高速数据采集系统信号调理电路的设计_乔巍.pdf

1、高 速 数 据 采 集 系 统 信 号 调 理 电 路 的 设 计上 海 交 通 大 学 电 子 信 息 与 电 气 工 程 学 院 (200030) 乔 巍 杜 爱 玲 陈 春 叶 生摘 要 文 章 针 对 基 于 微 控 制 器 和 PC 的 高 速 数 据 采 集 系 统 ,在 讨 论 了 信 号 调 理 电 路 功 能 及 必 要性 的 基 础 上 ,给 出 了 包 括 信 号 放 大 、 衰 减 、 隔 离 和 滤 波 的 设 计 方 案 ,并 对 滤 波 电 路 的 拓 扑 设 计 进 行 了研 究 。 此 外 ,针 对 广 泛 存 在 的 电 力 信 号 采 集 与 分 析 ,以

2、 电 能 质 量 为 分 析 、 研 究 对 象 ,给 出 了 基 于Sallen2Key 和 状 态 变 量 拓 扑 的 滤 波 方 案 。 对 高 速 数 据 采 集 系 统 精 度 的 提 高 和 采 集 设 备 的 保 护 具 有实 际 意 义 。关 键 词 信 号 调 理 高 速 数 据 采 集 Sallen2Key 拓 扑 状 态 变 量 拓 扑目 前 ,基 于 微 控 制 器 及 基 于 PC 和 内 插 板 卡 的数 据 采 集 系 统 在 很 大 领 域 内 得 到 了 应 用 1 。 数 据采 集 卡 和 微 控 制 器 前 端 的 高 速 A/ D 转 换 作 为 信 号

3、采 集 设 备 非 常 适 合 用 来 测 量 电 压 信 号 。 但 是 ,许 多传 感 器 和 变 送 器 输 出 的 信 号 必 须 经 过 调 理 之 后 ,才能 进 入 数 据 采 集 卡 、 高 速 A/ D 转 换 器 或 设 备 ,以 实现 有 效 精 确 的 测 量 。 这 种 前 端 的 预 处 理 ,一 般 就 称为 信 号 调 理 ,包 括 信 号 放 大 衰 减 、 滤 波 、 电 气 隔 离 和多 路 技 术 。 图 1 为 基 于 PC 和 内 插 板 卡 的 数 据 采 集系 统 框 图 2 。图 1 基 于 PC 和 内 插 板 卡 的 数 据 采 集 系 统

4、 框 图1 信 号 调 理 电 路 的 组 成1. 1 放 大 衰 减 电 路由 于 很 多 信 号 幅 度 比 较 小 ,所 以 需 要 通 过 放 大器 来 提 高 测 量 的 精 度 。 放 大 器 通 过 匹 配 信 号 电 平 和A/ D 转 换 器 的 测 量 范 围 ,来 达 到 提 高 测 量 分 辨 率 的目 的 。 出 于 这 个 原 因 ,现 在 许 多 数 据 采 集 卡 都 包 括了 板 载 放 大 器 。 同 样 情 况 ,当 需 要 数 字 化 的 电 压 超过 了 允 许 输 入 范 围 时 ,衰 减 就 不 可 缺 少 了 。1. 2 隔 离 电 路数 据 采

5、 集 系 统 中 不 合 适 的 接 地 是 造 成 测 量 问 题和 数 据 采 集 卡 损 坏 的 最 普 遍 原 因 。 对 信 号 进 行 电 气隔 离 可 以 防 止 这 些 问 题 的 发 生 。 隔 离 破 坏 了 接 地 环路 ,避 免 了 高 的 共 模 电 压 ,并 且 保 护 了 价 格 不 菲 的 数据 采 集 设 备 。通 常 的 隔 离 方 法 有 利 用 光 耦 、 磁 或 者 容 性 隔 离器 。 磁 或 容 性 隔 离 器 将 信 号 从 电 压 形 式 调 制 成 频 率形 式 。 频 率 能 够 在 转 回 成 电 压 之 前 以 非 直 接 物 理 连接

6、 的 方 式 通 过 变 压 器 或 者 电 容 。 当 将 被 测 信 号 的 地和 数 据 采 集 系 统 的 地 连 起 来 的 时 候 ,会 发 现 在 两 处输 入 的 地 之 间 存 在 一 定 的 电 势 差 ,这 个 电 压 称 为 共模 电 压 。 如 果 我 们 用 的 是 一 个 单 端 测 量 系 统 ,如 图2 所 示 ,测 得 的 电 压 就 会 包 括 期 望 测 试 的 电 压 V s 和共 模 电 压 V G。 如 果 采 用 差 分 输 入 为 数 据 采 集 卡 的输 入 方 式 ,就 能 消 除 这 些 共 模 电 压 ,一 般 说 来 ,典 型值 能

7、高 达 12V。 然 而 ,高 的 地 之 间 的 电 势 差 或 者 接地 环 路 ,都 会 损 坏 未 经 保 护 的 数 据 采 集 设 备 。 如 果没 有 办 法 消 除 这 种 电 势 差 ,那 么 ,就 可 以 用 信 号 隔 离器 来 破 坏 接 地 环 路 以 达 到 消 除 共 模 电 压 的 作 用 。 隔离 器 的 另 一 个 作 用 就 是 抑 制 一 些 来 自 电 力 线 、 闪 电或 者 高 压 设 备 的 浪 涌 高 压 。 当 存 在 这 种 高 压 的 时候 ,一 个 浪 涌 往 往 能 损 坏 设 备 。 信 号 隔 离 器 通 过 切断 连 接 ,建

8、立 了 数 据 采 集 系 统 和 这 些 高 压 浪 涌 之 间的 屏 障 。图 2 隔 离 原 理1. 3 滤 波 电 路信 号 调 理 往 往 需 要 抑 制 一 定 频 率 范 围 内 的 噪声 ,而 噪 声 对 于 不 同 的 系 统 有 不 同 的 含 义 。 对 于 数据 采 集 系 统 来 说 ,通 常 有 两 种 情 况 ,一 是 来 自 于 电 力线 或 机 器 的 频 率 在 50Hz 或 60Hz 的 噪 声 ,对 于 这 种情 况 ,大 多 数 信 号 调 理 器 的 设 计 采 用 低 通 滤 波 器 来实 现 最 大 程 度 的 抑 制 3 。另 一 种 常 见

9、的 用 法 是 用 来 防 止 信 号 混 叠 ,这 是由 于 采 样 率 太 低 而 引 起 的 现 象 。 奈 奎 斯 特 定 理 指出 ,如 果 对 一 种 模 拟 信 号 进 行 采 样 ,所 有 频 率 超 过1/ 2 采 样 率 的 信 号 都 会 以 一 种 低 频 率 信 号 的 方 式 出现 。 我 们 只 有 在 采 样 前 把 所 有 频 率 超 过 1/ 2 采 样 率11 电 子 技 术 2003 年 第 4 期 计 算 机 应 用中 国 传 感 器 http :/ / www. sensor. com. cn的 信 号 消 除 才 能 避 免 这 种 失 真 。如

10、今 ,对 于 数 据 采 集 系 统 来 说 ,模 拟 抗 混 叠 滤 波器 已 经 被 应 用 在 几 乎 所 有 的 电 子 电 路 中 ,例 如 :音 频系 统 用 滤 波 器 来 预 放 大 、 均 衡 和 音 调 控 制 ;在 通 信 系统 中 ,滤 波 器 被 用 来 调 整 特 殊 的 频 率 和 抑 制 其 他 的频 率 ;数 字 信 号 处 理 系 统 用 滤 波 器 来 防 止 通 带 外 的噪 声 和 干 扰 产 生 的 混 叠 。 对 于 一 个 希 望 减 少 外 部 噪声 的 数 据 采 集 系 统 来 说 ,基 本 结 构 可 以 包 括 模 拟 低通 滤 波 器

11、 、 数 字 滤 波 器 或 两 者 的 结 合 。 模 拟 滤 波 器通 常 放 在 A/ D 转 换 器 的 前 面 ,用 来 消 除 信 号 通 道 位于 A/ D 转 换 之 间 的 高 频 噪 声 和 干 扰 。 通 过 这 种 方式 ,转 换 的 数 字 输 出 就 能 够 消 除 混 叠 谐 波 信 息 。 而数 字 滤 波 器 被 放 在 A/ D 转 换 器 的 后 面 ,通 过 采 用 平均 技 术 来 减 少 通 带 内 频 率 上 的 噪 声 。 我 们 可 以 发现 ,通 常 情 况 下 ,大 多 数 系 统 之 间 的 差 别 是 由 于 数 字域 的 不 同 ,而

12、 不 是 模 拟 域 。 模 拟 滤 波 可 以 在 模 拟 信号 到 达 A/ D 转 换 器 之 前 消 除 叠 加 在 它 之 上 的 噪 声 。特 别 需 要 指 出 的 是 ,这 里 面 可 能 包 含 外 加 的 噪 声 尖峰 。 数 字 滤 波 不 能 消 除 这 些 尖 峰 ,因 此 ,叠 加 在 模 拟信 号 上 的 这 种 尖 峰 可 能 会 使 A/ D 转 换 器 饱 和 ,即 使信 号 的 平 均 值 是 在 限 定 的 范 围 内 。 另 外 ,对 于 高 速系 统 特 别 是 接 近 5kHz 的 系 统 来 说 ,模 拟 滤 波 器 就更 加 适 合 了 。 在

13、 这 类 系 统 中 ,模 拟 滤 波 器 能 够 减 少通 带 频 率 外 的 噪 声 ,也 就 是 减 少 折 叠 信 号 。 而 数 字滤 波 器 ,顾 名 思 义 就 是 利 用 过 采 样 技 术 和 平 均 技 术来 减 少 通 带 内 外 的 噪 声 。 由 于 数 字 滤 波 器 位 于 A/D 转 换 器 之 后 ,它 可 以 消 除 转 换 过 程 中 注 入 的 噪 声 ,模 拟 滤 波 器 则 不 能 做 到 。 还 有 ,数 字 滤 波 器 的 可 调整 性 也 远 比 模 拟 滤 波 器 来 得 好 。 根 据 数 字 滤 波 器 的不 同 设 计 ,我 们 可 以

14、 设 定 截 止 频 率 和 输 出 数 据 的 速率 。2 隔 离 放 大 电 路 设 计2. 1 隔 离 放 大 芯 片 AD202/ AD204AD202 和 AD204 是 一 种 通 用 的 、 双 端 口 的 变 压器 耦 合 隔 离 放 大 器 ,其 内 部 结 构 框 图 如 图 3 所 示 。作 为 一 种 符 合 工 业 标 准 的 隔 离 放 大 器 ,它 能 够 提 供一 整 套 隔 离 功 能 ,包 括 信 号 隔 离 和 电 源 隔 离 ,而 封 装却 十 分 紧 凑 。 AD202 和 AD204 的 最 大 区 别 就 是AD202 是 由 直 流 15V 供

15、电 ,而 AD204 是 依 靠 外 部时 钟 ,例 如 AD246。 由 于 AD202/ AD204 是 基 于 芯片 内 部 的 变 压 器 耦 合 方 式 进 行 隔 离 的 ,所 以 ,它 不 需要 提 供 外 部 的 DC/ DC 变 换 器 ,大 大 降 低 了 设 计 成本 。 另 外 ,由 于 AD202/ AD204 在 输 入 端 包 含 了 一个 额 外 的 运 放 ,因 此 设 计 就 可 以 非 常 灵 活 4 。图 3 AD202 内 部 结 构 框 图2. 2 设 计 方 案 及 电 路作 为 整 个 系 统 的 最 前 端 部 分 ,我 们 必 须 要 综 合

16、考 虑 功 能 、 性 能 和 方 案 的 成 本 等 问 题 。 从 AD202 和AD204 的 基 本 区 别 来 看 ,无 非 是 供 电 方 式 不 同 。 如果 单 从 设 计 方 便 来 说 ,AD202 无 疑 更 方 便 ,它 只 需要 直 流 15V 供 电 ,而 AD204 则 需 要 一 个 非 隔 离 的外 部 时 钟 AD246 来 供 电 。 但 是 ,考 虑 到 系 统 监 测 对象 的 多 通 道 性 、 低 功 耗 性 和 更 高 带 宽 的 需 求 以 及 成本 ,采 用 AD204 加 上 AD246 的 方 案 就 显 得 更 好 些 。图 4 为 隔

17、 离 放 大 电 路 原 理 图 。 R1 和 R2 的 配比 实 现 衰 减 功 能 , R6 实 现 比 例 的 精 确 调 节 , R3、 R4和 R5 实 现 了 调 零 功 能 。 此 外 ,在 现 场 运 行 中 ,还 必须 使 这 部 分 电 路 尽 量 靠 近 信 号 源 ,以 避 免 环 境 噪 声影 响 信 号 电 平 ,增 大 测 量 时 的 信 噪 比 。3 滤 波 电 路 设 计3. 1 模 拟 滤 波 器 的 实 现低 通 滤 波 器 传 统 上 由 无 源 器 件 构 成 ,如 电 阻 和电 容 。 当 设 计 高 通 或 带 通 滤 波 时 ,也 可 能 需 要

18、 电 感 。现 在 ,当 需 要 单 极 点 滤 波 器 ,或 滤 波 器 的 带 宽 位 于 高于 运 放 允 许 最 高 频 率 的 范 围 时 ,无 源 滤 波 器 仍 被 用在 滤 波 器 的 设 计 中 。 除 了 这 两 种 情 况 之 外 ,滤 波 器的 实 现 主 要 是 由 运 放 、 电 容 和 电 阻 构 成 的 。 对 于 有源 滤 波 器 ,它 利 用 1 个 运 放 、 1 3 个 电 阻 和 1 2 个电 容 来 实 现 1 2 个 极 点 。 有 源 滤 波 器 非 常 大 的 一个 优 势 就 是 提 供 了 级 间 的 隔 离 ,这 是 因 为 利 用 了

19、运放 的 高 输 入 阻 抗 和 低 输 出 阻 抗 的 优 点 。 在 通 常 情 况下 ,滤 波 器 的 阶 数 是 由 输 入 和 运 放 反 馈 回 路 上 的 电容 数 目 决 定 的 。 在 各 种 有 源 滤 波 器 的 拓 扑 中 ,Sallen2Key 和 双 极 点 多 路 反 馈 拓 扑 用 得 比 较 广 。 而对 于 状 态 变 量 拓 扑 滤 波 器 来 说 ,它 由 两 个 级 联 的 积分 器 和 一 个 加 法 器 组 成 5 ,图 5 所 示 。 在 s 域 ,我 们知 道 积 分 器 的 特 性 可 以 简 单 地 用 0/ s 来 表 示 ,为了 说 明

20、 原 理 ,设 特 征 频 率 0 = 1 ,积 分 器 特 性 就 简 化为 1/ s。 根 据 图 5 ,可 以 得 出 :B = sLH = sB = s2 L21计 算 机 应 用 电 子 技 术 2003 年 第 4 期中 国 传 感 器 http :/ / www. sensor. com. cn图 4 隔 离 放 大 电 路 设 计 原 理 图图 5 状 态 变 量 拓 扑 滤 波 器H = I - B - L我 们 把 H 和 B 用 积 分 器 特 性 替 代 ,可 以 得 到 :L / I = 1/ ( s2 + s + 1)这 是 经 典 的 归 一 化 的 低 通 滤

21、波 器 响 应 。 因 为 B =sL , H = s2 L ,则B / I = s/ ( s2 + s + 1)和H/ I = s2/ ( s2 + s + 1)这 是 经 典 的 带 通 和 高 通 滤 波 器 响 应 。很 明 显 ,一 个 滤 波 器 同 时 提 供 了 低 通 、 带 通 和 高通 输 出 。 在 设 计 的 时 候 就 可 以 通 过 搭 建 ,使 0 1和 使 加 法 器 的 反 馈 因 子 不 等 于 1 来 实 现 各 种 实 际 的滤 波 器 。 理 论 上 可 以 通 过 级 联 多 个 积 分 环 节 来 实 现高 阶 滤 波 。 一 些 集 成 电 路

22、 滤 波 器 用 了 这 种 方 法 ,但是 这 会 产 生 一 些 缺 点 。 在 设 计 这 类 滤 波 器 的 时 候 ,必 须 计 算 高 阶 多 项 式 的 系 数 值 。 另 外 ,一 连 串 的 积分 器 也 会 引 起 系 统 不 稳 定 。 所 以 ,通 常 在 设 计 的 时候 选 用 单 独 的 两 阶 节 ,这 样 就 可 以 分 别 处 理 特 征 频率 0 和 品 质 因 数 Q 。3. 2 基 于 Sallen2Key 拓 扑 的 设 计 方 案 及 结 果理 论 上 抗 混 叠 滤 波 器 是 要 求 锐 截 止 的 ,用 有 源网 络 和 集 成 电 路 可

23、以 实 现 这 样 的 锐 截 止 滤 波 器 。 然而 ,在 涉 及 功 能 强 大 但 廉 价 的 数 字 信 号 处 理 器 的 应用 中 ,这 些 连 续 时 间 滤 波 器 在 整 个 模 拟 信 号 的 离 散时 间 处 理 中 可 能 认 为 是 一 个 系 统 中 耗 资 的 主 要 部分 。 对 于 基 于 工 控 机 和 数 据 采 集 卡 的 系 统 中 ,由 于通 常 是 多 通 道 采 样 ,所 以 实 现 多 个 锐 截 止 滤 波 器 也是 很 昂 贵 和 困 难 的 ,并 且 如 果 系 统 要 与 可 变 采 样 率一 起 工 作 ,那 么 还 要 求 可 调

24、 节 滤 波 器 。 再 者 ,锐 截 止模 拟 滤 波 器 一 般 都 有 严 重 的 非 线 性 相 位 响 应 ,尤 其是 在 通 带 边 缘 上 。 因 此 我 们 希 望 除 掉 这 个 连 续 时 间滤 波 器 ,或 是 简 化 对 它 们 的 要 求 6 。图 6 采 用 过 采 样 的 A/ D 转 换 以 简 化 滤 波 器解 决 这 个 问 题 的 一 条 途 径 是 采 用 采 样 过 的A / D转 换 ,以 简 化 连 续 时 间 抗 混 叠 滤 波 器 ,如 图 6所 示 。 QN 记 作 在 实 施 抗 混 叠 滤 波 之 后 最 后 保 留 下来 的 最 高 频

25、 率 分 量 ,首 先 用 一 个 很 简 单 的 抗 混 叠 滤波 器 ,它 有 一 个 在 M N 显 著 衰 减 但 渐 渐 截 止 的 特性 。 接 着 在 比 2 N 高 得 多 的 采 样 率 ,比 如 M N 下实 现 连 续 / 离 散 的 转 换 ,转 换 之 后 再 将 采 样 率 降 低M 倍 ,这 其 中 包 含 锐 截 止 的 抗 混 叠 滤 波 在 离 散 时 间域 的 实 现 。 这 样 ,后 续 的 离 散 时 间 处 理 就 能 在 低 的采 样 率 下 完 成 ,以 使 计 算 量 最 小 。 另 外 ,全 部 锐 截 止的 滤 波 都 能 在 离 散 时

26、间 系 统 中 完 成 ,而 且 仅 要 求 名义 上 的 连 续 时 间 滤 波 。 因 为 离 散 时 间 FIR 滤 波 器可 以 有 真 正 的 线 性 相 位 ,这 样 就 有 可 能 采 用 这 种 过采 样 途 径 来 实 现 抗 混 叠 滤 波 而 实 际 上 没 有 相 位 失真 。 在 不 仅 需 要 保 留 频 谱 ,而 且 也 需 要 保 留 波 形 的情 况 下 ,这 是 有 显 著 优 势 的 。根 据 电 能 质 量 国 家 标 准 中 对 谐 波 测 量 仪 器 的 要求 ,A 级 仪 器 频 率 范 围 是 要 求 测 到 50 次 谐 波 ,也 就是 0 2

27、 500Hz。 本 系 统 的 频 率 范 围 以 A 级 为 标 准 ,31 电 子 技 术 2003 年 第 4 期 计 算 机 应 用中 国 传 感 器 http :/ / www. sensor. com. cn所 以 抗 混 叠 滤 波 器 的 高 端 截 止 频 率 应 该 为 2. 5kHz ,并 且 在 频 带 宽 度 内 特 性 曲 线 应 尽 可 能 平 坦 ,当频 率 高 于 该 截 止 频 率 时 应 尽 可 能 快 的 衰 减 。 如 果 要保 证 2. 5kHz 频 率 以 内 的 信 号 不 受 影 响 。 就 应 让78f1 (f1 为 被 测 信 号 的 基

28、频 ) 频 率 以 上 的 信 号 衰 减 到30 %以 下 7 。 巴 特 沃 兹 滤 波 器 作 为 迄 今 为 止 用 得最 多 的 滤 波 器 。 幅 频 响 应 在 通 带 内 非 常 平 坦 ,过 渡带 的 衰 减 速 度 比 巴 塞 尔 滤 波 器 要 快 ,在 阻 带 范 围 内响 应 没 有 波 纹 。 所 以 非 常 适 合 作 为 数 据 采 集 系 统 中的 抗 混 叠 滤 波 器 。 从 巴 特 沃 兹 低 通 滤 波 器 频 率 特 性曲 线 可 知 ,四 阶 巴 特 沃 兹 滤 波 器 就 可 满 足 上 述 要 求 。在 此 ,我 们 采 用 Microchip

29、 公 司 的 MCP60x 作 为 构成 Sallen2Key 拓 扑 的 运 放 。基 于 Sallen2Key 拓 扑 的 电 路 如 图 7 所 示 ,由 于电 容 选 择 的 受 限 制 性 ,所 以 在 设 计 的 时 候 ,优 先 考 虑电 容 的 数 值 ,对 于 电 阻 ,由 于 可 以 利 用 电 位 器 进 行 调节 ,所 以 数 值 上 只 是 给 出 了 理 想 状 态 下 的 值 。图 7 基 于 Sallen2Key 拓 扑 的 实 验 电 路在 设 计 的 时 候 ,我 们 运 用 了 Microchip 公 司 的FilterLab 滤 波 器 设 计 软 件

30、。 通 过 它 ,我 们 可 以 方 便地 观 察 到 滤 波 器 的 幅 频 响 应 和 相 频 响 应 ,并 对 设 计参 数 进 行 调 整 。 图 8 是 图 7 所 示 电 路 的 响 应 曲 线 。从 图 中 我 们 可 以 看 到 ,在 78 f 1 频 率 点 ,也 就 是 3.9kHz 处 ,信 号 的 衰 减 度 约 为 - 12dB ,低 于 衰 减 30 %对 应 的 - 10. 46dB。 达 到 了 设 计 目 标 。3. 3 基 于 状 态 变 量 拓 扑 的 设 计 方 案 及 结 果3. 3. 1 滤 波 芯 片 MAX274/ MAX275MAX274 和

31、MAX275 是 由 多 个 独 立 的 可 级 联的 二 阶 连 续 时 间 有 源 滤 波 器 组 成 的 8 ,其 中 每 一 个滤 波 器 能 够 通 过 对 外 接 电 阻 的 选 择 实 现 任 意 的 全 零点 带 通 或 者 低 通 滤 波 器 的 频 率 响 应 ,例 如 巴 特 沃 兹 、巴 塞 尔 以 及 切 比 雪 夫 滤 波 器 。 MAX274/ MAX275由 于 采 用 了 基 于 连 续 时 间 的 设 计 ,所 以 它 所 产 生 的噪 声 比 开 关 电 容 滤 波 器 产 生 的 噪 声 要 小 ,而 动 态 特性 却 十 分 理 想 。MAX274 由

32、 四 个 二 阶 滤 波 器 组 成 ,所 以 可 以 实现 八 个 滤 波 器 。 它 的 其 他 特 性 还 包 括 中 心 频 率 高 达150kHz、 在 全 部 可 工 作 温 度 范 围 内 的 精 度 高 达 1 %、 总 谐 波 失 真 的 典 型 值 为 - 89dB。MAX275由 两 个 二 阶 滤 波 器 组 成 ,所 以 可 以 实图 8 基 于 Sallen2Key 拓 扑 的 滤 波 器 实 验 电 路 响 应 曲 线现 四 阶 滤 波 器 。 它 的 其 他 特 性 还 包 括 中 心 频 率 高 达300kHz ,在 全 部 可 工 作 温 度 范 围 内 的

33、 精 度 高 达 0. 9 % ,总 谐 波 失 真 的 典 型 值 为 - 86dB。这 两 款 芯 片 可 以 采 用 + 5V 或 是 5V 供 电 。由 于 它 的 良 好 特 性 ,所 以 MAX274/ MAX275 经常 被 用 在 低 失 真 抗 混 叠 滤 波 ,A/ D 转 换 器 输 出 平 滑滤 波 和 音 频 、 声 纳 信 号 的 滤 波 等 领 域 。 另 外 ,Max2im/ Dallas 公 司 还 提 供 了 相 关 的 滤 波 器 设 计 软 件 ,极大 地 方 便 了 设 计 。图 9 给 出 了 每 个 滤 波 器 单 元 的 状 态 变 量 拓 扑

34、,这 个 拓 扑 可 以 通 过 不 同 位 置 的 输 出 ,独 立 地 实 现 低通 和 带 通 功 能 。 从 拓 扑 图 中 可 以 看 到 , MAX274/MAX275 四 放 大 器 的 设 计 ,使 得 它 对 于 寄 生 电 容 和高 带 宽 可 以 做 到 相 对 的 不 敏 感 。 内 置 的 电 容 与 放 大器 和 外 部 的 电 阻 一 起 ,构 成 了 带 反 馈 的 级 联 积 分 器 ,能 够 同 时 提 供 低 通 和 带 通 输 出 。 为 了 增 大 带 宽 ,高通 节 点 是 不 可 访 问 的 。3. 3. 2 实 验 电 路由 于 电 容 已 经

35、在 芯 片 内 部 集 成 ,所 以 在 设 计 的时 候 ,只 要 考 虑 电 阻 就 行 了 ,相 应 的 电 阻 值 为 :单 元 1 , R1 = 142. 857k , R2 = 714. 286k , R3= 77. 314k , R4 = 709. 286k , F0 = 2. 800kHz , Q =541. 196m ;单 元 2 , R1 = 142. 857k , R2 = 714. 286k , R3= 186. 652k , R4 = 709. 286k , F0 = 2. 800kHz , Q= 1. 307。由 于 可 以 利 用 电 位 器 进 行 调 节 ,所

36、 以 数 值 上 只是 给 出 了 理 想 状 态 下 的 值 。 另 外 ,在 设 计 的 时 候 ,我们 运 用 了 Maxin 的 滤 波 器 设 计 软 件 。 通 过 它 ,可 以方 便 地 观 察 到 滤 波 器 的 幅 频 响 应 、 相 频 响 应 和 群 延迟 ,并 对 设 计 参 数 进 行 调 整 。 图 10 是 在 上 述 参 数 下的 幅 频 响 应 曲 线 。 从 图 中 我 们 可 以 看 到 ,在 78 f 1 频率 点 , 也 就 是 3. 9kHz 处 , 信 号 的 衰 减 度 约 为- 12dB ,低 于 衰 减 30 %对 应 的 - 10. 46d

37、B ,达 到 了 设计 要 求 。41计 算 机 应 用 电 子 技 术 2003 年 第 4 期中 国 传 感 器 http :/ / www. sensor. com. cn图 9 MAX274/ 275 每 个 单 元 的 内 部 电 路4 总 结信 号 调 理 电 路 是 数 据 采 集 系 统 中 一 个 关 键 部分 ,其 中 的 隔 离 部 分 通 过 切 断 接 地 环 路 ,避 免 高 的 共模 电 压 ,达 到 了 保 护 数 据 采 集 设 备 的 目 的 ;而 如 果 缺少 了 模 拟 滤 波 ,超 过 A/ D 转 换 器 采 样 带 宽 一 半 的 信号 就 会 产

38、 生 混 叠 ,一 旦 信 号 在 离 散 化 的 过 程 中 受 到了 混 叠 ,就 不 能 再 从 中 分 辨 出 来 。 Sallen2Key、 双 极点 多 路 反 馈 、 状 态 变 量 作 为 常 见 的 滤 波 器 拓 扑 ,有 着广 泛 的 应 用 。 对 于 它 们 的 设 计 ,繁 琐 的 公 式 计 算 已图 10 状 态 变 量 滤 波 器 的 幅 频 响 应经 不 再 是 主 流 的 设 计 方 法 ,因 为 可 以 借 助 滤 波 器 设计 软 件 来 实 现 ,这 也 使 得 观 察 幅 频 响 应 、 相 频 响 应 和群 延 迟 变 得 非 常 方 便 。 本

39、 文 针 对 电 能 质 量 监 测 提 出了 一 整 套 信 号 调 理 电 路 的 设 计 方 案 ,对 于 测 量 精 度的 提 高 和 数 据 采 集 设 备 的 保 护 具 有 实 际 的 意 义 。 对于 其 他 高 速 数 据 采 集 系 统 的 设 计 也 有 着 普 遍 意 义 。参 考 文 献1 Data acquisition (DAQ) fundamentals , National InstrumentApplication Note 007 ,19992 Signal conditioning fundamentals for computer2based mea2

40、surement systems , National Instrument Application Note048 , 20013 Bonnie C. Baker. Anti2aliasing , analog filters for data ac2quistion systems. Microchip , 19994 AD202/ 204 Databook , Analog Devices , 20015 A filter primer , Maxim Application Notes , 20016 奥 本 海 姆 ,谢 弗 ,巴 克 . 离 散 时 间 信 号 处 理 (第 2 版

41、 ) ,西安 :西 安 交 通 大 学 出 版 社 ,2001 ,150 1537 汪 小 平 、 杨 维 翰 、 王 绍 兰 . 便 携 式 电 能 质 量 分 析 仪 的 研制 . 电 测 与 仪 表 ,2002 ,37 (411) :19 218 MAX274/ MAX275/ Software/ EV Kit Databook , Maxim ,1996研 祥 推 出 高 性 价 比 的 IPC26805 壁 挂 式 机 箱国 内 大 型 嵌 入 式 智 能 平 台 厂 商 研 祥 智 能 科 技 股 份 有 限公 司 宣 布 推 出 一 款 高 性 价 比 的 6 槽 壁 挂 式 工

42、 业 机 箱 IPC26805。 该 品 适 用 于 交 通 收 费 和 车 道 控 制 器 ,及 银 行 、 博 彩 、DVR、 电 力 、 自 动 化 等 行 业 。 该 品 除 提 供 各 项 符 合 标 准 的 特性 外 ,还 采 用 了 EMC 弹 片 设 计 。 该 机 箱 符 合 交 通 测 控 器 标准 ,与 现 行 使 用 机 箱 在 外 观 和 安 装 尺 寸 、 安 装 方 式 上 完 全 兼容 。Agilent 携 手 国 内 半 导 体 厂 商 共 创 产 业 春 天Agilent 日 前 在 半 导 体 行 业 盛 会 SEMICON China 2003上 宣 布

43、 将 进 一 步 加 强 与 国 内 半 导 体 厂 商 合 作 ,共 同 推 动 中 国半 导 体 产 业 发 展 。 计 划 包 括 继 续 为 中 国 客 户 提 供 高 性 能 、 低成 本 的 测 试 解 决 方 案 及 强 大 技 术 支 持 与 培 训 ;同 时 与 国 内 教育 及 科 研 机 构 合 作 培 养 中 国 半 导 体 产 业 高 端 人 才 。 会 上 ,Agilent 还 向 方 舟 科 技 、 中 国 华 大 和 威 宇 科 技 3 家 厂 商 颁 发了 “ 战 略 合 作 伙 伴 奖 ” 。 方 舟 科 技 已 选 择 Agilent 93000 SOCC400e 测 试 系 统 对 中 国 第 一 颗 量 产 制 造 的 400MHz 低 功 耗32 位 CPU“ 方 舟 2 号 ” 进 行 测 试 。 大 陆 第 一 家 专 业 IC 设 计公 司 中 国 华 大 IC 设 计 中 心 选 择 了 Agilent V3300 型 非 接 触式 智 能 卡 IC 解 决 方 案 来 测 试 其 最 新 系 列 CIR7101 非 接 触 式智 能 卡 集 成 电 路 。51 电 子 技 术 2003 年 第 4 期 计 算 机 应 用中 国 传 感 器 http :/ / www. sensor. com. cn