謝思港，王旭光，李 楊，張 丹，趙晶晶

（湖北大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院，湖北 武漢 430062）

近幾年來，國內(nèi)在振動采集系統(tǒng)設(shè)計方面取得顯著進(jìn)步，采集系統(tǒng)噪聲得到優(yōu)化，前端信號處理的方式多樣化，適用性更強，ADC 的采集精度更高等。文獻(xiàn)[1]通過四川知微AS1010 高精度加速度計采集多通道振動信號，采用電壓跟隨器進(jìn)行隔離，通過反饋電路實現(xiàn)幅值調(diào)整；使用AD7779 進(jìn)行程控放大，并利用內(nèi)置數(shù)字濾波器進(jìn)行陷波濾波和模/數(shù)轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[2]提出一種基于DSP 的振動信號采集系統(tǒng)，使用ICP 壓電式加速度傳感器352C68，使用LM334 芯片組成恒流源器件，采用兩級放大，第一級只放大交流信號，第二級采用PGA205 組成程控放大電路，最后用ADS8568 進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。文獻(xiàn)[3]也采用ICP 壓電式加速度傳感器和相同的LM334芯片組建恒流源，所不同的是采用精密儀表運放放大電路放大，并且還有1 個二階的低通濾波器，經(jīng)過ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)到FPGA 里面處理。文獻(xiàn)[4]提出一種4 通道振動信號采集系統(tǒng)，采用電渦流傳感器ZD-260 采集振動信號，使用RCV420 實現(xiàn)電流電壓信號轉(zhuǎn)換，并采用差動放大電路進(jìn)行放大；還加入了隔離電路，最后經(jīng)過一個8 階巴特沃斯低通濾波器進(jìn)入A/D 芯片進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

但是上述設(shè)計仍存在價格昂貴、信噪比低、系統(tǒng)框架復(fù)雜，導(dǎo)致可靠性差，工作頻帶不靈活造成系統(tǒng)的適用性不強等問題。針對以上的應(yīng)用前景和技術(shù)指標(biāo)需求，本文設(shè)計一種8 通道可控小體積高度集成且價格便宜的振動信號前端調(diào)理模塊。

1 調(diào)理電路性能指標(biāo)

本文設(shè)計的振動信號的前端采集是整體振動傳感器采集系統(tǒng)的模擬前端，主要的功能是對電阻式振動傳感器產(chǎn)生的振動信號進(jìn)行模擬信號的常規(guī)處理，設(shè)計參數(shù)為：工作頻帶為10～60 Hz（120 Hz，300 Hz）低通濾波器可調(diào)；增益范圍為2 倍，4 倍，10 倍多級實時可調(diào)；恒流源為2～20 mA 實時可調(diào)；供電要求為24 V。

2 采集模塊設(shè)計方案

振動信號前端調(diào)理系統(tǒng)集電阻信號的轉(zhuǎn)換、信號的放大、信號濾波三大要素于一身，是整個信號性能處理的基礎(chǔ)。振動信號是一種體現(xiàn)加速度變化的模擬信號，在傳導(dǎo)的過程中極易受到外界噪聲的干擾，使目標(biāo)信號質(zhì)量降低。而前端模擬信號處理的好壞也直接影響到ADC 采樣的精度，從而影響后級的數(shù)字信號處理系統(tǒng)精度。為了減小前端傳感器的振動信號噪聲的影響，應(yīng)盡可能對目標(biāo)信號進(jìn)行放大，對干擾信號進(jìn)行抑制處理。前端整體設(shè)計方案如圖1 所示，將振動傳感器輸出的小信號通過雙絞線輸出到前端模擬調(diào)理模塊進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換、放大、濾波處理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換，最終進(jìn)到后端的信號采集系統(tǒng)進(jìn)行后面的數(shù)字信號處理。

圖1 振動信號前端調(diào)理系統(tǒng)框架圖

2.1 電路總體結(jié)構(gòu)

在前端模擬調(diào)理模塊電路設(shè)計中，需要遵循的要求：第一是普適性，應(yīng)該挑選常用的元器件，結(jié)構(gòu)簡單的電路，避免電路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜；第二是穩(wěn)定性，可以在復(fù)雜環(huán)境中穩(wěn)定的運行；第三是安全性，保證不發(fā)生過流和過載事故。本文的調(diào)理模塊電路結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示，主要包括恒流源電路、程控增益電路、可控濾波電路、A/D 轉(zhuǎn)換電路。模塊用于調(diào)理電阻式振動傳感器信號，設(shè)計了8 個通道，最高可以實現(xiàn)8 通道同時調(diào)理。由于其中恒流源部分需要24 V 供電，而其他部分均為5 V供電，故需將電源進(jìn)行分配。為了降低整個板子自噪聲，要將模擬電路緊挨振動傳感器設(shè)計，以避免較長的模擬信號走線，減小前端電路的共模噪聲。

圖2 前端模擬調(diào)理模塊電路結(jié)構(gòu)框圖

2.2 芯片選擇及電路設(shè)計

2.2.1 主控電路設(shè)計

主控電路主要由ATmega16 系列的單片機和DA 芯片TLC5618 構(gòu)成，其主要功能是：為后級的恒流源提供控制電壓；為可控增益電路提供控制電壓；為程控低通濾波器提供控制時鐘。主控模塊電路簡圖如圖3 所示。

圖3 主控模塊電路圖

ATmega16 是一種低功耗8 位微控制器，正常模式下電流為1.1 mA，有豐富的I/O 資源，有2 個8 位計數(shù)器/定時器和一個16 位計數(shù)器/定時器，能夠產(chǎn)生設(shè)計所需的控制時鐘和控制電壓。

TLC5618 是一種高阻抗輸入的2 路12 位的DAC，其串行接口兼容SPI 接口，輸出電壓范圍是基準(zhǔn)電壓的2 倍，采用3 線串行數(shù)據(jù)輸入方式，占用微控制器I/O 口少，外圍電路簡單，微控制器編程控制簡單。

原理分析：通過單片機的片內(nèi)定時器產(chǎn)生PWM 波作為后級程控濾波器的控制時鐘，從而改變低通濾波器的截止頻率；通過I/O 口產(chǎn)生的高電平來控制可控增益電路中的JFET 的通斷，從而改變放大倍數(shù)。由于所使用的單片機沒有DA 模塊，所以需要外部單獨的DAC，通過單片機對TLC5618 進(jìn)行配置，間接地控制恒流源的控制電壓大小，改變恒流源電流大小。

2.2.2 恒流源電路設(shè)計

由于所使用的振動傳感器是一個電阻式輸出的傳感器，而一般設(shè)計的電路處理電壓信號較多，因此需要在調(diào)理電路的輸入設(shè)計一個恒流源將信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，方便后級電路的信號處理。電路采用集成運算放大器與晶體管構(gòu)成，集成運放選擇TI 公司的OPA2140。OPA2140 是一款高精度、低噪聲的JFET 運算放大器，單電源供電4.5～36 V，可滿足供電要求。晶體管型號使用2N5551 和2N5401 做互補對稱管。恒流源電路設(shè)計原理圖如圖4 所示。

圖4 恒流源電路圖

原理分析：由主控電路給出控制電壓，設(shè)置電阻=。根據(jù)集成運放的虛短原則以及三極管的特性，可以得到輸出電流如下：

，通常為100 nF，用于電源濾波。在SENSOR端口接入振動傳感器，即可以得到電壓信號傳到后級電路。

2.2.3 可調(diào)放大電路設(shè)計

針對不同靈敏度的振動傳感器，需要調(diào)節(jié)合適的放大倍數(shù)。采用場效應(yīng)管以及合適的電阻、運放來構(gòu)成一個放大倍數(shù)2倍，4倍，10倍可調(diào)的同相放大器，此種方式簡單實用。運放芯片使用的是ADI公司的OP2177，是一款高精度，低噪聲的芯片，其電路原理圖如圖5所示。

原理分析：第一級運放是做了一個電壓跟隨來提高后級帶負(fù)載能力，第二級運放及其外圍電路構(gòu)成同向放大器，并且實現(xiàn)放大倍數(shù)可調(diào)。，，分別是主控電路控制的電壓，當(dāng)此處的電壓大于場效應(yīng)管的開啟電壓時，場效應(yīng)管導(dǎo)通，此時場效應(yīng)管相當(dāng)于一根導(dǎo)線連接到地，放大倍數(shù)取決于，，，。通過設(shè)定合適的阻值，放大倍數(shù)依次為2 倍，4 倍，10 倍。反之場效應(yīng)管關(guān)閉，支路電阻無窮大，此時放大倍數(shù)為1 倍。圖5 中有，，，四個電容，通常電容值為100 nF和10 μF，兩個并聯(lián)使用，用于電源濾波。

圖5 可控增益放大電路圖

2.2.4 10 Hz 高通濾波器設(shè)計

由于設(shè)計指標(biāo)為10 Hz 高通，頻率較低，故采用在低頻較穩(wěn)定的Sallen-Key 結(jié)構(gòu)有源濾波器，其電路結(jié)構(gòu)比較簡單，元器件較少，成本比較低。使用巴特沃斯函數(shù)去逼近，在通帶內(nèi)有較好的平坦度。高通濾波器運放仍然使用OP2177 即可滿足要求。為了有較好的衰減特性，濾波器階數(shù)定為4 階，階數(shù)太高會增加電路的復(fù)雜性、成本和不穩(wěn)定性，其電路原理圖如圖6 所示。

圖6 高通濾波器電路圖

原理分析：根據(jù)有源濾波器理論，二階RC 濾波器截止頻率如下：

從公式中可以看出，截止頻率的大小與濾波阻容值有關(guān)，因此只需要根據(jù)設(shè)計指標(biāo)計算阻容值即可。由于本文對帶外衰減還有要求，所以選擇四階濾波器，采用2 個二階濾波器級聯(lián)，此種方式是綜合高階濾波器常用的、簡單的方式。將2 個二階高通濾波器的參數(shù)調(diào)整的與指標(biāo)大致相同，然后級聯(lián)起來，在Multisim 中進(jìn)行參數(shù)的微調(diào)，使之完全滿足指標(biāo)要求，亦可使用目前TI 公司、ADI 公司官網(wǎng)都有的濾波器設(shè)計工具，輔助設(shè)計各類濾波器。

2.2.5 可調(diào)低通濾波器設(shè)計

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)60 Hz，120 Hz，300 Hz 低通可調(diào)，采用TI 公司的TLC04 程控低通濾波器芯片，該芯片是單片低通四階巴特沃斯開關(guān)電容濾波器，其低通截止頻率僅僅只依賴于外部時鐘，截止頻率與外部時鐘頻率呈線性關(guān)系，誤差小于±1%。截止頻率的可調(diào)范圍完全滿足設(shè)計需求，加之成本低廉、配置簡單，故采用。程控低通濾波器控制時鐘由單片機產(chǎn)生，電路原理圖如圖7所示。

圖7 程控低通濾波器電路圖

2.2.6 開關(guān)信號干擾消除及差分輸出

前級的程控濾波器采用的是開關(guān)電容濾波器，而開關(guān)電容濾波器無法避免的缺點就是容易引入噪聲信號，主要是MOS 管的開關(guān)噪聲與控制時鐘噪聲兩個方面噪聲的影響。為了盡可能地消除這兩種噪聲的影響，可以在后級再加一級低通濾波，并且所使用的ADC 為差分輸入方式，因此需要將單端信號轉(zhuǎn)換成差分信號。選用OP2177 運放芯片來搭建開關(guān)信號干擾消除及差分輸出電路，如圖8 所示。

圖8 開關(guān)信號干擾消除及差分輸出電路圖

2.2.7 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

經(jīng)過前級的放大濾波之后的振動信號再經(jīng)過驅(qū)動放大即進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片（ADC），其功能是實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。根據(jù)實際設(shè)計需求，本文選用了ADI 公司的8 通道14 位同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器LTC1858，采樣速率最高可達(dá)100 KSPS，信噪比為83 dB，最大帶寬為1 MHz。LTC1858 的功耗最高40 mW，且有多種模式進(jìn)行切換，工作模式可以通過編程控制，靈活選擇優(yōu)化功耗。模數(shù)轉(zhuǎn)換的外圍電路及配置如圖9 所示。

圖9 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

3 性能測試

前端模擬調(diào)理模塊實物圖如圖10 所示，該模塊長17 cm，高5 cm，寬10 cm，具有體積小以及集成度較高的優(yōu)點。在溫度15～35 ℃，濕度15%～65%，且有良好的接地和隔離工業(yè)干擾的情況下，對該調(diào)理模塊進(jìn)行測試。

圖10 模擬調(diào)理模塊實物圖

3.1 恒流源輸出

根據(jù)實際使用情況，在上位機中給核心控制模塊控制指令，由單片機控制DAC，DAC 提供給恒流源電路1 個控制電壓，從而改變恒流源的電流輸出大小。測試結(jié)果如表1 所示，結(jié)果表明，實際輸出電流與理論計算值的誤差≤1 mA，符合設(shè)計要求。

表1 恒流源測試結(jié)果 mA

3.2 可控增益

根據(jù)實際所需要的增益情況，通過上位機給核心控制模塊控制指令，由控制模塊和電源模塊共同處理，提供給可控增益電路一個控制電壓，從而實現(xiàn)不同的放大倍數(shù)，其倍數(shù)為2 倍，4 倍，10 倍可調(diào)。使用200 Hz，100 mV的正弦波信號測試。測試結(jié)果如表2 所示，結(jié)果表明實際增益誤差≤1 dB，符合設(shè)計要求。

表2 增益測試結(jié)果 dB

3.3 濾波器幅頻響應(yīng)

根據(jù)實際處理信號情況，通過上位機給核心控制模塊控制指令，由控制模塊提供給程控濾波電路一個控制時鐘，從而實現(xiàn)不同的低通濾波截止頻率，其頻率為60 Hz，120 Hz，300 Hz 可調(diào)。使用1～400 Hz，100 mV的正弦信號，且放大倍數(shù)設(shè)置為2 倍，分別測試三種截止頻率下的幅頻響應(yīng)曲線，在Matlab 里繪出曲線圖，如圖11～圖13 所示。結(jié)果表明，帶內(nèi)波動≤3 dB，與設(shè)計一致。

圖11 低通濾波60 Hz 幅頻輸入1 Vpp響應(yīng)測試結(jié)果

圖12 低通濾波120 Hz 幅頻輸入1 Vpp響應(yīng)測試結(jié)果

圖13 低通濾波300 Hz 幅頻輸入1 Vpp響應(yīng)測試結(jié)果

4 結(jié) 語

本文針對電阻式振動傳感器前端信號調(diào)理問題，設(shè)計了一種8 通道振動信號前端模擬調(diào)理模塊，具有電阻變換級，放大倍數(shù)3 檔實時可調(diào)，低通截止頻率60 Hz，120 Hz，300 Hz 實 時 可 調(diào) 各 功 能。 該 模 塊 采 用ATmega16 系列單片機作為主控，模擬調(diào)理模塊與核心控制模塊采用疊層設(shè)計，具有更小的體積、更高的集成度，并且開發(fā)了配套上位機進(jìn)行控制使用，使該模塊使用更加方便。經(jīng)過系統(tǒng)測試，本文設(shè)計的8 通道振動前端模擬調(diào)理模塊實現(xiàn)了各項指標(biāo)要求，可以用于電阻式輸出振動信號基礎(chǔ)科研、聲通信研究等領(lǐng)域。