專利名稱：微小信號(hào)采集卡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于測(cè)試測(cè)量、儀器儀表、信號(hào)調(diào)理等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前對(duì)于微小信號(hào)的采集普遍存在采樣速率低、精度不高的特點(diǎn)，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是在航空航天、石油測(cè)井、自動(dòng)控制等領(lǐng)域，采集信號(hào)幅度越來越小，采集精度要求越來越高。在這種情況下，開發(fā)高精度的微小信號(hào)采集卡具有很好的工程應(yīng)用。本采集卡的測(cè)量功能能夠充分滿足對(duì)于壓力、應(yīng)變、溫度、振動(dòng)等傳感器輸出的微小信號(hào)采集。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有微小信號(hào)采集卡采樣速率低、精度不高的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種微小信號(hào)采集卡，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于常規(guī)信號(hào)的高精度測(cè)量，具有高動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)提供對(duì)于微歐、納安及納伏信號(hào)的采集、測(cè)量功能。本發(fā)明的技術(shù)解決方案微小信號(hào)采集卡，其特殊之處在于包括功能切換電路、電流源電路、信號(hào)調(diào)理電路、電流采樣電路、信號(hào)采集處理電路以及通訊接口電路，所述功能切換電路的一端連接有端子H1、接地端子L、端子HS、端子LS、端子1、電流源電路以及電流采樣電路，所述功能切換電路的另一端依次與信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集處理電路和通訊接口電路連接，所述端子H1、接地端子L形成電壓采集端，所述端子HS和端子LS形成電阻采集端，所述接地端子L和端子I形成電流采集端和電流源輸出端，所述電流源電路經(jīng)過功能切換電路向電阻采集端處的被測(cè)電阻提供恒流源激勵(lì)；所述電流采樣電路經(jīng)過功能切換電路采集流經(jīng)電流采集端的被測(cè)電流，所述信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)過功能切換電路將被測(cè)電阻、電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并傳輸給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)放大或衰減處理。上述功能切換電路包括開關(guān)Kl、開關(guān)K2、開關(guān)K3以及四選一模擬開關(guān)K4，所述開關(guān)K2的一端與端子HI連接，所述開關(guān)K2的另一端分兩路，一路經(jīng)過開關(guān)Kl與電流源電路連接，另一路與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)A連接，端子I經(jīng)過開關(guān)K3、電流采樣電路后與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)B連接，端子HS與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)C連接，端子LS與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)D連接，四選一模擬開關(guān)K4的觸頭與信號(hào)調(diào)理電路連接。上述電流源電路包括鉗位電路、限流電路，檔位選擇開關(guān)J1-J14，反饋輸出電路，所述限流電路包括限流電阻R4-R10，所述限流電阻R4-R10 —端并聯(lián)。所述鉗位電路包括第一運(yùn)算放大器U1B、場(chǎng)效應(yīng)管Q1、穩(wěn)壓二極管D2、電阻R1、電阻R2，所述反饋輸出電路包括第二運(yùn)算放大器U1A、穩(wěn)壓二極管Dl以及電阻R3，所述第一運(yùn)算放大器UlB的正極接5V電源，所述第一運(yùn)算放大器UlB的負(fù)極通過電阻R2接地，所述第一運(yùn)算放大器UlB的輸出端接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極，所述場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極接電阻R2，所述場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極分兩路，一路與電阻Rl的一端連接，另一路與第二運(yùn)算放大器UlA的正極連接，所述電阻Rl的另一端分兩路，一路通過穩(wěn)壓二極管D2與電源連接，另一端與限流電路的一端連接，所述限流電路的電阻R4的另一端分兩路，一路通過檔位選擇開關(guān)Jl與第二運(yùn)算放大器UlA的負(fù)極連接，另一路通過檔位選擇開關(guān)J8與場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極連接，所述限流電路的電阻R5-R10的另一端的連接方式與電阻R4相同，所述第二運(yùn)算放大器UlA的輸出端通過穩(wěn)壓二極管Dl與電阻R3的一端連接，所述場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與電阻R3的一端連接，所述電阻R3的另一端與電源連接。上述信號(hào)調(diào)理電路包括第三運(yùn)算放大器U1C、第四運(yùn)算放大器U1D、第五運(yùn)算放大器U1E、第六運(yùn)算放大器U1F、電阻R11-R19以及電阻Rief，所述第三運(yùn)算放大器的負(fù)極接地，所述第三運(yùn)算放大器的正極、電阻Rref的一端以及電阻R12的一端連接，所述第三運(yùn)算放大器的輸出端、電阻R12的另一端以及電阻R14的一端連接，所述第四運(yùn)算放大器UlD的負(fù)極、電阻Rll以及電阻Rief的另一端連接，所述第四運(yùn)算放大器UlD的輸出端、電阻Rll的另一端以及電阻R13的一端連接，第四運(yùn)算放大器UlD的正極接VIN，所述電阻R14的另一端、第五運(yùn)算放大器UlE的負(fù)極、電阻R15的一端連接，所述電阻R13的另一端、第五運(yùn)算放大器UlE的正極以及電阻R16的一端以及電阻R19的一端連接，所述第五運(yùn)算放大器UlE的輸出端、電阻R15的另一端、電阻R17的一端以及電阻R18的一端連接，所述電阻R18的另一端作為輸出電源的負(fù)極，所述電阻R17的另一端、電阻R16的另一端、第六運(yùn)算放大器UlF的負(fù)極連接，所述電阻R19的另一端和第六運(yùn)算放大器UlF的輸出端作為輸出電源的正極，第六運(yùn)算放大器UlF的正極接差分輸出公模電壓VKEF。上述電流采樣電路包括穩(wěn)壓二極管D3-D6、第七運(yùn)算放大器UlG以及采樣電阻R0，所述采樣電阻RO的一端、穩(wěn)壓二極管D6的陽極以及穩(wěn)壓二極管D4的陰極均接地，所述采樣電阻RO的另一端、穩(wěn)壓二極管D5的陰極和穩(wěn)壓二極管D3的陽極均與第七運(yùn)算放大器UlG的正極連接，所述穩(wěn)壓二極管D3的陰極、穩(wěn)壓二極管D4的陽極、穩(wěn)壓二極管D5的陽極和穩(wěn)壓二極管D6的陰極均與第七運(yùn)算放大器UlG的負(fù)極連接，所述第七運(yùn)算放大器UlG的輸出端與第七運(yùn)算放大器UlG的負(fù)極連接；所述第七運(yùn)算放大器UlG的正極作為電流采樣電路的采樣端，所述第七運(yùn)算放大器UlG的輸出端作為電流采樣電路的輸出端，所述第七運(yùn)算放大器UlG的正極與功能切換電路連接。上述通訊接口電路為RS232、USB或以太網(wǎng)數(shù)字接口。本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明在對(duì)微小電阻測(cè)量時(shí)，電流源具有從500nA IA共9個(gè)檔位的輸出能力，電阻測(cè)量范圍從10微歐姆 IOM歐姆，測(cè)量的精度高。2、本發(fā)明的信號(hào)調(diào)理電路采用改進(jìn)的儀表放大電路，大大減小了模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻對(duì)于增益的影響。3、本發(fā)明優(yōu)化的電流采樣電路，減小漏電流對(duì)采集精度的影響，電流測(cè)量范圍從IOnA 3A04、本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)于常規(guī)信號(hào)(電阻、電壓、電流)的高精度測(cè)量，具有高動(dòng)態(tài)范圍，提供對(duì)于微歐、納安及納伏信號(hào)的采集、測(cè)量功能。


圖1為本發(fā)明微小信號(hào)采集卡的原理示意圖；圖2為本發(fā)明功能切換電路結(jié)構(gòu)圖；圖3為本發(fā)明電流源電路示意圖；圖4為本發(fā)明信號(hào)采集處理電路示意圖；圖5為本發(fā)明電流采樣電路示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，微小信號(hào)采集卡包括電流源電路、信號(hào)調(diào)理電路、電流采樣電路、信號(hào)采集處理電路及通訊接口電路。圖1為微小信號(hào)采集卡的結(jié)構(gòu)框圖。HI和L為電壓采集、兩線電阻采集和電流源輸出端子；HS和LS為四線電阻采集端子；1和L為電流采集端子。電流源電路用于電阻測(cè)量時(shí)提供恒流源對(duì)被測(cè)元件(電阻)進(jìn)行激勵(lì)。電流采樣電路用于電流測(cè)量時(shí)對(duì)被測(cè)電流進(jìn)行采樣。功能切換電路實(shí)現(xiàn)電阻、電壓、電流測(cè)量的功能切換，將被測(cè)電阻、電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳輸給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)放大或衰減到合理的范圍。信號(hào)采集處理電路進(jìn)行電壓信號(hào)的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化，并且進(jìn)行數(shù)字低通濾波，轉(zhuǎn)化為實(shí)際的測(cè)量值。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)化采用具有24位分辨力芯片，實(shí)際有效分辨力可達(dá)21位，采樣速率從6.8Hz 3.5KHz程控可調(diào)。通信接口電路主要實(shí)現(xiàn)RS232、USB、及以太網(wǎng)等數(shù)字接口。功能切換電路如圖2所示，由開關(guān)Kl，K2，K3，K4組成。Kl，K2，K3為單刀單擲繼電器，K4為四選一模擬開關(guān)。Kl，K2，K3，K4的不同切換狀態(tài)就實(shí)現(xiàn)了電阻、電壓、電流的測(cè)
量功能。四線電阻舉例說明:電流源電路輸出電流，經(jīng)K2，Kl繼電器流經(jīng)被測(cè)對(duì)象，經(jīng)L流回板卡。K4繼電器C觸點(diǎn)吸合，采集一側(cè)電壓值，然后K4繼電器D觸點(diǎn)吸合，采集另一側(cè)電壓值，兩值做差，即可計(jì)算出電流源流經(jīng)被測(cè)對(duì)象之后的壓降，根據(jù)公式R=V/I，即可計(jì)算出電阻值。表I功能選擇與開關(guān)的閉合狀態(tài)表
權(quán)利要求
1.微小 目號(hào)米集卡，包括功能切換電路、電流源電路、彳目號(hào)調(diào)理電路、電流米樣電路、{目號(hào)采集處理電路以及通訊接口電路， 所述功能切換電路的一端連接有端子H1、接地端子L、端子HS、端子LS、端子1、電流源電路以及電流采樣電路，所述功能切換電路的另一端依次與信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集處理電路和通訊接口電路連接， 所述端子H1、接地端子L形成電壓采集端，所述端子HS和端子LS形成電阻采集端，所述接地端子L和端子I形成電流采集端和電流源輸出端， 所述電流源電路經(jīng)過功能切換電路向電阻采集端處的被測(cè)電阻提供恒流源激勵(lì)；所述電流采樣電路經(jīng)過功能切換電路采集流經(jīng)電流采集端的被測(cè)電流， 所述信號(hào)調(diào)理電路經(jīng)過功能切換電路將被測(cè)電阻、電流轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并傳輸給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行信號(hào)放大或衰減處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小信號(hào)采集卡，其特征在于:所述功能切換電路包括開關(guān)Kl、開關(guān)K2、開關(guān)K3以及四選一模擬開關(guān)K4，所述開關(guān)K2的一端與端子HI連接，所述開關(guān)K2的另一端分兩路，一路經(jīng)過開關(guān)Kl與電流源電路連接，另一路與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)A連接，端子I經(jīng)過開關(guān)K3、電流采樣電路后與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)B連接，端子HS與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)C連接，端子LS與四選一模擬開關(guān)K4的觸點(diǎn)D連接，四選一模擬開關(guān)K4的觸頭與信號(hào)調(diào)理電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小信號(hào)采集卡，其特征在于: 所述電流源電路包括鉗位電路、限流電路，檔位選擇開關(guān)J1-J14，反饋輸出電路，所述限流電路包括限流電阻R4-R10，所述限流電阻R4-R10 —端并聯(lián)。
所述鉗位電路包括第一運(yùn)算放大器U1B、場(chǎng)效應(yīng)管Q1、穩(wěn)壓二極管D2、電阻R1、電阻R2，所述反饋輸出電路包括第二運(yùn)算放大器U1A、穩(wěn)壓二極管Dl以及電阻R3， 所述第一運(yùn)算放大器UlB的正極接5V電源，所述第一運(yùn)算放大器UlB的負(fù)極通過電阻R2接地，所述第一運(yùn)算放大器UlB的輸出端接場(chǎng)效應(yīng)管Ql的柵極，所述場(chǎng)效應(yīng)管Ql的源極接電阻R2，所述場(chǎng)效應(yīng)管Ql的漏極分兩路，一路與電阻Rl的一端連接，另一路與第二運(yùn)算放大器UlA的正極連接，所述電阻Rl的另一端分兩路，一路通過穩(wěn)壓二極管D2與電源連接，另一端與限流電路的一端連接， 所述限流電路的電阻R4的另一端分兩路，一路通過檔位選擇開關(guān)Jl與第二運(yùn)算放大器UlA的負(fù)極連接，另一路通過檔位選擇開關(guān)J8與場(chǎng)效應(yīng)管Q2的漏極連接，所述限流電路的電阻R5-R10的另一端的連接方式與電阻R4相同， 所述第二運(yùn)算放大器UlA的輸出端通過穩(wěn)壓二極管Dl與電阻R3的一端連接，所述場(chǎng)效應(yīng)管Q2的柵極與電阻R3的一端連接，所述電阻R3的另一端與電源連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微小信號(hào)采集卡，其特征在于:所述信號(hào)調(diào)理電路包括第三運(yùn)算放大器U1C、第四運(yùn)算放大器U1D、第五運(yùn)算放大器U1E、第六運(yùn)算放大器U1F、電阻R11-R19以及電阻Rief，所述第三運(yùn)算放大器的負(fù)極接地，所述第三運(yùn)算放大器的正極、電阻Rref的一端以及電阻R12的一端連接，所述第三運(yùn)算放大器的輸出端、電阻R12的另一端以及電阻R14的一端連接， 所述第四運(yùn)算放大器UlD的負(fù)極、電阻Rll以及電阻Rief的另一端連接，所述第四運(yùn)算放大器UlD的輸出端、電阻Rll的另一端以及電阻R13的一端連接，第四運(yùn)算放大器UlD的正極接VIN， 所述電阻R14的另一端、第五運(yùn)算放大器UlE的負(fù)極、電阻R15的一端連接， 所述電阻R13的另一端、第五運(yùn)算放大器UlE的正極以及電阻R16的一端以及電阻R19的一端連接， 所述第五運(yùn)算放大器UlE的輸出端、電阻R15的另一端、電阻R17的一端以及電阻R18的一端連接，所述電阻R18的另一端作為輸出電源的負(fù)極， 所述電阻R17的另一端、電阻R16的另一端、第六運(yùn)算放大器UlF的負(fù)極連接， 所述電阻R19的另一端和第六運(yùn)算放大器UlF的輸出端作為輸出電源的正極，第六運(yùn)算放大器UlF的正極接差分輸出公模電壓VKEF。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微小信號(hào)采集卡，其特征在于:所述電流采樣電路包括穩(wěn)壓二極管D3-D6、第七運(yùn)算放大器UlG以及采樣電阻R0，所述采樣電阻RO的一端、穩(wěn)壓二極管D6的陽極以及穩(wěn)壓二極管D4的陰極均接地，所述采樣電阻RO的另一端、穩(wěn)壓二極管D5的陰極和穩(wěn)壓二極管D3的陽極均與第七運(yùn)算放大器UlG的正極連接，所述穩(wěn)壓二極管D3的陰極、穩(wěn)壓二極管D4的陽極、穩(wěn)壓二極管D5的陽極和穩(wěn)壓二極管D6的陰極均與第七運(yùn)算放大器UlG的負(fù)極連接，所述第七運(yùn)算放大器UlG的輸出端與第七運(yùn)算放大器UlG的負(fù)極連接；所述第七運(yùn)算放大器UlG的正極作為電流采樣電路的采樣端，所述第七運(yùn)算放大器UlG的輸出端作為電流采樣電路的輸出端，所述第七運(yùn)算放大器UlG的正極與功能切換電路連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的微小信號(hào)采集卡，其特征在于:所述通訊接口電路為RS232、USB或以太網(wǎng)數(shù)字接口 。
全文摘要
本發(fā)明涉及微小信號(hào)采集卡，包括功能切換電路、電流源電路、信號(hào)調(diào)理電路、電流采樣電路、信號(hào)采集處理電路以及通訊接口電路，功能切換電路的一端連接有端子HI、接地端子L、端子HS、端子LS、端子I、電流源電路以及電流采樣電路，功能切換電路的另一端依次與信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)采集處理電路和通訊接口電路連接，端子HI、接地端子L形成電壓采集端，端子HS和端子LS形成電阻采集端，接地端子L和端子I形成電流采集端和電流源輸出端。本發(fā)明解決了現(xiàn)有微小信號(hào)采集卡采樣速率低、精度不高的技術(shù)問題，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)于常規(guī)信號(hào)的高精度測(cè)量，具有高動(dòng)態(tài)范圍，能夠同時(shí)提供對(duì)于微歐、納安及納伏信號(hào)的采集、測(cè)量功能。
文檔編號(hào)G01R15/12GK103076480SQ20121059358
公開日2013年5月1日 申請(qǐng)日期2012年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月30日
發(fā)明者郭恩全, 楊朋, 聶文彬, 王一鳴, 高寶平, 鄧云海, 寧成軍 申請(qǐng)人:陜西海泰電子有限責(zé)任公司