微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，它涉及微弱信號測量技術領域。它包括信號調(diào)理電路、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、隔離電路和單片機，接有微弱直流信號的信號調(diào)理電路與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器接隔離電路，隔離電路與單片機連接，單片機接至上位機，微伏級直流電壓信號經(jīng)信號調(diào)理電路輸出，通過高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器將采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過其SPI接口與單片機進行同步串口通信，單片機再通過串行接口將數(shù)據(jù)發(fā)到上位機，利用去噪算法做進一步去噪處理。本實用新型提高測量的精度和準確度，穩(wěn)定可靠，實用性強，具有一定的應用價值。
【專利說明】
微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型涉及微弱信號測量技術領域，尤其涉及微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]在所有需要微弱信號檢測的領域中，各種微弱的物理量信號都需要先轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號之后再進行放大、并進行信號檢測處理，由各種微弱物理量信號轉(zhuǎn)換得到的電信號多數(shù)是微弱的直流或低頻信號，因此對像微伏級這樣的微弱直流信號測量存在一定難度。
[0003]目前，微弱信號測量主要有兩種測量方法:一是將直流信號調(diào)制成幅值和直流信號呈比例關系的方波交流信號，以避免直接放大微弱直流信號存在的直流誤差的影響，特別是直流放大器失調(diào)電壓的影響，還可以避免外部工頻干擾等低頻噪聲的影響。在各種直流調(diào)制技術中，最廣泛應用的就是通過場效應管的開關特性來作為調(diào)制器，通過一定頻率的控制信號控制場效應管柵極電壓的極性來控制場效應管的通斷，以達到調(diào)制直流信號的目的。但存在的問題是:場效應管作為電子開關的同時也存在開關管損耗，像導通損耗、開關損耗。實際應用中模擬開關的這種理想效果是不可能達到的；另外，場效應管開關在作為調(diào)制器時，無論有無輸入信號，只要存在調(diào)制信號，模擬開關的輸出端都會產(chǎn)生瞬態(tài)的尖峰電壓，而且還會引起輸出信號漂移，從而造成測量結果不精確。
[0004]二是利用特低噪聲、特低漂移的高精度直流放大器對微弱直流信號進行測量。如市面上的HB-815，就是一款十分優(yōu)良的直流放大器，輸出電壓能達到V級，可以給數(shù)據(jù)采集和處理，但存在價格昂貴、不能廣泛應用于實驗研究的問題。
[0005]因此，本領域的技術人員致力于開發(fā)微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]有鑒于現(xiàn)有技術的上述缺陷，本實用新型所要解決的技術問題是提供一種微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，結構簡單，設計合理，提高測量的精度和準確度，穩(wěn)定可靠，實用性強，具有一定的應用價值，易于推廣使用。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型提供了微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，包括信號調(diào)理電路、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器、隔離電路和單片機，接有微弱直流信號的信號調(diào)理電路與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器接隔離電路，隔離電路與單片機連接，單片機接至上位機;所述高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過SPI接口與單片機的串口連接，單片機采用單片機MSP430F149，單片機通過串口接口將轉(zhuǎn)換結果數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機，顯示、存儲。
[0008]作為優(yōu)選，所述的隔離電路采用DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道數(shù)字隔離器ADUM5401，隔離電路可以提供高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字線路與微控制器之間的數(shù)字信號和電源隔離功能。
[0009]作為優(yōu)選，所述的信號調(diào)理電路由輸入級放大電路、低通濾波電路、中間級放大電路、陷波電路和光電隔離裝置組成，輸入級放大電路、低通濾波電路、中間級放大電路、陷波電路、光電隔離裝置依次連接，光電隔離裝置接至高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器，光電隔離裝置可以避免干擾信號通過地竄入后級以及前后電路地電位不相等帶來的影響。
[0010]作為優(yōu)選，所述的輸入級放大電路采用低噪聲高精度的儀表放大器作初級放大，以提高測量精度、減小直流放大誤差和不必要的噪聲引入。
[0011]作為優(yōu)選，所述的低通濾波電路采用薩倫基雙極點電壓控制電路設計截止頻率低至Ihz的四階巴特沃斯型低通濾波器，以濾除測量電路中存在的各種低頻噪聲及大量高頻噪聲干擾，經(jīng)過低通濾波電路濾除大量噪聲后，進入中間級放大電路，其主要目的是得到高增益。
[0012]作為優(yōu)選，所述的陷波電路采用常見的雙T陷波電路，以濾除50hz工頻干擾。
[0013]本實用新型的有益效果是:系統(tǒng)組成簡單，運行穩(wěn)定，可以實現(xiàn)50uv以下微弱直流信號的測量，并將采集到的電壓轉(zhuǎn)換結果數(shù)據(jù)通過單片機的串行接口發(fā)到上位機，顯示、存儲，便于后續(xù)處理，且利用成熟的去噪處理算法對數(shù)據(jù)進行去噪處理，進一步提高微弱直流電壓信號的測量準確度和精度。
[0014]以下將結合附圖對本實用新型的構思、具體結構及產(chǎn)生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本實用新型的目的、特征和效果。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型的系統(tǒng)框圖；
[0016]圖2是本實用新型信號調(diào)理電路的結構框圖。
【具體實施方式】
[0017]參照圖1-2，本【具體實施方式】采用以下技術方案:微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，包括信號調(diào)理電路1、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2、隔離電路3和單片機4，接有微弱直流信號的信號調(diào)理電路I與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2連接，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2接隔離電路3，隔離電路3與單片機4連接，單片機4接至上位機;所述高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2通過SPI接口與單片機4的串口連接，單片機4采用單片機MSP430F149。
[0018]值得注意的是，所述的隔離電路3采用DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道數(shù)字隔離器ADUM5401，隔離電路3可以提供高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2數(shù)字線路與單片機4微控制器之間的數(shù)字信號和電源隔離功能。
[0019]此外，所述的信號調(diào)理電路I由輸入級放大電路11、低通濾波電路12、中間級放大電路103、陷波電路104和光電隔離裝置105組成，輸入級放大電路101、低通濾波電路102、中間級放大電路103、陷波電路104、光電隔離裝置105依次連接，光電隔離裝置105接至高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2;所述輸入級放大電路101采用低噪聲高精度的儀表放大器作初級放大，以提高測量精度、減小直流放大誤差和不必要的噪聲引入;低通濾波電路102采用薩倫基雙極點電壓控制電路設計截止頻率低至Ihz的四階巴特沃斯型低通濾波器，以濾除測量電路中存在的各種低頻噪聲及大量高頻噪聲干擾;陷波電路104采用常見的雙T陷波電路。
[0020]本【具體實施方式】經(jīng)傳感器輸出的微伏級直流電壓信號輸入到輸入級放大電路101進行初級放大，考慮到噪聲和信號是疊加在一起的，放大有用信號的同時也會放大噪聲，不便于后級信號處理，因此輸入級放大電路101中的高精度儀表放放大器的放大增益不宜設置很大;經(jīng)輸入級放大電路101初級放大的信號，首先通過低通濾波電路102進行低通濾波，以降低傳感器所采集到的微伏信號以外的各種低頻及高頻噪聲，經(jīng)過低通濾波電路102濾除大量噪聲后，進入中間級放大電路103，其主要目的是得到高增益，陷波電路104用來消除交流市電中50hz工頻干擾;另外，為避免第一、二級電路的干擾進入輸出端，采用光電隔離裝置105，以避免干擾信號通過地竄入后級以及前后電路地電位不相等帶來的影響，也可保證輸出端誤接其他高壓裝置燒毀整個電路的可能性。
[0021]微伏級直流電壓信號經(jīng)上述信號調(diào)理電路I輸出的信號，完全可以滿足后級模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的信號輸入要求，通過高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器2將采集的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過其SPI接口與單片機4進行同步串口通信，單片機4再通過串行接口將數(shù)據(jù)發(fā)到上位機，利用去噪算法做進一步去噪處理，以提高測量微弱直流電壓的測量準確度和精度。
[0022]本【具體實施方式】有效解決了直接放大微伏級微弱直流電壓信號存在的直流誤差、各種低頻噪聲干擾造成測量精度不高等問題，可以實現(xiàn)對50uv以下的微弱直流電壓信號采集，運行穩(wěn)定可靠，具有廣闊的市場應用前景。
[0023]以上詳細描述了本實用新型的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術人員無需創(chuàng)造性勞動就可以根據(jù)本實用新型的構思做出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本實用新型的構思在現(xiàn)有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內(nèi)。
【主權項】
1.微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:包括信號調(diào)理電路(I)、高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)、隔離電路(3)和單片機(4)，接有微弱直流信號的信號調(diào)理電路(I)與高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)連接，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)接隔離電路(3)，隔離電路(3)與單片機(4)連接，單片機(4)通過串口通信接口接至上位機，所述的信號調(diào)理電路(I)由輸入級放大電路(101)、低通濾波電路(102)、中間級放大電路(103)、陷波電路(104)和光電隔離裝置(105)組成，輸入級放大電路(101)、低通濾波電路(102)、中間級放大電路(103)、陷波電路(104)、光電隔離裝置(105)依次連接，光電隔離裝置(105)接至高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)。2.如權利要求1所述的微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7793，高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器(2)通過SPI接口與單片機(4)的串口連接。3.如權利要求1所述的微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的隔離電路(3)采用DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道數(shù)字隔離器ADUM5401。4.如權利要求1所述的微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的單片機(4)采用單片機MSP430F149。5.如權利要求1所述的微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的輸入級放大電路(101)采用低噪聲高精度的儀表放大器。6.如權利要求1所述的微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的低通濾波電路(102)采用薩倫基雙極點電壓控制電路設計截止頻率低至Ihz的四階巴特沃斯型低通濾波器。7.如權利要求1所述的微伏級直流電壓信號采集系統(tǒng)，其特征在于:所述的陷波電路(104)采用可濾除50hz工頻干擾的雙T陷波電路。
【文檔編號】G01R13/02GK205670166SQ201620546547
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月7日
【發(fā)明人】行鴻彥, 閆巖
【申請人】南京信息工程大學