微伏级直流电压信号采集系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种微伏级直流电压信号采集系统，它涉及微弱信号测量技术领域。它包括信号调理电路、高精度模数转换器、隔离电路和单片机，接有微弱直流信号的信号调理电路与高精度模数转换器连接，高精度模数转换器接隔离电路，隔离电路与单片机连接，单片机接至上位机，微伏级直流电压信号经信号调理电路输出，通过高精度模数转换器将采集的模拟电压信号转换成数字信号，并通过其SPI接口与单片机进行同步串口通信，单片机再通过串行接口将数据发到上位机，利用去噪算法做进一步去噪处理。本实用新型提高测量的精度和准确度，稳定可靠，实用性强，具有一定的应用价值。
【专利说明】
微伏级直流电压信号采集系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及微弱信号测量技术领域，尤其涉及微伏级直流电压信号采集系统。
【背景技术】
[0002]在所有需要微弱信号检测的领域中，各种微弱的物理量信号都需要先转换成电压或电流信号之后再进行放大、并进行信号检测处理，由各种微弱物理量信号转换得到的电信号多数是微弱的直流或低频信号，因此对像微伏级这样的微弱直流信号测量存在一定难度。
[0003]目前，微弱信号测量主要有两种测量方法:一是将直流信号调制成幅值和直流信号呈比例关系的方波交流信号，以避免直接放大微弱直流信号存在的直流误差的影响，特别是直流放大器失调电压的影响，还可以避免外部工频干扰等低频噪声的影响。在各种直流调制技术中，最广泛应用的就是通过场效应管的开关特性来作为调制器，通过一定频率的控制信号控制场效应管栅极电压的极性来控制场效应管的通断，以达到调制直流信号的目的。但存在的问题是:场效应管作为电子开关的同时也存在开关管损耗，像导通损耗、开关损耗。实际应用中模拟开关的这种理想效果是不可能达到的；另外，场效应管开关在作为调制器时，无论有无输入信号，只要存在调制信号，模拟开关的输出端都会产生瞬态的尖峰电压，而且还会引起输出信号漂移，从而造成测量结果不精确。
[0004]二是利用特低噪声、特低漂移的高精度直流放大器对微弱直流信号进行测量。如市面上的HB-815，就是一款十分优良的直流放大器，输出电压能达到V级，可以给数据采集和处理，但存在价格昂贵、不能广泛应用于实验研究的问题。
[0005]因此，本领域的技术人员致力于开发微伏级直流电压信号采集系统。
【实用新型内容】
[0006]有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种微伏级直流电压信号采集系统，结构简单，设计合理，提高测量的精度和准确度，稳定可靠，实用性强，具有一定的应用价值，易于推广使用。
[0007]为实现上述目的，本实用新型提供了微伏级直流电压信号采集系统，包括信号调理电路、高精度模数转换器、隔离电路和单片机，接有微弱直流信号的信号调理电路与高精度模数转换器连接，高精度模数转换器接隔离电路，隔离电路与单片机连接，单片机接至上位机;所述高精度模数转换器采用模数转换器AD7793，高精度模数转换器通过SPI接口与单片机的串口连接，单片机采用单片机MSP430F149，单片机通过串口接口将转换结果数据发送到上位机，显示、存储。
[0008]作为优选，所述的隔离电路采用DC/DC转换器的四通道数字隔离器ADUM5401，隔离电路可以提供高精度模数转换器数字线路与微控制器之间的数字信号和电源隔离功能。
[0009]作为优选，所述的信号调理电路由输入级放大电路、低通滤波电路、中间级放大电路、陷波电路和光电隔离装置组成，输入级放大电路、低通滤波电路、中间级放大电路、陷波电路、光电隔离装置依次连接，光电隔离装置接至高精度模数转换器，光电隔离装置可以避免干扰信号通过地窜入后级以及前后电路地电位不相等带来的影响。
[0010]作为优选，所述的输入级放大电路采用低噪声高精度的仪表放大器作初级放大，以提高测量精度、减小直流放大误差和不必要的噪声引入。
[0011]作为优选，所述的低通滤波电路采用萨伦基双极点电压控制电路设计截止频率低至Ihz的四阶巴特沃斯型低通滤波器，以滤除测量电路中存在的各种低频噪声及大量高频噪声干扰，经过低通滤波电路滤除大量噪声后，进入中间级放大电路，其主要目的是得到高增益。
[0012]作为优选，所述的陷波电路采用常见的双T陷波电路，以滤除50hz工频干扰。
[0013]本实用新型的有益效果是:系统组成简单，运行稳定，可以实现50uv以下微弱直流信号的测量，并将采集到的电压转换结果数据通过单片机的串行接口发到上位机，显示、存储，便于后续处理，且利用成熟的去噪处理算法对数据进行去噪处理，进一步提高微弱直流电压信号的测量准确度和精度。
[0014]以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。
【附图说明】
[0015]图1是本实用新型的系统框图；
[0016]图2是本实用新型信号调理电路的结构框图。
【具体实施方式】
[0017]参照图1-2，本【具体实施方式】采用以下技术方案:微伏级直流电压信号采集系统，包括信号调理电路1、高精度模数转换器2、隔离电路3和单片机4，接有微弱直流信号的信号调理电路I与高精度模数转换器2连接，高精度模数转换器2接隔离电路3，隔离电路3与单片机4连接，单片机4接至上位机;所述高精度模数转换器2采用模数转换器AD7793，高精度模数转换器2通过SPI接口与单片机4的串口连接，单片机4采用单片机MSP430F149。
[0018]值得注意的是，所述的隔离电路3采用DC/DC转换器的四通道数字隔离器ADUM5401，隔离电路3可以提供高精度模数转换器2数字线路与单片机4微控制器之间的数字信号和电源隔离功能。
[0019]此外，所述的信号调理电路I由输入级放大电路11、低通滤波电路12、中间级放大电路103、陷波电路104和光电隔离装置105组成，输入级放大电路101、低通滤波电路102、中间级放大电路103、陷波电路104、光电隔离装置105依次连接，光电隔离装置105接至高精度模数转换器2;所述输入级放大电路101采用低噪声高精度的仪表放大器作初级放大，以提高测量精度、减小直流放大误差和不必要的噪声引入;低通滤波电路102采用萨伦基双极点电压控制电路设计截止频率低至Ihz的四阶巴特沃斯型低通滤波器，以滤除测量电路中存在的各种低频噪声及大量高频噪声干扰;陷波电路104采用常见的双T陷波电路。
[0020]本【具体实施方式】经传感器输出的微伏级直流电压信号输入到输入级放大电路101进行初级放大，考虑到噪声和信号是叠加在一起的，放大有用信号的同时也会放大噪声，不便于后级信号处理，因此输入级放大电路101中的高精度仪表放放大器的放大增益不宜设置很大;经输入级放大电路101初级放大的信号，首先通过低通滤波电路102进行低通滤波，以降低传感器所采集到的微伏信号以外的各种低频及高频噪声，经过低通滤波电路102滤除大量噪声后，进入中间级放大电路103，其主要目的是得到高增益，陷波电路104用来消除交流市电中50hz工频干扰;另外，为避免第一、二级电路的干扰进入输出端，采用光电隔离装置105，以避免干扰信号通过地窜入后级以及前后电路地电位不相等带来的影响，也可保证输出端误接其他高压装置烧毁整个电路的可能性。
[0021]微伏级直流电压信号经上述信号调理电路I输出的信号，完全可以满足后级模数转换电路的信号输入要求，通过高精度模数转换器2将采集的模拟电压信号转换成数字信号，并通过其SPI接口与单片机4进行同步串口通信，单片机4再通过串行接口将数据发到上位机，利用去噪算法做进一步去噪处理，以提高测量微弱直流电压的测量准确度和精度。
[0022]本【具体实施方式】有效解决了直接放大微伏级微弱直流电压信号存在的直流误差、各种低频噪声干扰造成测量精度不高等问题，可以实现对50uv以下的微弱直流电压信号采集，运行稳定可靠，具有广阔的市场应用前景。
[0023]以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
【主权项】
1.微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:包括信号调理电路(I)、高精度模数转换器(2)、隔离电路(3)和单片机(4)，接有微弱直流信号的信号调理电路(I)与高精度模数转换器(2)连接，高精度模数转换器(2)接隔离电路(3)，隔离电路(3)与单片机(4)连接，单片机(4)通过串口通信接口接至上位机，所述的信号调理电路(I)由输入级放大电路(101)、低通滤波电路(102)、中间级放大电路(103)、陷波电路(104)和光电隔离装置(105)组成，输入级放大电路(101)、低通滤波电路(102)、中间级放大电路(103)、陷波电路(104)、光电隔离装置(105)依次连接，光电隔离装置(105)接至高精度模数转换器(2)。2.如权利要求1所述的微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:所述的高精度模数转换器(2)采用模数转换器AD7793，高精度模数转换器(2)通过SPI接口与单片机(4)的串口连接。3.如权利要求1所述的微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:所述的隔离电路(3)采用DC/DC转换器的四通道数字隔离器ADUM5401。4.如权利要求1所述的微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:所述的单片机(4)采用单片机MSP430F149。5.如权利要求1所述的微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:所述的输入级放大电路(101)采用低噪声高精度的仪表放大器。6.如权利要求1所述的微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:所述的低通滤波电路(102)采用萨伦基双极点电压控制电路设计截止频率低至Ihz的四阶巴特沃斯型低通滤波器。7.如权利要求1所述的微伏级直流电压信号采集系统，其特征在于:所述的陷波电路(104)采用可滤除50hz工频干扰的双T陷波电路。
【文档编号】G01R13/02GK205670166SQ201620546547
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月7日
【发明人】行鸿彦, 闫岩
【申请人】南京信息工程大学