高速数据采集系统信号调理电路的设计_乔巍.pdf

《电子技术》2003 年第 4 期 计算机应用 高速数据采集系统信号调理电路的设计 ( ) 上海交通大学电子信息与电气工程学院 200030 　乔 　巍 　杜爱玲 　陈　春 　叶　生 摘 　要 　文章针对基于微控制器和 PC 的高速数据采集系统 ,在讨论了信号调理电路功能及必要 性的基础上 ,给出了包括信号放大 、衰减 、隔离和滤波的设计方案 ,并对滤波电路的拓扑设计进行了 研究 。此外 ,针对广泛存在的电力信号采集与分析 , 以电能质量为分析 、研究对象 ,给出了基于 SallenKey 和状态变量拓扑的滤波方案 。对高速数据采集系统精度的提高和采集设备的保护具有 实际意义 。 关键词 　信号调理 　高速数据采集 　SallenKey 　拓扑 　状态变量拓扑 　　目前 ,基于微控制器及基于 PC 和 内插板卡的 和数据采集系统的地连起来的时候 ,会发现在两处 数据采集系统在很大领域 内得到了应用[ 1 ] 。数据 输入的地之间存在一定的电势差 ,这个电压称为共 采集卡和微控制器前端的高速 A/ D 转换作为信号 模电压 。如果我们用的是一个单端测量系统 ,如图 采集设备非常适合用来测量电压信号 。但是 ,许多 2 所示 ,测得的电压就会包括期望测试的电压 V s 和 传感器和变送器输出的信号必须经过调理之后 ,才 共模电压 V G 。如果采用差分输入为数据采集卡的 能进入数据采集卡 、高速 A/ D 转换器或设备 , 以实 输入方式 ,就能消除这些共模电压 ,一般说来 ,典型 现有效精确的测量 。这种前端的预处理 ,一般就称 值能高达 12V 。然而 ,高的地之间的电势差或者接 为信号调理 ,包括信号放大衰减 、滤波 、电气隔离和 地环路 ,都会损坏未经保护的数据采集设备 。如果 多路技术 。图 1 为基于 PC 和内插板卡的数据采集 没有办法消除这种电势差 ,那么 ,就可以用信号隔离 系统框图[2 ] 。 器来破坏接地环路以达到消除共模电压的作用 。隔 离器的另一个作用就是抑制一些来 自电力线 、闪电 或者高压设备的浪涌高压 。当存在这种高压的时 候 ,一个浪涌往往能损坏设备 。信号隔离器通过切 图 1 　基于 PC 和内插板卡的数据采集系统框图 断连接 ,建立了数据采集系统和这些高压浪涌之间 的屏障 。 1 　信号调理电路的组成 1. 1 　放大衰减电路 由于很多信号幅度比较小 ,所以需要通过放大 器来提高测量的精度 。放大器通过匹配信号电平和 A/ D 转换器的测量范围 ,来达到提高测量分辨率的 图2 　隔离原理 目的。出于这个原因 ,现在许多数据采集卡都包括 了板载放大器 。同样情况 , 当需要数字化的电压超 1. 3 　滤波电路 过了允许输入范围时 ,衰减就不可缺少了。 信号调理往往需要抑制一定频率范围内的噪 1. 2 　隔离电路 声 ,而噪声对于不同的系统有不同的含义 。对于数 数据采集系统中不合适的接地是造成测量问题 据采集系统来说 ,通常有两种情况 ,一是来自于电力 和数据采集卡损坏的最普遍原因。对信号进行电气 线或机器的频率在 50 Hz 或 60 Hz 的噪声 ,对于这种 隔离可以防止