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设计 基于仪表放大器的传感器信号采集电路设 计 2007年第6期总鼯245 基于仪表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 (1.海军工程大学湖北武汉430033;2.信息产业部第53所海军代表室辽宁锦州121000) 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.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16bADC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;TMS320F2812;IN—AMP;ADC;CPLD 中图分类号:U666.1~TP274.2文献标识码:B文章编号:1004—373X(2007)06—063—03 DesignofSensorSignalCollectionBasedonIN——AMP CAIYancai.LIUYong,CHENYongbing,WANGLu. (1.NavyUniversityofEngineer.Wuhsn.430033,China,2.53rdLabofIPDNavyDeputation, Jinzhou.121000.Chins) Abstract:ThispaperintroducesakindofdesignbasedonTMS320F2812DSPandIN—AMPinsensordatacollectionsys— tern.Sensorsignaladjustmentisusedtoadjustthedirectoutputsignalofsensors.Theprinciple ofsignaladjustmentandthe hardwarecircuitimplementationarebothdiscussedinthispaper.Itappliesthedesignofinterf acebetweenDSPandsensorsig— halaajustcircuit.Meanwhile,itproducestheexamplethattheTMS320F2812DSPintegrated withIN—AMPthroughusing CPLDand16bitADCsuccessfullybyhardwarebasedonmywork. Keywords:DSP;TMS320F2812;IN—AMP;ADC;CPLD l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,直流耦合放大器,他具有 差分输入,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,他们在性能上与标准运算放大器有很大的 收藕日期-2006一O7—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入和其输出相对于参 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 向输入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入端隔离 的内部反馈电阻网络.利用加到两个差分输入端的输入 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(A)与共模增益 (A)之比,即:CMRR:201gIA/AIdB;仪表放大器具有 很高的共模抑制比,CMRR典型值为7O,100dB以上. (2)高输入阻抗 要求仪表放大器必须具有极高的输人阻抗,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109,1012Q低噪声由于仪表放大器必须能 63 蔡延财等:基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计 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1kHz条件下,折合到输入端的输入 噪声要求小于10nV/Hz. (3)低线性误差 输入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.O1, 有的甚至低于0.0001. (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入和输出两部分组成, 输入和输出失调电压典型值分别为100V和2mV. (5)低输入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型输入运 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.双极型输入仪表放大器的偏 置电流典型值为1nA~50pA,而FET输入的仪表放大器 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~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 , 1o0dB.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4,20mA电流型传感器的信号如何连接 到16bitSimultaneousADCAD7656.4,20mA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 输入端.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. 64 图1系统结构图 因此必须差分地检测该电流.在本系统中,1只 24.9Q的分流电阻器在AD627的输入端产生介于 100mV(对应4mA输入)与500mV(对应20mA输入) 之间的最大差分输入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2.5V, 即ADC的满度输入电压.4mA的零点电流对应于代码 819,1LSB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『』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. RC . +IN . VS 图2AD627引脚排列图 图3AD627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200Hz),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A1与,R构成 了第一个反馈回路,通过该回路可在Ql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R 组成的反馈环可使A1的输出电压和反向端电压相等. 2007年第6期总第245 通过A2可形成另一个几乎完全相同的反馈环,他可使Q2 的电流和Q相等,同时A2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,AI输出到VOUT 的增益为一4,A1的反向端增益是A2增益的1.25倍. AD627差动模式时的增益为1+R/R.,额定值为5. AD627是通过电阻民来设定增益的. 增益G的设定可按下式确定:G一5+(200kQ/R.) 可以看出:AD627的最小增益为5(R.一..时),在其增益 精确度为0.05,0.7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. 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具有低输入级工作电流. 简单地增加两个输入电阻器R.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/Hz),所以可以使用较高的输入 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200Hz.在增益为100的条件下, 1Hz,20MHz输入范围内施加1VP—p输入信号,RTI 最大13(3失调漂移大约为400V.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 入端的RF幅度)优于61dB.如图4所示: ………………………………….: 图4用于AD627的RFI抑制电路 6差分模拟多路复用器ADG707介绍 ADG707是8to1差分输入模拟多路复用器,低导通 电阻小到2.5Q,40ns开关时间,低电压供电+1.8, +5.5V,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 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. 7AD7656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,AD8021)输入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250kb/s,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: CO DOD15 16bitADc …F AD7656 +VS - VS GND AGND 图5同步采样16bADCAD7656的电路配置图 8结语 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 0.1,1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方案. 参考文献 [1]TMS320C2000UserSGuide(SPRUO63B)TI,1997. (下转第69页) 65 2007年第6期总第245 img— ham:na— list(img— no) 这段定义了3个变量,其中"nam— llst"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,并在图形框下嵌入变量"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, 分别输入函数: (1)forward函数 img— no:一img— no+1 ifimg— no一5thenimg— no:一1 mg— ham::ham — list(img— no) Eraselcon(IconlD@"img— model") DisplayIcon(IconlD@"img— model") (2)backward函数 img— no:一img— nO,1 ifimg— no=0thenimg— no::4 img— ham:ham— list(img— no) Eraselcon(IconlD@"img— model") Displaylcon(IconID@"img— model") 5结语 着名科学家门捷列夫曾说过"没有测量,就没有科学".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,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. 参考文献 Ell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[J].研究与开发,2003(6):45—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,2003,25(5):82—84,100. [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65页) r2]TM$320C28XDSPCPUandInstructionSetReference Guide(Rev.D).TI,31Mar.2004. [3]TMs32OC28xDSP/BIOSApplicationProgrammingInter— face(API)ReferenceGuide.TI,2003. [4]TMs32Oc281xSystemControlandInterruptsReference Guide(Rev.B).TI,O5NOV.2004. C5]TMs32Oc281xInter—IntegratedCircuitReferenceGuide. TI,O5NOV.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,2005. [71张卫宁.TMS320C28X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.VHDL实用教程[M].成都:电子科技大学出 版社,2005. [9]AD627一Micropower,SingleandDualSupplyRail—tO—Rail In—AMP.ADINC,2005. 作者简介蔡延财男,海军工程大学组合导航与自动航行专业硕士研究生. 刘勇男,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. 69