一种集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡的制作方法

本发明涉及一种数据采集卡，特别是关于一种在设备状态监测领域中使用的集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡。

背景技术：

目前，国内的数据采集技术有了较大的发展，但采集信号的种类仍有一定的限制，数据采集的精度仍有待提高，应用场合受到限制。国外的数据采集技术研究起步较早，开发出的数据采集系统技术比较成熟。信号采集的种类多、范围广、精度高、可靠性好，无需外围调节电路。但是价格昂贵，对于一些中小企业来说很难接受，并且系统的操作比较繁琐，对使用和维护人员都提出了较高的要求。因此，对数据采集系统的研究，对多种采集信号的支持和采集精度的提高，以及搞干扰能力和稳定性的设计，具有重大的研究意义。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡，其灵敏度高、输出信号质量好，减少了数据输出端口的数目。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡，其特征在于：该采集卡包括3路IEPE接口电路、1路4-20mA电流输入接口电路、1路±5V电压信号输入接口电路、1路毫伏级电压输入接口电路、单片机和上位机；每一路所述IEPE接口电路都连接一恒流源电路，所述IEPE接口电路输出端经所述恒流源电路后依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器，所述4-20mA电流输入接口电路输出端与所述I/V转换电路输入端连接；所述I/V转换电路输出端依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器；所述毫伏级电压输入接口电路输出端依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器；所述±5V电压信号输入接口电路输出端依次串联连接滤波电路、单端转差分电路和AD转换器；所述±5V电压信号输入接口电路中的AD转换器与所述毫伏级电压输入接口电路中的AD转换器、4-20mA电流输入接口电路中的AD转换器以及3路所述IEPE接口电路中的AD转换器级联后连接至所述单片机；所述毫伏级电压输入接口电路中的程控放大电路、4-20mA电流输入接口电路中的程控放大电路以及3路IEPE接口电路中的程控放大电路控制输入端并联后连接至所述单片机，由所述单片机对各所述程控放大电路的增益进行调节控制；所述单片机通过USB端口与所述上位机进行通讯。

进一步，所述恒流源电路包括恒流芯片U1、五个电阻R1～R5、电容C1、电容C2和二极管D1；所述恒流芯片U1正向电源端V+连接+15V电压构成电源支路，并在该电源支路上并联所述电容C1后接地；所述恒流芯片U1负向电源端V-连接所述二极管D1正极，所述恒流芯片U1的微调端ADJ分别连接第一支路一端和第二支路一端，所述第一支路由所述电阻R1和电阻R2串联构成，所述第二支路由所述电阻R3和电阻R4串联构成；所述第一支路另一端连接至所述二极管D1负极，所述第二支路另一端连接至所述二极管D1正极；所述电阻R5一端与所述IEPE接口电路输出端连接，所述电阻R5另一端与所述电容C2一端串联，所述电容C2另一端作为所述恒流源电路的输出端；且所述二极管D1负极还连接至所述电阻R5与所述电容C2之间。

进一步，所述恒流芯片采用型号为LM334的恒流芯片，所述二极管D1采用硅二极管。

进一步，所述程控放大电路包括放大器U2、电阻R8、电阻R11、电容C3和电容C4；所述程控放大电路的输入端经所述电阻R8连接至所述放大器U2输入端，所述电阻R11一端连接至所述放大器U2输入端与所述电阻R8之间，所述电阻R11另一端与所述放大器U2接地端GND并联后接地；所述放大器U2负向电源端V-连接-15V电压构成电源支路，并在该电源支路上并联所述电容C3后接地，所述放大器U2正向电源端V+连接+15V电压，并在正向电源端V+与+15V电压之间并联所述电容C4后接地；所述放大器U2的输出端口OUT作为所述程控放大电路的输出端。

进一步，所述放大器U2采用型号为PGA103的可编程增益放大器。

进一步，所述滤波电路采用两阶有源巴特沃兹低通滤波电路，并采用型号为LF351的放大器。

进一步，所述单端转差分电路包括运算放大器U5、六个电阻R22～电阻R27以及七个电容C11～C17；所述运算放大器U5正向输入端与所述电阻R22第一端连接，所述电阻R22第二端作为所述单端转差分电路输入端；所述电阻R22第一端还分别与所述电阻R23一端和电容C13一端连接，所述电阻R23另一端连接至所述电阻R24第一端，所述电容C13另一端连接至所述电阻R24第二端，且所述电阻R24第二端连接至所述运算放大器U5负向输出端，所述电阻R24第一端作为所述单端转差分电路负向输出端；所述运算放大器U5的COMP端经所述电容C14接地；所述运算放大器U5负向输入端分别连接所述电容C15一端、电阻R26一端和电阻R27一端，所述电容C15另一端连接至所述运算放大器U5正向输出端，所述电阻R26另一端接地，所述电阻R27另一端连接至所述电阻R25第一端，所述电阻R25第二端连接至所述运算放大器U5正向输出端，且所述电阻R25第一端作为所述单端转差分电路正向输出端；所述运算放大器U5正向电源端连接至+15V电压，该正向电源端还连接由所述电容C11和电容C12并联构成的滤波电路后接地；所述运算放大器U5负向电源端连接至-15V电压，该负向电源端还连接由所述电容C16和电容C17并联构成的滤波电路后接地。

进一步，所述运算放大器U5采用型号为OPA1632的单端转差分芯片。

进一步，所述I/V转换电路采用型号为RCV420的芯片进行电流/电压转换。

进一步，所述AD转换器采用型号为ADS1271模数转换器，所述单片机采用型号为C8051F340的芯片。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能实现对不同信号输出型传感器的数据采集功能，解决了一般采集卡采集信号类型单一、精度不高的问题。2、IEPE传感器由于采用压电晶体和内置电荷放大，因此具有灵敏度高、输出信号质量好的优点。因此本发明设置了3路IEPE接口电路作为传感器采集通道。此外，另增加了3路不同类型信号输入的通道，分别为4-20mA电流输入型、±5V电压信号输入型和毫伏级电压输入型通道。各通道都设置了独自的信号调理电路，降低了外界环境的干扰，提高了采集数据的准确率。3、本发明采用型号为ADS1271的24bit高精度AD转换器，6路AD转换通过菊花链级联在一起，共用一个有源晶振，各通道数据从最后一路AD转换器输出，减少了数据输出端口的数目，同时满足了高精度同步采集的要求。4、本发明采用6路采集通道，在设备状态领域中，可以满足一般情况下的采集需求，对于后续开发一套通用的、可靠的数据采集系统具有重要意义。综上所述，本发明可以广发在设备状态监测领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的恒流源电路结构示意图；

图3是本发明的程控放大电路结构示意图；

图4是本发明的滤波电路结构示意图；

图5是本发明的单端转差分电路结构示意图；

图6a是本发明的单端转差分电路输入的单端正弦波仿真图；

图6b是本发明的单端转差分电路输出的差分正弦波仿真图；

图7是本发明的I/V转换电路结构示意图；

图8是本发明的AD转换器电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡，针对不同输入类型的信号，针对性地设计了各自的信号调理模块。本发明包括3路IEPE接口电路、1路4-20mA电流输入接口电路、1路±5V电压信号输入接口电路、1路毫伏级电压输入接口电路、单片机和上位机(PC)。3路IEPE接口电路后续信号调理电路部分结构相同，每一路IEPE接口电路都连接一恒流源电路，由恒流源电路对相应的IEPE接口电路进行供电，IEPE接口电路输出端经恒流源电路后依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器，依次进行放大、滤波和单端转差分处理，得到标准的差分信号后进行模数转换。4-20mA电流输入接口电路输出端与I/V转换电路输入端连接，将4-20mA电流信号转换为0-5V电压信号后输出；I/V转换电路输出端依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器。毫伏级电压输入接口电路输出端依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器。±5V电压信号输入接口电路输出端依次串联连接滤波电路、单端转差分电路和AD转换器。±5V电压信号输入接口电路中的AD转换器与毫伏级电压输入接口电路中的AD转换器、4-20mA电流输入接口电路中的AD转换器以及3路IEPE接口电路中的AD转换器级联后连接至单片机；毫伏级电压输入接口电路中的程控放大电路、4-20mA电流输入接口电路中的程控放大电路以及3路IEPE接口电路中的程控放大电路控制输入端并联后连接至单片机，由单片机对各程控放大电路的增益进行调节控制；单片机通过USB端口与上位机进行通讯。

在一个优选地实施例中，IEPE接口电路连接两线制IEPE传感器，两线制IEPE传感器的两根线既是信号线，又是电源线，其整体结构包括传感器和放大电路。因此首先需要为传感器提供恒定的电流，一般标准的电流值为4mA，激励电压值为24V。为了提高抗干扰性，本发明采用同相交流放大原理，如图2所示，恒流源电路包括恒流芯片U1、五个电阻R1～R5、电容C1、电容C2和二极管D1。恒流芯片U1正向电源端V+连接+15V电压构成电源支路，并在该电源支路上并联电容C1后接地；恒流芯片U1负向电源端V-连接二极管D1正极，恒流芯片U1的微调端ADJ分别连接第一支路一端和第二支路一端，第一支路由电阻R1和电阻R2串联构成，第二支路由电阻R3和电阻R4串联构成；第一支路另一端连接至二极管D1负极，第二支路另一端连接至二极管D1正极。电阻R5一端与IEPE接口电路输出端连接，电阻R5另一端与电容C2一端串联，电容C2另一端作为恒流源电路的输出端；并且二极管D1负极还连接至电阻R5与电容C2之间。

上述实施例中，恒流芯片采用型号为LM334的恒流芯片，二极管D1采用硅二极管；通过调节R2和R4的电阻值大小就可以改变恒流源的电流输出值，其中电阻R1与R3用来进行微调。同时由于恒流芯片具有正温度效应，因此可以通过增加硅二极管，利用硅二极管的负温度响应来减小外部温度变化对电路的影响。恒流源电路具有电路结构简单、可靠性高、功耗低、信号失真小等优点。

在一个优选地实施例中，如图3所示，程控放大电路包括放大器U2、电阻R8、电阻R11、电容C3和电容C4。程控放大电路的输入端经电阻R8连接至放大器U2输入端，电阻R11一端连接至放大器U2输入端与电阻R8之间，电阻R11另一端与放大器U2接地端GND并联后接地；放大器U2负向电源端V-连接-15V电压构成电源支路，并在该电源支路上并联电容C3后接地，放大器U2正向电源端V+连接+15V电压，并在正向电源端V+与+15V电压之间并联电容C4后接地。放大器U2的输出端口OUT作为程控放大电路的输出端。

上述实施例中，放大器U2采用型号为PGA103的可编程增益放大器，可通过两个与COM/TTL兼容的输入端直接连接至单片机端口，对增益大小进行控制，可以将增益设定为1、10或100，可以广泛应用于数据采集系统、通用模拟板和医疗仪表等信号动态范围宽的场合。

在一个优选地实施例中，由于工业现场一般存在大量干扰，可以通过传感器耦合进入电路中，这些噪声会使数据在采集之后发生混叠失真。为了避免失真，本发明采用在在AD转换之前设置滤波电路，可以有效地滤除干扰噪声。如图4所示，本发明的滤波电路采用经典的两阶有源巴特沃兹低通滤波电路，并选用具有高频带响应的型号为LF351放大器，该滤波电路具有电路结构简单、滤波效果好等优点，阶数完全满足实际应用需要。通过改变LF351放大器外围电路中电容C5和C6的电容值则可以改变低通滤波电路的截止频率，本发明优选将滤波电路的截止频率设为15KHz。

在一个优选地实施例中，本发明为了充分挖掘24bit AD转换器的性能，在信号调理模块的终端将单端信号转换为差分信号。如图5所示，单端转差分电路包括运算放大器U5、六个电阻R22～电阻R27以及七个电容C11～C17。运算放大器U5正向输入端与电阻R22第一端连接，电阻R22第二端作为单端转差分电路输入端；电阻R22第一端还分别与电阻R23一端和电容C13一端连接，电阻R23另一端连接至电阻R24第一端，电容C13另一端连接至电阻R24第二端，且电阻R24第二端连接至运算放大器U5负向输出端，电阻R24第一端作为单端转差分电路负向输出端。运算放大器U5的COMP端经电容C14接地。运算放大器U5负向输入端分别连接电容C15一端、电阻R26一端和电阻R27一端，电容C15另一端连接至运算放大器U5正向输出端，电阻R26另一端接地，电阻R27另一端连接至电阻R25第一端，电阻R25第二端连接至运算放大器U5正向输出端，且电阻R25第一端作为单端转差分电路正向输出端。运算放大器U5正向电源端连接至+15V电压，该正向电源端还连接由电容C11和电容C12并联构成的滤波电路后接地；运算放大器U5负向电源端连接至-15V电压，该负向电源端还连接由电容C16和电容C17并联构成的滤波电路后接地。

上述实施例中，运算放大器U5采用型号为OPA1632的单端转差分芯片，经过Multisim仿真模拟后(如图6a、图6b所示)，可以看出本发明的单端转差分电路能有效将单端信号转换为差分信号。

在一个优选地实施例中，I/V转换电路采用型号为RCV420的芯片进行电流/电压转换，如图7所示。

在一个优选地实施例中，各路传感器信号转换为数字信号之后，最后经AD转换器与单片机通过SPI总线进行数据传输。如图8所示，AD转换器采用型号为ADS1271模数转换器，各路的ADS1271可以通过DIN管脚和DOUT管脚级联起来，共用一个有源晶振，达到同步采集的要求。

在一个优选地实施例中，单片机采用型号为C8051F340的芯片，其包括复位电路、程序下载接口电路和外接RAM电路等，该芯片自带USB接口，可与上位机直接进行通讯。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。