色谱仪自适应量程信号采集电路的制作方法
【专利摘要】色谱仪自适应量程信号采集电路，属数据采集领域，其包括供电模块、前端输入模块、增益放大模块、模数转换模块、嵌入式计算机、数据通信模块；其中，供电模块为整个色谱仪自适应量程信号采集电路提供规范、稳定的外部电源，由色谱仪输出的差分模拟电压信号经过前端输入模块转换为单端电压信号，然后送入增益放大模块进行放大，放大后的电压送入模数转换模块进行采样保持和模数转换，模数转换模块的模数转换结果在嵌入式计算机中处理后通过数据通信模块发送到PC，同时嵌入式计算机还需要根据模数转换模块每一次模数转换后输出数字值来判断当前增益倍率是否需要增大或减小，以完成对增益放大模块的增益倍率的负反馈控制。本发明根据输入差分信号的强弱，自动调整放大倍率，选择合适的量程，能采集到等同于22位高精度模拟量的模数采集电路。
【专利说明】色谱仪自适应量程信号采集电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及数据采集领域,特别是涉及一种自适应量程的ADC (Analog-DigitalConverter,模拟-数字转换器)电路。
【背景技术】
[0002]传统的模数转换技术由于结构工艺的限制，对于-1OV?+1V输入范围的模拟量采集转换很难实现16位以上的高分辨率。近年来随着大规模集成电路、计算机技术、数字系统的飞速发展，数字系统日益显示出高性能、可靠性好、灵活性、及体积小、功耗低、成本低等优点，利用目前已有的高速、中等精度的模数转换器件，结合ARM处理器进行相应的数据处理、计算、校准，实现了等同于22位高精度模数采集电路。
[0003]在实际工程应用中，高速高精度模数转换系统具有极高的应用价值。简单地采用分辨率> 18位的高精度Α/D芯片(只有Σ-Λ类型的Α/D转换器能达到这个精度，其输入范围只能小于-5V?+5V，而且采用这种转换器由于其原理上特点不适合高精度要求系统的模拟信号采样，一般用于语音的采集)，并且由于噪声、传输线耦合干扰等情况，在没有滤波的情况下实际只能保证11位左右精度，而附加滤波之后，将引入相位的滞后以及实际信号的失真，而且精度也只能14位左右。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为了克服上述【背景技术】的不足，提供一种自适应量程的ADC电路，该电路包括供电模块、前段输入模块、增益放大模块、模数转换模块、嵌入式计算机、数据通信模块；其中，供电模块为整个色谱仪自适应量程信号采集电路提供规范、稳定的外部电源，由色谱仪输出的差分模拟电压信号经过前段输入模块转换为单端电压信号，然后送入增益放大模块进行放大，放大后的电压送入模数转换模块进行采样保持和模数转换，模数转换模块的模数转换结果在嵌入式计算机中处理后通过数据通信模块发送到PC，同时嵌入式计算机还需要根据模数转换模块每一次模数转换后输出数字值来判断当前增益倍率是否需要增大或减小，以完成对增益放大模块的增益倍率的负反馈控制。根据输入差分信号的强弱，自动调整放大倍率，选择合适的量程，能采集到等同于22位高精度模拟量的模数采集电路，且采集电压范围可达到-1OV?10V。本发明采用如下技术方案:
[0005]一种色谱仪自适应量程信号采集电路，包括:
[0006]供电模块，该模块是整个下位机硬件系统的基本支持模块，将220V交流市电转化为直流，为整个下位机硬件电路提供规范、稳定的外部电源；
[0007]前端输入模块，该模块是信号采集电路与色谱仪之间的接口模块。负责将色谱仪输出的差分模拟电压信号引入下位机电路，并转换为单端电压信号，供其它模块进行后续处理；
[0008]增益放大模块，该模块负责将已引入下位机信号采集电路的单端电压信号进行增益放大；
[0009]模数转换模块，该模块是下位机信号采集电路的核心功能，该模块接收经过增益放大模块放大的模拟电压作为输入，将模拟电压信号转换为二进制数字值供系统其它模块进行后续处理；
[0010]嵌入式计算机，该模块负责下位机信号采集电路的数据处理功能；
[0011]数据通信模块，该模块负责完成下位机信号采集电路上下位机通信功能；所述的下位机即为色谱仪自适应量程采集电路；所述的上位机为PC机。
[0012]所述的供电模块包括DC005插座、220V-24V电源适配器、24S05DC-DC电源转换模块、24D12DC-DC电源转换模块、AMSl117电源转换芯片；其连接关系为:DC005插座分别与220V-24V电源适配器、24S05DC-DC电源转换模块、24D12DC-DC电源转换模块相连接，24S05DC-DC电源转换模块分别与AMSl117电源转换芯片、前端输入模块、模数转换模块相连接，24D12DC-DC电源转换模块与增益放大模块相连接，AMSl117电源转换芯片分别与嵌入式计算机、数据通信模块相连接。
[0013]所述前端输入模块包括仪表放大器、电压参考器、电压跟随器和信号输入端子；信号输入端子与仪表放大器相连接，电压跟随器分别与电压参考器、仪表放大器相连接。
[0014]所述增益放大模块包括两块可编程运放放大器芯片、电压跟随器和3.3V到5V移位器芯片SN74LVC4245A ;两块可编程运放放大器芯片以级联的方式连接，并且通过3.3V到5V移位器芯片SN74LVC4245A与嵌入式计算机的I/O管脚直连，电压跟随器与可编程运放放大器芯片相连接。
[0015]所述的可编程放大器的放大倍数为2的η次方，其中η取值为0、1、2、3、4、5、6。
[0016]所述的可编程放大器的放大倍数为1、2、4、8、16、32、64倍。
[0017]所述的可编程放大器，当输入信号的范围不同时，可编程的放大倍数由嵌入式计算机来完成，具体过程:嵌入式计算机根据模数转换模块每一次AD转换后输出数字值来判断当前放大倍数是否需要增大或减小，以完成对放大倍数的负反馈控制。
[0018]所述模数转换模块是一种高精度AD转换芯片，该芯片与嵌入式计算机的I/O管脚直连。
[0019]所述嵌入式计算机的I/O管脚分别与增益放大模块、模数转换模块、数据通信模块通过直连方式连接，嵌入式计算机的电源管脚与供电模块直接连接。
[0020]所述的嵌入式计算机使用ARM系列芯片作为核心计算控制部件。
[0021]所述数据通信模块包括串口电平转换芯PL2303、USB接口，串口电平转换芯PL2303分别与嵌入式计算机、USB接口相连接。
[0022]所述采集电路系统的采样周期为100ms，采集电路的分辨能力为4.77 μ V。
[0023]本发明的有益效果是:
[0024]1.系统结构简单满足了系统的22位分辨率的采样精度要求。
[0025]2.本发明根据输入差分信号的强弱，自动调整放大倍率，选择合适的量程，能采集到等同于22位高精度模拟量的模数采集电路。
[0026]3.采集电压范围可达到-1OV?10V。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路的结构示意图。
[0028]图2为本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例示意图。
[0029]图中:1、输入端子，2、电压参考器，3、电压跟随器，4、仪表放大器，5、电压跟随器，6、可编程运放放大器，7、可编程运放放大器，8、电压跟随器，9、AD模数转换芯片、10、以STM32F103RCT6 为 CPU 的 ARM 核心单元、11、串口电平转换芯 PL2303，12、USB 接口，13、3.3V到 5V 移位器芯片 SN74LVC4245A，14、220V_24V 电源适配器，15、DC005 插座，16、24S05DC_DC电源转换模块，17、24D12DC-DC电源转换模块，18、AMS1117电源转换芯片。
【具体实施方式】
[0030]下面结合附图详细说明本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路典型实施例，应当说明的是，此处描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不限定于本发明。
[0031]本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路的结构示意图，如图1所示，包括:前端输入模块、增益放大模块、模数转换模块、ARM核心单元、数据通信模块。
[0032]本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路，通过供电模块获取电源，供电模块将220V市电转换为24V直流电，再将24V直流电转换为5V、+12V、_12V，其中5V直流电供给前端输入模块，模数转换模块，+12V、-12V供给增益放大模块；再将5V转换为3.3V直流电，为ARM核心单元，数据通信模块供电。前端输入模块由仪表放大器和电压参考器共同实现，仪表放大器将差分形式的色谱电压信号引入系统电路并与电压参考器输出的稳定参考电压进行叠加，作用是将差分信号转变为单端电压信号供增益放大模块进行放大处理，电压参考器的作用是抬高了信号的电压幅值范围，避免了零点误差的引入。增益放大模块主要由可编程运放放大器实现。可编程运放放大器是可通过数字接口动态调整增益倍率的运算放大器，符合增益放大模块的要求。此外，可编程运放采取级联的形式为系统提供放大倍率，放大倍率为1、2、4、8、16、32、64倍，放大倍率由ARM核心单元进行控制。模数转换模块由AD转换芯片实现。AD转换芯片是专门用于模拟信号到数字信号之间的转换的器件，它将经过增益放大后的单端信号转换为二进制数字值，供ARM核心单元进行处理。ARM核心单元是硬件系统的控制核心，它一方面负责对系统其它各个器件进行初始化及运行配置，另一方面负责实现数据处理功能，ARM核心单元中处理后通过数据通信模块发送到PC，同时ARM核心单元还需要根据模数转换模块每一次模数转换后输出数字值来判断当前增益倍率是否需要增大或减小，以完成对增益放大模块的增益倍率的负反馈控制。
[0033]参见图2所示，本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例
[0034]使用220V-24V电源适配器13、DC005插座14、24S05DC_DC电源转换模块15、24D12DC-DC电源转换模块16、AMSl117电源转换芯片17为整个电路系统供电，其中220V-24V电源适配器13的作用是将220V市电转换为24V直流电，通过DC005插座14与24S05DC-DC电源转换模块15、24D12DC_DC电源转换模块16相连接，24S05DC-DC电源转换模块的作用是把24V直流电转换为5V直流电，为电压参考器2、电压跟随器3，仪表放大器4，电压跟随器5、AD模数转换芯片9、AMS1117电源转换芯片18供电，24D12DC-DC电源转换模块16的作用是将24V直流电转换为+12V、-12V直流电，为可编程运放放大器6，可编程运放放大器7，电压跟随器8供电，而AMS1117电源转换芯片18的作用是将5V直流电转为3.3V直流电为以STM32F103RCT6为CPU的ARM核心单元6供电。
[0035]参见图2所示，本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例
[0036]采用仪表放大器AD623芯片4和电压参考器REF3012芯片2，电压跟随器OPl 13芯片3、电压跟随器0P113芯片5作为前端输入模块，色谱仪的差分信号由输入端子I引入电路采集系统，之后经过仪表放大器AD623芯片4变成单端电压信号，而电压参考器REF3012芯片2的作用是将输出的信号的电压幅值范围提高，避免了零点误差的引入，电压跟随器0P113芯片的作用是提高信号的带载能力，并且将单端电压信号输入到增益放大模块进行放大处理。
[0037]参见图2所示，本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例
[0038]采用可编程运放放大器AD8251芯片6，可编程运放放大器AD8251芯片7，电压跟随器0P113芯片8作为增益放大模块，由前端输入模块输出的单端电压信号，进入可编程运放放大器AD8251芯片6、7，其中可编程运放放大器AD8251芯片6、7是以级联的方式连接，同时与ARM核心单元10通过3.3V到5V移位器芯片SN74LVC4245A芯片13以直连的方式连接，可编程运放放大器AD8251芯片6、7的放大倍率由ARM核心单元四个I/O管脚控制，放大后的单端电压输入到模数转换模块，进行模数转换。
[0039]参见图2所示，本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例
[0040]采用以AD976A芯片为AD模数转换芯片9，该芯片的分辨率为16位，精度可以达到±2LSB (最低有效位)，采样速率最大20万次每秒，量程为-1OV至+10V，该芯片配备有为单通道模拟电压输入和并行数据输出接口，该芯片与ARM核心单元10以直连的方式连接。经过增益放大模块放大之后的单端电压进入AD976A芯片进行模数转换，它将经过增益放大后的单端信号转换为二进制数字值，然后传输到ARM核心单元，进行数据处理、分析、传送。
[0041]参见图2所示，本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例
[0042]采用以STM32F103RCT6作为ARM核心单元10，STM32F103RCT6芯片使用的基本外围器件包括:为芯片提供主频的8MHz晶体振荡器，保证芯片上电后启动正常的复位电路，为STM32F103RCT6芯片提供程序下载接口的20针的JTAG接口，以STM32F103RCT6作为ARM核心单元10通过固化在芯片内部的程序代码完成对电路的控制，ARM核心单元10接收经过AD模数转换芯片9转换后二进制数字值，对其进行数据处理，同时ARM核心单元还需要根据模数转换模块每一次模数转换后输出数字值来判断当前增益倍率是否需要增大或减小，以完成对可编程运放放大器AD8251芯片6、7的增益倍率的负反馈控制。经过处理、分析后通过数据通信模块发送到PC。
[0043]参见图2所示，本发明的色谱仪自适应量程信号采集电路实施例
[0044]采用串口电平转换芯PL2303芯片11，USB接口 12作为数据通信模块。PL2303芯片用作以STM32F103RCT6作为ARM核心单元10和PC上位机之间通信的电压转换。
[0045]尽管参考特定实施例详细描述了本发明，在此描述的本发明实施例的意图不是详尽的或者局限于所公开的具体形式。相反，所选的用于说明问题的实施例是为了使本【技术领域】内的技术人员实施本发明而选择的。在不脱离下面的权利要求所描述和限定的本发明的实质范围的情况下，存在变型和修改例。
【权利要求】
1.色谱仪自适应量程信号采集电路，其特征在于:包括: 供电模块，该模块是整个下位机硬件系统的基本支持模块，将220V交流市电转化为直流，为整个下位机信号采集电路提供规范、稳定的外部电源； 前端输入模块，该模块是信号采集电路与色谱仪之间的接口模块；负责将色谱仪输出的差分模拟电压信号引入下位机硬件电路内部，并转换为单端电压信号，供信号采集电路其它模块进行后续处理； 增益放大模块，该模块负责将已引入下位机硬件系统的单端电压信号进行增益放；。 模数转换模块，该模块是下位机硬件系统的核心功能，该模块接收经过增益放大模块放大的模拟电压作为输入，将模拟电压信号转换为二进制数字值供系统其它模块进行后续处理； 嵌入式计算机，该模块负责硬件系统的数据处理功能；其接受模数转换模块提供的二进制数字值； 数据通信模块，该模块负责完成下位机硬件系统中的上下位机通信功能； 所述的下位机即为色谱仪自适应量程采集电路；所述的上位机为PC机。
2.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述的供电模块包括DC005插座、220V-24V电源适配器、24S05DC-DC电源转换模块、24D12DC-DC电源转换模块、AMSl117电源转换芯片；其连接关系为:DC005插座分别与220V-24V电源适配器、24S05DC-DC电源转换模块、24D12DC-DC电源转换模块相连接，24S05DC-DC电源转换模块分别与AMS1117电源转换芯片、前端输入模块、模数转换模块相连接，24D12DC-DC电源转换模块与增益放大模块相连接，AMS1117电源转换芯片分别与嵌入式计算机、数据通信模块相连接。
3.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述前端输入模块包括仪表放大器、电压参考器、电压跟随器和信号输入端子；信号输入端子与仪表放大器相连接，电压跟随器分别与电压参考器、仪表放大器相连接。
4.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述增益放大模块包括两块可编程运放放大器芯片、电压跟随器和3.3V到5V移位器芯片SN74LVC4245A ；两块可编程运放放大器芯片以级联的方式连接，并且通过3.3V到5V移位器芯片SN74LVC4245A与嵌入式计算机的I/O管脚直连，电压跟随器与可编程运放放大器芯片相连接。
5.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述的可编程放大器的放大倍数为2的η次方。其中η取值为0、1、2、3、4、5、6。
6.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述的可编程放大器的放大倍数为1、2、4、8、16、32、64倍；可编程的放大倍数由嵌入式计算机来完成，具体过程:嵌入式计算机根据模数转换模块每一次AD转换后输出数字值来判断当前放大倍数是否需要增大或减小，以完成对放大倍数的负反馈控制。
7.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述模数转换模块是一种高精度AD转换芯片，该芯片与嵌入式计算机的I/O管脚直连。
8.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述嵌入式计算机的I/O管脚分别与增益放大模块、模数转换模块、数据通信模块通过直连方式连接，嵌入式计算机的电源管脚与供电模块直接连接。
9.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述的嵌入式计算机使用ARM系列芯片作为核心计算控制部件。
10.根据权利要求1所述的色谱仪自适应量程信号采集电路，特征在于，所述数据通信模块包括串口电平转换芯PL2303、USB接口，串口电平转换芯PL2303分别与嵌入式计算机、USB接口相连接。
【文档编号】G01N30/02GK104298149SQ201410486585
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月22日 优先权日:2014年9月22日
【发明者】彭月祥, 王鑫, 邹如飞, 袁杰 申请人:北京工业大学