高精度高速模拟信号采集板的设计与实现

1、Industrial Cantral Technruue高精度高速模拟信号采集板的设计与实现Design and Implementation of High-precision High-speed Analog Data Acquisition Board深圳市嚴瓯科技有限甘司周卫 Zhou Wei 捕要：本文介绍了利用窩精度低當猱运算放大器、高箱度高連模救转换理进存数据采集的 设计肓案，运算敖丈器实现損拟倍号的前端缓冲以恳放丸 运放输出的信号再用24拉的高溉 高速模撤转换辭蒔其转换咸數字信号.嵯过高1S光藕的隔离后输入到单片机的1加口单片机 再将数字信号进行处理，量后通过RS-485总墟

2、将數据发到上檢机.文章賣点对権栩小信号的于 扰抑制和纹遣处理进行了详细井析，可欣大大提离采集小信号时曲热据料度= 关键字:樓拟倍号高精度數据采集欖数转换数据通讯Abstract： This article describes a high-precision high-speed analog data acquisition cfesrgn use high precisron and Jaw zero-drFft operahonaJ amplrfiers. Operational amplifiers is used for the buffering and amplification

3、 of analog signal, Then the high-pracisicn 24-bit hjgh speed ADC io convert analog srgnaf rhai op”$mp oulpur Jn：o a digital signal., after the isolation of high-speed optacouplars the signal input to the I/O port of MCU, MQU send 血 data to 岀e host computer through the RS-485 bus. The article focuses

4、 on a detailed 包nalysis o( the anatog small-signal interference suppression and the procoss- 血g of rJppJe, can gNy enhance the s(naFF-$Jgnat data 妙 uisiti如 就仙阳砒， Keywords： Analog signal High pr&cisicn Data acquisirion AnalogdigitaH oonversron Data communrcatn中圉幷类号TP273丈献标识码2文章编号15A1-0330(2Q10)04

5、-0080-051994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1引言随著科学技术的不虹进步，人们 利用各种传感器来増加对世界的感 知.而传感器输出的往往是一些连续 变化的模拟量例如滴温热电偶或 奢测量压力应变片等。对模拟量系统 数字控制的第一步就是要对这些模拟 量进行采集.在某些闭环控制的炀 合.対乘集速度和精度

6、的要求都很 嵩。因此对模拟信号进行高精度高递 的测量，是现代工业现场中很重要的 一个部分"2采集板架构采集板主要由模拟信号的放大部 分（模拟信号的高精度采集部分.高 速光藕的陽离部分.单片机的数据处 理部分，和数据的RS-485通讯部分予 个部分组成*模拟小信号经过高精度 的仪器仪表放太器放大.再将放大后 的电压通过高精度24位的模数转换器 转换成数字信号，数字惜号经过高速 光藕的隔离输入對单片机，单片机再 将数字信号进行处理，最后通过RS- 总线将数据发到上位机，完战了模拟信号的高精度高速采集，实现采 集速率每秒1000次有效精度曲位以 上，采集板的功能樞图如團】所示*3模拟信号放

7、大对于模拟信号，进行放大的过程 中.一些纹波和噪音信号也会被放 大.所以在信号输入时增加了一于一 阶的低通滤液器对一些高频纹波和 噪声进行抑制-电路采用的星同相端 高阻输人这样采集电路不会对输入 信号产生影响。信号放大采用的是美1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 88 (PLC&FA)1994-

8、2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. I模拟信号采集板的功能框图发生谐振此时电容的阻抗就等于其 ESR。如果看电容的频率陌抗曲线 图*就会发现一般都是一个¥形的曲 具博曲线与电容的介质有关.所 以选择旁路电容还嬰番虑电容的介 质.一个比较保险的方法就犀多井几国德州仪器生产的0PA227 ,该运算 放大器结合低噪声、高精度和高带宽 等特性特别适合使用在既需耍交流 响应速度和直流精度的场合n OPA227的单位增益稳定且具有高转 换率(H3V川时和宽带宽佬MH叭蹑大 的先

9、调电压为±75pV,大的輪入 偏習电流±】3A°现以K型热电偶为 仙100。度对应的输入电压为：0 -41-276mV,输入信号处理的电路图 如图2所示.在高精度的测旱中，为了减少外 来的信号干扰以及自身产生的一些干 扰.应该增抑一些旁路电容和去藕电 容。如图2中的C201 .C202X204和 C2O5等.去耦电容和旁路电容是艰据 电容所处的位置来命名的，都是起到 抗干扰的作用.対干同一个电路来 说.旁路(bypass)电容是把輸人信号 匕的高频噪靑件为濾除对象，把前级 携带的高频杂波滤除.而去辐 (decoupling)电容也称退耦电容.是把 输出信号的干扰作

10、沖滤除对象.去耦 电容用在放大电路中起消除自激，使 放大器稳定工作的作用。从电路来 说总是存在驱动的源和被驱动的负 载。如果负载电容比较大驱动电路 要把电容充电、放电，才能完成信号 的跳变，在上升沿比较陡第的时候， 电流比较大，这样驱动的电流就会吸 收很大的电源电流，由于电路中的电 感，电皑(特别是芯片管脚上的电感， 会产生反弾)这种电流相对于正常情 况来说实际上就是一种噪声.会影响 前级的正常工件这就是耦含*去藕 电容就是起到一个电池的作用、満足 驱动电路电流的变化，避免相互间的 耦合干扰去耦和旁路都可以看作滤波"去 耦电容相当于电池.避免由于电流的 突变而便电压下降.相当于滤纹波

11、。 具体容值可以根据电流的大小、期玺 的纹疲大小、作用时间的大小誓计 算。去耦电容一般都很大对更高频 率的噪声基本无效°旁路电容就是 针对高频来的，也就是利用了电容的 频率阻抗特性。电容一般都可以看成 个RLC串联模型z在某个频率.会 个电容4去耦电客在集成电路电源和地之 间有两个件用：一方面是作为集成电 路的蓄能电容*另一方面是旁路掉该 器件的高频噪声。数字电路中典型的 去耦电容值是0.1#化 这个电容的分 布电感的典型值是5mHo 0uF的去 耦电容有的分布电感.它的井行 共振频率大约在左右，也就是 说，对于10MHz以下的噪声有较奸的 去耦效果，对40MHz以上的噪声几乎 不起

12、作用。W FJOp F的电容.并 行共振频率在20MHz以上，去除高濒 噪声的效果要好一些每比片左右集 成电路要加一片充放电电容，或1个 蕃能电容，可选1O|JF左右"最好不用 电解电容.电解电容是两层薄膜卷起 来的，这种卷起来的结构在高频时表 现为电感.婴使用铠电容或矍碳酸醃 电容“去耦电容的选用并不严格，可 按 C- l/F p 即DMHz 取(kl|jF, O0MHzO.OJ|jFc在选择旁路电容时，为了减少电 容漏电对信号的影响.建议选择X7R削2 模拟信号放大与干扰抑制(PLC4FAS 89Data RauT1N0+h-1ADS1256C12 lOQp90炉I G&

13、F嘉? 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 速率越高。数字滤波器由一亍固定次 数的滤波器和一个可编程滤液器两个 部分组成，图4ADS1256模拟调制 器和数字滤波器的框图。数据以PCLKIN/4的速率从模拟调 制器辎出再经过一个于阶的正弦滤 波器，速率降低関倍后从固定次数的 恣波器輸出.进入可编程數字遽液 器该滤波器杲一个可编程的平均器 一阶正弦滤波器)，其平均次数的恒 化可通过寄存器设定“輸出的 數据速率与Num.Ave的公式如下：C22J：104 CM4信号的高

14、精度高速采集将运放OPA227放大的电压信号 再用高精度的模数转换器I鈣&来 采集转换成数字信号"ADS1256杲美 国口公司椎出的针对工业应馬、高采 样速度高性能的2斗位A模数转换 器，数据采样率壷大可达30kSP$且 2耳bit无数据丢失|无噪声精度高达 23bit;最大非线性度为士0.0010%: 可配置为八路单端输入或四路差分输 A；内置摸拟冬路开关且具有传感器 检测功能；具有输入媛冲遵；低噪声 可编程増益放大器(PGA) ,PG耗设置 为1倍时，可提供高达2*3位有效分耕 率；MA设置为64借时可提供高达 22.5位有效幷辨率，并且PGA具有自 校准和系统控准功能；

15、带有四翫调制图J? ADS1256数据采集原理图器、可编程数宇滤波器及串行外设接 口(SPI);模拔端供电电压为5 V,数字 端供电电压为1爲3币V;正竜模式 消耗功率为焚mW,待机模式下消耗 功率仅(U mW,ADSI256据采集原 理如銅所示*因为输人信号已经经过0卩心22? 的放犬，输出电压范围为0-2.5V,所 以可以关闭ADSJ256内部的缓冲器. 减少缓冲器带来的纹液和干扰还可 以降低功耗，内部的可编程增益放大 器(PGA啲放大倍数由ADCON寄存器 的PGA0.PGALPGA2联合控制口 PGA的值在I到自4之间，增益步长为 2可根据具体采集信号的大小调节 增益.控制其放大倍数在

16、这里设置 为1倍即可"ADS1256内置的可编程低通数宇 滤波器可对调制器的输出进行滤波 提高数字輪出的精度"通过调整数字 滤液器的取平均戾数权徵采集精度 拥采集速率得到最优的数字滤菠取 平均次数，取平均次数越多则分辨率 越高.取平均次数越少则采集的数据材质的电客口在布板时，也要注意去 m电容和旁路电容的摆放应尽量靠近 运算放大器的电源脚和输入脚，以避 免导线过长产生的窈生电厭对电路的 影响。尽量采用4层板|电源和地线 各一层，这样可以大大减少干扰。14LVD其中：Data Rate数据输出速率 fCLKIN 振荡频率 Num_Ave平均次数 根攥采集速度为1KHE的要求.

17、 这里设SNum_Avc为30。ADS1256与单片机的通讯采用 SP协议通讯方式。因为SPT总线上只 有一个器件，所以ADS1256的片选 管脚(CS)直接接地* DRDY管脚是转IQVA+匸 <H28_272625込 卫°旷Z1 DRDY 7.68MHz1 1加 ici5ZQ JhTTF一I"1817I卄D工业續制技术AVDDD3AGNDDEVREFNDI-VREFPDO,clkcnjt' AFNCOMSCLKAINODINAimdoittAIH2DRDYAIN3csAIN斗 yTALlclkiflAJH5XTAL2 ：A1N6DGNDAIN7DVDDsy

18、nc，FdwnRESETU1C5scutOUT<PLCiFAJ 加10年 4 月U23VA+ADM 3 IBn 些p-亠遍k"*/ _*11TS/H-a崎-T 讪 一一|+”图$串行接口时停图&基准与鑑冲聽TP TP VIN NC NC VOUT GND TRIMVD+5V尺加4 7KM POUTS*HCPL-0C 儿£02GND3DRD¥HCPL-063LHO,J M DRDY换完成指示，可以作为单片机的一令 中断信号*通讯的串行接口时序如图 $所示*AD转换需要的基准电压览用ADI 公司的ADR43IB,输出电压为2” 低噪声 口 V p-p|W

19、度范围：2499V - 2.501 V,温度漂移最大为Sppm/lC, 供电电压输入范围+.5V-18V,因为ADS12騎基准输人端内部并 没有缰冲器.所以外接一个运放 OPA227来提高基准电压的奧动能 力.原理图如图&所示*5信号的隔离采集信号的隔离采集可以有效地抑制 地线干it还可以减少数字部分的电 路对模拟部分电路的干扰。可以在 AD和单片机之间用髙速光藕来对输 人和输出接口进行隔离，另外，AD 以及其他模拟部分的电源也要与单片 机电源互相陽离*高速光藕釆用的是安华高公司生 产的HCPL4钳L功耗低，煖低共模 抑制15kV/p Sj典型数据传綸速率 15则134输人塑动电流仅亦

20、仏两个 通道集戚在一个SOIC-8的封装里。应 用接蛭如图了所示.其中闪01用来接 收单片机的时钟信号和命令t ISO2用 来输岀转换数据和转换完战标志。6利用单片机对数据进行处理选用51系列的单片机ATB9C52来 对模数转换器AD垃J 2珀采集到的数据 进行处理* AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机.片内含盹 bytes的可反复擦写的Flash只读程序存 赭器卸2祐byi慣的蹟机存陋數据存储 器(RAM),器件采用ATMEL司的 高密度、非易失性存诸技术生产，裁 容标准MCSSI指令孫统，片内置通 用呂位中央处理器和F1汕h存储单元。 AT89C5240个引脚，32个外

21、部双向 输人倫出O)端口.同时内含2个外(PLC4FA) 91Nustrial Cffiitrol TBchidque1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 中斷口？个16位可编程定时计数器2 个全双工串行通信口，2个读写口 线.AT89C52可以按照常规方法进行 编程也可以在线骗程。其将通用的 微处理器和

22、皿h存储器结合在一起, 特别是可反复擦写的阳血存储器可有 效地降低开发成本*单片机开机后、首先对模数转换 器进行初始化控制AD转换器执行 复位后设罡转换速舉为lkHz3PGA放 大倍数为1梧，输人通道为AINO和 ALN】差分输人，然后根据DRD¥管脚 的指示采用读数据命令，不断读取模 数转换器的数据，再将数据进行处 理*单片机将读取到的AD测量数据 计算得到AD转换器输人端的电压 值，再除以运OPA227放大的倍 数' 即是实际的模拟信号的电压值* 然后将摸拟信号的电压值I经过一定 的外理，发送给上位机或其他控制设 备丫程序流程團参看图&所示。图8程序流程图程序采用

23、的是Q语言编写.单片机 和AD转换器之间的通讯程序如下：单片机发送一牛字节数携到模数 转换器的程序：void transfer_byte(unsigncd charT_BYTE) unsigned chari;SLK=O；fgi=fl;ic8;i+)(if(匸BYTE&OxSO) SDI = 1;/r取高位数据else SD = 0;,nop_0；SCLK= 1;nop();T_BYTE «= "左移一位SCLK = 0;SDI = 0;I单片机接收模数转换器一个字节 数据的程序：unsigned char receive_byte(void) unsigned c

24、har i;unsigned char R_BYTE;"接收 的字节fon(i=;i<8;i+)R_BYTE«=1;卩左移一位SCLK = 1;nop()；if(SDO=l) R_BYTE += Mli SCLK = 0;.nopj);reiLim(R_BYTE);I7单片机与上也机通讯单片机与上位机采用R於碍5总线 通讯.选用美信公司的WAX3463芯 片.最高传输速率20Mbp支時 Profib临旌用和热插拔，高驱动能力 (2JV54J),低功耗典型工件电流 2上mA,采用平衡发送和差分接收方 式实现通信：发送端将串行口的TTL 电平信号转换成養分信号A丄两路 输出.经过线缆传输之后在接收端将 差分信号还眾成TTL电乎信号.由于 传输线通常使用双绞线，又是望分传 输，所以有极强的抗共模干扰的能 力总线收发器灵敏度很高可以检 潟到低至200m¥电压，传输距离可达 3000米 °单片机串口数据通过MAXJ463 芯片转换凤RSJ85总线信号发送到 上位机，完咸了数据的采集功能.设 计中注意单片机的通讯部分最好袪照 上位机的通讯协议来编写这样就可 以避免协议不兼容造成的无法通讯，8结束语本数据采集