基于自适应放大的数据采集系统设计

段国艳

摘  要：该文通过研究提高数据采集系统动态范围及采样率的方法，对自适应放大与时序重叠技术的原理进行详尽的分析，设计有关数据采集电路原理图和控制程序，通过整机调试最终实现一个宽动态范围的数据采集系统。具体内容如下：该课题采用自适应A/D转换技术，可以在低成本（12位A/D转换器）的前提下大大地提高采集系统的动态范围，动态范围达120dB。采用自适应放大技术以及时序重叠技术解决了宽动态范围与高采样率之间的矛盾。采用具有ISP功能的STC单片机作为系统的主控芯片，编写了整个系统的控制程序和通信程序，由于该单片机具备ISP功能，系统升级方便。

关键词：动态范围  可编程放大  时序控制

中图分类号：TP274    文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）07（b）-0005-02

在很多场合，要求测量仪器系统具有很高的动态范围，例如地震勘探中的地震波等瞬态信号，在信号出现前往往不能预知其大小，在此情况下，仪器大的动态范围是准确采样的前提。为了提高系统的动态范围，通常的做法是增加A/D的量化位数，然而普遍的高位A/D在转换精度和速度上是难以兼顾的，若需要同时满足高速和高精度的测量，A/D的价格会变得昂贵，常用的12位的A/D转换器只能提供72dB的动态范围，近年来出现的24位∑-△型A/D转换器可以实现较宽的动态范围，但芯片价格又很昂贵。

1  采用的技术路线

该文设计数据采集卡的技术路线是：查阅相关资料，完成低通滤波器、自适应放大电路、A/D转换电路、单片机外围电路及时序控制电路的硬件设计;采用自适应放大技术以及时序重叠技术解决宽动态范围与高采样率之间的矛盾，并深入理解自适应放大系统的原理;采用具有ISP功能的STC单片机作为系统的主控芯片，编写整个系统的控制程序和通信程序。由于该单片机具备ISP功能，系统升级方便;制定出单片机与上位机的通信协议，实现上位机对采集系统的采样周期、采样点数的控制，以及下位机对采集结果的上传;制作PCB印制电路板，完成电路板的焊接和整机调试。通过调试，使数据采集系统工作可靠，满足设计要求。

2  数据采集系统设计

自适应放大电路由增益比较电路、比较器输出编码电路及AD624可编程放大器（PGA）组成。整个自适应放大数据采集系统的工作过程是：传感器采集的信号进入第一级采样/保持器后，一路作为可编程放大的输入信号，一路进入增益比较器，比较器的输出结果锁存后进入编码器，编码器输出的编码一路作为PGA的增益控制码，一路作为阶码进入锁存器，采集信号经PGA放大后进入第二级采样/保持器，保证A/D转换的顺利完成，并将转换结果作为尾码，最终和阶码一起送入单片机。又单片机控制实现阶码和尾碼的时序控制，并控制显示电路正常显示所采样数据，同时通过数据线接口送出数据（见图1）。

系统采用的A/D转换器为AD0832，位数n为12。PGA使用AD626，其最大放大倍数Gmax为256。用由两片AD526级连，工作处于透明状态，通过对GA2、GA2B、GA1、GA0进行控制可获得1～256共9档增益。其连接方式如图2所示。

假设采集信号的最大值Umax为10V，则系统能分辨的最小数值Umin为：

系统的动态范围DR为：

该系统具备如下特点：

（1）采用自适应A/D转换技术，动态范围达120dB。

（2）12位转换精度。

（3）串行接口标准，波特率19.2kb/s。

（4）采样率0～100kHz且可调。

3  结语

该系统的一个突出优点就是采用了“流水线”式结构，大大提高了速度。由于采用了两级采样/保持器，使得自适应放大器和A/D转换器能够并行工作，从而构成了一个能在位数不变的情况下扩宽了动态范围的数据采集系统。

参考文献

[1] 张进秋，冯占宗，高永强.Labview&Matlab在半主动悬挂系统实验台数据采集与控制系统中的应用[J].噪声与振动控制，2009（2）：30-33.

[2] 周振安，范良龙.数据采集系统的设计与实践[M].北京：地震出版社，2005.

[3] 马建明.数据采集与处理技术[M].西安：西安交通大学出版社，2005.

[4] 邵在平.程控放大技术在数据采集系统中的应用[J].测井技术，2003，27（Z1）：59-61.

[5] 马俊，段新文.高分辨率A/D转换器与8051单片机接口电路设计及应用[J].青海师范大学学报：自然科学版，2004（4）：35-37.