一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统的制作方法

本发明属于数据采集处理，具体而言，涉及一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统。

背景技术：

1、传统数据采集电路的设计增益通过固定电阻器调整，只能满足固定增益，不能根据输入的信号情况进行增益的在线调整，适用范围十分有限；由于增益是通过固定电阻器来进行调整，如要修改每个通道的增益参数，就需要修改硬件电路，变更电阻器的阻值，这样如果成千上万个通道同时使用，会带来参数管理的极大麻烦，成本高昂，且容易混乱出错。

2、现实应用的场景中，对超微弱信号的捕捉是一大难点，尤其对于微伏级的信号，比如水声传感器等，微弱信号极易淹没在噪声之中而无法捕捉提取。

3、传统数据采集电路的设计只能满足微弱小信号的捕捉，对高压信号的范围限制比较大，或者只能满足高压信号采集，对微弱小信号的捕捉性能较差，无法同时满足对极其微弱的小信号的捕捉和高压信号采集。

4、此外，在利用传感器进行数据采集时，传感器分为馈电类型的和单独供电类型的，馈电类型的传感器是直接从主信号上取电工作，因此主信号上需要供应恒流源；而单独供电的传感器是不能从主信号上面直接馈电的，因此需要关闭馈电电源，影响系统正常运行。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，包括若干个采集调理单元、集成控制单元、接口单元与直流电源模块；

2、采集调理单元包括若干个采集调理通道与模数转换电路；

3、采集调理通道包括数据采集单元、恒流源馈电电路、数字电位器控制电路与多级增益衰减电路；

4、数据采集单元的输入端通过多级增益衰减电路与模数转换电路的输入端电信号连接；各个模数转换电路的输出端与集成控制单元的输入端电信号连接；集成控制单元的输出端通过数字电位器控制电路与多级增益衰减电路的控制信号输入端电信号连接；

5、集成控制单元的输入端与上位机连接；集成控制单元的输出端与恒流源馈电电路的控制信号输入端电信号连接；

6、恒流源馈电电路的输出端与数据采集单元的输出端电信号连接；

7、直流电源模块通过接口单元与采集调理单元、集成控制单元、恒流源馈电电路的电源输入端电信信号连接；集成控制单元与接口单元电信号连接。

8、在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

9、进一步，数据采集单元连接有共模电感；多级增益衰减电路包括微调电位器、数字电位器、第一运算放大器、第二运算放大器与第三运算放大器；

10、数据采集单元的输出端通过共模电感与第一运算放大器的输入端、恒流源馈电电路的输出端电信号连接；数字电位器的输出端与微调电位器的输入端、第一运算放大器的控制输入端、第二运算放大器的控制输入端、第三运算放大器的输入端电信号连接；集成控制单元的输出端与数字电位器的输入端电信号连接；

11、第一运算放大器的输出端通过第二运算放大器与第三运算放大器的输入端电信号连接；第三运算放大器的输出端与模数转换电路的输入端电信号连接。

12、进一步，第一运算放大器的放大系数小于与第二运算放大器的放大系数；第二运算放大器的放大系数小于第三运算放大器的放大系数。

13、进一步，第一运算放大器为双运放精密运算放大器；第二运算放大器与第三运算放大器为零漂移运算放大器；第一运算放大器、第二运算放大器与第三运算放大器均为高输入阻抗运算放大器。

14、进一步，恒流源馈电电路包括直流电源、第一电阻、第一三极管、第二电阻、第二三极管、第三电阻、第一电容、恒流源芯片、第四电阻与第二电容；

15、直流电源通过第一电阻与第一三极管发射极电连接；集成控制单元的输出端通过第二电阻与第二三极管的基极电连接；第二三极管的集电极通过第三电阻与第一三极管的基极电连接；第一三极管的集电极与第一电容的第一端、恒流源芯片的输入端电连接；恒流源芯片的第一输出端通过第四电阻与第二电容的第一端、数据采集单元的输出端、第五电阻的第二端电信号连接；恒流源芯片的第二输出端与第五电阻的第一端电信号连接；第二三极管的发射极、第一电容的第二端、第二电容的第二端接地。

16、进一步，集成控制单元包括fpga模块与arm处理器；fpga模块与arm处理器集成设置在soc芯片上。

17、进一步，接口单元包括存储接口、lte网络接口、以太网接口、wifi接口、蓝牙接口、hdmi接口与电源接口；集成控制单元与存储接口、lte网络接口、以太网接口、wifi接口、蓝牙接口、hdmi接口、电源接口电信号连接。

18、进一步，直流电源模块采用ldo电源芯片；ldo电源芯片的噪声低于1μv。

19、进一步，该系统包括三个采集调理单元；每个采集调理单元包括八个采集调理通道与1个模数转换电路；模数转换电路包括模数转换器；集成控制单元中的fpga模块与各个模数转换器共同连接时钟模块。

20、本发明的有益效果是：

21、(1)本发明利用集成控制单元通过数字电位器对多级增益衰减电路中的各个运算放大器进行增益或衰减调节控制，通过上位机对数字电位器进行调节以实现多级运算放大的增益或者衰减调节控制，保证输入的微弱信号不被噪声淹没，达到微弱信号捕捉和大信号的宽范围采集的效果；

22、(2)将每一个通道的增益均可通过软件控制放大或者缩小，任何一个通道都可以独立接收不同指标参数的传感器，解决市面上传感器种类繁多、参数不一导致的适配性差的问题，使得适应指标范围远远超过了固定增益电路设计，增益可调极大增强了灵活性；

23、(3)通过上位机对数字电位器进行调节以实现多级运算放大的增益或者衰减调节控制，克服了传统方式通过固定电阻器修改硬件电路变更阻值存在的效率低的问题，同时通过上位机软件控制恒流源输出的通断，可适配多种无源传感器和有源传感器，即能够支持更多种类的传感器。

24、(4)本发明利用集成控制单元通过控制信号对恒流源馈电电路进行馈电控制，对各种传感器或信号源具有极高的适配性，通过集成控制单元控制的方式，使得该采集系统便于控制管理，能够满足各种微弱信号与大信号的数据采集场景。

技术特征：

1.一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，包括若干个采集调理单元、集成控制单元、接口单元与直流电源模块；

2.根据权利要求1所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，数据采集单元连接有共模电感；多级增益衰减电路包括微调电位器、数字电位器、第一运算放大器、第二运算放大器与第三运算放大器；

3.根据权利要求2所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，第一运算放大器的放大系数小于与第二运算放大器的放大系数；第二运算放大器的放大系数小于第三运算放大器的放大系数。

4.根据权利要求2所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，第一运算放大器为双运放精密运算放大器；第二运算放大器与第三运算放大器为零漂移运算放大器；第一运算放大器、第二运算放大器与第三运算放大器均为高输入阻抗运算放大器。

5.根据权利要求1所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，恒流源馈电电路包括直流电源、第一电阻、第一三极管、第二电阻、第二三极管、第三电阻、第一电容、恒流源芯片、第四电阻、第五电阻与第二电容；

6.根据权利要求1所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，集成控制单元包括fpga模块与arm处理器；fpga模块与arm处理器集成设置在soc芯片上。

7.根据权利要求1所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，接口单元包括存储接口、lte网络接口、以太网接口、wifi接口、蓝牙接口、hdmi接口与电源接口；集成控制单元与存储接口、lte网络接口、以太网接口、wifi接口、蓝牙接口、hdmi接口、电源接口电信号连接。

8.根据权利要求1所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，直流电源模块采用ldo电源芯片；ldo电源芯片的噪声低于1μv。

9.根据权利要求1所述一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统，其特征在于，包括三个采集调理单元；每个采集调理单元包括八个采集调理通道与1个模数转换电路；模数转换电路包括模数转换器；集成控制单元中的fpga模块与各个模数转换器共同连接时钟模块。

技术总结本发明属于数据采集处理技术领域，涉及一种微弱信号与大信号宽范围可调采集系统。该系统包括若干个采集调理单元、集成控制单元、接口单元与直流电源模块；采集调理单元包括若干个采集调理通道与模数转换电路；采集调理通道包括数据采集单元、恒流源馈电电路、数字电位器控制电路与多级增益衰减电路。本发明利用集成控制单元通过数字电位器对多级增益衰减电路中的各个运算放大器进行增益或衰减调节控制，通过上位机对数字电位器进行调节以实现多级运算放大的增益或者衰减调节控制，达到微弱信号捕捉和大信号的宽范围采集的效果；增益可调极大增强了灵活性，能够适配更多种类的传感器。技术研发人员：吴东,荣彬杰,夏思宇受保护的技术使用者：成都普诺科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/29