基于自適應放大的數據采集系統設計

段國艷

摘? 要：該文通過研究提高數據采集系統動態范圍及采樣率的方法，對自適應放大與時序重疊技術的原理進行詳盡的分析，設計有關數據采集電路原理圖和控制程序，通過整機調試最終實現一個寬動態范圍的數據采集系統。具體內容如下：該課題采用自適應A/D轉換技術，可以在低成本（12位A/D轉換器）的前提下大大地提高采集系統的動態范圍，動態范圍達120dB。采用自適應放大技術以及時序重疊技術解決了寬動態范圍與高采樣率之間的矛盾。采用具有ISP功能的STC單片機作為系統的主控芯片，編寫了整個系統的控制程序和通信程序，由于該單片機具備ISP功能，系統升級方便。

關鍵詞：動態范圍? 可編程放大? 時序控制

中圖分類號：TP274 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）07（b）-0005-02

在很多場合，要求測量儀器系統具有很高的動態范圍，例如地震勘探中的地震波等瞬態信號，在信號出現前往往不能預知其大小，在此情況下，儀器大的動態范圍是準確采樣的前提。為了提高系統的動態范圍，通常的做法是增加A/D的量化位數，然而普遍的高位A/D在轉換精度和速度上是難以兼顧的，若需要同時滿足高速和高精度的測量，A/D的價格會變得昂貴，常用的12位的A/D轉換器只能提供72dB的動態范圍，近年來出現的24位∑-△型A/D轉換器可以實現較寬的動態范圍，但芯片價格又很昂貴。

1? 采用的技術路線

該文設計數據采集卡的技術路線是：查閱相關資料，完成低通濾波器、自適應放大電路、A/D轉換電路、單片機外圍電路及時序控制電路的硬件設計;采用自適應放大技術以及時序重疊技術解決寬動態范圍與高采樣率之間的矛盾，并深入理解自適應放大系統的原理;采用具有ISP功能的STC單片機作為系統的主控芯片，編寫整個系統的控制程序和通信程序。由于該單片機具備ISP功能，系統升級方便;制定出單片機與上位機的通信協議，實現上位機對采集系統的采樣周期、采樣點數的控制，以及下位機對采集結果的上傳;制作PCB印制電路板，完成電路板的焊接和整機調試。通過調試，使數據采集系統工作可靠，滿足設計要求。

2? 數據采集系統設計

自適應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。整個自適應放大數據采集系統的工作過程是：傳感器采集的信號進入第一級采樣/保持器后，一路作為可編程放大的輸入信號，一路進入增益比較器，比較器的輸出結果鎖存后進入編碼器，編碼器輸出的編碼一路作為PGA的增益控制碼，一路作為階碼進入鎖存器，采集信號經PGA放大后進入第二級采樣/保持器，保證A/D轉換的順利完成，并將轉換結果作為尾碼，最終和階碼一起送入單片機。又單片機控制實現階碼和尾碼的時序控制，并控制顯示電路正常顯示所采樣數據，同時通過數據線接口送出數據（見圖1）。

系統采用的A/D轉換器為AD0832，位數n為12。PGA使用AD626，其最大放大倍數Gmax為256。用由兩片AD526級連，工作處于透明狀態，通過對GA2、GA2B、GA1、GA0進行控制可獲得1～256共9檔增益。其連接方式如圖2所示。

假設采集信號的最大值Umax為10V，則系統能分辨的最小數值Umin為：

系統的動態范圍DR為：

該系統具備如下特點：

（1）采用自適應A/D轉換技術，動態范圍達120dB。

（2）12位轉換精度。

（3）串行接口標準，波特率19.2kb/s。

（4）采樣率0～100kHz且可調。

3? 結語

該系統的一個突出優點就是采用了“流水線”式結構，大大提高了速度。由于采用了兩級采樣/保持器，使得自適應放大器和A/D轉換器能夠并行工作，從而構成了一個能在位數不變的情況下擴寬了動態范圍的數據采集系統。

參考文獻

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