CN207603616U

CN207603616U - 微小信号采集器

Info

Publication number: CN207603616U
Application number: CN201721742870.1U
Authority: CN
Inventors: 李彦磊; 陈秀城; 郭建文
Original assignee: Beijing Yugen Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing Yugen Technology Co Ltd
Priority date: 2017-12-14
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2018-07-10
Anticipated expiration: 2027-12-14

Abstract

本实用新型涉及一种微小信号采集器。该微小信号采集器，包括：第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机。该微小信号采集器可以先对所述微小信号进行电压偏置处理；然后进行第一级信号放大处理，并在第一级信号处理的同时进行第一级低通滤波处理，再经第一高通滤波处理后进行第二级信号放大处理，并在第二级信号处理的同时进行第二级低通滤波处理，再经第二高通滤波处理后进行第三级信号放大处理，AD采集电压跟随处理后的信号。通过多级信号放大、多级滤波、及电压跟随等处理后可以很好的控制每一级运放的最佳放大倍数，最大程度上提高信噪比；并且通过动态调整电阻值的方式可以实现动态控制放大倍数。

Description

微小信号采集器

技术领域

本实用新型涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种微小信号采集器。

背景技术

微小信号采集技术的核心是信号放大，目前大部分数据采集器对微小信号的采集都是通过一级信号放大的方式及对应的滤波处理后直接进行AD采集。

此种方法存在的缺陷较多：

一个是若放大倍数过小则分辨率不够，若放大倍数过大则超过AD 所能采集的电压范围；

一个是运放芯片的放大倍数有限，若是放大倍数约接近芯片的满量程放大倍数，则放大之后的噪声过大，直接影响放大之后信号的信噪比；

另外，不同的传感器信号不一致，需要放大的倍数也不一致，此种方法无法自动调整放大倍数，只能通过手动改变电阻值来调整放大倍数，很大程度上降低了设备的可操作性。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

为了更好的调整放大倍数，本实用新型提供一种微小信号采集器，包括：第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机。该微小信号采集器可以先对所述微小信号进行电压偏置处理；然后进行第一级信号放大处理，并在第一级信号处理的同时进行第一级低通滤波处理，再经第一高通滤波处理后进行第二级信号放大处理，并在第二级信号处理的同时进行第二级低通滤波处理，再经第二高通滤波处理后进行第三级信号放大处理，AD采集电压跟随处理后的信号。通过多级信号放大、多级滤波、及电压跟随等处理后可以很好的控制每一级运放的最佳放大倍数，最大程度上提高信噪比；并且通过动态调整电阻值的方式可以实现动态控制放大倍数。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本实用新型采用的主要技术方案包括：

一种微小信号采集器，所述微小信号采集器包括：第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机；

所述第一级运放单元用于对微小信号进行电压偏置处理，对电压偏置处理后的信号进行第一级信号放大处理，并在第一级信号处理的同时进行第一级低通滤波处理，对第一级信号放大处理和第一级低通滤波处理后的信号进行第一高通滤波处理；

所述第二级运放单元用于对所述第一级运放单元输出的信号进行第二级信号放大处理，并在第二级信号处理的同时进行第二级低通滤波处理，对第二级信号放大处理和第二级低通滤波处理后的信号进行第二高通滤波处理；

所述第三级运放单元用于对所述第二级运放单元输出的信号进行第三级信号放大处理；

所述电压跟随单元用于对所述第三级运放单元输出的信号进行电压跟随处理；

所述单片机用于对所述电压跟随单元输出的信号进行AD采集。

可选地，所述第一级运放单元，包括：第一级运放输入电阻(1)，第一级运放反馈电阻(2)，第一补偿电容(3)，第一级运放(14)，电源负极(15)，第一滤波电容(16)，第一运放偏置电压(17)，初始微小信号输入(18)；

所述第一级运放反馈电阻(2)上增加所述第一补偿电容(3)，用于低通滤波，过滤高频噪声。

可选地，所述第一级运放(14)用于对偏置电压进行放大处理，所述第一级运放(14)的第一放大倍数为G1＝RA3/RA2；

其中，RA2为第一级运放输入电阻(1)的阻值，RA3为第一级运放反馈电阻(2)的阻值。

可选地，所述第一运放偏置电压(17)为REF1V65，所述第一运放偏置电压(17)用于将信号偏置到0V～AV3V3。

可选地，所述第二级运放单元，包括：第一耦合电容(4)，第二级运放输入电阻(5)，运放供电正极(6)，第二滤波电容(7)，第二级运放反馈电阻(8)，第二补偿电容(9)，第二级运放输出(10)，第二级运放(11)，第三滤波电容(12)，第二运放偏置电压(13)；

所述第一级运放单元输出的信号上增加所述第一耦合电容(4)和所述第二级运放输入电阻(5)，用于低频噪声过滤；

所述第二级运放反馈电阻(8)上增加所述第二补偿电容(9)，用于低通滤波；

所述第二级运放(11)的第二放大倍数为G2＝RA5/RA4；

所述第二级运放输出(10)用于输出第二级信号放大处理后的信号；

其中，RA4为第二级运放输入电阻(5)的阻值，RA5为第二级运放反馈电阻(8)的阻值。

可选地，所述第三级运放单元，包括：第一信号输入(21)，第二耦合电容(22)，第三级运放输入电阻(23)，第三运放偏置电压(24)，第三级运放反馈电阻(25)，第三级运放(26)，运放反馈电阻输出端及信号输出端(27)，数字电位器电源正极(28)，数字电位器电源负极(29)，数字电位器时钟线(30)，数字电位器(31)，数字电位器数据总线(32)。

可选地，所述第三级运放(26)的第三放大倍数为G3＝(VERSB+ VRESW)/RA6；

其中，RA6为第三级运放输入电阻(23)的阻值，VERSB为第三级运放反馈电阻(25)的阻值，VRESW为运放反馈电阻输出端及信号输出端(27)的输出。

可选地，所述电压跟随单元，包括：第二信号输入(41)，电源跟随器(42)，电压跟随器电压正极(43)，第四滤波电容(44)，电压跟随器供电负极(45)，信号输出(46)。

可选地，所述单片机，包括：I2C时钟线(51)，I2C数据总线(52)，参考电压(53)，第一分压电阻(54)，AD信号输入(55)，第二分压电阻(56)，单片机(57)，单片机电源正极(58)，单片机电源负极 (59)，单片机复位引脚(60)，复位上拉电阻(61)，单片机PDI仿真接口(62)。

可选地，所述VERSB和所述VRESW通过所述数字电位器时钟线 (30)，单片机(57)，数字电位器(31)，数字电位器数据总线(32) 改变。

(三)有益效果

本实用新型的有益效果是：微小信号采集器包括第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机。该微小信号采集器可以先对所述微小信号进行电压偏置处理；然后进行第一级信号放大处理，并在第一级信号处理的同时进行第一级低通滤波处理，再经第一高通滤波处理后进行第二级信号放大处理，并在第二级信号处理的同时进行第二级低通滤波处理，再经第二高通滤波处理后进行第三级信号放大处理，AD采集电压跟随处理后的信号。通过多级信号放大、多级滤波、及电压跟随等处理后可以很好的控制每一级运放的最佳放大倍数，最大程度上提高信噪比；并且通过动态调整电阻值的方式可以实现动态控制放大倍数。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例提供的一种微小信号采集器的第一级、第二级运放原理图；

图2为本实用新型一个实施例提供的一种微小信号采集器的第三级运放原理图；

图3为本实用新型一个实施例提供的一种微小信号采集器的电压跟随原理图；

图4为本实用新型一个实施例提供的一种微小信号采集器的单片机原理图。

具体实施方式

为了更好的解释本实用新型，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本实用新型作详细描述。

目前大部分数据采集器对微小信号的采集都是通过一级信号放大的方式及对应的滤波处理后直接进行AD采集。但不同的传感器信号不一致，需要放大的倍数也不一致，此种方法无法自动调整放大倍数，只能通过手动改变电阻值来调整放大倍数，很大程度上降低了设备的可操作性。

本实施例提供一种微小信号采集器，该微小信号采集器包括：第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机。

1、第一级运放单元

1)第一级运放单元用于对微小信号进行电压偏置处理，对电压偏置处理后的信号进行第一级信号放大处理，并在第一级信号处理的同时进行第一级低通滤波处理，对第一级信号放大处理和第一级低通滤波处理后的信号进行第一高通滤波处理。

2)第一级运放单元，包括：第一级运放输入电阻(1)，第一级运放反馈电阻(2)，第一补偿电容(3)，第一级运放(14)，电源负极 (15)，第一滤波电容(16)，第一运放偏置电压(17)，初始微小信号输入(18)。

第一级运放反馈电阻(2)上增加第一补偿电容(3)，用于低通滤波，过滤高频噪声。

第一运放偏置电压(17)为REF1V65，第一运放偏置电压(17)用于将信号偏置到0V～AV3V3。

第一级运放(14)用于对偏置电压进行放大处理，第一级运放(14) 的第一放大倍数为G1＝RA3/RA2。

2、第二级运放单元

1)第二级运放单元用于对第一级运放单元输出的信号进行第二级信号放大处理，并在第二级信号处理的同时进行第二级低通滤波处理，对第二级信号放大处理和第二级低通滤波处理后的信号进行第二高通滤波处理。

2)第二级运放单元，包括：第一耦合电容(4)，第二级运放输入电阻(5)，运放供电正极(6)，第二滤波电容(7)，第二级运放反馈电阻(8)，第二补偿电容(9)，第二级运放输出(10)，第二级运放 (11)，第三滤波电容(12)，第二运放偏置电压(13)。

第一级运放单元输出的信号上增加第一耦合电容(4)和第二级运放输入电阻(5)，用于低频噪声过滤。

第二级运放反馈电阻(8)上增加第二补偿电容(9)，用于低通滤波。

第二级运放(11)的第二放大倍数为G2＝RA5/RA4。

第二级运放输出(10)用于输出第二级信号放大处理后的信号。

例如，参见图1所示的第一级、第二级运放原理图，该图中包括：第一级运放输入电阻(1)，第一级运放反馈电阻(2)，第一补偿电容 (3)，第一耦合电容(4)，第二级运放输入电阻(5)，运放供电正极 (6)，第二滤波电容(7)，第二级运放反馈电阻(8)，第二补偿电容(9)，第二级运放输出(10)，第二级运放(11)，第三滤波电容(12)，第二运放偏置电压(13)，第一级运放(14)，电源负极(15)，第一滤波电容(16)，第一运放偏置电压(17)，初始微小信号输入(18)。

当微小信号通过初始微小信号输入(18)的SignalIn输入后，先经过第一运放偏置电压(17)的REF1V65进行电压偏置，将信号偏置到 0V～AV3V3之间，同时偏置电压对地增加第一滤波电容(16)以增加稳定性。

偏置电压后进入第一级运放(14)，以进行第一级信号放大，其中放大倍数G1由第一级运放输入电阻(1)的RA2和第一级运放反馈电阻 (2)的RA3确定：G1＝RA3/RA2。

第一级运放反馈电阻(2)的RA3增加一个补偿电容CA3(图1中的第一补偿电容(3))，起到低通滤波的作用，将高频噪声过滤。

第一级信号放大输出增加高通滤波CA4(图1中的第一耦合电容 (4))、RA4(图1中的第二级运放输入电阻(5))，将低频噪声过滤；之后进入第二级运放(11)进行第二级信号放大，第二级信号放大倍数G2由第二级运放输入电阻(5)的RA4和第二级运放反馈电阻(8)的 RA5确定：G2＝RA5/RA4。

第二级运放反馈电阻(8)的RA5增加一个补偿电容CA5(图1中的第二补偿电容(9))，再次低通滤波，最后输出两级信号放大之后的信号V1通过第二级运放输出(10)。

3、第三级运放单元

1)第三级运放单元用于对第二级运放单元输出的信号进行第三级信号放大处理。

2)第三级运放单元，包括：第一信号输入(21)，第二耦合电容(22)，第三级运放输入电阻(23)，第三运放偏置电压(24)，第三级运放反馈电阻(25)，第三级运放(26)，运放反馈电阻输出端及信号输出端 (27)，数字电位器电源正极(28)，数字电位器电源负极(29)，数字电位器时钟线(30)，数字电位器(31)，数字电位器数据总线(32)。

第三级运放(26)的第三放大倍数为G3＝(VERSB+VRESW)/RA6。

例如，参见图2所示的第三级运放原理图，第二级运放后的信号V1 从二级运放输出(10)后，再次通过第二耦合电容(22)的CA5和第三级运放输入电阻(23)的RA6进行高通滤波。

随后，进入第三级运放(26)进行第三级信号放大，第三级信号放大倍数G3由第三级运放输入电阻(23)的RA6和第三级运放反馈电阻 (25)的VRESB、运放反馈电阻输出端及信号输出端(27)的VRESW 确定：G3＝(VERSB+VRESW)/RA6。

4、电压跟随单元

1)电压跟随单元用于对第三级运放单元输出的信号进行电压跟随处理。

2)压跟随单元，包括：第二信号输入(41)，电源跟随器(42)，电压跟随器电压正极(43)，第四滤波电容(44)，电压跟随器供电负极(45)，信号输出(46)。

例如，图3所示的电压跟随原理图，信号经过三级放大后，增加电源跟随器(42)进行电压跟随，确保信号放大之后不会超出单片机的AD 测量范围，同时增加信号的驱动能力，以便AD采集的数值稳定可靠。

5、单片机

1)单片机用于对电压跟随单元输出的信号进行AD采集。

2)单片机，包括：I2C时钟线(51)，I2C数据总线(52)，参考电压(53)，第一分压电阻(54)，AD信号输入(55)，第二分压电阻 (56)，单片机(57)，单片机电源正极(58)，单片机电源负极(59)，单片机复位引脚(60)，复位上拉电阻(61)，单片机PDI仿真接口(62)。

例如，图4所示的单片机原理图，经过电压跟随处理后的最终信号通过信号输出(46)，经过AD信号输入(55)进入单片机进行AD采集。

另外，因不同的传感器信号值差异较大，若统一使用一种放大倍数，无法得到最佳效果，因此第三级放大倍数必须动态可调，通过动态改变第三级反馈电阻的阻值来实现动态调整放大倍数的功能；本实施例采用高精度高分辨率的数字电位器(31)，单片机(57)以I2C协议的形式控制数字电位器的数字电位器时钟线(30)和数字电位器数据总线(32)，从而改变数字电位器的第三级运放反馈电阻(25)的VRESB、运放反馈电阻输出端及信号输出端(27)的VRESW，也就是第三级运放的反馈电阻值，从而实现改变第三级运放的放大倍数。

通过本实施例的微小信号采集器，可以将微小信号先经过电压偏置后进入第一级信号放大，同时经过第一级低通滤波将高频噪声过滤；经过高通滤波后将低频噪声过滤，进入第二级信号放大，第二级低通滤波再次将高频噪声过滤；再经过高通滤波将低频噪声过滤，进入第三级信号放大，第三级信号放大倍数允许动态调整，通过数字电位器灵活改变放大倍数；最后进入电压跟随，以保证放大滤波处理后的信号可以被单片机AD测量。

另外，可以灵活控制微小信号的放大倍数，无论放大倍数再高，也可以保证放大之后的信号在单片机的AD测量范围之内；经过多级放大滤波后可以极大程度上提高信噪比。

具体的：

1)确保放大之后的信号真实可测：假设初始信号存在负电压，信号放大之后会导致负电压部分丢失，也就无法真实的测量出信号值；同时，确保放大之后的信号不可超过单片机AD测量范围。

2)多级放大、滤波过程中，可将噪声部分过滤，同时确保信号部分的通过，提高信噪比。

3)最后一级放大倍数可灵活控制，可广泛适用于各种微小信号的传感器。

本实施例提供的微小信号采集器，包括：第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机。该微小信号采集器可以先对所述微小信号进行电压偏置处理；然后进行第一级信号放大处理，并在第一级信号处理的同时进行第一级低通滤波处理，再经第一高通滤波处理后进行第二级信号放大处理，并在第二级信号处理的同时进行第二级低通滤波处理，再经第二高通滤波处理后进行第三级信号放大处理，AD采集电压跟随处理后的信号。通过多级信号放大、多级滤波、及电压跟随等处理后可以很好的控制每一级运放的最佳放大倍数，最大程度上提高信噪比；并且通过动态调整电阻值的方式可以实现动态控制放大倍数。

需要明确的是，本实用新型并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。本领域的技术人员可以在领会本实用新型的精神后，作出各种改变、修改和添加。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种微小信号采集器，其特征在于，所述微小信号采集器包括：第一级运放单元，第二级运放单元，第三级运放单元，电压跟随单元和单片机；

2.根据权利要求1所述的微小信号采集器，其特征在于，所述第一级运放单元，包括：第一级运放输入电阻(1)，第一级运放反馈电阻(2)，第一补偿电容(3)，第一级运放(14)，电源负极(15)，第一滤波电容(16)，第一运放偏置电压(17)，初始微小信号输入(18)；

3.根据权利要求2所述的微小信号采集器，其特征在于，所述第一级运放(14)用于对偏置电压进行放大处理，所述第一级运放(14)的第一放大倍数为G1＝RA3/RA2；

4.根据权利要求2所述的微小信号采集器，其特征在于，所述第一运放偏置电压(17)为REF1V65，所述第一运放偏置电压(17)用于将信号偏置到0V～AV3V3。

5.根据权利要求1所述的微小信号采集器，其特征在于，所述第二级运放单元，包括：第一耦合电容(4)，第二级运放输入电阻(5)，运放供电正极(6)，第二滤波电容(7)，第二级运放反馈电阻(8)，第二补偿电容(9)，第二级运放输出(10)，第二级运放(11)，第三滤波电容(12)，第二运放偏置电压(13)；

所述第二级运放(11)的第二放大倍数为G2＝RA5/RA4；

6.根据权利要求1所述的微小信号采集器，其特征在于，所述第三级运放单元，包括：第一信号输入(21)，第二耦合电容(22)，第三级运放输入电阻(23)，第三运放偏置电压(24)，第三级运放反馈电阻(25)，第三级运放(26)，运放反馈电阻输出端及信号输出端(27)，数字电位器电源正极(28)，数字电位器电源负极(29)，数字电位器时钟线(30)，数字电位器(31)，数字电位器数据总线(32)。

7.根据权利要求6所述的微小信号采集器，其特征在于，所述第三级运放(26)的第三放大倍数为G3＝(VERSB+VRESW)/RA6；

8.根据权利要求1所述的微小信号采集器，其特征在于，所述电压跟随单元，包括：第二信号输入(41)，电源跟随器(42)，电压跟随器电压正极(43)，第四滤波电容(44)，电压跟随器供电负极(45)，信号输出(46)。

9.根据权利要求7所述的微小信号采集器，其特征在于，所述单片机，包括：I2C时钟线(51)，I2C数据总线(52)，参考电压(53)，第一分压电阻(54)，AD信号输入(55)，第二分压电阻(56)，单片机(57)，单片机电源正极(58)，单片机电源负极(59)，单片机复位引脚(60)，复位上拉电阻(61)，单片机PDI仿真接口(62)。

10.根据权利要求9所述的微小信号采集器，其特征在于，所述VERSB和所述VRESW通过所述数字电位器时钟线(30)，单片机(57)，数字电位器(31)，数字电位器数据总线(32)改变。