基于线性相位前端高速数据采集信号调理方法及调理电路与流程

本发明涉及弱信号调理领域，具体涉及基于线性相位前端高速数据采集信号调理方法及调理电路。

背景技术：

在国内外，相应的类型的传感器的采集系统很多，但是其抗干扰性能和信号抗失真效果较差。传统的前段采集系统方式噪声大，精度低、采样频率低。并且输出的信号常常存在温度漂移、信号比较弱以及非线性等问题，不能被处理模块直接利用。特别是传统采用的高通无源滤波器方法处理，其负面影响较大，滤波频段会随着负载的变化而变化，使整个采集系统的稳定性降低。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于线性相位前端高速数据采集信号调理方法及调理电路，这种方法保证了对信号相位信息的分析、判断及处理的准确；这种电路具有功耗低，可靠性好，精度高，噪声小、频率高的优点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于线性相位前端高速数据采集信号调理方法，包括以下步骤：

1）压电式加速度传感器与数据采集系统连接，得到电压信号；

2）去掉压电式加速度传感器本身的直流信号，得到线性相位信号；

3）对线性相位信号进行预采样，把单路信号变成双路差分信号；

4）对双路差分信号进行数字信号判断，判断是否可以进行程控放大和放大倍数；

5）放大判断后的信号；

6）放大信号从单通道信号变成双通道信号，差分电路将放大信号从单通道信号变成双通道信号；

7）对双通道信号进行小波去噪，并输出原始数据和处理结果，通过接口上传给ARM供测量人员显示和分析。

步骤2）中去掉传感器的本身的直流信号采用8阶贝塞尔滤波器，所述滤波器的增益为20dB，上限截止频率为f_H=10kHz，阻带衰减小于-45dB。

步骤4）中对双路差分信号进行数模转换的信号判断：通过数模转换电路后进行判断，当输入为“0”时，与第二输出端接通；当输入为“1”时，与第一输出端接通；数模转换电路的第二输出端与放大电路的正向输入端连接并接地，数模转换电路的第一输出端与放大电路的向输入端连接，参考电压REF端与放大电路的输出端连接，模拟信号从数模转换电路的参考电压REF端输入；

实现上述方法的基于线性相位前端高速数据采集信号调理电路，包括

恒流源电路，为取样传感器提供电流激励；

低通滤波电路，滤除取样传感器本身的直流信号；

第一差分电路，单通道信号变成双通道差分信号；

数字判断电路，对双路差分信号进行数模转换的信号判断；

放大电路，将判断后的信号进行放大；

第二差分电路，单通道信号变成双通道差分信号；

小波去噪电路，减少剔除噪声产生的小波系数，最大限度的保留真实信号的系数；

所述恒流源电路、低通滤波电路、第一差分电路、数字判断电路、放大电路、第二差分电路、小波去噪电路顺序连接。

低通滤波电路为8阶贝塞尔滤波器，滤波器的增益为20dB，上限截止频率为f_H=10kHz，阻带衰减小于-45dB。

本发明用于解决传感器传来的单通道信号进行滤波和浮点放大的问题，并保证对信号的相位信息的分析、判断以及处理的准确性。

这种方法能够实现对传感器产生的微弱信号进行放大、滤波和处理，达到对相位信息处理的更精确和对弱信号调理的目的；这种电路能满足各项参数要求，通过调整参数，该电路可以满足对信号相位要求高的场合，并且具有较高的使用价值。

附图说明

图1为基于线性相位前端高速数据采集信号调理电路方框连接图；

图2为图1中恒流源电路图；

图3为图1中低通滤波电路图；

图4为预采样电路图；

图5为图1中放大电路图；

图6为基准电压电路图；

图7为图1中第一、第二差分电路图；

图8为A/D采样电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关的发明内容，而非对该发明的限定。

实施例：

基于线性相位前端高速数据采集信号调理方法，包括以下步骤：

1）压电式加速度传感器与数据采集系统连接，得到电压信号信号；

2）去掉压电式加速度传感器本身的直流信号，得到线性相位信号；

3）对线性相位信号进行预采样，把单路信号变成双路差分信号；

4）对双路差分信号进行数字信号判断，判断是否可以进行程控放大和放大倍数；

5）放大判断后的信号；

6）放大信号从单通道信号变成双通道信号，差分电路将放大信号从单通道信号变成双通道信号；

7）对双通道信号进行小波去噪，并输出原始数据和处理结果，通过接口上传给ARM供测量人员显示和分析。

步骤2）中去掉传感器的本身的直流信号采用8阶贝塞尔滤波器，所述滤波器的增益为20dB，上限截止频率为f_H=10kHz，阻带衰减小于-45dB。

步骤4）中对双路差分信号进行数模转换的信号判断：通过数模转换电路后进行判断，当输入为“0”时，与第二输出端接通；当输入为“1”时，与第一输出端接通；数模转换电路的第二输出端与放大电路的正向输入端连接并接地，数模转换电路的第一输出端与放大电路的向输入端连接，参考电压REF端与放大电路的输出端连接，模拟信号从数模转换电路的参考电压REF端输入。

如图1所示，实现上述方法的基于线性相位前端高速数据采集信号调理电路，包括

恒流源电路，为取样传感器提供电流激励；

低通滤波电路，滤除取样传感器本身的直流信号；

第一差分电路，单通道信号变成双通道差分信号；

数字判断电路，对双路差分信号进行数模转换的信号判断；

放大电路，将判断后的信号进行放大；

第二差分电路，单通道信号变成双通道差分信号；

小波去噪电路，减少剔除噪声产生的小波系数，最大限度的保留真实信号的系数；

所述恒流源电路、低通滤波电路、第一差分电路、数字判断电路、放大电路、第二差分电路、小波去噪电路顺序连接。

如图2所示，采用芯片为LM134组成的恒流源电路，LM134是三端可调的恒流源器件，电压范围为1-40v，通过外接一只电阻即可构成一种典型的恒流源电路，LM134的正温度系数约为+0.23 mv/℃。恒流源电路连接压电式加速度传感器，并为其提供4mA的电流激励。通过两个电容组成的二阶RC高通滤波器去掉传感器的本身的直流信号。

如图3所示，低通滤波电路为8阶贝塞尔滤波器，滤波器的增益为20dB，上限截止频率为f_H=10kHz，阻带衰减小于-45dB。

为了达到特定的阻带衰减水平，使用的是高阶贝塞尔滤波器。对于低通滤波器的要求增益为20dB,滤波器的上限截止频率为f_H=10kHz，并且阻带衰减小于-45dB，因此采用了8阶贝塞尔低通滤波器。从传感器的信号经过二阶RC高通滤波器后通过8阶贝塞尔低通滤波器处理而得到一个理想的线性相位信号输入到后面的电路当中。

步骤3）输入的信号通过图4中的预采样电路，首先经过第一差分电路，如图7所示，把输入的单路信号变成双路差分信号，再经过8位A/D采样芯片进行A/D转换后，所输出的信号进入FPGA进行处理。

步骤4 ）FPGA判断后的信号，决定好放大倍数后，通过图5的程控放大电路进行放大，其中预采样和FPGA还有程控放大电路组成了浮点放大电路。D/A的8位输入DB7-DB0分别控制其内部的高速模拟开关S1-S8。当它的输入为“0”时，模拟开关与OUT2接通；当输入为“1”时，模拟开关与OUT1接通。放大器与8位D/A的连接方式为：D/A的OUT2端与放大器的正向输入端连接并接地，D/A的OUT1端与放大器的方向输入端连接，REF与放大器的输出端连接，模拟信号从D/A的REF端输入。这样就可以形成浮点放大所要求的电路结构。

步骤5）提供参考电压，如图6所示，使用ADR434基准电压源设定参考电压，其中电压为4.096V。它具有低噪声、高精度、低温度漂移的性能。

步骤6）中的第二差分电路将从浮点放大电路的放大信号从单通道信号变成双通道信号，并输入到A/D采样电路中。

步骤7）中的为16位A/D采样芯片，如图8所示，负责对从差分电路进来的双通道信号进行采样处理，并且将采集完的数据发送到DSP分析判断。设定参数进行小波去噪，并将原始数据和处理结果通过接口上传给ARM供测量人员显示和分析。