种测量系统、一种测量方法优劣的重要评判指标。测量精度的提 高意味着检测灵敏度的提高和动态范围的扩大，即容纳更多的噪声和从噪声中提取信 号能力的提高【l j 。 数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转化成计算机能识别的 数字信号，送入计算机，将计算机得到的数据进行显示或者打印，以便实现对某些物 理量的监视，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量 2 1 。 微弱信号检钡r w e a ks i g n a ld e t e c t i o n ，简称w s d ) 是用来提高测量精度的技术，其 任务是研究微弱信号的检测理论，探索新方法，研制新设备，解决各学科中的应用问 题。所谓“微弱信号”可以从两方面理解：其一有用信号的幅度相对于噪声显得微弱； 其二信号的幅度绝对值极小【j 1 。 1 多路数据采集发展状况 目前，各研究所、公司、高校陆续开展相应的研究。女i h p 公司生产的h p e l 4 3 0 a ( i o m h z ) 和h pe 1 4 3 7 a ( 2 0 m h z ) ，它们都是单通道的。p e n t e k 公司的4 4 5 2 ( 5 0 k h z ) ，是 1 6 通道、分辨率为1 6 位的采集模块。4 4 7 5 是( i o o k h z ) 一种3 2 通道、分辨率为1 6 位的模 数转换器，并具有信号调理功能，所有c 尺寸模块都与v x i p l u g & p l a y 兼容。n i 公司的 6 4 e 一1 ( 1 2 5 1 z ) ，分辨率为1 2 位，6 4 x e 1 0 ( i o o k h z ) ，分辨率为1 6 位。电子科技大学 先后研制出的双通道高速数据采集模块( 最高速率达2 0 m z ，分辨率为1 2 位) 和1 6 通道 高速数据采集模块( 最高速率达5 0 0 k h z ，分辨率为1 6 位) 。哈尔滨理工大学研制出了采 样速率为2 0 m h z ，分辨率为1 2 位，并行四通道的高速a d 转换模块。上述产品反映了我 国近年来v x l 产品开发的技术水平已日趋成熟，但是同国外相比，在产品质量和技术 指标上还有一定差距。国内在理论研究与应用产品开发上发展比较缓慢，研究水平还 多路微弱电流采集系统设计 落后于国外发达国家，主要表现在软件功能简单，采样速率不高，模数转换器的位数 低，通道数少等“。 2 本课题的研究目的和任务 本课题的目的是研究设计一个适用于激光粒度测试仪的多通道高速数据采集电 路，要采集的信号是o 5 2 0ua 的微弱电流信号，采集通道数可达6 4 路。目前市场 上销售的多路数据采集电路大多是针对于电压输入信号，且通道数较少，一般在1 6 2 4 路，不能满足粒度仪的要求。如采用多块采集板则价格较高，还需外加多通道、 高精度i v 转换电路，提高了激光粒度测试仪的生产成本。国内的激光粒度测试仪大 多是3 2 6 4 通道的，其数据采集电路存在着采集周期长，各通道线性度均匀一致性 及稳定性、抗干扰能力差的问题。 基于激光粒度测试仪的特点，本课题对数据采集系统提出以下要求： 完成6 4 路电流采集 a d 分辨率为1 2 位 每路数据的采样速率不低于l o k h z 具备与计算机的数据通讯能力 分析该数据采集系统的性能，系统的总误差控制在5 以内 3 本文所做的主要工作和本文的结构 本文针对多路电流采集提出了一种新的电流直接切换方案，利用精密d v 转换电 路，可从原理上消除各通道分散性误差。提出电流直接切换方案，分析电流切换出现 的现象，提出电路模型并结合实验现象作出理论解释。利用并行处理思想，用4 个w 转换模块同时工作以降低整个电路的采集时间，采用“流水线”式作业，通过自动量 程转换技术，提高了电路的动态范围和处理速度。 以t i 公司的m s p 4 3 0 f 1 4 9 单片机作为数据采集系统的核心器件，在单片机内部 采用滑动平均滤波算法对采集数据作数字滤波处理，介绍了m s p 4 3 0 f 1 4 9 的串口通讯 功能，利用r s - 2 3 2 实现单片机和p c 机的电平转换，上位机使用功能强大的图形化 编程工具l a b v i e w 为数据处理平台，对采集数据作各种指标分析，包括：均值、偏差 以及方差计算，线性度分析、均匀性分析、稳定性分析。 测试结果表明，该方案能较好的改善系统性能。 2 济南大学硕士论文 本文结构如下： 1 介绍了本课题的背景，指出目前国内多路光电流采集中存在的问题。 2 由于光探头对周围环境要求较高，输出电流不易稳定，设计出8 路可调微弱 电流源代替光探头作信号源。 3 。提出电流直接切换方案，分析电流切换出现的现象，提出电路模型并结合实 验现象作出理论解释。 4 利用并行处理思想，用4 个w 转换模块同时工作以降低整个电路的采集时 间，采用“流水线”式作业，通过自动量程转换技术，提高了电路的动态范 围和处理速度。 5 选用m s p 4 3 0 f 1 4 9 作为数据采集系统的核心器件，通过r s 2 3 2 实现上下位机 之间通讯。上位机采用l a b v i e w 处理数据，对数据进行均值、偏差以及方差 计算，线性度分析、均匀性分析、稳定性分析。 3 多路微弱电流采集系统设计 第二章并行高速数据采集方案 2 1 常规多路数据采集电路形式 多通道数据采集系统的基本结构和配置主要包括以下几种形式“1 ： 1 分时多通道采集结构 结构图如图2 1 所示。它可以用增加多路开关的方法来扩充模拟信号的通道数。 2 同步多通道采集结构 图2 1 分时多通道采集结构图 结构图如图2 2 所示。完全与实际、自然时间同步，消除了分时采集的歪斜误 差，实现了同步转换，各通道转换值完全瞬时对应。这种结构可大大提高速度，但 经 图2 2 同步多通道采集结构图 3 伪同步多通道采集结构 4 薪甫大学硕士论文 结构图如图2 3 所示。各通道加了采样保持器，控制作用可使输入信号实现同时采样， 可对各通道信号进行瞬时比较，消除了分时采样带来了的时间歪斜误差，经采样后仍由 多路模拟开关分时选通和转换。由于同时采样的各通道采样保持时间内的变化量各不相 同，故称伪同步。 图2 3 伪同步多通道采集结构图 2 2常规多路电流采集方案 本课题是为激光粒度测试仪设计数据采集电路，采集的对象是6 4 路微弱光电流，常 规的数据采集电路原理框图如图2 4 所示吲叫： 一!竺j 多 光 一! 茎苎l 一 路 电 模 采 流 拟 - 放 - - - _ - 样 信 开 大保 号 关 持 网- 图2 4 常规数据采集电路原理框图 由图2 4 可以看出，传统的采集电路主要有以下几个方面的不足： 1 存在分散性误差。每一路的电流信号都要进行i 转换，6 4 路电流信号需要6 4 个 5 多路微弱电流采集系统设计 i 厂v 转换模块，每一个w 转换模块的转换系数是不可能完全相同的，因此，整个 系统中的w 转换模块不可避免的存在分散性误差。 2 信号采集周期较长。这种模式的信号采集电路采集时间为各个处理单元的时间 总和。实验发现平均采集一路信号需要的时间至少1 0 0 斗s 对于采集速率要求较 高的激光粒度仪来说，容易造成信号漏检。 3 采集电路板物理面积较大，成本较高。 2 3 新型多路光电流前置放大电路方案 图2 5 电流直接切换方案原理框图 先利用模拟开关直接切换各通道输入电流，然后再进行精密的i v 转换。方案原 理框图如图2 5 所示。由图2 5 可知，在理想情况下( 把输入电流视为理想电流源) ，由 于直接切换电流，通过模拟开关的各路直流电流大小应保持不变，模拟开关对整个电 路的作用仅仅是选择电流，避免了导通电阻r 。参数的分散性而引入误差：只采用一 个i v 转换器，不仅可以从原理上彻底消除由于反馈电阻参数的不同而引入的各通道 均匀性误差，并且大大减少了i v 转换电路的数目，简化了电路。因此本课题采用直 接电流切换方案。当信号变化较大时，为保证模数转换器工作在线性区，电流转换 成的电压信号要经过调理，可使用程控放大或自动量程转换技术根据信号幅值作进一 步处理m 。 2 4前置放大电路并行处理方案 传统系统的各个处理单元依次顺序工作，如图2 6 所示，数据获取周期为各单元 工作时间之和，这直接限制了系统的采样频率，极大的浪费了各单元的性能。针对这 个矛盾，在前向通道中运用并行处理的思想，以a d 转换器为标准，为其它处理单 6 济南大学硕士论文 元选用相应合适的芯片与电路，以充分发挥各处理单元的性能。 图2 6 前向通道串行工作方式 并行处理前向通道的原理框图如图2 7 所示： 图2 7 并行处理前向通道原理框图 前向通道采用了“流水线”式结构，当a d 转换器量化_ 个采样点时，自动量程 放大单元放大下一个采样点，而电荷电压信号放大单元已在放大再下一个采样点。 因为实现了电荷电压放大单元、自动量程放大单元和a d 转换器的并行工作及模拟 信号的零延时采样保持，故而极大的提高了信号处理的速度。 由于信号的跨度较大，为达到精度需分级放大。传统的程控放大确定放大增益的 时间较长，本课题采用了自动量程放大。自动量程放大是根据每次采样点处模拟信号 的电压幅值实时确定增益，即自动调整量程。与一般意义上的“程控放大”的不同之 处在于：对于信号采集中不同的转换点，自动量程放大单元的增益是“浮动”的，即 对不同的电压幅值用硬件电路实时调整好恰当的增益，以获得最佳的量化精度：而 程控放大器只能在每次数据采集前用软件调整增益，而在采集过程中无法实时调整。 这样，自动量程放大单元输出的信号就由表征增益的数字编码和放大了的模拟信号 两部分组成“。 7 多路微弱电流采集系统设计 第三章微弱电流源的研制 本课题要设计的数据采集电路是针对光探头的，由于条件原因，光探头受实验室 周围环境的影响较大，不能提供恒定的微弱电流，并且无助于电流采集系统的评价。 因此，需设计一个多路的恒流源代替光探头做信号源。我们设计了8 路电流源作信号 源。此恒流源具有以下几个特点： 1 电流恒定，带负载能力强。利用负反馈放大器构成恒流源，在电路内部采用 深度负反馈，可调电压输出接电压跟随器，提高输入阻抗，降低输出阻抗。 2 8 路电流源既可以每一路单独调试，使之达到期望的电流值，又可根据需要 同时调节8 路电流，得到8 路相同的电流值，方便整个数据采集系统的调试。 3 提供的电流跨度较大，o 5 心2 0 0 p a ，电路器件常见，成本低。 3 1恒流源定义及构成原理 “恒流源”这个术语，原则上是指这样一种稳定电源：它输出的电流与其负载无关。 实际上，大多数恒流源是用电子电路实现的，而且仅当外部条件在一定的范围内变化 时，才能保持输出电流基本不变。 众所周知，电流串联负反馈可以提高放大器的输出阻抗。因此，采用如图3 1 形式 的负反馈放大器可获得恒流特七j e 9 1 0 j 【l l 】【1 2 1 。 图3 i 负反馈放大器构成的恒流源原理图 在图3 1 中，如母为负载电阻和负反馈电阻，硌为稳定电压。设厶为输出电流，则 反馈电压哆= 厶r ，放大器输出电压e = ，。( r l + 吩) r 而放大器输入电压为 e ：鲁：量等型( 3 1 ) j k k l 、i k _ a 为放大器的电压增益。考虑到放大器输入电压和反馈电压的关系，则有 e = 以一吩= 以一l r ，。( 3 2 ) 求得输出电流：l = 西五：；丢i ( 3 1 3 ) 与3 2 式比较，这里的( 1 + 巧) 髟相当于电压为髟u 的一个电源内阻。一般情况 下，增益k a 1 ，即有( 1 + 髟) 髟“髟r r l ，于是3 3 式简化为：l = 可见，输出电流厶与和负载电阻r l 变化无关，因而图3 1 是一个恒流源电路。我们 根据这个原理设计了8 路微弱电流源【1 引。 3 28 路微弱电流源的研制 电流源一般采取用运算放大器构成的v i 转换电路，电路原理图如图3 2 所示： 图3 2 微弱电流源原理图 一个由双运放构成的恒流电路。c 为深度反馈同相放大器；b 、d 接成电压跟随器， 它把输出电压反馈回输入端。其有缓冲、隔离，提高带负载能力的作用。 i 电压隔离器输出电压近似输入电压幅度，并对前级电路呈高阻状态，对后级 电路呈低阻状态，因而对前后级电路起到“隔离”作用。 i i 电压跟随器常用作中间级，以“隔离”前后级之间的影响，此时称之为缓冲级。 基本原理还是利用它的输入阻抗高和输出阻抗低之特点 i i i 电压跟随器的输入阻抗高、输出阻抗低特点，可以极端一点去理解，当输入 阻抗很高时，就相当于对前级电路开路；当输出阻抗很低时，对后级电路就相当于一 个恒压源，即输出电压不受后级电路阻抗影响。一个对前级电路相当于开路，输出电 9 多路微弱电流采集系统设计 压又不受后级阻抗影响的电路当然具备隔离作用，即使前、后级电路之间互不影响。 对于运放c ，由电路知识可求得： u n - - 昙【，d ：u v ( 3 4 ) 由于运放b 接成电压跟随器，5 点和7 点的电位是相等的，即： u r f = 珥 由电路知识计算可得： u 7 了- u p ：u p i - 一u o ( 3 5 ) 足如 、 7 当r 3 = r 4 时，由式可知： 以一坼2 u ，一u d ( 3 6 ) 所以： u r = u o 一配( 3 7 ) 所以通过r 4 上的电流即输出电流厶= 等 这种方案利用运放构成一深度反馈电路，有效地抑制了外界干扰，使恒流源工作 稳定性增强，理论上可以达到o 0 0 1 o 0 0 0 1 之间的稳定度，幅值在o 5 2 0 0 p a 1 4 1 1 5 m 】。 3 3电流源测试 测试分两步进行：一是测量输出电流的稳定性，即负载恒定条件下的电流稳定性。 二是测量输出的带负载能力，即负载变化范围内的电流调整率。输出小电流时，用电 压法间接进行测量；输出大电流时，用电流法直接进行测量 在实际测试时，由于器件等方面的因素输出电流的最小值无法达到o ，最小值为 0 5 p a ，测试仪表：31 2 位万用表，型号为m 9 1 0 1 ，采用2 0 p a 档测量。 由于篇幅所限，本文的测试结果仅以1 路为例。 电流源稳定性测试：保持输入不变，使某一路电流输出一定值，每间隔1 分钟测 量输出电流值一次，得到稳定性测试结果见表3 1 l o 济南大学硕士论文 表3 i 电流源稳定性测试结果 电流值 l m i n2 r a i n3 r a i n4r n i n 5 r a i n最大误差 ( u a ) l1 0 01 o l 1 0 01 o l1 0 0 1 55 0 055 0 14 9 9 5 0 0o 2 1 0 1 0 o o9 9 91 0 0 01 0 0 0 l o 1 0o 1 1 51 5 0 0 1 5 1 01 5 o o1 5 o l1 5 0 0 0 6 7 电流源带负载能力测试：保持输入不变，电流源输出通过万用表( 电流表2 0l la 档) 分别接1 k ，5 1 1 ( ，5 1 l5 1 0 k 电阻测量输出电流，观察万用表示数的变化情况。 表3 2 电流源带负载能力测试结果 电流值( u a ) l k5 1 k5 l k5 1 0 k 最大误差 l1ll0 9 91 555 0 1 54 ，9 9o 2 l o1 01 01 09 9 9o 1 2 02 02 0 2 0 21 9 8 0l 由表3 1 、表3 2 可知，该电流源的稳定度和带负载能力较好，可以代替光探头做 信号源。 该恒流源输出电流的准确度跟可调电位器的细度有关，稳定性与所用集成电路的 温漂、噪声、开环增益有关，与关键e g n ( 包括电位器) 的温度系数有关。 多路微弱电流采集系统设计 第四章硬件电路设计 结合第二章的方案，本章着重介绍一下数据采集电路前向通道的硬件设计。 4 1传统微弱电流放大器存在的问题及解决方法 常规微弱电流信号的采集系统主要由以下几个环节构成：前置放大、多级放大、 a d 转换、微机处理系统以及上位机的显示部分。其中采集系统的前置放大器噪声特 性和增益对整个系统的精度具有重要的影响，而a d 转换的速度对整个系统的精度也 具有极其重要的影响。 4 1 1 传统微弱电流放大器存在的问题 要检测微弱电流信号，第一步一般是先进行电流电压转换( w 转换) ，最基 本实用的w 转换电路原理电路如图4 1 所示。理想情况下，i 转换电路输出电压与输 入电流的关系如下： m r 图4 1i v 转换原理电路 图l ( a ) 为反项输出电路，其输出 u o = - i s 母( 4 1 ) 图1 伯) 为同项输出电路，其输出 u o = 乓丹一( 4 乃 输出电压与输入电流成正比，比例系数由反馈电阻毋决定。 在实际应用中，图4 1 所示的放大电路存在着一定误差，其误差的主要原因是实际 运算放大器不能完全达到理想运放的特性，由于输入偏置电流i 毋，失调电流i i o 、失调 电压u i o 以及温度漂移的影响而产生的误差。他们对传统放大电路的影响可用如图4 2 所示的等效电路表示邮m 8 m ”。 济南大学硕士论文 母 圈4 2 分析i 讯、u b 和k 对误差影啊的等效电路 下面对如、乜和对静态误差的影响作理论上的分析( 设其他参数为理想参数) 。 因为运放的差模电压放大倍数a k 一，差模输入电压= 0 ，o a 虱4 2 可得： u = 乩一砟( + 兰厶) ( 4 ，3 j 等+ 一j 1 伽等等( 4 4 ) 解式4 3 、4 4 可得： 母( 1 + 钵肛眦扣屿”乩) ( 4 5 ) 式4 5 中，r = r ，r , a u o 是在u , o 、( 如+ 三l ) 和( 一三屯) 共同作用下产生的误差电 压。 1 麸上式可以看出，取平衡电阻彤= 影= r h r ，可以消除偏置电流i t e 的影响。 2 通过采用调零电路，适当的改变岛，使4 “= 0 ；可以消除失调电压和失调电 流所产生的误差a 3 因为岛、i , o 、“d 所带来的误差可以通过平衡电阻或调零电路消除，而失调电 压温漂和失调温漂电流的影响无法通过调零消除。因此温度漂移所引起的误 差就成为静态误差的主要来源。 在耳= r = r i i r 和采用调零电路条件下，即只考虑温漂，令岛；o ，厶由4 l 代 换，【由4 l 代换，可得u o 的表达式为 = ( 1 + 鲁) ( 一月，) ( 4 6 ) 式4 6 中：= 号笋l 叱= 号笋r ，整理并以最坏的情况考虑，可得误差 电压的最大值为： 多路徽弱电流采集系统设计 u o - - = 鲁，陪斗髟陪扣 乃 由此可知，等效输入的失调温漂误差： u = 0 + 刮警叫+ r i 陪t 一s ， 由式4 8 可以计算出漂移电压的等效输入值，而且可知减小温漂误差的主要方法除 了选择失调漂移较小的运放外，还可以选用稳定性高的电阻，尽量把r 的值取的小一 些，r 和r ，的取值不宜超过l m q 。 对于微弱信号而言，为尽可能减少后续电路对传感器信号源能量的吸收，要求后 续电路的输入电阻比较大。由输入电阻r l - r 可知，电阻r 的值应该比较大，所以不能 通过减小电阻r 来减小温漂所带来的误差。另一方面，由于传感器输出的信号比较微 弱( 本课题要采集的光电流信号为“a 级) ，为了满足计算、显示、记录等后续电路 的要求，要求放大倍数比较大，由以= 一等可知，在r 值不能很小的情况下，反馈电 阻r ，值很难小于1 m , 2 ，这会带来温漂误差。那么如何可以采用小阻值电阻减小漂移误 差，又能获得较大的输入电阻和放大倍数以满足信号处理的要求呢? 采用t 型电阻网 络可以较好的解决这个问题。 4 1 2 由t 型反馈电阻网络构成的微弱电流放大器原理 微弱电流放大器采用了由j f e t 输入级运算放大器实现的t 型电阻网络反馈扩展放 大电路，见图4 3 图4 3 微弱电流放大原理图 用“零子”、“任意子”表示的理想运算放大器为( 图4 4 ) ： 1 4 济南大学硕士论文 图4 4 理想运算放大器 用“零子”、“任意子”表示的等效电路为( 图4 5 ) ： 图4 5 用“零子”、“任意子”表示的等效电路 由”零于“定义仁0 ；产， 由“任意子”定义： 叫圪瓦：) 肌( 4 9 ) v o = - i x 彤警) ( 4 1 0 ) 因此，微弱电流测量的机理方程式为： 一鲁毋矿删， v o = - 以( 1 + 分删2 ) 在理想特性条件下，放大器增益： 强鲁一删+ 令 啪 仅与外部t 型电阻网络有关，而与放大器本身参数无关，选用不同t 型网络电阻比 值，即可得到不同增益扩展。由于电阻比值精度较高、稳定性较好，闭环增益精度和 稳定性也会很高。此外，与负反馈电流电压转换原理相比较，由于因子( 1 + 鲁) 的放 多路微弱电流采集系统设计 大作用，可适当降低r p 的放大作用，从而使t 型电阻网络避免采用高值电阻，减少了 热噪声( j o h n s o nn o i s e ) 影响“加”例口1 脾】。 4 2多路微弱电流前置放大电路 4 2 1 方案论证 多路本课题要采集的电流信号多达6 4 路，因此需要6 4 个i 转换电路模块，由于 反馈电阻母参数不可避免的存在分散性，这样致使i ，v 转换结果同样存在分散性，另 外“个i 转换电路模块不仅占用的物理空间较大，而且还会增加成本。本课题采用 电流直接切换的方案，即先利用模拟开关直接切换各通道输入电流，然后再进行精密 的i v 转换。方案原理框图如图4 6 所示。 图4 6 电流直接切换方案原理框图 由图4 6 可知，在理想情况下( 把输入电流视为理想电流源) ，由于直接切换电流， 通过模拟开关的各路直流电流大小应保持不变，模拟开关对整个电路的作用仅仅是选 择电流，避免了导通电阻参数的分散性而引入误差；只采用一个w 转换器，不仅可 以从原理上彻底消除由于反馈电阻参数的不同而引入的误差，并且大大减少了d v 转 换电路的数目，降低成本。减小电路板的面积。 在实际情况下，非理想电流源可等效为理想电压源硌与电流源内阻凰的串联； 模拟开关在导通时可等效为电阻如。与电感三。的串联；上。与线路连线的等效电感 上。可合并为厶线路连线的分布电容等效为c 。选通某一通道时的等效电路如图4 7 所示。利用电路分析知识可求得负载电阻毋上的电压 u o ( s ) = 可虿面蕊瓦r f 面。v i a s 面) 瓦i 再广( 4 - 1 4 ) 蜘= 瓦1 ；b = 华+ 去；。= 警 济南大学碗士论文 则；u o ( 加f 考而u 小) 私1 5 ) 设口，一4 d u 拿纂 之之 一 至至 一 至 一一 一 一 一 一 圣 寸寸 叩 寸 圣 甘 ；圣 薹 圣 未 奎墨圣苎 ；毒未 们 怕 卜卜nnnn卜卜nnnnnn卜卜卜 葵 姜 未 苦未薹 圣兰苎 稚 们 鲻 由 nn“n口n 吖 一 一 n口 田 甚 至。 墨叠 ； ；兰未善 墨兰圣； ；苎善 至 们 们 姜。 一一一一 ” t nl n i n_ 一一 n 一 i n” ” ，、 一 未； ； 苎参 未； 茎奎苦 未生 奎 奎圣主 。们 奎 gs昌 z士呈 o 昌 昌 z uuuu 卜 茎 昌 昌 zo o 昌gg z王z uuuo 鎏 g oo gg8g 士士工z 蚓 们uuuu 赠 n 趔苎 星zo 昌昌g昌 zzz 彩 们uuuuu 墩 g言 言 苦 g 圣 z星 o 呈zz 蚓 uuzuuuu 羽 姜 ooo sg昌 zzzzzzz uuuuuuu 蒌zz士星 昌害 zzzz 叻uuuuuuuu 一 ooo 一 莹 z士z - r - 士zzz g z uuuu uuouu 一 莲 墨 遘 - _ 逞墨 詈 昌 莲 8 苫 量 j 掣 晤 i n爵 留 端 ln 蜷 球 遘 咆n ： 哥 之 8咆t _ _ g口 nd 一 墨- 蠹魁嚣磷撩陕媾锄寒繁密蝓 济南大学硕士论文 4 3前向通道并行工作的原理 传统系统的各个处理单元依次顺序工作，如图4 1 3 所示，数据获取周期为各单元工作 时间之和，这直接限制了系统的采样频率，极大的浪费了各单元的性能 模 图4 1 3 前向通道串行工作方式 针对这个矛盾，在前向通道中运用并行处理的思想，以a d 转换器为标准，为其它处 理单元选用相应合适的芯片与电路，以充分发挥各处理单元的性能。并行处理前向通道的 原理框图和时序图示于图4 1 4 、图4 1 5 。模拟信号经电荷电压放大后，在定时及控制单元 的“指挥”下被采样保持器l 和采样保持器2 交替的采样和保持。第1 点模拟信号被采样 保持器l 保持后经模拟通道进入放大单元。与此同时，采样保持器2 则跟踪电荷电压放 大单元的下一点，即第2 点的输出信号。经时间t ( a d 转换器的量化时间) 后，放大单元输 出第l 点的放大信号，被采样保持器4 保持，经模拟通道输入a d 转换器。同时电荷电压 放大单元也输出了第2 点的放大信号，并被采样保持器2 保持。经模拟通道进入放大单元。 在接下来的时间t 内，电荷电压放大单元放大第3 点的模拟信号。其输出由采样保持器 1 采样：放大单元放大由采样保持器2 保持的第2 点模拟信号，放大结果由采样保持器3 采样，a d 转换器则量化由采样保持器4 保持的第一点模拟信号( 经过放大的) 。在时间t 结束时，a d 转换器输出的第l 点模拟信号的量化结果至接口电路：各采样保持器则同时 改变采样或保持状态，分别采样和保持放大单元和电荷电压放大单元的输出信号以使 a d 转换器量化第2 点模拟信号，放大单元放大第3 点模拟信号。如此循环，直至整个数据 采集过程结束。 由以上分析可以看出，前向通道采用了“流水线”式结构，当a d 转换器量化一个采 样点时，放大单元放大下一个采样点，而电荷电压信号放大单元已在放大再下一个采样 ， 点。因为实现了电荷电压放大单元、放大单元和a d 转换器的并行工作及模拟信号的零 延时采样保持，故而极大的提高了信号处理的速度。 多路徽弱电流采集系统设计 图4 1 4 前向通道并行工作原理图 采样第3 点 采样第5 点 采样保持器l ，、堡鲎厂堡鲎厂 脒黼黝- 躞缝严地堡缱八 保持第2 点保持 糍嗽穴穴六式六自动量程放大_ uu uu _ 编码输出压至丑- 三亘 任豆丑 垂习橱 耥严弋堡堑尸弋j 挂厂 黼心塑生文生j 双、 采样保持器4 保持第l 点 保持 启动a d弋、芗弋u 7 弋六穴 阶码输出二二二二二二二i 重蚕委 二k j 互至亘二k 二至雯墅二j i i i 匠 图4 1 5 前向通道并行工作时序图 4 4 l v 转换系数及二级放大倍数的确定 由于是微弱信号的放大，信号很容易被噪声等淹没。因此尽量将最大放大增益放在第 一级，即转换级。经过实验发现电流信号幅值最大为6 t t a ，要达到a d 转换器的理想的线性 转换区0 1 3 3 v ，需要i 转换的系数为0 6 x 1 0 6 ，又因为信号的跨度较大，为保i 正a d 转换 济南大学硕士论文 的精度，需根据信号幅值调整放大倍数。当电流信号为最大值6 “a 时，显然对应的是a d 转换器的理想的线性转换区0 1 3 3 v 中的最大值3 3 v ，如果对应的是二级放大中的l 倍放 大，较为