放大器应用实例

基于DSP和USB的三维感应测井数据采集系统研究

Logging Data Acquisition System Research of Three-Dimensional Induction Based on DSP and

USB

西安石油大学徐飞

陕西能源职业技术学院聂熙雅

引言

数据采集是DSP最基本的应用领域，本文设计的数据采集系统利用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片。该芯片的主要特点有：150 MI/s（百万条指令/秒）的执行速度使得指令周期减小到6.67ns，从而提高了控制器的实时控制能力；采用哈佛总线结构，具有高性能的32位的CPU，在一个周期内能够实现32位×32位或两个16位×16位的乘法累加操作，具有快速中断响应与处理能力；TMS320F2812应用大量外设接口简化了电路设计；提供了足够的处理能力，使一些复杂的实时控制算法的应用成为可能。

USB是现在应用广泛的一种高速通用串行总线协议。本文利用Philips公司的PDIUSBD12芯片。将USB协议应用于以DSP为核心的嵌入式系统，可以大大提高DSP系统与计算机的通信能力，从而拓宽DSP的应用范围。本文利用DSP和USB设计的数据采集系统，符合三维感应测井多通道数据采集的需要。

数字采集系统设计

数据采集系统的结构框图如图1所示，主要包括DSP、前置放大电路、信号调理电路、USB通讯接口，由于三维感应测井有3个Z轴向接收线圈和7组三分量接收线圈构成，所以采用了7组多路开关。在一个数据采集系统中，A/D转换器是采集系统的核心。在基于TMS320F2812的数据采集系统中，选用了芯片嵌入式的ADC模块。

图1 三维感应测井数据采集系统结构框图

信号调理电路

由于本采集系统用于三维感应测井中，它对信号采集的精度要求高，因为被采信号频率较高，采样通道多，所以结果分析对原始数据的依赖性强。本设计信号调理电路分为前置放大器、带通滤波器、程控增益放大器、陷波器四部分。

前置放大器设计

前置放大器的噪声系数对整个采集系统的噪声特性具有重要的影响。因为它所产生的噪声会被后续各级放大器逐级放大，所以在选择放大器时低噪声指标非常重要。在研制低噪声放大器时，应该抓住低噪声这个关键指标来分析、计算并设计电路。目前，可用噪声指标比较好的集成电路来设计低噪声放大电路。

由于测井时被采信号一般为微伏级，因此本设计采用INA128仪用差分放大器，它的最大输入失调电压为50μV，温度系数为0.5μV/℃，最大输入失调电流为5nA，同时还有很宽的电源电压范围，可以在±2.25V到±18V的供电电压范围内稳定工作。电压增益可以通过外接电阻改变，在1脚和

8脚之间外接不同的电阻R，电压增益可以在0-10000的范围内变化，其计算公式为。

当电压增益大于100时，INA128的输入共模抑制比达到120dB，对输入信号的共模干扰起到了很好的抑制作用。

用MAX267 设计带通滤波器

在三维感应测井中所设定的有用信号的带宽为20kHz到250kHz，因此选用MAX267设计一种带通增益放大器。MAX267内部含有2个独立的二阶开关电容带通滤波器，它有12个可编程输入端，其中F0~F4为滤波器中心频率设置输入端，分别接低电平或高电平，可以将中心频率设置为时钟频率的1/10，另外Q0~Q6为品质因数设置输入端，分别接低电平或高电平，可以在0.5~64 之间设置滤波器的品质因数。因此，不需要外加任何元件，而仅需外部时钟就可以实现带通滤波功能，使用极为方便。带通特性曲线如图2所示。

图2 带通特性曲线

其传递函数 G(S)为：

在上式中，HOPB是ω=ω0时的输出带宽值，且ω0 =2πf。

fL和fH分别为：

其中

程控增益放大器设计

程控放大器是在DSP的控制下，将初级放大的信号放大到ADC的转化区间内，以提高仪器的动态范围和灵敏度。考虑到器件的低频噪声特性和提高共模抑制比等因素，选择了PGA204、PGA205组合，其共模抑制最高可达120dB。本设计采用了两级程控反向差分的方法，并且两级程控放大采用直接耦合差动连接的方式。原理如图3示。

图3 两级程控放大级联原理图

其中两个级联的第一级程控差分放大器由两片PGA205实现，两片PGA205的输出分别作为PGA204的正负输入端，于是就构成了第二级程控差分放大器。PGA204的可控放大倍数为1，10，100，1000；PGA205的可控放大倍数为1，2，4，8。所以，级联后程控放大部分的可控放大倍数可有16种组合方式。

陷波器设计

50Hz的工频干扰是数据采集系统中不可避免的，它会严重影响到前方和主放的稳定性。所以此处利用高性能器件MC33171构成50Hz陷波器，MC33171具有宽频带和较高的转换速率。图4为基于MC33171的50Hz陷波器电路，在图示的元件数值下，通过改变两个电阻R的值和一个电容C的值，可获得陷波频率，其数值为：f=1/4πRC。取R=16K，C=0.1μF可得陷波频率为50Hz。

图4 陷波器电路

A/D采样设计

TMS320F2812的ADC模块

TMS320F2812芯片中集成了一个12位A/D转换模块。为了满足系统多传感器的需求，F2812的A/D

转换模块有16个通道，可配置为两个8通道模块，这样就形成了两个A/D转换器。在内部逻辑的控制下，用户可同时启动这两个或是其中某一个A/D转换模块。

F2812的ADC模块是嵌入式的，它与传统的A/D相比具有以下特点：A/D模块的硬件资源配置好了之后，用户可以用软件指令随时启动A/D采样，并获得A/D转换的结果。同传统A/D不同的是，采集功能单元的硬件资源配置还有一部分是通过软件完成的。

在TMS320F2812芯片中，A/D转换单元的模拟电路包括前向模拟多路开关（MUX）、采样/保持（S/H）电路、A/D转换内核以及其他模拟辅助电路。A/D转换单元的数字电路包括可编程转换序列器、结果寄存器、与模拟电路的接口等。图5为ADC模块的构成框图。

图5 ADC模块构成框图

ADC模块功能包括：

1）内置双采样/保持（S/H）的12位A/D转换模块，模拟输入为0-3V。

2）同时或顺序采样模式。

3）快速转换时间，可运行在25MHz的数模转换时钟或12.5MSPS。

4）多输入通道达16通道。

5）自动排序能力。一次可执行多达16通道的“自动抓换”。

6）两个独立的可选择8个模拟通道的排序器（SEQ1和SEQ2）可独立工作于双排序器模式，或级联后工作在可选择16个模拟转换通道的排序器模式。

7）可分别访问的16个结果寄存器用来保存转换结果。

输入模拟电压转换为数字值可由下式得到：

其中，ADCLO是A/D转换低电压参考值。

8）使用多个触发信号启动数模转换（SOC），比如：

? S/W：软件立即启动。

? EVA：时间管理器EVA（在EVA中有多个时间源可以启动转换）。

? EVB：时间管理器EVA（在EVB中有多个时间源可以启动转换）。

9）在双排序模式下，EVA和EVB触发器可各自独立的出发SEQ1和SEQ2。

10）中断控制方式灵活，可在每次转换结束或每隔一次转换结束发出中断。

数据采集系统A/D采样设计

本系统信号输入设计为24路。DSP本身的A/D输入通道是16路，所以要外接多路模拟转换器进行扩展。在电路设计中，使用3条DSP的A/D输入通道ADCINA0- ADCINA2，每一通道挂接一片8输入1输出多路模拟转换器4051，这样就可以扩展为24路模拟信号输入。为了减小信号通道之间切换带来的串扰，需在通道切换后加放大器减小信号输入阻抗，为了减小A/D转换产生的误差，用两路己知信号电平输入引入信号参考，提高采集精度。图6展示了TMS320F2812内嵌的A/D转换模块与输入信号之间的接口。

图6 A/D模块与信号接口

对于每一个转换，CONVxx位确定采样和转换的外部模拟量引脚。使用顺序采样模式时，CONVxx的4位都用来确定输入引脚，最高位确定采用哪个采样并保持缓冲器，其他3位定义偏移量。例如，

如果CONVxx的值是0001b，ADCINA1就被选为输入引脚。如果CONVxx的值是1111b，ADCINB7被选为输入引脚。

TMS320F2812 ADC的精度校正

理想情况下，F2812的ADC模块转换方程为y =x ? mi，x=输入电压×4095/3，y为输出计数值。在实际中，ADC的误差不可避免，定义有增益误差和失调误差的转换方程为y=x ? ma±b，式中ma为实际增益，b为失调误差。F2812的ADC理想状态与实际转换精度较差的主要原因是存在增益误差和失调误差，因此必须对这两种误差进行补偿。校正方法如下：选用ADC的任意两个通道作为参考输入通道，分别提供给它们已知的直流参考电压作为输入（两个电压不能相同），通过读取相应的结果寄存器获取转换值，求得校正增益和校正失调，再利用这两个值对其他通道的转换数据进行补偿，从而提高了ADC模块转换的精准度。图7显示了如何利用方程获取ADC的校正增益和校正失调。

图7 理想转换与实际ADC转换

TMS320F2812与PDIUSBD12接口设计

TMS320F2812与PDIUSBD12之间采用并口连接方式，并且都工作在3V电压下，给PDIUSBD12分配一个片选，可以通过读写地址对其进行操作，它们之间的电气连接不需要特殊处理，按照管脚功能一一对应连接即可。图8是TMS320F2812与PDIUSBD12的硬件连接图。

图8 TMS320F2812与PDIUSBD12的硬件连接图

系统软件设计

该数据采集系统可以通过USB接口直接与PC机相连，在CCS集成开发环境下通过JTAG接口来调试、烧写程序，可使用C语言来实现。

主程序流程

图9是系统主程序流程图。在系统上电之后，先对DSP的时钟等系统参数进行初始化，然后对片上A/D、I/O、存储器设备等进行初始化，再对USB设备初始化，之后程序进入循环等待主机通过USB口发送命令，然后对命令进行相应处理。

图9 系统主程序流程图

A/D转换流程

在使用TMS320F2812的内嵌A/D转换器进行数据采集时，首先对A/D进行初始化，并且设置中断程序入口地址，通过Timer中断的配置控制采样频率。在开启中断后，程序进入中断服务子程序，它将A/D转换结果读入数组Ad_data1[ ]中，并重新启动A/D，进行数据转换，如此循环往复。流程图如图10所示。

图10 系统程序流程图

结束语

本文利用TMS320F2812与PDIUSBD12相结合，设计了一套三维感应测井探测器的数据采集系统。其接口电路简单，采集精度高，可完成对24路通道的同时采样和顺序采样，并且能对单通道实行多次采样。系统还采用了USB接口，采集到的数据经过处理后，通过USB上传到主机，由上层软件进一步处理，从而能够更有效地测得油井中的油气分布。

微弱振动信号自适应采集系统的研究与设计

0 引言

在机械结构的振动过程中，许多微弱信号包含机械运动的丰富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出来加以分析。而在微弱信号提取过程中，有时信

号非常微弱，极易受到外界的干扰而淹没于强噪声之中，有时被测信号振幅变化

范围又很大，给信号采集带来很大困难。放大电路本身的噪声性能和频率特性也

将影响到信号的提取精度。对振动信号的采集及处理，通常是用普通的数据采集

系统去采集，然后用数字信号处理的方法来提取数据的特征信息。但是，一些由

采集系统的不足对信息造成的损失，是后期的数字信号处理无法补偿的。振动信

号的检测是机械系统状态监测和早期故障诊断的关键，机械系统早期故障引起的

异常振动信号有时都很微弱而且持续时间短，信噪比低，容易淹没于背景噪声中。

这对信号检测技术提出了很高的要求。针对此情况，本文考虑设计一个微弱振动

信号自适应采集系统，能够根据被测信号的振幅实时地调节放大器的增益，从而

检测出微弱振动信号。

1 系统框图与结构原理

系统的总体结构如图1所示，主要包括DSP芯片TMS32OF2812、数据采集预处理电路、数据存储器、JTAG仿真接口及与计算机的通信接口。其中数据采集

预处理电路共有四路，每一路包括前置放大器、抗混叠滤波电路、程控放大电路

和电压抬升与保护电路。

在结构设计中，设计了四路预处理通道，以提高系统的稳定性和快速性。考虑到采集对象是微弱信号，在每路程控放大器前设计了低噪声前置放大器，且每

一路程控放大器的增益控制信号直接来自DSP。程控放大器之前设有抗混叠低通

滤波器以滤去信号中混有的高频噪声，减小了噪声对信号的影响，在每一路中也设置一个抬压与保护电路，使输入的信号电压稳定在O～3 V之间。

2 硬件电路设计

微弱信号采集系统硬件电路由信号调理电路和数据采集处理模块两部分组成，信号调理电路主要是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤波、电压抬升、信号传输；主要由测量放大器、多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路和保护电路构成。数据采集处理模块主要有DSP芯片TMS320F2812、数据存储和传输模块构成，完成对四路模拟输入信号的采样、过采样处理、信号振幅的计算、数字滤波和数据的传输。

2．1 前置放大器的设计

本数据采集系统的对象为微弱信号，需要用前置放大器进行放大。由于测量放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、抗共模干扰能力强、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在微弱信号的检测系统中广泛用作前置放大器。

本数据采集系统采用AD公司的高性能运放AD620作为测量放大器，AD620

是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1 000的低功耗／高精度仪表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性，最大输入失调电压漂移为1μV，其共模抑制比大于93 dB。在1 kHz处输入电压噪声为9 nV/Hz。在0．1～10 Hz 范围内输入电压噪声的峰一峰值为0．28μV，输入电流噪声为O．1 pA/Hz。G

＝1时，它的增益带宽为120 kHz，建立时间为15μs。因此AD620的性能满足该数据采集系统的要求。

2．2 程控放大电路设计

2.2.1 DSP芯片的性能特征

TMS320F2812芯片是美国德州仪器(Texas In-struments)公司研制的数字信号处理器，它是一个定点运算、集成度高、高性能的DSP芯片，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。其主要特点有：采用高性能静态CMOS技术，能在一个周期内完成32*32位的乘法累加运算，时钟频率最高可达150 MHz。片内具有128 KB的16位FLASH存储器，8 KB的16位SARAM，2个事件管理器EVA和EVB，3个32位的CPU定时器。16通道的12位模数转换器(ADC)含两路采样保持器，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80 ns,，含2个通用异步串口(SCI)，2个多通道缓冲串口(McBSP)，56个独立配置的通用多功能I/O(GPIO)。

2.2.2 DAC0832芯片的性能特征

DAC0832是AD公司生产的高精度、低功耗、8位数模转换器，能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。DAC0832具有数字输入锁存的功能。DAC0832的互补输出端Ioutl，Iout2均为电流信号，且之和为常数。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1μs，参考电压为-10～+10 V，供电电源为+5～+15

V，逻辑电平输入与TTL兼容。DAC20832具有两级锁存器，第一级锁存器称为输人寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器。

2．2．3 程控放大电路的组成

程控放大电路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反馈电阻组成，受TMS320F2812芯片的控制信号、片选信号控制，如图2所示。DAC0832用作程控放大器，是把DAC0832的参考电压端接输入信号，数字信号输入端接TMS32OF2812芯片的控制信号，互补输出端Iout1和Iout2引脚分别接放大器LM357的反向输入端和同向输入端。DAC0832的互补输出端Ioutl、Iout2均为电流信号，需外接一个放大器实现电流信号到电压信号转换。T型电阻网络的电阻是10 KΩ，接一个阻值为2．55 MΩ反馈电阻R f，就构成一个程控放大器。用该程控放大电路可以实现增益为：20，21，22，…，28-1，从而扩大了被测信号的范围。

其中：8号引脚Uref是模拟电压输入端，接前置放大器的输出端；CS1和ILEl是来自。DSP芯片的片选与使能信号；XD0～xD7是来自DSP芯片的增益控制信号；DAC0832芯片的Ioutl和Iout2引脚分别接放大器LM357的反向输入端2和同向输入端3；R66为反馈电阻RF，LLl为放大器输出端。

2．3 滤波电路设计

有源滤波器不仅体积小，而且输出阻抗和截止频率fc无关，能够前、后级之间相互独立的设计。巴特沃斯低通滤波器具有通频带比较平坦，且下降快等优点。在该系统的滤波器设计中，采用多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器。

2．4 电压抬升与保护电路设计

电压抬升电路由一个OP放大器和一个1．5 V的抬压基准构成。OP放大器的同相输入端接一个稳定的1．5 V基准电压，反相输入端接信号输人端，放大器的增益设置为1，这就实现输入信号的电压反相，且抬压1．5 V。保护电路由一个3 V的稳压管和二极管组成，保证经过电路的电压在O～3 V范围内。

3 算法设计与软件流程实现

TMS320F2812芯片的A/D转换器每次可以采集16路信号，而该采集系统仅有四路输入信号，可以实现简单的过采样，提高采集数据的精度。首先对采集到的信号进行过采样处理，然后计算采集到的信号的幅值，并与设定值做比较以判断调节程控放大器与否，同时把采集到的数据除以其对应的放大增益和进行数字滤波，结果存放在数组中，数组中的数据通过异步串口SCI向上位PC机传输。

3．1 信号幅值检测的算法

在程控放大器的设计中，对被测信号振幅的检测至关重要，它是实现程控放大的关键。以往的程控放大器，多数是根据被测信号的幅值来调节程控放大器的放大倍数，此方法比较合适于直流信号的检测。交流信号的幅值是变化的，若根据被测信号的幅值调节程控放大器的增益，需要时刻改变程控放大器的增益，这将浪费CPU的很多资源，影响了A/D转换的速度，限制了被测信号的范围，因器件程序的计算和器件的延时也会给测量结果带来很大的误差，不适合做高频信号的采集，而且很难满足实时性要求。一般信号的振幅是基本不变或者变化很慢，若根据信号的振幅调节程控放大器的增益，就不需要时刻调节放大器的增益，从而节约CPU的资源，减小采集带来的误差，提高采集数据的准确度。

信号幅值的检测是利用正交锁相型放大器的原理实现的[2]，如图3所示。被测信号为x(t)，参考信号为r(t)。

在数据采集实验中，通过简单的计算可以得到信号的振幅，并与设定的数值区间做比较，根据比较的结果来调节DAC0832的增益，从而实现放大器根据被测信号的振幅来调节自身的增益，实现信号的自适应放大。

3．2 系统软件实现

DSP2812的编程工具有C语言和汇编语言两种。采用C语言编程，代码可读性、可移植性强，无需详细了解DSP的硬件就可以上手编程，降低了编程难度。一般应用于实时性要求不是特别高的场合。对于高速实时应用，采用C语言和汇编语言混合编程的方法，能把C语言的优点和汇编语言的高效率有机结合起来。系统流程图如图4所示。

程序算法描述如下：

Step 1：开始；

Step 2：系统初始化I2；

Step 3：A/D转换；

Step 4：数据处理；

Step 5：数据滤波；

Step 6：计算信号振幅；

Step 7：是否调节程控放大器，如不需要跳转到Step 3；

Step 8：调节程控放大器增益；

Step 9：跳转到Step 3；

Step 10：结束。

4 实验结果与分析

4．1 采集系统实时仿真

信号采集系统设计完成后，对采集系统的性能进行检验。以振幅为0．00 001 V、频率为100 Hz的正弦信号作为待采集的信号，如图5(a)所示，并混有白噪声作为采集系统的输入信号，输入信号的波形如图5(b)所示。经过放大、滤波及电压抬升之后的信号波形如图5(c)所示。

在DSP里对采集到的信号进行处理，把采集到的信号数据还原为采集前的情况，如图5(d)所示。

有图5(c)可见采集到的信号电压均在0～3 V之间，适合DSP的如入范围，实现了根据信号振幅对信号进行程控的目的。图5(d)是经过简单处理后得到的信号的波形，可以计算出被采集信号的频率为100 Hz、振幅约为10－5V。与图5(b)相比恢复后的信号噪声小了很多，基本和原始信号图5(a)给出的波形相同。由实验结果可知，该系统达到了设计的目标，满足实验的需要。

4．2 实验比较

在实验中，用实验室的动态信号测试分析系统(江苏东华测试有限公司的DH5935N)和本文设计的微弱振动信号自适应采集系统同时对试件进行振动信号采集和处理，采样频率为12 800 Hz。图6(a)和图6(b)为由实验室采集系统得到数据信号的波形图和频谱图，图6(c)和图6(d)为由本文设计的采集系统的波形图和频谱图。可以看出本文设计的系统不仅具有自适应调节放大器增益的功能，还具有高速度、低噪声、无失真的特性。

5 结语

(1)所设计的系统能根据被测信号的振幅自动调节放大器的增益，从而自适应地完成对不同幅值振动信号的测量和处理，降低了数据采集过程中程控放大器增益的频率，节约了CPU开销。

(2)系统采用TMS320F2812DSP芯片作为核心处理器，DAC0832作为被测信号的振幅控制器，实现了自适应放大器增益的自适应调整，实现检测信号电压不低于1μV，扩大了被测信号的幅值范围。

(3)具有体积小、低功耗、可靠性高和扩展性强等优点。

来源:马雅历