本發(fā)明涉及一種數(shù)據(jù)采集卡，特別是關于一種在設備狀態(tài)監(jiān)測領域中使用的集多類型檢測信號的高精度同步振動數(shù)據(jù)采集卡。

背景技術：

目前，國內(nèi)的數(shù)據(jù)采集技術有了較大的發(fā)展，但采集信號的種類仍有一定的限制，數(shù)據(jù)采集的精度仍有待提高，應用場合受到限制。國外的數(shù)據(jù)采集技術研究起步較早，開發(fā)出的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術比較成熟。信號采集的種類多、范圍廣、精度高、可靠性好，無需外圍調(diào)節(jié)電路。但是價格昂貴，對于一些中小企業(yè)來說很難接受，并且系統(tǒng)的操作比較繁瑣，對使用和維護人員都提出了較高的要求。因此，對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究，對多種采集信號的支持和采集精度的提高，以及搞干擾能力和穩(wěn)定性的設計，具有重大的研究意義。

技術實現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種集多類型檢測信號的高精度同步振動數(shù)據(jù)采集卡，其靈敏度高、輸出信號質(zhì)量好，減少了數(shù)據(jù)輸出端口的數(shù)目。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案：一種集多類型檢測信號的高精度同步振動數(shù)據(jù)采集卡，其特征在于：該采集卡包括3路IEPE接口電路、1路4-20mA電流輸入接口電路、1路±5V電壓信號輸入接口電路、1路毫伏級電壓輸入接口電路、單片機和上位機；每一路所述IEPE接口電路都連接一恒流源電路，所述IEPE接口電路輸出端經(jīng)所述恒流源電路后依次串聯(lián)連接程控放大電路、濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器，所述4-20mA電流輸入接口電路輸出端與所述I/V轉換電路輸入端連接；所述I/V轉換電路輸出端依次串聯(lián)連接程控放大電路、濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器；所述毫伏級電壓輸入接口電路輸出端依次串聯(lián)連接程控放大電路、濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器；所述±5V電壓信號輸入接口電路輸出端依次串聯(lián)連接濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器；所述±5V電壓信號輸入接口電路中的AD轉換器與所述毫伏級電壓輸入接口電路中的AD轉換器、4-20mA電流輸入接口電路中的AD轉換器以及3路所述IEPE接口電路中的AD轉換器級聯(lián)后連接至所述單片機；所述毫伏級電壓輸入接口電路中的程控放大電路、4-20mA電流輸入接口電路中的程控放大電路以及3路IEPE接口電路中的程控放大電路控制輸入端并聯(lián)后連接至所述單片機，由所述單片機對各所述程控放大電路的增益進行調(diào)節(jié)控制；所述單片機通過USB端口與所述上位機進行通訊。

進一步，所述恒流源電路包括恒流芯片U1、五個電阻R1～R5、電容C1、電容C2和二極管D1；所述恒流芯片U1正向電源端V+連接+15V電壓構成電源支路，并在該電源支路上并聯(lián)所述電容C1后接地；所述恒流芯片U1負向電源端V-連接所述二極管D1正極，所述恒流芯片U1的微調(diào)端ADJ分別連接第一支路一端和第二支路一端，所述第一支路由所述電阻R1和電阻R2串聯(lián)構成，所述第二支路由所述電阻R3和電阻R4串聯(lián)構成；所述第一支路另一端連接至所述二極管D1負極，所述第二支路另一端連接至所述二極管D1正極；所述電阻R5一端與所述IEPE接口電路輸出端連接，所述電阻R5另一端與所述電容C2一端串聯(lián)，所述電容C2另一端作為所述恒流源電路的輸出端；且所述二極管D1負極還連接至所述電阻R5與所述電容C2之間。

進一步，所述恒流芯片采用型號為LM334的恒流芯片，所述二極管D1采用硅二極管。

進一步，所述程控放大電路包括放大器U2、電阻R8、電阻R11、電容C3和電容C4；所述程控放大電路的輸入端經(jīng)所述電阻R8連接至所述放大器U2輸入端，所述電阻R11一端連接至所述放大器U2輸入端與所述電阻R8之間，所述電阻R11另一端與所述放大器U2接地端GND并聯(lián)后接地；所述放大器U2負向電源端V-連接-15V電壓構成電源支路，并在該電源支路上并聯(lián)所述電容C3后接地，所述放大器U2正向電源端V+連接+15V電壓，并在正向電源端V+與+15V電壓之間并聯(lián)所述電容C4后接地；所述放大器U2的輸出端口OUT作為所述程控放大電路的輸出端。

進一步，所述放大器U2采用型號為PGA103的可編程增益放大器。

進一步，所述濾波電路采用兩階有源巴特沃茲低通濾波電路，并采用型號為LF351的放大器。

進一步，所述單端轉差分電路包括運算放大器U5、六個電阻R22～電阻R27以及七個電容C11～C17；所述運算放大器U5正向輸入端與所述電阻R22第一端連接，所述電阻R22第二端作為所述單端轉差分電路輸入端；所述電阻R22第一端還分別與所述電阻R23一端和電容C13一端連接，所述電阻R23另一端連接至所述電阻R24第一端，所述電容C13另一端連接至所述電阻R24第二端，且所述電阻R24第二端連接至所述運算放大器U5負向輸出端，所述電阻R24第一端作為所述單端轉差分電路負向輸出端；所述運算放大器U5的COMP端經(jīng)所述電容C14接地；所述運算放大器U5負向輸入端分別連接所述電容C15一端、電阻R26一端和電阻R27一端，所述電容C15另一端連接至所述運算放大器U5正向輸出端，所述電阻R26另一端接地，所述電阻R27另一端連接至所述電阻R25第一端，所述電阻R25第二端連接至所述運算放大器U5正向輸出端，且所述電阻R25第一端作為所述單端轉差分電路正向輸出端；所述運算放大器U5正向電源端連接至+15V電壓，該正向電源端還連接由所述電容C11和電容C12并聯(lián)構成的濾波電路后接地；所述運算放大器U5負向電源端連接至-15V電壓，該負向電源端還連接由所述電容C16和電容C17并聯(lián)構成的濾波電路后接地。

進一步，所述運算放大器U5采用型號為OPA1632的單端轉差分芯片。

進一步，所述I/V轉換電路采用型號為RCV420的芯片進行電流/電壓轉換。

進一步，所述AD轉換器采用型號為ADS1271模數(shù)轉換器，所述單片機采用型號為C8051F340的芯片。

本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明能實現(xiàn)對不同信號輸出型傳感器的數(shù)據(jù)采集功能，解決了一般采集卡采集信號類型單一、精度不高的問題。2、IEPE傳感器由于采用壓電晶體和內(nèi)置電荷放大，因此具有靈敏度高、輸出信號質(zhì)量好的優(yōu)點。因此本發(fā)明設置了3路IEPE接口電路作為傳感器采集通道。此外，另增加了3路不同類型信號輸入的通道，分別為4-20mA電流輸入型、±5V電壓信號輸入型和毫伏級電壓輸入型通道。各通道都設置了獨自的信號調(diào)理電路，降低了外界環(huán)境的干擾，提高了采集數(shù)據(jù)的準確率。3、本發(fā)明采用型號為ADS1271的24bit高精度AD轉換器，6路AD轉換通過菊花鏈級聯(lián)在一起，共用一個有源晶振，各通道數(shù)據(jù)從最后一路AD轉換器輸出，減少了數(shù)據(jù)輸出端口的數(shù)目，同時滿足了高精度同步采集的要求。4、本發(fā)明采用6路采集通道，在設備狀態(tài)領域中，可以滿足一般情況下的采集需求，對于后續(xù)開發(fā)一套通用的、可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有重要意義。綜上所述，本發(fā)明可以廣發(fā)在設備狀態(tài)監(jiān)測領域中應用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；

圖2是本發(fā)明的恒流源電路結構示意圖；

圖3是本發(fā)明的程控放大電路結構示意圖；

圖4是本發(fā)明的濾波電路結構示意圖；

圖5是本發(fā)明的單端轉差分電路結構示意圖；

圖6a是本發(fā)明的單端轉差分電路輸入的單端正弦波仿真圖；

圖6b是本發(fā)明的單端轉差分電路輸出的差分正弦波仿真圖；

圖7是本發(fā)明的I/V轉換電路結構示意圖；

圖8是本發(fā)明的AD轉換器電路結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種集多類型檢測信號的高精度同步振動數(shù)據(jù)采集卡，針對不同輸入類型的信號，針對性地設計了各自的信號調(diào)理模塊。本發(fā)明包括3路IEPE接口電路、1路4-20mA電流輸入接口電路、1路±5V電壓信號輸入接口電路、1路毫伏級電壓輸入接口電路、單片機和上位機(PC)。3路IEPE接口電路后續(xù)信號調(diào)理電路部分結構相同，每一路IEPE接口電路都連接一恒流源電路，由恒流源電路對相應的IEPE接口電路進行供電，IEPE接口電路輸出端經(jīng)恒流源電路后依次串聯(lián)連接程控放大電路、濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器，依次進行放大、濾波和單端轉差分處理，得到標準的差分信號后進行模數(shù)轉換。4-20mA電流輸入接口電路輸出端與I/V轉換電路輸入端連接，將4-20mA電流信號轉換為0-5V電壓信號后輸出；I/V轉換電路輸出端依次串聯(lián)連接程控放大電路、濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器。毫伏級電壓輸入接口電路輸出端依次串聯(lián)連接程控放大電路、濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器?！?V電壓信號輸入接口電路輸出端依次串聯(lián)連接濾波電路、單端轉差分電路和AD轉換器。±5V電壓信號輸入接口電路中的AD轉換器與毫伏級電壓輸入接口電路中的AD轉換器、4-20mA電流輸入接口電路中的AD轉換器以及3路IEPE接口電路中的AD轉換器級聯(lián)后連接至單片機；毫伏級電壓輸入接口電路中的程控放大電路、4-20mA電流輸入接口電路中的程控放大電路以及3路IEPE接口電路中的程控放大電路控制輸入端并聯(lián)后連接至單片機，由單片機對各程控放大電路的增益進行調(diào)節(jié)控制；單片機通過USB端口與上位機進行通訊。

在一個優(yōu)選地實施例中，IEPE接口電路連接兩線制IEPE傳感器，兩線制IEPE傳感器的兩根線既是信號線，又是電源線，其整體結構包括傳感器和放大電路。因此首先需要為傳感器提供恒定的電流，一般標準的電流值為4mA，激勵電壓值為24V。為了提高抗干擾性，本發(fā)明采用同相交流放大原理，如圖2所示，恒流源電路包括恒流芯片U1、五個電阻R1～R5、電容C1、電容C2和二極管D1。恒流芯片U1正向電源端V+連接+15V電壓構成電源支路，并在該電源支路上并聯(lián)電容C1后接地；恒流芯片U1負向電源端V-連接二極管D1正極，恒流芯片U1的微調(diào)端ADJ分別連接第一支路一端和第二支路一端，第一支路由電阻R1和電阻R2串聯(lián)構成，第二支路由電阻R3和電阻R4串聯(lián)構成；第一支路另一端連接至二極管D1負極，第二支路另一端連接至二極管D1正極。電阻R5一端與IEPE接口電路輸出端連接，電阻R5另一端與電容C2一端串聯(lián)，電容C2另一端作為恒流源電路的輸出端；并且二極管D1負極還連接至電阻R5與電容C2之間。

上述實施例中，恒流芯片采用型號為LM334的恒流芯片，二極管D1采用硅二極管；通過調(diào)節(jié)R2和R4的電阻值大小就可以改變恒流源的電流輸出值，其中電阻R1與R3用來進行微調(diào)。同時由于恒流芯片具有正溫度效應，因此可以通過增加硅二極管，利用硅二極管的負溫度響應來減小外部溫度變化對電路的影響。恒流源電路具有電路結構簡單、可靠性高、功耗低、信號失真小等優(yōu)點。

在一個優(yōu)選地實施例中，如圖3所示，程控放大電路包括放大器U2、電阻R8、電阻R11、電容C3和電容C4。程控放大電路的輸入端經(jīng)電阻R8連接至放大器U2輸入端，電阻R11一端連接至放大器U2輸入端與電阻R8之間，電阻R11另一端與放大器U2接地端GND并聯(lián)后接地；放大器U2負向電源端V-連接-15V電壓構成電源支路，并在該電源支路上并聯(lián)電容C3后接地，放大器U2正向電源端V+連接+15V電壓，并在正向電源端V+與+15V電壓之間并聯(lián)電容C4后接地。放大器U2的輸出端口OUT作為程控放大電路的輸出端。

上述實施例中，放大器U2采用型號為PGA103的可編程增益放大器，可通過兩個與COM/TTL兼容的輸入端直接連接至單片機端口，對增益大小進行控制，可以將增益設定為1、10或100，可以廣泛應用于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通用模擬板和醫(yī)療儀表等信號動態(tài)范圍寬的場合。

在一個優(yōu)選地實施例中，由于工業(yè)現(xiàn)場一般存在大量干擾，可以通過傳感器耦合進入電路中，這些噪聲會使數(shù)據(jù)在采集之后發(fā)生混疊失真。為了避免失真，本發(fā)明采用在在AD轉換之前設置濾波電路，可以有效地濾除干擾噪聲。如圖4所示，本發(fā)明的濾波電路采用經(jīng)典的兩階有源巴特沃茲低通濾波電路，并選用具有高頻帶響應的型號為LF351放大器，該濾波電路具有電路結構簡單、濾波效果好等優(yōu)點，階數(shù)完全滿足實際應用需要。通過改變LF351放大器外圍電路中電容C5和C6的電容值則可以改變低通濾波電路的截止頻率，本發(fā)明優(yōu)選將濾波電路的截止頻率設為15KHz。

在一個優(yōu)選地實施例中，本發(fā)明為了充分挖掘24bit AD轉換器的性能，在信號調(diào)理模塊的終端將單端信號轉換為差分信號。如圖5所示，單端轉差分電路包括運算放大器U5、六個電阻R22～電阻R27以及七個電容C11～C17。運算放大器U5正向輸入端與電阻R22第一端連接，電阻R22第二端作為單端轉差分電路輸入端；電阻R22第一端還分別與電阻R23一端和電容C13一端連接，電阻R23另一端連接至電阻R24第一端，電容C13另一端連接至電阻R24第二端，且電阻R24第二端連接至運算放大器U5負向輸出端，電阻R24第一端作為單端轉差分電路負向輸出端。運算放大器U5的COMP端經(jīng)電容C14接地。運算放大器U5負向輸入端分別連接電容C15一端、電阻R26一端和電阻R27一端，電容C15另一端連接至運算放大器U5正向輸出端，電阻R26另一端接地，電阻R27另一端連接至電阻R25第一端，電阻R25第二端連接至運算放大器U5正向輸出端，且電阻R25第一端作為單端轉差分電路正向輸出端。運算放大器U5正向電源端連接至+15V電壓，該正向電源端還連接由電容C11和電容C12并聯(lián)構成的濾波電路后接地；運算放大器U5負向電源端連接至-15V電壓，該負向電源端還連接由電容C16和電容C17并聯(lián)構成的濾波電路后接地。

上述實施例中，運算放大器U5采用型號為OPA1632的單端轉差分芯片，經(jīng)過Multisim仿真模擬后(如圖6a、圖6b所示)，可以看出本發(fā)明的單端轉差分電路能有效將單端信號轉換為差分信號。

在一個優(yōu)選地實施例中，I/V轉換電路采用型號為RCV420的芯片進行電流/電壓轉換，如圖7所示。

在一個優(yōu)選地實施例中，各路傳感器信號轉換為數(shù)字信號之后，最后經(jīng)AD轉換器與單片機通過SPI總線進行數(shù)據(jù)傳輸。如圖8所示，AD轉換器采用型號為ADS1271模數(shù)轉換器，各路的ADS1271可以通過DIN管腳和DOUT管腳級聯(lián)起來，共用一個有源晶振，達到同步采集的要求。

在一個優(yōu)選地實施例中，單片機采用型號為C8051F340的芯片，其包括復位電路、程序下載接口電路和外接RAM電路等，該芯片自帶USB接口，可與上位機直接進行通訊。

上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結構、尺寸、設置位置及形狀都是可以有所變化的，在本發(fā)明技術方案的基礎上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。