基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计

基于仪放大器的传感器信号采集电路设计 蔡延财‘，刘 勇‘，陈永冰，，王 璐“ (l.海军工程大学 湖北武汉 430o33;2.信息产业部第53所海军代表室 辽宁锦州 1210o0) 摘 要:介绍了一种基于TMS320F2812DSP、仪表放大器的传感器数据采集系统的设计。传感器信号调理是对传感器 直接输出的信号进行调节，信号调理的原理以及硬件实现电路在文中都做了说明。给出了DSP和传感器信号调理电路的接 口设计;同时，结合作者实际工作的一个成功应用TMS320F2812DSP与仪表放大器以及同步采样16 bADC通过CPLD硬 件接口的实例。通过验证此电路系统有非常好的性能和可扩展性。 关键词:数字信号处理;DSP;TMS32oF2812;IN一AMP;AD(二;CPLD 中图分类号:U666.1;TP274+.2 文献标识码:B 文章编号:1004一373X(2007)06一063一03 DesignofSensorSignalCollectionBasedon1N一AMP CAIYancail，LIUYongl，CHENYongbingl，WANGLuZ (1.NavyUniversityofEngineer，Wuban，430033，China;2.53rdLabofIPDNavyDeputation，Jinzhou，121000，China) Abstract:ThispaperintroducesakindofdesignbasedonTMS32oF28l2DSPandIN一AMPinsensordatacollectionsys- tem.SensorsignaladjustmentisusedtoadjustthedirectoutputsignalofSensors.TheprincipleofSignaladjustmentandthe hardwarecircuitimplementationarebothdiscussedinthispaper.ItappliesthedesignofinterfacebetweenDSPandsensorsig- naladjustcircuit.Meanwhile，itproducestheexamplethattheTMS32oF28l2DSP integratedwithIN一AMPthroughusing CPLDandl6bitAIX{successfullybyhardwarebasedonmywork. Keywords:DSP;TMS320F2812;IN一AMP;ADC;CPLD 1 引 言 传感器及其相关电路被用来测量各种不同的物理特 性，例如温度、力、压力、流量、位置、光强等。这些特性对 传感器起激励的作用。传感器的输出经过调理和处理，以 对物理特性提供相应的测量。数字信号处理是利用计算 机或专用的处理设备，以数值计算的方式对信号进行采 集、变换、估计与识别等加工处理，从而达到提取信息和便 于应用的目的。仪表放大器具有非常优越的特性，能将传 感器非常微弱的信号不失真的放大以便于信号采集。本 文介绍在一个智能隔振系统中，传感器数据采集系统具有 非常多的传感器，而且信号类型都有很大的差别的情况下 如何使用仪表放大器将传感器信号进行调理以符合模数 转换器件的工作范围。 2 仪表放大器在传感器信号调理电路中的应用 仪表放大器是一种高增益、直流祸合放大器，他具有 差分输人、单端输出、高输入阻抗和高共模抑制比等特点。 差分放大器和仪表放大器所采用的基础部件(运算放大 器)基本相同，他们在性能上与运算放大器有很大的 收稿日期:2006一07一24 不同。标准运算放大器是单端器件，其传输函数主要由反 馈网络决定;而差分放大器和仪表放大器在有共模信号条 件下能够放大很微弱的差分信号，因而具有很高的共模抑 制比(CMR)。他们通常不需要外部反馈网络。 仪表放大器是一种具有差分输人和其输出相对于参 考端为单端输出的闭环增益单元。输入阻抗呈现为对称 阻抗且具有大的数值(通常为109或更大)。与由接在反 向输人端和输出端之间的外部电阻决定的闭环增益运算 放大器不同，仪表放大器使用了一个与其信号输人端隔离 的内部反馈电阻网络。利用加到两个差分输人端的输人 信号，增益或是从内部预置，或是通过也与信号输入端隔 离的内部或外部增益电阻器由用户设置。典型仪表放大 器的增益设置范围为1~1000。 仪表放大器的特点: (1)高共模抑制比 共模抑制比(CMRR)则是差模增益(Ad)与共模增益 (A。)之比，即:CMRR=2019!Ad/A。!dB;仪表放大器具有 很高的共模抑制比，CMRR典型值为70一10odB以上。 (2)高输人阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输入阻抗，仪表放大 器的同相和反相输入端的阻抗都很高而且相互十分平衡， 其典型值为109一1012n低噪声由于仪表放大器必须能 63 够处理非常低的输入电压，因此仪表放大器不能把自身的 噪声加到信号上，在 IkHz条件下，折合到输入端的输人 噪声要求小于10nV/Hz。 (3)低线性误差 输人失调和比例系数误差能通过外部的调整来修正， 但是线性误差是器件固有缺陷，他不能由外部调整来消 除。一个高质量的仪表放大器典型的线性误差为0，01写， 有的甚至低于0.。。。1%。 (4)低失调电压和失调电压漂移 仪表放大器的失调漂移也由输人和输出两部分组成， 输入和输出失调电压典型值分别为10。拼V和ZmV。 (5)低输人偏置电流和失调电流误差 双极型输入运算放大器的基极电流，FET型输人运 算放大器的栅极电流，这个偏置电流流过不平衡的信号源 电阻将产生一个失调误差。双极型输人仪表放大器的偏 置电流典型值为InA一50pA;而FET输人的仪表放大器 在常温下的偏置电流典型值为50pA。 (6)充裕的带宽 仪表放大器为特定的应用提供了足够的带宽，典型的 单位增益小信号带宽在500kHz一4MHz之间。具有“检 测”端和“参考”端仪表放大器的独特之处还在于带有“检 测”端和“参考”端，允许远距离检测输出电压而内部电阻 压降和地线压降(IR)的影响可减至最小。 为了有效地工作，要求仪表放大器不仅能放大微伏级 信号，而且还能抑制其输入端的共模信号。这就要求仪表 放大器具有很大的共模抑制(CMR):典型的CMR值为70 一loodB。当增益提高时，CMR通常还能获得改善。 3 电流型传感器数据采集系统结构图 图1示出4一ZomA电流型传感器的信号如何连接 到16bitsimultaneouSADCAD7656。4一ZomA传感器 的信号是单端的。这一开始就提出了需要1只简单的分 流电阻器以便把电流转换成电压加到ADC的高阻抗模拟 输人端。然而，回路(到传感器)中的任何线路电阻都会增 加与电流相关的失调误差。 因此必须差分地检测该电流。在本系统中，1只 24.gn的分流电阻器在 AD627的输人端产生介于 100mV(对应4mA输人)与500 mV(对应20mA输人) 之间的最大差分输人电压。在不存在增益电阻器的情况 下，AD627把该500mV输入电压放大5倍达到2.SV， 即ADC的满度输入电压。4mA的零点电流对应于代码 819，ILSB对应0.6lmV。整个系统逻辑都通过CPLD 进行控制并与DSP进行数据交换。 4 低功耗仪表放大器AD627特点及性能 AD627是一种低功耗的仪表放大器。他采用单、双两 种电源供电，并可实现轨一轨输出。AD627在85 拼A的电 流下即可正常工作，并具有极佳的交流和直流特性。 AD627采用工业标准8脚封装，引脚排列图如图2所示。 ?? ??? 6 10【JTPLT 5 }REF ??? ??? ? 10O kQ 图2 一H二〕. 25kQ AD627引脚排列图 100kQ — 仁二卜一 十玲 ZkQ 注二习一阅 +IN ???? ?? ?? ?刃 ZokQ门 巧 2以)kQ ? ? ? ? 图1 系统结构图 匕一一州‘一一一— 一— -刊卜一一一.— 一— 一一刃 一炸 图3 AD627的基本电路 AD627的最大特点是允许用户使用一个外部电阻器 来设定增益。AD627的失调电压、失调漂移、增益误差和 增益漂移均较低，因此，AD627可将用户系统的直流误差 降到最低。由于有较好的高频共模抑制比，AD627可保持 最小的高频误差，也正是因为AD627具有较高的CMRR 特性(可高达200 Hz)，从而使得传输线干扰和传输线谐 波等都被排斥掉了。AD627采用真正的仪用放大器结构， 他有两个反馈环。其基本结构和典型的“双运放”仪用放 大器类似，只是细节有所不同。另外，AD627所具有的一 个“电流反馈”结构，使得AD627具有较好的共模抑制比。 AD627的基本电路见图3所示。其中Al与V;，R。构成 了第一个反馈回路，通过该回路可在Q，上得到稳定的集 电极电流(假设增益设定电阻此时不存在)。电阻R，和凡 组成的反馈环可使Al的输出电压和反向端电压相等。 通过AZ可形成另一个几乎完全相同的反馈环，他可使q 的电流和Q，相等，同时AZ还可提供输出电压。当两个环 平衡时，同向端到VOUT的增益为5，Al输出到VOUT 的增益为一4，Al的反向端增益是 AZ增益的1.25倍。 AD627差动模式时的增益为 1十尺;/R。，额定值为 5。 AD627是通过电阻R。来设定增益的。 增益G的设定可按下式确定:G=5十(ZO0kn/RG) 可以看出:AD627的最小增益为5(R。二co时)，在其增益 精确度为0.05 %一0.7%时，应使用0.1%的外部增益 设置电阻以避免全增益误差的较大衰减。另外，增益设置 电阻R‘的选择可以从标准设置电阻表中选取最接近的 值。分并检单双电源供电的轨一轨仪用放大器AD627 比 分立元器设计的放大器具有较好的直流交流性能，并且可 以方便的用外部电阻设定增益，因而是传感器信号检测的 较好选择。 电，以符合整个系统的电源分配。由于本系统所使用的传 感器信号都是小信号能满足ADG707的工作要求。 7 AD7656的电路配置 电流型传感器的信号是通过上述仪表放大器调理电 路转化为电压信号的，电压型传感器信号可以直接通过运 算放大器(例如，AD8o21)输人AD7656。本系统使用16b ADCAD7656，能满足系统的高精度要求，同时系统中所 采用的传感器信号的更新频率都比较低，最大不超过 20kHz，而AD7656的采样频率为25okb/5，显然能满足 要求。AD7656可以进行6路同步采样对于扩展传感器的 个数提供了非常大的余地。AD7656的电路配置如图5 所示: 5 仪表放大器RFI抑制电路设计 微功耗仪表放大器AD627易受RF整流的影响，需要 更具鲁棒性的滤波器。AD627具有低输人级工作电流。 简单地增加两个输人电阻器风。和R，。的值或电容器C:的 值，会以减小信号带宽为代价提供进一步的RF衰减。由 于AD627仪表放大器具有比通用 IC(例如，AD620 系列 器件)更高的噪声(38nV/H:)，所以可以使用较高的输人 电阻器而不会严重降低电路的噪声性能。为了使用较高 阻值的输入电阻器，设计出RCRFI电路，如图4所示。滤 波器的带宽大约为 200 H:。在增益为 100 的 条件下， IHz一ZoMHz输人范围内施加IVp一p输人信号，RTI 最大DC失调漂移大约为400拼V。在相同增益条件下， 该电路的RF信号抑制能力(输出端的RF幅度/施加到输 人端的RF幅度)优于61 dB。如图4所示: 图5 同步采样16bAIX一AD7656的电路配置图 8 结 语 竺哗些.t一、。。1oF+玲 图4 用于 AD627的 RFI抑制电路 6 差分模拟多路复用器ADG707介绍 设计考虑在仪表放大器的电路设计中，以下一些实际 问需要考虑: (1) AD627的增益是通过改变编程电阻R。实现的。 为了使AD627 的输出电压增益精确，应使用误差小于 0.1%一1%的电阻;同时，为了保持增益的高稳定性，避免 高的增益漂移，应选择低温度系数的电阻。 (2) 由于AD627的输出电压为相对于基准端的电压， 为获得较高的共模抑制比，REF引脚应连接于低阻抗点。 (3)所有的仪表放大器都能将通带外的高频信号整 流;整流后，这些信号在输出中表现为直流失调误差。可以 设计一个低通滤波器防止不必要的噪声到达差分输入端。 在很多应用中，屏蔽电缆被用来减少噪声;为了在整个频率 范围内得到最好的共模抑制比，屏蔽层必须正确连接。在 本文中，结合本人的工作实际详细说明了基于仪表放大器 的传感器信号调理电路设计，并对容易遇到的问题进行了 剖析，从工程的角度提供了一种行之有效的。 ADG707是stol差分输入模拟多路复用器，低导通 电阻小到2.sn，40 ns开关时间，低电压供电+1.8一 十5.sv，在视频音频开关，数据保持系统，通信系统等领 域有非常广泛的应用。在本系统中使用3.3v的电压供 参 考 文 献 [1]TMS32oCZ000User‘SGuide(SPRUo63B)TI，1997. (下转第69页) 65 img nam:今na list(img no) 这段定义了3个变量，其中“nam_list”是一个线性 表，他用来存储浏览器所要浏览的图形文件名;双击“img _model，，进行设置，并在图形框下嵌人变量“img_nam，，以 显示图片名称，再设置动态按钮，最后处理两个计算图标， 分别输人函数: (1)forward函数 lmg ifimg no: 今 no之二二 img no十1 sthen mg llam:= fla了11 Eraselcon(IconID@”img_model，’) Displaylcon(IconlD@”img_model”) (2)backward函数 学”。信号检测实验的完成，需要有严谨的科学态度和科 学的工作方法。在对电机测速的过程中，严格按照实验步 骤进行，并且多次测量，力求取得的数据科学、准确。在此 基础上利用Authorware6.5多媒体创作工具制作多媒体 课件，解决了在传统教学中一些难以解决的问题，并达到 教学过程中虚拟、仿真与实际测量完美结合，使课件具有 鲜明的特色和创新。 《电涡流传感器电机测速实验》多媒体教学课件提供 了教学演示实验和模拟2种功能，内容丰富，动画演示形 象、生动，既可步进演示又可连续演示，能最有效地图解内 容，并配有同步语言解说和背景音乐。课件设计达到了科 学与美学的结合，内容与形式的完美。 lmg_ ifimgnO: llO “img_no一1 参 考 文 献 =othefl Inlg nam := nam img_no:=4 list(img no) Eraselcon(IconID@”img_model”) Display几on(IconID@”img_model”) 5 结 语 著名科学家门捷列夫曾说过“没有测量，就没有科 [1」王成栋，朱永生，康荣学，等.基于电涡流传感器的转速测量 方法研究口].研究与开发，2003(6):45一47. 「2〕杨玉珍，刘红云，马凌，等.《电力电子技术》多媒体课件的设 计与应用[J〕.电气电子教学学报，2003，25(5):52一54，100. [3]伊功勋.Authorware实用操作500问「M].北京:人民邮电 出版社，2003. 作者简介 喻汉平 女，副教授。研究方向为传感器与多媒体应用。 (上接第“ 页) 〔2]TMS32oC28XDSPCPU andlnstructionSetReference Guide(Rev.D).Tl，31Mar.2004. 〔3〕TMS32OC28XDSP/BIOSApplicationProgramminglnter- face(API)ReferenceGuide.TI，2003. 「4jTMS32OC281XSystemControlandInterruptsReference Guide(Rev.B)TI，05Nov2004. 〔5〕TMS32oC281XInter一IntegratedCircuitReferenceGuide. Tl，OSNov.2004. 〔6〕苏奎峰，吕强，耿庆锋，等.TMS320F2812原理与开发[M〕. 北京:电子工业出版社，20O5. [7〕张卫宁.TMS32oC28X系列DSP的CPU与外设(下)[M]. 北京:清华大学出版社，2005. [8〕潘松，王国栋.VHDI，实用教程〔M].成都:电子科技大学出 版社，2005. 仁9]AD627一Micropower，SingleandDualsupplyRail一to一Rail In一AMP.ADINC，2005. ? ? 作者简介 蔡延财 刘 勇 ，海军工程大学组合导航与自动航行专业硕士研究生。 ，副教授，硕士生导师。主要从事导航、制导与控制，组合导航设计等方面的研究开发工作。 欢迎订阅《现代电子技术》2006 2006年度《现代电子技术》电子版，定价158元，含邮费。 邮局汇款 年电子版 需要者按以下方式订购: 银行汇款 收款单位:陕西电子杂志社 :611301074018000794620 :交通银行西安含光路支行 地 址:西安市雁塔西路 邮 编:710061 电 话:(029)85393376 联 系 人:薛进良 158号双鱼花园广场B座 1606室 传 真:(029)85397961 ? ???? ? ? 发行信箱:faxing@xddz.com.cn 冬久女众 之心心之‘二之<女 女众 ~ 心众之~ 众女 众 乙完(心之狡丈‘碱父卜之心<心《狡之心丈心丈心之袱丈心‘心之欢‘之‘(丈心之心之袱、丈找丈心之<.乙心丈袱、之《丈咬(心乙之乙;丈‘