CN207099056U - 一种多通道数据采集前端偏置电路 - Google Patents

Abstract

一种多通道数据采集前端偏置电路，属于数据采集电路，旨在解决现有技术对多通道数据采集的高成本、体积大、精度低的问题。本实用新型包括2^M路输入电路、2^M个运算放大器、一个模拟开关和一个隔离放大器，所述2^M路输入电路各自分别均包括电感L1、电感L2、电容C1以及电阻R1、电阻R2；2^M路输入电路中的电阻R2和电阻R1的连接点分别与2^M个运算放大器正向输入端连接，2^M个运算放大器的输出端分别连接模拟开关的2^M个模拟信号输入端；经模拟开关选通后的输出信号经过隔离放大器进行隔离，再接入AD芯片输入端；本实用新型成本低、体积小、信号测量稳定性好，采集信号更加精准，能够完成多路通道数据的采集。

Description

一种多通道数据采集前端偏置电路

技术领域

本实用新型属于数据采集电路，更具体地，涉及一种多通道数据采集前端偏置电路，可用于电子设备测试。

背景技术

在电路设计过程中常需要对多通道的数据进行采集，通常存在所采集的信号电压幅值超过AD芯片电压量程的情况，需要将所采集数据电压偏置到AD芯片量程范围内，因此多通道数据采集前端偏置电路对于数据采集是否精确至关重要。在多通道数据采集电路中一般采用多通道输入的AD芯片，然而在AD芯片输入需要隔离的情况下，将导致隔离芯片的使用成倍增长，不利于低成本和小型化；另一种方式是采用模拟开关对多通道数据进行切换，然而偏置电路比率选取不合适和阻抗不匹配都会影响采集精度。因此，以上两种方式均不能兼顾对低成本、小型化和测量精度的要求。

发明内容

本实用新型提供一种多通道数据采集前端偏置电路，旨在解决现有技术对多通道数据采集的高成本、体积大、精度低的问题。

本实用新型所提供的一种多通道数据采集前端偏置电路，包括2^M路输入电路、2^M个运算放大器、一个模拟开关和一个隔离放大器，2≤M≤5，其特征在于：

所述2^M路输入电路的组成元件和结构相同，各自分别均包括电感L1、电感L2、电容C1以及电阻R1、电阻R2；电感L1和电感L2并联后，一端作为一路采集信号输入端，另一端通过电容C1接地，同时通过串联的电阻R2和电阻R1接地；

所述2^M个运算放大器的组成结构相同，2^M路输入电路中的电阻R2和电阻R1的连接点分别与2^M个运算放大器的正向输入端连接，2^M个运算放大器的输出端分别连接模拟开关的2^M个模拟信号输入端；经模拟开关选通后的输出信号经过隔离放大器进行隔离，再接入AD芯片输入端；

所述电阻R1和电阻R2满足关系：其中，V₁为所采集的信号电压最大幅值，V₂为AD芯片采集量程的电压最大值。

本实用新型中，输入电路的电感L1、电感L2和电容C1构成滤波电路，电阻R1、R2构成偏置分压电路，运算放大器N2起到阻抗匹配和电压跟随作用，模拟开关N6对分压后的多路信号进行选通，隔离放大器N5起到信号隔离作用。

各路采集信号通过电感L1、L2和电容C1进行滤波；然后由电阻R1、R2偏置成AD量程范围内的电压；再经过运算放大器N2电压跟随后输入N6，经模拟开关N6选通后的输出信号经过隔离放大器N5进行隔离，接入AD芯片输入端。

本实用新型成本低、体积小、信号测量稳定性好，能够完成多路通道数据的采集，通过实测，能够保证通过偏置后的被采集信号和AD输入端信号误差在5 2MV内，保证采集信号更加精准。

附图说明

图1是本实用新型实施例的电路示意图；

图2为图1在不采用阻抗匹配电路时的等效电路图；

图3为图1的等效电路图。

图中字符说明如下：

YLCL1+为被采集信号其中的1路；

YLCL1～YLCL8为通过LC滤波和电阻偏置后的8路被采集信号；

308A0～308A2、308EN分别为模拟开关的通道选择控制和使能端；

GND为接地端；

+5V5、-5V5分别为隔离前端供电电源正、负端；

+5VAD、-5VAD、AGND分别为隔离后端供电电源正、负端和接地端。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型的实施例，包括8路输入电路、8个运算放大器、一个模拟开关和一个隔离放大器；

所述8路输入电路的组成元件和结构相同，各自分别均包括电感L1、电感L2、电容C1以及电阻R1、电阻R2；电感L1和电感L2并联后，一端作为一路采集信号输入端，另一端通过电容C1接地，同时通过串联的电阻R2和电阻R1接地；

所述8个运算放大器N2的组成结构相同，8路输入电路中的电阻R2和电阻R1的连接点分别与8个运算放大器N2的正向输入端连接，2M个运算放大器N2的输出端分别连接模拟开关N6的2M个模拟信号输入端；经模拟开关N6选通后的输出信号经过隔离放大器N5进行隔离，再接入AD芯片输入端；

所述电阻R1和电阻R2满足关系：其中，V₁为5V，V₂为3V。

本实施例中，运算放大器N2采用OPA277UA芯片，该芯片能够在±2V到±18V的宽范围电源工作，并且具有超低失调电压和漂移，低偏置电流，高共模抑制比，高功率电源抑制性能；模拟开关N6采用2MAX308ESE+芯片，该芯片为具有8通道输入，低功耗，支持单电源或双电源工作，双电源能够在±4.5V到±20V的宽范围电源工作；隔离放大器N5采用ISO124U芯片，该芯片能够在±4.5V到±18V的宽范围电源工作，静态工作电流在5.5 2MA；

图1中，其中一路输入信号YLCL1+，幅值范围为0V～5V；通过电感L1、L2和电容C1进行滤波；然后由电阻R1、R2偏置成AD量程范围内的电压；再经过运算放大器N2电压跟随后输入模拟开关N6，经模拟开关N6选通后的输出信号经过隔离放大器N5进行隔离，接入AD芯片输入端。本实施例中AD采集范围为0V～3V，而YLCL1+的输出幅值范围为0V～5V，因此偏置电阻分压比必须满足通过计算得出然而满足这种比率的组合有很多，由于AD芯片本身都存在误差，为了使误差降到最小，因此需要选取一种最优的偏置电阻分压比。本实施例中AD芯片的最大误差为50 2MV，忽略采集信号在电路中传输过程中的压降，分别对不同电压选取1/5、2/5、3/5的分压比进行计算，具体情况见表1。

表1分压比对采集精度的影响

从表1可知，在偏置电阻分压比确定后，整个采集值的最大误差已经确定。分压比越大最大误差越小。因此在对偏置分压比进行选择时，应按最大分压比进行选取，本实施例中选取的偏置电阻分压比3/5。

偏置电阻分压比确定后，接下来就是确定偏置电阻阻值。如图2所示，若去除图1中的运算放大器N2，此时可能存在选取的偏置电阻阻值与后级阻抗不匹配导致的采集值与理论值出现偏差。假设偏置电阻后端的模拟开关N6和隔离放大器N5的等效输入阻抗为Rx,则可将图1电路等效为图2所示。

此时的电路为Rx与R1并联后再与R2串联，计算偏置电路分压比为由于Rx未知，若选取的电阻R1和R2阻值不合适可能导致很大，将促使分压比小于从而导致与理论值出现偏差。可以在偏置电阻和模拟开关之间增加一级运算放大器N2作为电压跟随器，由于其输入阻抗Ri趋近∞，而输出阻抗趋近0的特性，因此可将图1电路等效为图3所示。

此时的偏置电路分压比为而Ri趋近∞,因此因此同时Ro≈0，因此经过偏置后在后级Rx上的电压没有损耗，保证AD采集输入端实际电压与理论值一致，从而保证了采集精度。通过增加一级运算放大器省去了选取偏置电阻阻值的麻烦。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种多通道数据采集前端偏置电路，包括2^M路输入电路、2^M个运算放大器、一个模拟开关和一个隔离放大器，2≤M≤5，其特征在于：

所述2^M路输入电路的组成元件和结构相同，各自分别均包括电感L1、电感L2、电容C1以及电阻R1、电阻R2；电感L1和电感L2并联后，一端作为一路采集信号输入端，另一端通过电容C1接地，同时通过串联的电阻R2和电阻R1接地；

所述2^M个运算放大器(N2)的组成结构相同，2^M路输入电路中的电阻R2和电阻R1的连接点分别与2^M个运算放大器(N2)的正向输入端连接，2^M个运算放大器(N2)的输出端分别连接模拟开关(N6)的2^M个模拟信号输入端；经模拟开关(N6)选通后的输出信号经过隔离放大器(N5)进行隔离，再接入AD芯片输入端；

所述电阻R1和电阻R2满足关系：其中，V₁为所采集的信号电压最大幅值，V₂为AD芯片采集量程的电压最大值。