一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路

技术特征：
1.一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：由若干模拟前端与基准电路和电源模块组成；模拟前端由恒流源驱动电路、固态继电器开关、运算放大器、数字式低通滤波器、多路选择器、寄存器以及若干电阻电容等构成；恒流源驱动电路通过固态继电器开关接入电路内，由mcu控制dac电压生成电路生成的模拟电压来进行v/i变换产生恒流源，输入信号微弱时，接入恒流源来为电路提供能量；固态继电器ka2导通，此时ain的信号可以直接通过；继电器断开时，只有交流信号可以通过；寄存器ua6选择att01时，衰减系数为1，寄存器ua6选择att04时，衰减系数为0.4，寄存器ua6选择att10时，衰减系数为0.1；八选一开关ua3选择ma01时，放大系数为1，八选一开关ua3选择ma02时，放大系数为2，八选一开关ua3选择ma04时，放大系数为4，八选一开关ua3选择ma08时，放大系数为8，八选一开关ua3选择ma16时，放大系数为16，八选一开关ua3选择ma32时，放大系数为32；信号经变换后进入数字滤波器进行滤波，信号通过运算放大器的ua5a的outa 进行单端输出，信号通过运算放大器ua5a的outa 和ua5b的outa-进行差动输出；电压基准电路包括固定电平电路和程控电平电路，固定电平电路输出低噪声低温漂的2.5v电压基准和3.3v电压基准，程控电平电路根据2.5v通过比例电阻网络的电阻分压来得到低噪声的1.25v和1.67v基准电压；通过dcdc变换将5v转换为24v为恒流源电路供电；直接用mcu模拟资源同步采集，此时mcu的vref及avdd采用3.3v，vcom采用1.65v；外接5v工作同步采样adc，此时adc供电为avdd、vref采用2.5v，vcom为2.5v；外接3.3v工作同步采样adc，此时adc供电为3.3v，vref采用1.25v，vcom为1.65v；电源模块通过dcdc变换将5v的电压转变为24v电压来对恒流源驱动电路进行供电。2.根据权利要求1所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的模拟前端由恒流源耦合电路及acdc开关耦合电路a1、输入量程控制电路a2以及数字滤波电路及单端或差动输出电路部分a3构成；输入信号微弱时，接入恒流源来为电路提供能量，固态继电器ka2导通，此时ain的信号可以直接同过；继电器断开时，只有交流信号可以通过，信号通过衰减或增益后，通过数字滤波器来对电路进行滤波，滤波后连接两个运算放大器，信号通过运算放大器的ua5a的outa 进行单端输出，信号通过运算放大器ua5a的outa 和ua5b的outa-进行差动输出。3.根据权利要求2所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的模拟前端的a1部分恒流源驱动电路由dcdc变换产生的24v供电，恒流源驱动电路与固态继电器ka5的3引脚相连接，当ka5处信号开关导通时，恒流源驱动电路产生的恒流源通过ka5的4引脚输出连接vin端子，为电路提供能量；ka2的2引脚定义为acdca，固态继电器ka2的3引脚与输入端vin相连接，固态继电器ka2导通，此时ain的信号可以直接通过；继电器断开时，只有交流信号可以通过，当固态继电器ka2导通时，此时电路输入端子为vin、vcom或agnd以及avdd；当ka2关闭时，输入端子为vin和vcom。4.根据权利要求2所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的模拟前端的a2部分输入量程控制电路由三个固态继电器开关ka1、ka3、ka4，两个运算放大器ua2a、ua2b，1片串行移位寄存器74hc595,1片八选一开关74hc4051，以及若干同批次、低漂移、低成本电阻构成；
衰减比例电阻网络由若干同批次、低漂移、低成本电阻串并联组成；输入信号处电位定义为att01，信号att01经与电阻ra25、ra26串联后形成电位att04，电位att04与电阻ra27串联后形成电位att10，电位att10与电阻ra9、ra17、ra28并联后连接至公共端电位vcom；根据比例电阻网络电阻分压原理，att01处信号衰减系数为1，att04处信号衰减系数为0.4，att10处信号衰减系数为0.1；att01、att04与att10分别连接到固态继电器开关ka1的引脚3、固态继电器开关ka3的引脚3以及固态继电器开关ka4的引脚3处，固态继电器ka1的引脚4通过输入电阻ra16连接至运算放大器ua2a的同相输入端，固态继电器ka3的4引脚通过输入电阻ra16链接至运算放大器ua2a的同相输入端，固态继电器ka4的4引脚通过输入电阻ra16连接至运算放大器ua2a的同相输入端；通过三个固态继电器的耦合来确定接入的衰减倍数，当固态继电器开关ka1导通时，电路衰减系数为1；当固态继电器开关ka3导通时，电路衰减系数为0.4；当固态继电器开关ka4导通时，电路衰减系数为0.1；放大比例电阻网络由若干同批次、低漂移、低成本电阻串并联组成；公共端电位vcom与电阻ra3、ra7、ra11、ra20并联后定义电位ma32，电位ma32与电阻ra4、ra8、ra12、ra21并联后定义电位ma16，电位ma16与电阻ra13、ra22并联后定义电位ma08，电阻ra14、ra23与电阻ra15、ra24分别并联后串联连接电位ma08形成电位电位ma04，电位ma04与电阻ra34、ra35串联后定义电位ma02，电位ma02与电阻ra30、ra31、ra32、ra33串联后定义电位ma01；根据比例电阻网络的电阻分压，电位ma01处信号增益系数为1，电位ma02处信号增益系数为2，电位ma04处信号增益系数为4，电位ma08处信号增益系数为8，电位ma16处信号增益系数为16，电位ma32处信号增益系数为32；定义电阻ra31与ra32处电位为ma1x，定义电阻ra34与ra35处电位为ma2x；不同电位通过接入ua3八选一开关74hc4051来进行不同的倍数选择；八选一开关74hc4051的13引脚与电位ma01处连接，八选一开关74hc4051的14引脚与电位ma02处连接，八选一开关74hc4051的15引脚与电位ma04处连接，八选一开关74hc4051的12引脚与电位ma08处连接，八选一开关74hc4051的1引脚与电位ma16处连接，八选一开关74hc4051的5引脚与电位ma32处连接，八选一开关74hc4051的2引脚与电位ma1x处连接，八选一开关74hc4051的4引脚与电位ma2x处连接；通过mcu控制ua6寄存器74hc595来对电路的放大的衰减进行选择；ua6的引脚1定义为acdca，连接至固态继电器开关ka2的引脚2，ua6的2引脚定义为nga0，连接至固态继电器开关ka1的引脚2，ua6的引脚3定义为nga1，连接至固态继电器开关ka3的引脚2，ua6的引脚4定义为nga2，连接至固态继电器开关ka4的引脚2，ua6的引脚5定义为pga0，连接至八选一模拟开关74hc4051的引脚11，ua6的引脚6定义为pga1，连接至八选一模拟开关74hc4051的引脚10，ua6的引脚7定义为pga2，连接至八选一模拟开关74hc4051的引脚9，ua6的引脚8接入agnd，ua6的引脚16接入avdd；可通过mcu控制ua6寄存器74hc595来控制放大和衰减系数，其中放大比例电阻网络通过ua3八选一模拟开关74hc4051接入ua6寄存器74hc595，从而实现三条线控制八个输出，节约了用线成本；ua2a的输出端引脚1与运算放大器ua2b的同相输入端相连接，ua2b的反相输入端定义为pga，连接至ua3八选一模拟开关74hc4051的引脚3，ua2b的引脚8连接至avdd，ua2b的引脚4连接至agnd；ua3的6引脚inh，8引脚的gnd，ua3的7引脚的vee连接至agnd；ua3的16引脚的vcc连接至avdd；ua3的11引脚定义为pga0连接ua6的5引脚；ua3的10引脚定义为pga1，连接至ua6的6引
脚；ua3的9引脚定义为pga2，连接至ua6的7引脚；ua6的1引脚定义为acdca，连接至ka2的2引脚；ua6的2引脚定义为nga0，连接至ka1的2引脚；ua6的3引脚定义为nga1，连接至ka3的2引脚；ua6的4引脚定义为nga2，连接至ka4的2引脚；ua6的8引脚连接至agnd。5.根据权利要求2所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的模拟前端的a3部分数字滤波电路及单端或差动输出电路部分由一片数字滤波器ltc1069-7、两个运算放大器以及若干电阻电容实现；ua4的1引脚连接电容ca1接地，ua4的4引脚与权利要求4中的ua2b输出端引脚7相连接，ua4的引脚3、引脚6、引脚7连接至gnd，ua4的引脚2连接至avdd，ua4的输出端通过引脚8连接至电阻ra2，电阻ra2串联电阻ra1连接回ua4的输入端引脚4；可以通过控制ua4的频率来灵活配置带宽；ra2与ua5a的同相输入端引脚3连接，ua5a的输出端引脚1定义为outa ，ua5a的反相输入端通过电阻ra38、ra40连接至ua5b的反相输入端引脚6，ua5b的输出端引脚7定义为outa
ꢀ‑
，outa
ꢀ‑
通过电阻ra44、ra45连接至ua5b的反相输入端引脚5，形成反相比例运算电路，完成对输入信号的反相；ua5b的反相输入端引脚5连接至公共端电压vcom；可根据不同的adc型号来选择outa单端输出或outa 、outa
ꢀ‑
差动输出。6.根据权利要求1所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的电压基准电路由固定电平电路b1以及程控电平电路b2构成；固定电平电路通过dac电压生成电路生成一个2.5v的基准电压，通过对生成的基准电压滤波处理得到一个低噪声低温漂的2.5v基准电压；3.3v的基准电压由2.5v的基准电压通过比例电阻网络实现，通过电阻的串并联分压将2.5v的基准电压转变为3.3v的基准电压，这样就得到了低噪声，低温漂的2.5v的基准电压和3.3v的基准电压。7.根据权利要求6所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的电压基准电路的b1部分固定基准电平电路可提供低噪声低温漂的2.5v、3.3v基准；dac电压生成电路的u1的引脚2连接至avdd，引脚4连接至agnd；u1的引脚6输出2.5v的电压基准，输出的2.5v电压基准连接至一个有源的二阶低通滤波器，能够对输出的2.5v基准电压滤除噪声；最后的2.5v基准电压通过u2a的输出端引脚1输出，可以得到一个低噪声低温漂的2.5v基准电压；3.3v的电压基准由生成的2.5v电压基准通过比例电阻网络来实现；比例电阻网络由7个同批次，同型号，低成本，低漂移的电阻串并联组成；比例电阻网络电阻r3、r9、r13串联接地后形成信号定义为v1，信号v1与r11、r16并联后串联形成信号定义为v2，信号v2与r12、r17并联后串联形成信号定义为v3；u3a的反相输入端引脚2连接至信号v1处，ua3的同相输入端引脚3连接至u2a的输出端引脚1输出的2.5v基准；由于虚短，v1处电位为2.5v，根据比例电阻网络的放大设计，v3电位为v1电位的4/3倍，故v3处电位为3.3v，因此得到一个低噪声低漂移的3.3v电压基准。8.根据权利要求6所述的一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路，其特征在于：所述的电压基准电路的b2部分程控电平电路可提供低噪声的adc参考电平，并且具有一定驱动能力的中间电位电平，以及可变的公共输入电位；电路根据1片二选一开关74hc4053控制比例电阻网络中的电阻分压来进行参考电位的变换；根据比例电阻网络来将2.5v的基准电压转换成1.25v的基准电压和1.67v基准电压；mcu控制u6的引脚12输出2.5v基准电平后串联电阻r2、r8、r10后接入agnd，定义电阻r2与r8中间的电位为v5，u6的引脚13
与电位v5连接，根据比例电阻网络的电阻分压原理，v5的电位为1.67v，因此u6的引脚13输出1.67v的电压基准；mcu控制u6的引脚5输出2.5v的基准电压后与电阻r18、r19、r20、r30、r31、r32串联后连接至agnd，定义电阻r20与r30中间的电位为v4，u6的引脚3与电位v4相连接，根据比例电阻网络的电阻分压原理，v4处电位为1.25v，因此u6的引脚3处输出1.25v的电压基准；u6的引脚1、引脚2、引脚6、引脚7、引脚8、引脚10、引脚15连接至agnd，u6的引脚16连接至avdd；u6的4引脚连接至u2b的同相输入端引脚5，u2b的输出端引脚7连接至反向输入端引脚6，u2b的引脚4连接至agnd，u2b的引脚8连接至avdd，u6的14引脚连接至u3b的同相输入端引脚5，u3b的反相输入端引脚6连接至公共端vcom；u3b的输出端通过引脚7与电阻r4连接至三极管q2的基极引脚1，三极管q2的发射极通过引脚2连接至公共端vcom，三极管q2的集电极通过引脚3连接电阻r1后接入avdd。

技术总结
本发明一种压电信号通用同步采集模拟前端及其电压基准电路属于信号采集处理领域；所述模拟前端由恒流源电路、固态继电器、运算放大器、数字滤波器、串行移位寄存器、八选一开关以及若干电阻电容构成，实现对机械振动的强信号、弱信号以及多种频率信号进行同步采集；所述基准电路由运算放大器、3路二选一开关、ADR03BRZ芯片以及比例电阻网络组成，通过电阻分压的原理来获取所需的不同基准电压，对电路进行供电；本发明可适应多种类型压电传感器接入，对于采集信号量程可调，灵活配置输入信号带宽，可进行通道数拓展，能够对机械振动信号进行同步采集，实现对不同强度的机械振动信号进行同步的采集。进行同步的采集。进行同步的采集。


技术研发人员：任丽军 杨茹 刘卓 宫恪婧 贺铃涵
受保护的技术使用者：哈尔滨理工大学
技术研发日：2021.12.28
技术公布日：2022/5/5