一种用于设备状态监测的多通道高速同步数据采集电路的制作方法

本发明属于工业设备状态监测与数据采集，涉及一种用于设备状态监测的多通道高速同步数据采集电路。

背景技术：

1、在工业设备状态监测领域，特别是旋转机械的振动分析、故障预警与健康管理中，对iepe加速度计、温度传感器等多通道传感器信号进行高速、同步、高精度采集，是实现相位分析、相干分析等高级诊断算法的技术基础。然而，现有多通道数据采集硬件方案仍存在以下不足：

2、其一，通道间同步精度不足。部分方案采用多片独立模数转换器分别采集各通道，各片模数转换器的时钟与采样保持难以做到严格一致，存在时钟偏差；另有方案采用单一模数转换器经多路复用器或开关分时轮询各通道，属于分时采样，各通道采样时刻存在固有延迟。二者均导致后续相位分析、相干分析的精度下降。

3、其二，微弱信号链的噪声与完整性难以兼顾。iepe等传感器输出的振动信号通常为毫伏级微弱信号，且常经长线传输，在放大与转换过程中极易受到电源噪声、数字开关噪声及长线共模干扰的影响，导致系统信噪比与动态范围下降，难以捕捉设备早期微弱故障特征。现有前端多为通用调理电路，缺乏针对毫伏级微弱振动信号的专用高增益、低噪声、高共模抑制通路。

4、其三，通道功耗管理与控制不灵活。为实现多通道连续采集，系统常整体处于高功耗状态，而全局统一关断无法满足按需采集与低功耗巡检的需求。尤其在对多个iepe传感器供电的场合，难以对各通道的恒流激励进行独立控制，缺乏通道级的独立上电、断电与功耗管理能力。

5、其四，多通道共模基准的一致性与长期稳定性不足。若各通道前端的输出共模电平各自为政，将引入通道间基准差异与漂移，影响多通道采集的一致性；现有方案对共模电压多采用简单处理，难以保证全通道共模基准同源、等电位且长期低漂移。

6、因此，本领域需要一种能够实现高同步精度、具备优异噪声性能、支持通道级独立功耗管理且共模基准高稳定的多通道高速同步数据采集硬件方案。

技术实现思路

1、针对现有技术中多通道数据采集电路在通道间同步精度不足、微弱信号链噪声与完整性难以兼顾、通道功耗管理不灵活以及多通道共模基准一致性与长期稳定性不足等问题，本发明提供一种用于设备状态监测的多通道高速同步数据采集电路及方法。

2、为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种用于设备状态监测的多通道高速同步数据采集电路，包括多通道信号采集前端、模数转换核心电路、精密电压基准与共模电压处理电路、电平标准转换电路和分层式电源管理模块。

4、所述多通道信号采集前端用于接收多路iepe传感器信号并对每一路进行低噪声调理与单端至差分转换。所述多通道信号采集前端包括与各路iepe传感器对应的恒流源与开关控制电路。所述恒流源串联于对应通道的传感器供电回路中，为iepe传感器提供恒流激励。所述开关控制电路受控于数字控制信号，独立地接通或断开对应通道的所述恒流源，对各采集通道进行独立的上电、断电与功耗管理。

5、通过上述结构，各采集通道的恒流激励可由数字控制信号逐通道独立控制，实现按需采集与低功耗巡检，同时保证iepe传感器的恒流激励需求。

6、优选地，所述多通道信号采集前端还包括对应每一路设置的输入信号调理与保护电路、级联放大信号调理电路以及单端至差分信号转换电路。所述输入信号调理与保护电路包括串联于传感器信号输入路径的共模滤波器与瞬态电压抑制器件，用于抑制长线传输的共模干扰并对浪涌进行钳位。所述级联放大信号调理电路基于低噪声运算放大器构成，用于对微弱信号进行增益放大。所述单端至差分信号转换电路基于全差分放大器，将单端信号转换为适于模数转换的差分信号。

7、优选地，所述恒流源为输出电流可调的恒流源，为对应通道的iepe传感器提供恒流供电，并为后级信号调理建立静态工作点。所述开关控制电路包括级联设置的第一开关管与第二开关管，所述数字控制信号经所述第一开关管驱动所述第二开关管，控制所述恒流源的供电输入端接入或断开供电电压，独立控制对应通道恒流源的通断。

8、所述模数转换核心电路连接所述多通道信号采集前端，用于在统一的启动与时钟信号下对多通道调理后的信号进行同时采样与模数转换。

9、优选地，所述模数转换核心电路采用多通道同步采样模数转换器，其工作模式与数据接口格式由引脚配置在上电时锁存确定。所述多通道同步采样模数转换器的各差分输入端分别接收各通道经所述多通道信号采集前端单端至差分转换后的差分信号，在所述启动与时钟信号下实现全部通道的同时采样与同步数据转换。

10、通过采用单片多通道同步采样模数转换器并在统一的启动与时钟信号下工作，从硬件层面消除多片架构的时钟偏差与分时复用架构的固有延迟，实现严格的通道间同步采样。

11、所述精密电压基准与共模电压处理电路为所述模数转换核心电路及所述多通道信号采集前端提供电压基准与共模电平。

12、优选地，所述精密电压基准与共模电压处理电路包括基准电压生成电路与共模电压处理电路。所述基准电压生成电路包括高精度、低漂移的基准电压源，为所述模数转换核心电路提供电压基准。所述共模电压处理电路包括零漂移精密缓冲器，所述零漂移精密缓冲器配置为单位增益电压跟随器，用于对所述模数转换核心电路中模数转换器产生的共模参考电压进行缓冲，并将缓冲后的共模电压经去耦后扇出至全部通道，以设定各通道差分输出的共模电平，使全通道共模基准同源、等电位。

13、优选地，所述零漂移精密缓冲器为斩波稳零型运算放大器。所述斩波稳零型运算放大器的输入端接收所述模数转换器输出的共模参考电压，输出端经去耦电容网络后通过低阻抗走线扇出至各通道所述单端至差分信号转换电路的共模电压输入端，使各通道共模电压的偏差与漂移受限于所述斩波稳零型运算放大器的失调电压与漂移指标。

14、通过上述零漂移精密缓冲器的同源扇出结构，全通道共模基准由同一低漂移源驱动，避免各通道共模电平各自为政引入的基准差异与漂移，提高多通道采集的一致性与长期稳定性。

15、所述电平标准转换电路用于实现所述模数转换核心电路与外部处理器的逻辑电平适配、时序控制与状态交互。

16、优选地，所述电平标准转换电路包括双向电平转换器，实现所述模数转换核心电路的数字输出与外部处理器逻辑电平的双向匹配。所述电路还包括时序控制接口，用于接收启动、复位、帧同步信号并反馈错误状态，以实现对采集过程的时序控制。

17、所述分层式电源管理模块用于为上述各电路提供相互隔离的工作电压。

18、优选地，所述分层式电源管理模块接收多路外部电源输入，通过线性稳压器与开关稳压器组合产生多路在电压值、噪声特性及负载能力上相互隔离的稳压输出，分别为模拟信号链、模数转换器模拟部分、模数转换器数字部分及数字逻辑电路独立供电。各路所述稳压输出与对应负载之间串联磁珠，以衰减高频噪声沿电源路径的传播。

19、通过上述分层隔离与磁珠高频滤波设计，模拟信号链、模数转换器模拟部分、模数转换器数字部分与数字逻辑电路各自获得噪声特性匹配的独立供电，有效抑制电源域间的高频噪声串扰。

20、本发明还提供一种基于上述电路的多通道高速同步数据采集方法，包括：

21、通过所述开关控制电路受控于数字控制信号，独立地接通或断开对应通道的所述恒流源，对各采集通道进行独立的上电、断电与功耗管理；

22、通过所述多通道信号采集前端对多路iepe传感器信号进行低噪声调理与单端至差分转换；

23、通过所述模数转换核心电路在统一的启动与时钟信号下对多通道调理后的信号进行同时采样与模数转换；

24、通过所述精密电压基准与共模电压处理电路为各电路提供电压基准与同源等电位的共模电平；

25、通过所述电平标准转换电路将转换后的数字信号进行逻辑电平适配后输出至外部处理器；

26、通过所述分层式电源管理模块为各电路提供相互隔离的工作电压。

27、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

28、本发明通过在每路iepe传感器供电回路中设置恒流源及受数字控制信号独立控制的开关控制电路，实现对各采集通道恒流源的逐通道独立接通与断开，支持按需采集与低功耗巡检，克服了现有技术中全局统一供电无法实现通道级功耗管理的不足。

29、本发明通过采用单片多通道同步采样模数转换器并在统一的启动与时钟信号下工作，从硬件层面消除多片架构的时钟偏差与分时复用架构的固有延迟，实现全部通道的严格同时采样，为后续相位分析与相干分析提供高精度数据基础。

30、本发明通过共模滤波器与瞬态电压抑制器件构成的前端保护电路抑制长线共模干扰与浪涌，通过低噪声运算放大器级联放大与全差分放大器单端至差分转换，针对iepe传感器毫伏级微弱振动信号构建专用高增益低噪声通路，提高系统信噪比与动态范围。

31、本发明通过零漂移精密缓冲器以单位增益电压跟随方式缓冲模数转换器共模参考电压，并经去耦后统一扇出至全部通道，使全通道共模基准同源、等电位且长期低漂移，提高多通道采集的一致性与长期稳定性；进一步采用斩波稳零型运算放大器，将各通道共模电压偏差与漂移量化限定于该运算放大器的失调指标水平。

32、本发明通过线性稳压器与开关稳压器组合产生多路相互隔离的稳压输出，分别独立供电模拟信号链、模数转换器模拟部分、模数转换器数字部分及数字逻辑电路，并在各路稳压输出与负载之间串联磁珠衰减高频噪声，有效抑制电源域间串扰，保障微弱信号链的噪声性能。

33、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。