多路模拟信号采集电路论文.doc

多路模拟信号采集电路毕业论文 1 绪论 1.1 课题来源及研究的目的和意义 近年来，数据采集与处理的新技术、新方法，直接或间接地引发其革新和变化，实时监控(远程监控)与仿真技术(包括传感器、数据采集、微机芯片数据、可编程控制器PLC、现场总线处理、流程控制、曲线与动画显示、自动故障诊断与报表输出等)把数据采集与处理技术提高到一个崭新的水平。 “数据采集”是指将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。相应的系统称为数据采集系统。 从严格意义上说，数据采集系统应该是用计算机控制的多路数据自动检测或巡回检测，并且能够对数据实行存储、处理、分析计算，以及从检测的数据中提取可用的信息，供显示、记录、打印或描绘的系统。总之，不论在哪个应用领域中，数据的采集与处理越及时，工作效率就越高，取得的经济效益就越大。 　　 　 　　 图2.1 整体设计方案 以上系统由多路模拟量数据采集模块、FPGA中心控制模块、flash存储模块以及其它外围辅助电路组成。 多路模拟量数据采集模块是此设计中的重要环节，决定着获取信号的质量和采集测试的精度。模拟信号的采集电路通常由模拟多路开关、电压跟随器、A/D转换器等部分组成。其中模拟多路开关的作用是切换各路输入信号，使得不同通道的模拟量被有序地送入A/D转换器；电压跟随器用来对所采集的模拟量进行信号调理，从而获得更准确测量 图2.2 系统整体结构图 总结如下：模拟信号输入端的输入信号为需要采集的模拟信号，一般由传感器提供；信号调理电路的主要作用是滤掉干扰，使传感器输入的被测模拟量更加准确；A/D转换使模拟量转换成数字量，以便实现数据采集的目的；FPGA提供整个系统的控制信号，让整个系统正常有序的工作；FIFO用来提供对采样后的数据进行缓存。数据采集存储系统工作可靠与稳定主要取决于信号采集、信号调理，数据传输以及数据存储四大模块设计。 数据采集与存储控制模块均采用Xilinx 公司的Spartan-Ⅱ系列FPGA 中的XC2S100实现。它作为控制器具有时钟频率高，编程配置灵活，内部延时小，运行速度快，I/O 端口多，配以IP 软核，本身集采样控制、处理、缓存、传输控制、通信于一个芯片内，各方面均满足系统对实时性和同步性的要求[7]。 2.1 信号采集及调理模块 信号采集模块FPGA 对其外围设备的控制全部通过I/O 端口进行控制，极大地提高了系统的采集速度。部分应用如图2.3： 图2.3 前端输入电路 模拟信号主要测量的是冲击量、振动量、缓变（温度、压力等）和系统电量参数信息,并且留有备用采集通道。冲击、振动、缓变模拟量接入由单电源轨至轨运算放大器OPA4340 构成的电压跟随器，16 路模拟量数据通过信号放大调理电路接入一片16 路高速模拟选择开关ADG706，通过中控FPGA 选通将所选模拟量输入16 位高速逐次逼近型模数转换器ADS8402，将模拟信号转换为数字信号；ADG706 模拟开关的切换时间42ns，16 路切换频率至少能可靠满足采样频率大于400 KHz 的模拟量信号。ADS8402 采样转换时间仅需610ns，转换速度可达1.25MHz，转换时钟依靠内部产生，避免因数字接口以及参考时钟和外部转换器之间产生的交界面抖动。数字接口提供8 位和16 位两种选择增加了与控制器连接的灵活性，不受管脚资源的限制。本设计使用ADS8402 内部参考电压Vref=4.096V 作为基准，但是16 路模拟量输出电压范围均为0～5V；超过了ADC 的输入电压量程，需要线性运算电路变换由模拟开关ADG706 输出的信号幅度以适合ADS8402 的输入信号范围[8][9][10]。 从传感器输入的所有模拟信号范围都是0—5 V，输入阻抗要求大于1 M欧，由于电源模块的输出电压只有5 V，所以为了保证信号的完整性，设计中选用了具有轨对轨输出特性的运算放大器0PA4340，并进行了适当的分压及阻抗匹配处理，对输出也进行了适当的滤波处理，图2.4为设计中用到的信号调理电路。 图2.4 单路信号调理电路 2.2 通道选择电路 设计中要求采集16路模拟信号，为降低系统成本和减小体积，采用公共A/D转换电路，用1片16选1的模拟多路开关来实现通道的选取。 2.2.1 模拟多路开关的选择 选择多路开关时，通常考虑以下几个参数： （1）通道数量：通道数量对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响，因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大。平常使用的模拟开关，在选通其中一路时，其它各路并没有真正断开，只是处于高阻状态，仍存在漏电流，对导通的信号产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。 （2）导通电阻：理想的多路开关起导通电阻应为零，断开电阻