段國(guó)艷

摘? 要：該文通過(guò)研究提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍及采樣率的方法，對(duì)自適應(yīng)放大與時(shí)序重疊技術(shù)的原理進(jìn)行詳盡的分析，設(shè)計(jì)有關(guān)數(shù)據(jù)采集電路原理圖和控制程序，通過(guò)整機(jī)調(diào)試最終實(shí)現(xiàn)一個(gè)寬動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下：該課題采用自適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，可以在低成本（12位A/D轉(zhuǎn)換器）的前提下大大地提高采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)120dB。采用自適應(yīng)放大技術(shù)以及時(shí)序重疊技術(shù)解決了寬動(dòng)態(tài)范圍與高采樣率之間的矛盾。采用具有ISP功能的STC單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，編寫(xiě)了整個(gè)系統(tǒng)的控制程序和通信程序，由于該單片機(jī)具備ISP功能，系統(tǒng)升級(jí)方便。

關(guān)鍵詞：動(dòng)態(tài)范圍? 可編程放大? 時(shí)序控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）07（b）-0005-02

在很多場(chǎng)合，要求測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)具有很高的動(dòng)態(tài)范圍，例如地震勘探中的地震波等瞬態(tài)信號(hào)，在信號(hào)出現(xiàn)前往往不能預(yù)知其大小，在此情況下，儀器大的動(dòng)態(tài)范圍是準(zhǔn)確采樣的前提。為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，通常的做法是增加A/D的量化位數(shù)，然而普遍的高位A/D在轉(zhuǎn)換精度和速度上是難以兼顧的，若需要同時(shí)滿(mǎn)足高速和高精度的測(cè)量，A/D的價(jià)格會(huì)變得昂貴，常用的12位的A/D轉(zhuǎn)換器只能提供72dB的動(dòng)態(tài)范圍，近年來(lái)出現(xiàn)的24位∑-△型A/D轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)較寬的動(dòng)態(tài)范圍，但芯片價(jià)格又很昂貴。

1? 采用的技術(shù)路線

該文設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集卡的技術(shù)路線是：查閱相關(guān)資料，完成低通濾波器、自適應(yīng)放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)外圍電路及時(shí)序控制電路的硬件設(shè)計(jì);采用自適應(yīng)放大技術(shù)以及時(shí)序重疊技術(shù)解決寬動(dòng)態(tài)范圍與高采樣率之間的矛盾，并深入理解自適應(yīng)放大系統(tǒng)的原理;采用具有ISP功能的STC單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，編寫(xiě)整個(gè)系統(tǒng)的控制程序和通信程序。由于該單片機(jī)具備ISP功能，系統(tǒng)升級(jí)方便;制定出單片機(jī)與上位機(jī)的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)采集系統(tǒng)的采樣周期、采樣點(diǎn)數(shù)的控制，以及下位機(jī)對(duì)采集結(jié)果的上傳;制作PCB印制電路板，完成電路板的焊接和整機(jī)調(diào)試。通過(guò)調(diào)試，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作可靠，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自適應(yīng)放大電路由增益比較電路、比較器輸出編碼電路及AD624可編程放大器（PGA）組成。整個(gè)自適應(yīng)放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作過(guò)程是：傳感器采集的信號(hào)進(jìn)入第一級(jí)采樣/保持器后，一路作為可編程放大的輸入信號(hào)，一路進(jìn)入增益比較器，比較器的輸出結(jié)果鎖存后進(jìn)入編碼器，編碼器輸出的編碼一路作為PGA的增益控制碼，一路作為階碼進(jìn)入鎖存器，采集信號(hào)經(jīng)PGA放大后進(jìn)入第二級(jí)采樣/保持器，保證A/D轉(zhuǎn)換的順利完成，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果作為尾碼，最終和階碼一起送入單片機(jī)。又單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)階碼和尾碼的時(shí)序控制，并控制顯示電路正常顯示所采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)線接口送出數(shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）。

系統(tǒng)采用的A/D轉(zhuǎn)換器為AD0832，位數(shù)n為12。PGA使用AD626，其最大放大倍數(shù)Gmax為256。用由兩片AD526級(jí)連，工作處于透明狀態(tài)，通過(guò)對(duì)GA2、GA2B、GA1、GA0進(jìn)行控制可獲得1～256共9檔增益。其連接方式如圖2所示。

假設(shè)采集信號(hào)的最大值Umax為10V，則系統(tǒng)能分辨的最小數(shù)值Umin為：

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍DR為：

該系統(tǒng)具備如下特點(diǎn)：

（1）采用自適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)120dB。

（2）12位轉(zhuǎn)換精度。

（3）串行接口標(biāo)準(zhǔn)，波特率19.2kb/s。

（4）采樣率0～100kHz且可調(diào)。

3? 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是采用了“流水線”式結(jié)構(gòu)，大大提高了速度。由于采用了兩級(jí)采樣/保持器，使得自適應(yīng)放大器和A/D轉(zhuǎn)換器能夠并行工作，從而構(gòu)成了一個(gè)能在位數(shù)不變的情況下擴(kuò)寬了動(dòng)態(tài)范圍的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

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