基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计

基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计 蔡延财1，刘 勇1，陈永冰1，王 璐2 (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)06一063一03 DesignofSensorSignalCollectionBasedonIN—AMP CAIYancail，LIUYon91，CHENYongbin91，WANGLu2 (1．NavyUniversityofEngineer，Wuhan，430033，China；2．53rdLabofIPDNavyDeputation，Jinzhou，121000，China) Abstract：ThispaperintroducesakindofdesignbasedonTMS320F2812DSPandIN—AMPinsensordatac01lectionsys— tem．Sensorsignaladjustmentisusedtoadjustthedirectoutputsignalofsensors．Theprincipleofsignaladjustmentandthe hardwarecircuitimplementationarebothdiscussedinthispaper．ItappIiesthedesignofinterfacebetweenDSPandsensorsig— nala(bustcircuit．Meanwhile，itproducestheexampIethattheTMS320F2812DSPintegratedwithIN—AMPthroughusing CPLDand16bitADCsuccessfullybyhardwarebasedonmywork． Keywords：DSP；TMS320F2812；IN—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 收稿日期：z006一07—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问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1～1ooO。 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一20lglA。／A。IdB；仪表放大器具有 很高的共模抑制比，CMRR典型值为70～100dB以上。 (2)高输入阻抗 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109～1012Q低噪声由于仪表放大器必须能 63 万方数据 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lkHz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o．01％， 有的甚至低于O．000l％。 (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100弘V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之问。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 ～100dB。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o．61mV。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～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弘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 ．1N +IN ．VS苇 图2 AD627引脚排列图 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y。，琏构成 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R。 组成的反馈环可使A1的输出电压和反向端电压相等。 万方数据 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，A1输出到VOUT 的增益为一4，Al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+R4／R3，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一5+(200kQ／Rc) 可以看出：AD627的最小增益为5(R。=。。时)，在其增益 精确度为o．05％～o．7％时，应使用o．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DC失调漂移大约为400pV。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。 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，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： VCC 16bilADC REFCAJA．B．C 瑚叭E。卜 工工oj 守 AD7656 V1V6 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 o．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。 参考文献 [1]TMs320C2000User7sGuide(SPRU063B)TI，1997． (下转第69页) 65 万方数据 img—nam：一na—list(1mg—no) 这段定义了3个变量，其中“nam．1ist”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 modeI”进行设置，并在图形框下嵌入变量“imgnam”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+l ifimg—no一5thenimg—no：一1 mg—nam：一n丑m一】jst(img—no) EraseIcon(IconID@”img—modeI”) DisplayIcon(IconID@”img—model”) (2)backward函数 img—no：一img—no一1 ifimg—no—Othenimg—no：一4 img—nam：一nam—list(img—no) Eraselcon(IconID@”img—model”) Disp!ayIcon(1conlD@”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 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。 参考文献 [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—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)：82—84，loo． [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) 厂2] TMS320C28XDSPCPUandInstructionSetReference Guide(Rev．D)．TI，31Mar．2004． [3]TMs320C28xDsP／BIOsApplicationProgrammingInter— face(API)ReferenceGuide．TI，2003． [4]TMs320c281XsystemcontrolandInterruptsReference Guide(Rev．B)。TI，05Nov．2004． [5]TMs320c281XInter—IntegratedcircuitReferenceGuide． TI，05Nov．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． [7]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，副教嫒，硕士生导师。主要从事导航、剖导与控制，组合导航设计等方面的研究开发工作。 69 万方数据 基于仪表放大器的传感器信号采集电路设计 作者： 蔡延财， 刘勇， 陈永冰， 王璐， CAI Yancai， LIU Yong， CHEN Yongbing， WANG Lu 作者单位： 蔡延财,刘勇,陈永冰,CAI Yancai,LIU Yong,CHEN Yongbing(海军工程大学,湖北武汉 ,430033)， 王璐,WANG Lu(信息产业部第53所海军代表室,辽宁锦州,121000) 刊名： 现代电子技术 英文刊名： MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE 年，卷(期)： 2007，30(6) 被引用次数： 2次 参考文献(9条) 1.TMS320C2000 User's Guide(SPRU063B)TI 1997 2.TMS320C28X DS PCPU and Instruction Set Reference Guide (Rev.D) 2004 3.TMS320C28X DSP/BIOS Application Programming Interface(API) Reference Guide 2003 4.TMS320C281X System Control and Interrupts Reference Guide(Rev.B) 2004 5.TMS320C281X Inter-Integrated Circuit Reference Guide.TI.05 2004 6.苏奎峰.吕强.耿庆锋 TMS320F2812原理与开发 2005 7.张卫宁 TMS320C28X系列DSP的CPU与外设 2005 8.潘松.王国栋 VHDL实用教程 2005 9.AD627.Micropower,Single and Dual Supply Rail-to-Rail In-AMP 2005 相似文献(10条) 1.期刊论文 武晓春 DSP技术在数字信号处理实验中的应用 -西北民族大学学报（自然科学版）2004,25(3) 结合高校"数字信号处理"课程的实验教学现状,讨论将DSP技术引入"数字信号处理"实验的必要性和可能性,介绍DSP芯片的结构及技术特性,分析 DSP实验的硬件开发环境,并以 "FFT频谱分析及应用"实验为例,探讨DSP技术在实验中的教学意义. 2.学位论文 张春来 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性能和稳定性等方面对本课题设计的雷达数字信号处理模块进行了测试，得到了良好的结果，达到了设计要求。 5.期刊论文 管庆.蔡竟业.朱学勇.杨邋.向超.GUAN Qing.CAI Jing-ye.ZHU Xue-yong.YANG Lian.XIANG Chao "数 字信号处理"与"DSP技术"课程的关系 -电气电子教学学报2008,30(6) 本文从数字信号处理内容中的数字化、FFT的实现及数字滤波器的设计与实现三个知识点入手分析了理论与工程实现之间的区别与联系,从而明确了 "数字信号处理"与"DSP技术"两门同一内容体系下的课程在教学内容上各自的侧重点.探讨了在有限的教学课时情况下,如何加强系列课程的综合改革以取 得更好的教学效果的问题. 6.期刊论文 李军.周亚训.LI Jun.ZHOU Ya-xun 基于MATLAB和DSP的数字信号处理课程实验设计 -实验室研究与探 索2007,26(1) 利用Matlab软件和DSP的CCS仿真环境设计了数字信号处理课程实验系统.对FIR数字滤波器的MATLAB设计和DSP实现进行了详尽的描述.实践表明,实验 系统的开发和设计使学生能更好地理解和掌握该课程的基本理论,并能提高学生的工程应用能力. 7.学位论文 宋朝晖 基于DSP的参量扬声器系统研究与设计 2006 参量扬声器是一种有着广泛应用前景的新型产品，它能够使声音有了方向。目前国内对参量扬声器系统的研究尚处于探索阶段。文中在分析和研究 了国外的参量扬声器产品的基础上，结合当前使用日益广泛的数字信号处理器件——DSP芯片，旨在探索一种新型的参量扬声器系统实现方法，为参量扬 声器系统的设计和DSP芯片的应用提出了一种新的设计思想。 对参量扬声器系统的研究和设计包含了两个方面的内容：软件和硬件。文中的研究重点是软件部分，主要针对参量扬声器系统中的数字信号处理算 法进行了研究和设计。其中的主要算法有：动态范围控制器、减少失真预处理、正弦波振荡器和振幅调制。动态范围控制器也是数字音频信号处理研究 中的一个崭新课题，它能够充分利用系统内的可用动态范围，从而可以起到减少失真、改善音色和提高声音响度的作用。它包含了以下一些更具体的算 法：噪声门、扩展器、压缩器、限幅器、峰值测量、时间常数发生器、动态规律与门限以及对数和反对数运算等。减少失真预处理是根据非线性声学原 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DSP芯片是一种特别适合十进制数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速的实现各种数字信号处理算法，如卷积、相关以及各种变换等 。其中，利用DSP来实现数字滤波器就是很重要的一种应用。 本文深入研究了基于美国德州仪器公司(Tl)TMS320VC5410DSP芯片的自适应滤波器系统实现方法，实现了LMS自适应滤波算法，并提出了采用该算法 的一种新的语音信号的自适应降噪处理方法，提高了降噪处理效果，大大降低了硬件实现难度。整个课题完成的主要工作如下： 1.通过对当前的自适应滤波算法进行研究，采用LMS(最小均方误差)算法来实现自适应滤波，以均方误差最小为准则，自动调节单位的最小脉冲响应 ，以达到最优滤波的效果。并且，尝试采用一种新的自适应降噪处理方法来实现语音信号的自适应滤波。 2.用MATLAB语言对这种新的自适应降噪处理方法进行理论仿真，并对这一降噪处理过程的收敛性和稳定性进行定性地讨论，为数字实现提供有用的 设计要点。 3.在语音降噪的硬件系统中实现了以TMS320VC5410芯片为核心、包括模数、数模转换电路，外存储器和逻辑控制电路在内的硬件电路，对混入噪声 的语音信号进行自适应降噪处理。 本文共分为五章。第一章主要介绍了课题中所涉及的自适应滤波及DSP技术。第二章重点讨论课题中所采用的核心自适应滤波算法——LMS算法并对 本系统采用的新的自适应降噪处理方法进行介绍。第三章在重点描述TI定点DSP芯片TMS320C5410的同时对课题实现所设计的硬件电路进行了介绍。第四 章讨论了算法实现的软件平台及软件设计中的具体问题。第五章对算法软件的调试进行了详细的描述，并给出了设计结果，最后对本文进行了总结。 10.期刊论文 王溦.王广君.WANG Wei.WANG Guangjun 基于DSP+FPGA的高速数字信号处理平台的电源设计 -现代电 子技术2007,30(6) 介绍了一种高速数字信号处理平台的电源设计实现方案,主要是基于FPGA+DSP的结构实现高速数字信号处理.该方案采用先进的FPGA,DA转换器和 DSP芯片,通过对DSP芯片和FPGA芯片及DA芯片的正确供电和电源监控来实现具有通用性、可扩充性的硬件平台,并对电源设计中的多项关键参数进行分析 与阐述. 引证文献(2条) 1.崔利平 仪表放大器电路设计[期刊论文]-现代电子技术 2009(11) 2.赵殿滨 一种新型机车直流信号采集电路及实现方法[期刊论文]-内燃机车 2009(4) 本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_xddzjs200706022.aspx 授权使用：国电南京自动化股份有限公司(wfgdnz)，授权号：cea5fa12-1aa2-4806-b311-9e3000d66aa3 下载时间：2010年11月16日