一种多通道高精度同步采集电路

本发明属于信号处理，涉及一种多通道高精度同步采集电路。

背景技术：

1、在当今科技迅速发展的时代，水下机器人的应用已经变得越来越广泛。这些机器人不仅能够在深海探索未知的领域，还能执行各种任务，从海底资源勘探到环境监测。为了更有效地执行任务并探测周围环境中的磁性物质，磁力仪被搭载在水下机器人上。这种装置不仅能够帮助机器人定位磁性目标，还能在海底地质勘探和海洋生物追踪等方面发挥关键作用，推动着水下科学研究和工程技术的发展。

2、磁通门传感器的数据精度要求高，磁通门传感器电压输出为伏级，但是换算成磁场纳特需要乘10000，这就导致小数点后4位的波动会极大影响磁力仪的磁数据精度；磁通门传感器可以输出三个分量xyz，三个分量xyz之间时间差距不宜过大，无时间间隔最佳，所以采集磁通门传感器数据需要高度同步性。

3、目前对于微伏级小信号的采集和控制不能满足磁通门传感器对于多通道、精度、同步性的要求，因此需要一种高精度的同步采集电路来满足当前磁通门传感器的采集要求。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多通道高精度同步采集电路，提高了磁力仪磁场数据的精度，保证了磁通门传感器各个通道的数据同步性，同时增加采集电路的稳定性，在掉电还能工作一段时间。

2、本发明信号采集电路包括三组结构相同的滤波放大电路和模数转换电路；在信号采集过程中，滤波放大电路将单端输入信号进行滤波处理，减小信号的噪声和毛刺，同时将采集到的信号进行放大和阻抗变换，使得所采集到的信号满足模数转换芯片的输入电压范围。

3、数据处理传输电路包括主控芯片，主控芯片为单片机；三个模数转换电路的三块模数转换芯片连接单片机，单片机控制模数转换芯片的同步引脚完成对磁通门传感器数据的多通道同时采集，并且对采集到的磁场数据进行平滑滤波操作。

4、所述的电源电路负责整个采集同步电路的电源供给，包括±15v输出电源电路、+5.7v输出开关电源电路、+5v超级电容储能电路、+2.5v基准电压电源电路、+3.3v输出电源电路。其中+15v和-15v用于滤波放大电路的运算放大器芯片供电，其中+5.7v用于给后续的信号采集电路以及数据处理传输电路供电，+2.5v基准电压电路为模数转换电路的模数转换芯片提供稳定的基准电压，+3.3v输出电源电路用于单片机的正常工作。

5、所述的+5v超级电容储能电路使用超级电容进行储能，防止采集电路突然断电，导致数据未及时处理。

6、进一步的，每个所述的滤波放大电路具有一组二阶滤波电路、一组电压跟随电路、一组同向二倍放大电路。电压跟随电路和同向二倍放大电路采用采用德州仪器生产的型号为tl062的芯片。

7、作为优选，每个所述的滤波放大电路均包括运算放大器芯片u5，运算放大器芯片u5采用德州仪器生产的型号为tl062的芯片，双通道、30v、1mhz、输入接近v+、jfet输入运算放大器。运算放大器芯片u5的1脚、运算放大器芯片u5的2脚、运算放大器芯片u5的5脚连接后接瓷片电容c22的一端，同时作为第二测试点tp2；运算放大器芯片u5的3脚、瓷片电容c21的一端、电阻r8的一端相连，瓷片电容c21的另一端接地；瓷片电容c22的另一端、电阻r8的另一端、电阻r7的一端相连，电阻r7的另一端与电阻r6的一端连接后通过瓷片电容c20接agnd；电阻r6的另一端与双向稳压二极管d6的一端连接后接磁通门传感器的输出端口，同时作为第一测试点tp1；双向稳压二极管d6的另一端接agnd。运算放大器芯片u5的4脚接±15v输出电源电路的-15v电源输出端，运算放大器芯片u5的8脚接±15v输出电源电路的+15v电源输出端；运算放大器芯片u5的6脚接电阻r9的一端、电阻r10的一端；运算放大器芯片u5的7脚接电阻r9的另一端后接模数转换芯片输入口，同时作为第三测试点tp3；电阻r10的另一端接agnd。

8、每个所述的模数转换电路均包括高精度模数转换芯片u6，高精度模数转换芯片u6采用亚德诺半导体技术有限公司生产的型号为ad4110-1的芯片，具有24位adc且适用于工业过程控制系统的通用输入模拟前端。

9、高精度模数转换芯片u6的1脚接瓷片电容c23的一端后接agnd；高精度模数转换芯片u6的2脚、瓷片电容c23的另一端、电阻r11的一端相连，电阻r11的另一端接+2.5v基准电压电源电路的+2.5v输出端；

10、高精度模数转换芯片u6的3脚和4脚连接后通过电阻r12的一端接agnd；

11、高精度模数转换芯片u6的6脚、瓷片电容c24的一端、瓷片电容c25的一端相连，高精度模数转换芯片u6的7脚、高精度模数转换芯片u6的8脚、瓷片电容c24的另一端、瓷片电容c25的另一端接agnd；高精度模数转换芯片u6的9脚、高精度模数转换芯片u6的11脚、瓷片电容c26的一端、瓷片电容c27的一端接瓷片电容c19的一端、磁珠f1的一端；磁珠f1的另一端、瓷片电容c18的一端接+5v超级电容储能电路的vcc5输出端，电容c19的另一端、瓷片电容c18的另一端接dgnd。磁珠f1、瓷片电容c18、瓷片电容c19构成电源隔离电路。瓷片电容c26的一端、瓷片电容c27的一端、高精度模数转换芯片u6的12脚接地；

12、电阻r5两端分别接dgnd和agnd，作为模数地隔离电路。

13、高精度模数转换芯片u6的14脚接主控芯片u7的22脚，高精度模数转换芯片u6的15脚接主控芯片u7的23脚，高精度模数转换芯片u6的16脚接主控芯片u7的21脚，高精度模数转换芯片u6的17脚接主控芯片u7的20脚；高精度模数转换芯片u6的18脚接发光二极管pwrerr的负极，二极管pwrerr的正极通过电阻r13接+5v超级电容储能电路的vcc5输出端；高精度模数转换芯片u6的19脚接主控芯片u7信号接入端；高精度模数转换芯片u6的20脚、高精度模数转换芯片u6的21脚、瓷片电容c28的一端、瓷片电容c29的一端连接后接+5v超级电容储能电路的vcc5输出端，瓷片电容c28的另一端、瓷片电容c29的另一端接agnd；

14、高精度模数转换芯片u6的22脚、瓷片电容c44的一端、瓷片电容c45的一端接agnd，瓷片电容c44的另一端、瓷片电容c45的另一端连接后接高精度模数转换芯片u6的23脚；高精度模数转换芯片u6的24脚通过电阻r21接agnd，高精度模数转换芯片u6的25脚通过电阻r20接agnd，高精度模数转换芯片u6的26脚接agnd。

15、高精度模数转换芯片u6的29脚、瓷片电容c38的一端、瓷片电容c40的一端相连，高精度模数转换芯片u6的30脚、瓷片电容c38的另一端、瓷片电容c39的一端相连，瓷片电容c40的另一端、瓷片电容c39的另一端接agnd；

16、高精度模数转换芯片u6的32脚和高精度模数转换芯片u6的33脚连接后通过电阻r17接高精度模数转换芯片u6的31脚；高精度模数转换芯片u6的31脚通过瓷片电容c37接agnd，同时通过电阻r16接agnd；

17、高精度模数转换芯片u6的34脚通过瓷片电容c35接agnd，同时通过电阻r15接滤波放大电路输出端；高精度模数转换芯片u6的36脚接gnd；

18、高精度模数转换芯片u6的38脚通过瓷片电容c36接高精度模数转换芯片u6的40脚、高精度模数转换芯片u6的41脚后接二极管d5的正极，二极管d5的负极、瓷片电容c30的一端、瓷片电容c31的一端连接后接±15v输出电源电路的-15v电源输出端；瓷片电容c30的另一端、瓷片电容c31的另一端接agnd；

19、高精度模数转换芯片u6的37脚、高精度模数转换芯片u6的39脚、瓷片电容c33的一端、瓷片电容c34的一端连接后接±15v输出电源电路的+15v电源输出端；瓷片电容c33的另一端、瓷片电容c34的另一端接agnd。

20、所述的数据处理传输电路包括主控芯片u7，主控芯片u7采用意法半导体生产的型号为stm32f103rct6的芯片。

21、主控芯片u7的1脚、13脚、19脚、32脚、48脚和64脚接+3.3v输出电源电路的vcc3.3输出端；主控芯片u7的12脚、18脚、31脚、47脚和63脚接dgnd。

22、主控芯片u7的5脚、电阻r23的一端、晶振y1的一端、瓷片电容c47的一端相连，主控芯片u7的6脚、电阻r23的另一端、晶振y1的另一端、瓷片电容c48的一端相连；瓷片电容c47的另一端、瓷片电容c48的另一端接dgnd；主控芯片u7的7脚、两脚按键s1的一端、电阻r22的一端、瓷片电容c46的一端相连，电阻r22的另一端接+3.3v输出电源电路的vcc3.3输出端；两脚按键s1的另一端、瓷片电容c46的另一端接dgnd；

23、主控芯片u7的20脚、21脚、22脚、23脚为spi1总线引脚，其中主控芯片u7的20脚为spi1_cs片选脚，连接其中一块高精度模数转换芯片u6的17脚；主控芯片u7的21脚为spi1_sck，连接其中一块高精度模数转换芯片u6的16脚；主控芯片u7的22脚为spi1_miso，连接其中一块高精度模数转换芯片u6的14脚；主控芯片u7的23脚为spi1_mosi，连接其中一块高精度模数转换芯片u6的15脚。

24、主控芯片u7通过spi总线连接到另外两块相同的高精度模数转换芯片。其中主控芯片u7的33脚、34脚、35脚、36脚为spi2总线引脚，50脚、55脚、56脚、57脚为spi3总线引脚。这几个脚同样接入其余两块高精度模数转换芯片对应的引脚上。

25、主控芯片u7的28脚通过电阻r24接dgnd，主控芯片u7的60脚通过电阻r25接dgnd；主控芯片u7的42脚接第二接线端子jp2的2脚，主控芯片u7的43脚接第二接线端子jp2的3脚；主控芯片u7的46脚接第三接线端子swd的2脚；主控芯片u7的49脚接第三接线端子swd的3脚；主控芯片u7的53脚接三块高精度模数转换芯片的信号输出端，用于对三组模数转换电路的同步操作；第二接线端子jp2的1脚接vcc3.3端，第二接线端子jp2的4脚接dgnd端；第三接线端子swd的1脚接vcc3.3端，第三接线端子swd的4脚接dgnd端。

26、作为优选，所述的±15v输出电源电路中电源模块选用中山市易川电子科技有限公司生产的型号为jp1ura2415s-6wr3的芯片；所述的+5.7v输出电源电路的开关电源芯片采用德州仪器的开关电源芯片tps5430。所述的+2.5v基准电源电路的基准电压源芯片采用亚德诺半导体技术有限公司生产的型号为adr4525芯片。所述的+3.3v输出电源电路的线性电源芯片采用有台半导体生产的型号为ams1117-3.3的芯片。

27、所述的+5v超级电容储能电路选用耐压值为5.5v，容值为2.5f的超级电容。利用其充电速度快、工作效率高，能量比高、使用寿命长无记忆效应的优点，为采集电路提高抗风险能力。

28、采用本发明所述电路，信号采集电路在多通道高精度同步采集电路中具有相同的三份，以满足测量磁通门传感器xyz三分量的需要；同时提高了磁通门传感器数据的精度，实际完成分辨率为16位，小数点第5位波动。提高了磁通门传感器多通道数据采集的同步性，实现到通道间毫秒级的间隔。提高了采集电路的抗风险能力，面对突发状况导致电源系统停止供电，采集电路仍能保持工作状态一段时间。为磁通门传感器数据的处理，以及后续磁矫正，磁定位算法的准确性奠定基础。