基于电子信息的系统信号组件设计

发布时间：2022-10-24 16:15:02 浏览数：次

摘要由于采集系统的不足对信息造成的损失,使后期的数字信号处理无法补偿的。针对此情况,考虑设计一个微弱振动信号自适应采集系统,能够根据被测信号的振幅实时地调节放大器的增益,从而检测出微弱振动信号。

关键词电子技术;系统信号;仿真

中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2010)111-0015-01

1硬件电路设计

微弱信号采集系统硬件电路由信号调理电路和数据采集处理模块两部分组成,信号调理电路主要是消除共模干扰,对微弱小信号进行放大、滤波、电压抬升、信号传输;主要由测量放大器、多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路和保护电路构成。数据采集处理模块主要有DSP芯片TMS320F2812、数据存储和传输模块构成,完成对四路模拟输入信号的采样、过采样处理、信号振幅的计算、数字滤波和数据的传输。

1.1前置放大器的设计

本数据采集系统的对象为微弱信号,需要用前置放大器进行放大。由于测量放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、抗共模干扰能力强、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点,在微弱信号的检测系统中广泛用作前置放大器。

1.2程控放大电路设计

程控放大电路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反馈电阻组成,受TMS320F2812芯片的控制信号、片选信号控制。DAC0832用作程控放大器,是把DAC0832的参考电压端接输入信号,数字信号输入端接TMS320F2812芯片的控制信号,互补输出端Iout1和Iout2引脚分别接放大器LM357的反向输入端和同向输入端。DAC0832的互补输出端Iout1、Iout2均为电流信号,需外接一个放大器实现电流信号到电压信号转换。T型电阻网络的电阻是10KΩ,接一个阻值为2.55MΩ反馈电阻R,就构成一个程控放大器。用该程控放大电路可以实现增益为:20,21,22,…,28-1,从而扩大了被测信号的范围。

1.3滤波电路设计

有源滤波器不仅体积小,而且输出阻抗和截止频率f无关,能够前、后级之间相互独立的设计。巴特沃斯低通滤波器具有通频带比较平坦,且下降快等优点。在该系统的滤波器设计中,采用多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器。

1.4电压抬升与保护电路设计

电压抬升电路由一个OP放大器和一个1.5V的抬压基准构成。OP放大器的同相输入端接一个稳定的1.5V基准电压,反相输入端接信号输入端,放大器的增益设置为1,这就实现输入信号的电压反相,且抬压1.5V。保护电路由一个3V的稳压管和二极管组成,保证经过电路的电压在0-3V范围内。

2软件流程实现

TMS320F2812芯片的A/D转换器每次可以采集16路信号,而该采集系统仅有四路输入信号,可以实现简单的过采样,提高采集数据的精度。首先对采集到的信号进行过采样处理,然后计算采集到的信号的幅值,并与设定值做比较以判断调节程控放大器与否,同时把采集到的数据除以其对应的放大增益和进行数字滤波,结果存放在数组中,数组中的数据通过异步串口SCI向上位PC机传输。

DSP2812的编程工具有C语言和汇编语言两种。采用C语言编程,代码可读性、可移植性强,无需详细了解DSP的硬件就可以上手编程,降低了编程难度。一般应用于实时性要求不是特别高的场合。对于高速实时应用,采用C语言和汇编语言混合编程的方法,能把C语言的优点和汇编语言的高效率有机结合起来。系统流程图如图1所示。

3实验仿真

信号采集系统设计完成后,对采集系统的性能进行检验。以振幅为0.00001V、频率为100 Hz的正弦信号作为待采集的信号,如图2(a)所示,并混有白噪声作为采集系统的输入信号,输入信号的波形如图2(b)所示。经过放大、滤波及电压抬升之后的信号波形如图2(c)所示。在DSP里对采集到的信号进行处理,把采集到的信号数据还原为采集前的情况,如图2(d)所示。

图1系统流程图

图2仿真分析

由图2(c)可见采集到的信号电压均在0-3V之间,适合DSP的如入范围,实现了根据信号振幅对信号进行程控的目的。图2(d)是经过简单处理后得到的信号的波形,可以计算出被采集信号的频率为100Hz、振幅约为10-5V。与图2(b)相比恢复后的信号噪声小了很多,基本和原始信号图2(a)给出的波形相同。由实验结果可知,该系统达到了设计的目标,满足实验的需要。

4结语

1)所设计的系统能根据被测信号的振幅自动调节放大器的增益,从而自适应地完成对不同幅值振动信号的测量和处理,降低了数据采集过程中程控放大器增益的频率,节约了CPU开销。2)具有体积小、低功耗、可靠性高和扩展性强等优点。

参考文献

[1]李香莲.机械振动微弱慢频变信号的混沌振子的检测[J].中国机械工程,2006,1.

[2]高晋占.微弱信号检测[M].北京:清华大学出版社,2005.

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