多通道微弱电流采集电路的检测与改进

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硕士学位论文

多通道微弱电流采集电路的检测与改进姓名：刘维东学位级别：硕士学位

专业：控制理论与控制工程指导老师：江海鹰20080610济南大学硕士学位论文征求摘要

本文介绍了一种适用于激光粒度测试仪的多路微弱光电流采集电路的设计方案以及对采集电路进行性能评估和故障诊断的设计方案。 课题中完成的任务共分为四部分分：设计了128种光电流采集电路； 做了8路程控电流源。做了一个采集初步开发了集成电路性能评估系统采集电路故障诊断系统。 可编程电流源作为可控电流源标准信号源向采集电路提供电流信号，采集电路采集完毕后向上位机发送数据，做爱可以评价系统完成采集电路各项指标的评估。 故障诊断系统通过了软件诊断和硬件诊断结合方式迅速准确地确定故障点。

在传统的多路电流采集电路设计方案中，首先进行变换，然后模拟开关的切换。 变换中反馈电阻参数的色散性及信号放大处理电路中各通道的非均匀误差对测量结对水果的准确性有很大影响，基于上述理由，提出了电流直接切换方案。 电流先流过切换模拟开关后，利用精密转换电路获得相应电压。 这个方案从根本上从理论上消除转换后模拟开关切换引起的色散误差。 试验中发现模拟开关断开更换后的电流有不稳定现象。 本文分析了这一现象，提出了改进措施。 作为信号滤波的一部分，制作50HZ陷波器，消除工频电对采集电路的干扰。 通过级别比较进行编码电路和可编程放大器PGA203实现了自动范围放大，提高了电路的动态范围和处理速度度。 根据采集电路中控制端口多、实时性要求高的特点，主站采用FPGA，型号为EP2C8Q208C8。 FGA在采集电路前通道完成模拟开关、采样保持器和模数转换器的控制，在FPGA内部采用滑动平均滤波算法对采集数据进行数字滤波处理和利用RS232实现FPGA和PC的通信。八路可编程电流源以AT89S51单片机为控制核心，通过数模转换器控制压控电流在实现源极电流供给的同时，收集利用信号调整电路和模数转换器生成的电流信号，仅芯片内部采用PID数字调节器实现电流闭环调节，此外还实现了串行通信功能是的。 可以用PC代替键盘设定和监视电流。

收集电路性能评价系统基于数据收集系统检查方法及计量检查标准，对收集数量的线性、均匀性、准确性、稳定性等指标进行了测试，使用了文字和图表显示测试结果。故障诊断系统通过软件诊断和硬件诊断相结合，实现了128路光电流采集电路多通道微弱电流采集电路的检测与改进

迅速准确地识别故障。 按照收集电路各部件从后到前的顺序，从串行CI、PGA、RAM、程控放大、采保、模拟开关等器件的故障检测与定位。关键词：光电流检测、程控电流源、性能评估、故障诊断济南大学硕士学位论文ABSTRACT

thispaperintroducesthemulti-channelweakphotocurrentacquisitioncircuit，theperformanceevaluationsystemandthedesignoffaultdiagnosissystemofacquisitioncircuit.paperconsistsoffourparts:aphotocurrentacquisitioncircuit； an eight-channel目前来源； anacquisitioncircuit’sperformanceevaluationsystemanda操作circuit’sfaultdiagnosissystem.NC (numeric contr 01 ) current source as a standard signalsourceinjectscurrenttotheacquisitioncircuit，the performance evaluation systemevaluatesindicatorsoftheacquisitioncircuit.faultdiagnosissystemcallocatefault快速和加速。thetraditionalcurrentcollectionhaveenormousimpactontheaccuracyof

measurement results，becauseofthedispersionofi/vfeedbackresistor ' parameters and theunevenerrorinthesignalprocessingcircuit，based on the above reasons，this paperpresents a

directlycurrentswitchingprogrammer.currentisswitchedbyanalogswitchfirstly，thengoesthroughi/vconversioncircuit，and at last，acquires correspondingvoltage.This programmer call eliminate dispersion of error which is caused by INconversion firstly．In the experiment，we founded the current is unstable after beingswitched by analog switch．This paper analyzed the phenomenon and proposed a solution．In the process of signal filtering，it produced a 50 HZ filter to filter out the noiseinterference．It increases the dynamic range and speed by PGA203 programmable controlamplifier circuits and coding for automatic conversion．The controller is FPGA andFPGA's type is EP2C8Q208C8．FPGA controls the analog switches，sample and holddevices and Analog-to-digital converter．In FPGA,it adopts the moving average digitalfilter for data acquisition and communicates witll PC by RS232．Eight—channel current source adopts AT89S5 1 micro controller as the control core．Itcontrols voltage-controlled current source to achieve the required current by digital·-to·-analog converter,it uses signal conditioning circuits and analog-to-digital converter tocollect feedback voltage signal and complete current closed-loop control by digital PIDalgorithm．On this basis，it has serial communication function,which Can set and controlm

多通道微弱电流采集电路的检测与改进

the current easily by PC，

The performance evaluation system of photocurrent acquisition circuit makescalculation of data which includes linear,uniform consistency,accuracy,and stabilityanalysis to evaluate the system．After data processed,it displays characters andwaveforms。The system also has preserving and priming functions．The fault diagnosis system Can locate the 1 28-channel acquisition circuit’S faultquickly and exactly by the diagnosis of software and hardware．In accordance with theacquisition circuit components from the former to the back,it completes fault searchingand location,which includes serial，FPGA，RAM，programmed amplification and analogswitches．Keywords：photocurrent current detection；numeric control current source；performanceevaluation；Fault diagnosis

IV

原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：盔∑晕亟：关于学位论文使用授权的声明

本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：堆导师签名：邀日期：趔．2分济南大学硕士学位论文

第一章 绪论

1．1课题背景、目的和意义

科学技术的发展依赖于测量技术，同时也对测量技术提出新的更高要求。概括来讲，测量技术始终围绕着提高测量速度和精度这两个基本问题发展。测量速度的加快，不仅仅是节省了测量时间，还意味着对被测量系统快速变化的响应能力和处理能力的提高。测量精度是一种测量系统、一种测量方法优劣的重要评判指标。测量精度的提高意味着检测灵敏度的提高和动态范围的扩大，即容纳更多的噪声和从噪声中提取信号能力的提高。数据采集系统的任务，就是采集传感器输出的模拟信号并转化成计算机能识别的数字信号，送入计算机，将计算机得到的数据进行显示或者打印，以便实现对某些物理量的监视，其中一些数据还将被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。

微弱信号检测(Wreal(Signal Detection，简称WSD)111是用来提高测量精度的技术，其任务是研究微弱信号的检测理论，探索新方法，研制新设备，解决各学科中的应用问题。所谓“微弱信号”可以从两方面理解：其一有用信号的幅度相对于噪声显得微弱；其二信号的幅度绝对值极小。

本课题的目的是对一个适用于激光粒度测试仪的多通道弱电流数据采集电路的改进，同时设计一个采集电路性能评价系统和一个采集电路故障检测系统来完成对该采集电路各项性能指标的评价和硬件电路故障的检测。目前市场上销售的多路数据采集板大多数是针对电压输入信号，且通道数较小，一般在8～24路，不能满足粒度测试仪的要求。如采用多块采集板则价格较高，还需外加多通道、高精度I厂V转换电路，提高了激光粒度测试仪的生产成本。国内的激光粒度测试仪大多是32-～84通道的，其数据采集电路存在着采集周期长，各通道线性度均匀一致性及稳定性、抗干扰能力差等问题。另外很少有研发单位提供对采集电路各项性能评价和硬件故障检测的系统，本课题研制的多通道弱电流采集电路、性能评价系统和故障检测系统解决了以上问题。课题任务共分四部分

◆设计一个128路光电流采集电路l

多通道微弱电流采集电路的辛龟测与改进◆制作一个8路程控电流源◆制作一个采集电路性能评价系统◆初步研制了一个采集电路故障检测系统

电流采集电路采集的是0"--20,uA微弱电流信号，通道数为128路。采集速率不低于20KHZ，误差在3％以内；程控电流源能产生8路o---,20#,A的弱电流，误差在2％内，纹波不超过l％；通过采集电路评价系统和故障检测系统可以准确方便地对采集电路的性能做出评价和定位采集电路硬件故障。1．2国内外研究动态

该数据采集电路是专门针对于激光粒度测试仪的，国内外很少有公司专门做这种多路弱电流通用数据采集卡(电流采集卡的电流一般在毫安级别，通道数最多不超过16通道)。这种多路弱信号电流采集卡一般由激光粒度测试仪制造商专门生产。在国外，有名的激光粒度测试仪生产公司有英国的马尔文粒度仪，美国的库尔特粒度仪，法国的西拉思粒度仪器，中国在近20年也取得了长足的进步，比较有影响力的有山东微纳，珠海欧美克，四川精新，丹东百特等。天津大学、上海理工大学(原上海机械学院)和济南大学等高校也致力于该项目的研究。国外的激光粒度测试仪通道数一般在100路以上，而国内的激光粒度测试仪通道数最高在70路左右；国外仪器的重复误差一般小于2％，国内仪器的重复误差一般在5％；在采样速率上国外的能达到20l皿，而国内的一般低于10KHZ。这说明国内的针对激光粒度测试仪的采集电路性能上与国外相比还有一定的差距【2J。1．3论文的组织结构

论文从结构上分为以下五个部分：

第一章，首先对课题研究的背景作了大体的介绍，阐述了课题研究的目的和意义，然后分析了当前国内外的发展动态，并叙述了论文的组织结构。第二章，介绍了128路光电流采集电路的制作方案。首先介绍了激光粒度测试仪的构造，然后介绍了粒度测试仪采集电路硬件设计，在硬件方案设计中提出光电流传感器输出端存在着分布电容，并给出一种解决方案，然后介绍了采集电路软件设计，重点描述VHDL语言在采集电路软件设计中的应用。2

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ir iTiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii宣iiiiiiiiiiiiiiiiiiiii宣第三章，阐述了8路程控电流源的软件硬件设计方案，并给出了电流源性能测试结果。

第四章，首先介绍了采集电路评价系统的标价指标，然后给出了标价指标的具体实现方法，最后给出了采集电路在评价系统测试下各指标的具体值。第五章，首先介绍了采集电路故障诊断系统设计的总体设计方案，然后给出采集电路各部分故障诊断的具体方法。第六章，总结全文，并对下一步的工作进行展望。1．4论文的主要研究成果

(1)在多路光电流采集电路的设计中，本文提出了一种先模拟开关切换后IⅣ转换的方案，并解决了该方案带来的电流切换不稳定的现象，克服了传统的先I～转换后模拟开关切换方案中的一些缺点。(2)制作了采集电路性能评价系统和采集电路故障诊断系统，填补了行业内的空白。

1．5本章小结

本章介绍了课题的背景、目的和意义，国内外研究动态，论文的组织结构和论文的主要研究成果。3

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第二章 微弱光电流采集电路的制作2．1激光粒度测试仪及数据采集的介绍2．1．1激光粒度测试仪介绍1．国内外激光粒度测试仪现状

国产激光粒度测试仪已知的颇具影响力的有珠海“欧美克”，丹东的“百特”，四川成都的“精新”；进口的激光粒度测试仪有法国的“CILAS”，日本的“HORJBA"，英国的“马尔文”，美国的“COULTER”，德国的“SYMPATEC”以及以色列的一家。与国外的相比，中国的粒度测试水平与先进国家相比，还有不少的差距，具体表现在以下几个方面：(1)在测试技术的基础研究上，不论是深度还是广度，都明显超过国内。(2)国外粒度仪的种类、完善程度、附件品种都远超我国。(3)在创新上显的信心不足。

(4)在样品测试上，国内没有开展系统的测试。2．粒度测试仪的各种测试方法

随着人们对激光粒度测量意义的认识加深，逐渐发展了许多测量方法。传统方法主要有筛分法、显微镜观察法、沉降法、衍射散射法等。课题中的激光粒度测试仪测量方法采用的是衍射散射法【3】【41。下面介绍衍射散射法原理，详细结构如图2．1所示。光电探测器d

图2．1衍射散射原理图夏万■≯≯_0●I

激光器发出的光束扩束后经过光阑形成一个直径为8mm的平行光束，此平行光束照射到待测粒子时会发生衍射现象。课题中激光粒度仪使用的探测器(即光电接收阵列)共128环，它位于透镜的焦平上，每环对应一个角度范围，每环收集的能量正是透镜前具有相同角度范围的一个圆锥光线族所发出的能量衍射。散射光的强度分布与测5多通道微弱电流采集电路的检测￡i改进

量区中被照射的颗粒直径和颗粒数相关，这些参数为粒度测量提供了尺度。对散射光强的计算只考虑了夫琅和费衍射形成的散射。而对于通过粒子的几何光学折射和反射引起的散射效应，以及山于其他原因而引起的散射都未考虑。对于直径仅大于光波波长几倍、几十倍的粒子来说，几何光学反射与折射所引起的作用是很小的，衍射效应是主要的。仅当粒子直径比光波波长大几百倍时，反射和折射的作用才比较显著，这时不能忽略它们的影响。研究表明，就角度很小的前向散射来说，衍射的作用仍占着优势。当散射粒子的尺寸入射光波长的几十倍到几百信，散射半角小于7度时，可用夫琅和费衍射近似。目前专门用于测量液体雾滴的激光粒度仪是以夫琅和费衍射理论为基础。激光粒度仪中使用的光电接收器位于透镜的焦平而上，每环对应一个角度，每环收集的能量正是透镜前具有一相同角度范围的一个圆锥光线所发出的能量，如果把衍射图形以光轴为中心分成m个同心环带，只要测出各环上的光能量，就可建立m个如下的方程。Pl-寺墨c鲁Io[J02(Z1 2)叫(Z11)一职Z12)叫(Z12)】铲砉至c历w，,Io[J02(Z21)+J12(z：·)一职Z22)叫(z：：)】 (2．1)i

铲砉至c历，Io[J02(z一叫(乙)一职Zm2)叫(Zm2)】式(2．1)建立衍射光能与粒径之间的对应关系。若已知各环的内外半径，照射光的波长A和接收透镜的焦距．厂，根据各环上的探测到的能量，就可以由上述方程组求出粒子的尺寸分布形，这就是激光粒度仪的理论依据。2．1．2数据采集介绍1．数据采集的基本概念

数据采集技术【51是信息科学的一个重要分支，它与传感器技术、信号处理技术、计算机技术一起构成了现代检测技术的基础。

数据采集系统的任务是采集原始的模拟信号，把它们转换为计算机可以处理的数字信号，其主要指标有采样精度和采样速度。采样精度主要由A／D转换器的位数决定，而采样速度由A．／D转换器最高工作频率决定，然而，两个指标是相互制约的。对于高速采集技术而言，最为重要的是系统的分辨率、精度与通过速率。特别是系统通过速6济雨大学硕士学位论文

率是区别高速数据采集与一般数据采集最为关键的一项技术指标。2．采样、量化、编码、误差

模拟信号经过采样，虽然在时间上离散化了，但在幅度上仍是连续的，还不能满足信号数字处理的要求。所以采样信号还必须通过量化处理过程，将采样值限制在若干预定的有限离散值上，才能变换成数字信号。

采样是对模拟信号在时间上进行离散化，而量化则是在取值范围内进行离散化。经过采样和量化的模拟信号就变成取值有限的数字序列，即完成了A／D变换。用有限字长的数字量去逼近信号幅值的过程称为幅值量化，简称量化。实现量化的过程是根据系统所需数字量的字长选择一个合适的单位，把采样信号的幅值划分为若干相等的单位间隔，不同幅值的采样信号将处在不同的采样间隔内，在对各个信号舍零取整，进行量化逼近，把信号幅值所覆盖的单位间隔数进行适当编码，就得到该采样值的数字输出。量化的分档单位，即两个相邻量化水平的差，称为量化单位。用数字量来表示幅值连续变化的模拟量，一般情况不会正好相等，也就是说存在误差。在量化过程中，仅在某些特殊点(模拟量值恰好等于量化单位的整数倍)上，量化误差为零，而在其他点上则存在的误差称为量化误差。2．2系统方案设计

2．2．1常规的电流采集方案

传统的电流信号采集【6】时，一般是先将电流信号通过W转换实现电流到电压的转换，转换后的电压信号经模拟开关切换，再通过放大器进一步放大，启动A／D进行采集。电路设计方案如图所2．3示。2．3常规数据采集电路设计方案图7

多通道微弱电流采集电路的柃测与改进

在多路模拟开关前面是用于把电流转化成电压信号的IⅣ转换电路，每一路信号需要对应一个IⅣ转换电路，IⅣ转换电路见图2．4所示。图中所示的IⅣ转换中，IⅣ转换输入与输出对应的关系为Vo=‘R，，输出的电压信号与输入的电流信号成正比，其比例系数为电阻R，。由于采用了多个IⅣ转换，每个IⅣ转换的转换系数由电阻尺，来决定，而每个电阻的阻值很难做到完全一致，从而给系统带来了各通道的分散性误差。另外，如果达到本系统设计的128路信号采集，则需要有128个IⅣ转换，增加了线路板的面积，扩大了设计成本。m

2．2．2改进的电流采集方案图2．4 I／V转换电路

针对常规电流采集方案【7】中所带来的各通道分散性误差、高成本等弊端，本系统采用了先模拟开关对电流信号进行切换，然后再进行W转换的方案，方案如图2．5所示。放大采样保持

图2．5先模拟开关切换后IN转换的电流采集方案五] I．．．．．．．．．．二J

从图2．5可以看出，先用模拟开关对电流进行切换，再进行IⅣ转换，只用一个IⅣ转换就可以实现电流信号的采集，理论上既减少了常规电流采集方案中各通道增8济南大学硕士学位论文

益的分散性误差又减少了电路设计的成本。

但是在进行模拟开关直接切换电流的试验时，发现模拟开关切换电流后电流信号有一冲激跳变并呈指数衰减，经过一段时间以后信号才能稳定，如图2．6所示。图中是信号源为程控电流源时模拟开关进行两次切换时，IⅣ转换中的反馈电阻上电压波形。(IⅣ转换中的反馈电阻上电压与切换的电流成比例关系，课题中一律采用W转换中的反馈电阻上的电压来等效电流)。图2．6切换后电流衰减现象图，信号源为电流源

从图2．6可以看出，信号源为电流源时，模拟开关切换后，电流指数衰减的时间大约为80 p S。信号源换成环阵列光电探头，不同环的电流衰减的时间不一致，大约为50p S'---'200∥S。如果要准确地采集信号，就要等电流稳定以后再采集，这样就增加了采样时间，采样速率降低，达不到系统的要求。所以必须解决电流稳定时间过长的问题。2．2．3采集电路进一步改进方案

先模拟开关切换后IⅣ转化方案克服了常规方案中的较大的分散性误差和成本过大等缺点，却带来了信号采样时间的增加。通过试验现象可以看出，模拟开关在切换时，电流先是在瞬间很大，然后慢慢衰减，最后再趋于稳定。从图中的现象推测引起电流指数衰减的原因很可能是由电路中某器件上存在分布电容引起的。在实验时，信号源分别是激光探头与自制的信号源时，衰减的时间大小不等，初步肯定电流衰减的现象与信号源有关，和信号源后级采集电路各部件没有关系。信号源输出端存在一定的分布电容。构建的信号源模型如图2．7所示。图2．7中，。是电流信号源，C是信号源输出端存在的分布电容，K是模拟开关，9多通道微弱电流采集电路的检测与改进

R是图2．4 IⅣ转换中的反馈电阻。当模拟开关K在切换之前时(开关没有闭合)，电流源会对电流源输出端中的分布电容C充电，当模拟开关闭合时，电阻R上通过的电流不仅有这一路信号源所发出的电流，还有分布电容C对电阻R充放电的电流(在课题中，电容C对电阻R放电)。弹辛

一／ 。T

K ≤ Ir [；图2．7信亏源等效模型

在图2．7 r9，‘+七=IR，％=厶R， 厶=百uc，L=C警L+c譬：誓 5 (2．2) 西 R、 7

caU_c一警：一‘ (2．3)dt R。 、 。—L

微分方程通解：％(f)=Ae肥，微分方程特解：Uc=lsR。当t=O时，％(0)=Vo．·．A+IsR=Vo，A=vo—IsR，全解为：—L

uc(f)=(Uo—isR)e肥+LR (2．4)

根据公式(2．4)，信号源等效模型的电流切换后，IⅣ中转换反馈Egm_k的电压波形如图(2．8)所示。图中的波形与实际切换后的反馈电阻上的电压波形基本一致。U(V)图2．8 由等效模型得到的切换波形图S)

由式(2．4)可以看出，反馈电阻R上的电流按指数规律衰减，衰减快慢的大小取决10济雨大学坝士学位论文

于去，令f=RC，工程上一般认为经过3r一5r时间衰减结束‘下面的计算以5r为衰减结束)。程控电流源电流呈指数衰减的时间为80ⅣS，则程控电流源输出端存在的分布电容的大小由式(2．5)得出C=1．6nF。5r=80／aS=5RC (2．5)

为了进一步验证输出端分布电容的存在，在电流源的输出端加上不同型号的电容，然后再进行模拟开关切换，电路如图2．9所示，G为外接电容。／钭 亍eK[i

图2．9信号源输出端加电容的等效模型图

外接电容O．01／．t F和O．1／J F时，切换后的波形如图2．10所示。图2．10外接电容为O．01ⅣF和O．1ⅣF时，电流切换现象图

在图2．10中可以看出，当电流源输出端外接电容为0．01／．1 F时，电流衰减持续时间大约为420／．t S；当电流源输出端外接电容为0．1／．1 F时，电流衰减持续时间大约为3300／J S。当电流源输出端外接电容时，其输出端电容为分布电容和外接电容之和，根据式(2．5)计算的衰减时间和实际电路中的衰减时间如表2．1所示。从表2．1中可以看出，理想衰减时间与实际衰减时间比较接近，进一步证明了电多通道微弱电流采集电路的柃测与改进流源等效模型的正确性。表2．1衰减时间对比图

电容型号 0．01／．JF 0．1且F理想衰减时间(／．JS) 350 3600实际衰减时间(p S) 420 3300在公式f=RC中，C是固定值，要减少f的时间，只能减少电阻月的值。但是在试验当中，发现电阻R取值较小时存在以下几个问题：

(1)在切换的瞬间，电流尖峰依然存在，很高的尖峰对信号有较大的干扰。(2)电阻R较小时，后级放大电路放大倍数较大，容易引入误差。IⅣ转换电阻上的电流呈指数衰减的原因是因为在模拟开关闭合前，信号源对分布电容充电，当开关闭合后，通过IⅣ转换电阻的电流不仅有信号源的电流，还有分布电容对外放电的电流。如果能在模拟开关闭合前，分布电容上已经放电完毕，在模拟开关闭合后，IⅣ转换电阻上流过的电流就只有信号源的电流了。经过试验，采用以下的方法解决这一问题，对应的电路图如图2．11所示。／1槲c }局 『J 卟 、

图2．1l采集电路进一步改进方案

图2．11中一路信号用了两个模拟开关，其中开关局是正常的电流切换需要的开关，开关岛经电阻月2接地，在局闭合之前，恐一直是闭合的，信号源的电流通过局流向地。当局闭合时，恐打开，由于分布电容上的电荷在前一周期没有储存多余的电荷，所以在局闭合后就不会存在电容放电的现象了，模拟开关上通过的电流为信号源上的电流，改进后电流切换现象如图2．12所示。在图2．12中，波形1是改进前电阻冠上的电流波形，波形2是改进后电阻墨上12

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的电流波形，改进后基本消除了电流衰减的现象。图2．12改进后电流切换现象2．2．4光电流采集电路总体框图波形1

波形2

．图2．13 电流采集电路总体框图

图2．13是电流采集电路的总体框图。在图2．13中，模拟开关1对各路电流切换分时采集；模拟开关2用来消除电流信号源输出端分布电容的影响；IⅣ转换把电流转换成电压；采保1为后级的程控放大稳定信号；程控放大器PGA203与数字编码器共同组成自动量程放大器；采保2使送入AD转换器的信号保持稳定；A／D转换器对把模拟信号变成数字信号，送入到主控芯片中；由于采集的路数达到了128路，端口较多，所以主控芯片采用了FPGA，同时将数据存贮到RAM中。FPGA在读入A／D转换器转化的信号的同时，还要对模拟开关1、模拟开关2、采保1、采保2等器件进行控制，同时读入编码器输出的值；采集到的信号经处理存储后，由RS232传送到上位机，以作后续的数据处理。1 3

多通道微弱电流采集电路的柃测与改进2．3采集电路各部分硬件设计2．3．1模拟开关的选择

模拟开关是一种由数字信号来控制电路导通和截止以控制模拟信号传输的器件，又称电子开关。选择开关时主要考察以下几个指标‘8】：1．通道数量

集成模拟开关通常包括多个通道。通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响，通道数越多，寄生电容和泄漏电流就越大。通道数少，寄生电容和泄漏电流对采集的电流信号影响越小，但课题中采集的路数达到128路，如果采用通道数少的模拟开关，则需要使用更多片模拟开关，在课题中采取折中的方案，选取模拟开关的路数为8路。2．泄漏电流

一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。．而实际开关断开时为高阻状态，漏电流不为零，常规的CMOS漏电流约lnA。如果信／号源内阻很高，传输信号是电流量，就特别需要考虑模拟开关的泄漏电流，L般希望泄漏电流越小越好。

3．导通电阻

导通电阻的平坦度与导通电阻一致性，导通电阻会损失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失更大。应用中应根据实际情况选择导通电阻足够低的开关。根据以上指标，选择AD公司的ADG508模拟开关，ADG508的主要指标如下：◆导通电阻：300Q

◆开关时间：。to．=250ns，to睁250ns◆泄漏电流：20PA2．3．2 IⅣ转换电路

在对信号放大、采集之前，需要把电流信号转换成电压信号，IⅣ转换电路实现了信号从电流到电压的转换。基本实用的IⅣ转换电路有以下两种，如图2．14所示。(a)为反相输出电路，其输出为14

济南大学硕十学位论文Vo=一LRr (2．6)(b)为同相输出电路，其输出为Wo=LR／ (2．7)m R(a)反相输出电路 (b)同相输出电路图2．14基本的IN转换电路

通过转换的公式可以看出，输出电压与输入电流成正比，可以用来实现电流到电压的转换，比例系数由反馈电阻厨决定。但是这类IⅣ转换存在着共模抑制比低、输入阻抗低等缺点，在弱小信号转换中，产生的误差较大，本课题中采用图2．15所示的电路【9】。AlA2

图2．15高精密W转换电路

图中运放A1、A2接成比例运算电路形式，且两者都采用同相输入使得电路输入阻抗高。电路结构采用对称形式，外围电阻采用高精密电阻，使得漂移、噪声、失调电压和失调电流等相互抵消，提高了电路的测量精度。根据集成运放的虚短和虚断原理。可得输入输出关系为：15

多通道微弱电流采集电路的检测与改进‰=‘·尺幸(1+2恐／局)母也／心2．3．3 50HZ陷波器电路(2．8)在试验当中，发现50HZ的市电对采集电路有较大影响，因此需要在采集电路放大之前接陷波器，以消除市电信号对采集电路的干扰。1．双T阻容有源陷波器【1 o】

目前广泛采用的对称性双T阻容有源陷波器。它一般由低通滤波器和一个高通滤波器电路并联起来构成，其理论计算和设计都比较成熟，图2．16就是一个采用这种形式的50HZ陷波电路。踟ut

图2．16双T阻窨陷波器

其陷波点频率为：厶=万1丽1 妒南 Q9) 。2(2一厶) 、7这类陷波器对称性要求高，元器件精度要求严格，否则直接影响陷波频率和Q值，因此对制作工艺带来困难，而且调节起来相当困难，不适合课题要求。2．UAF42构建的滤波器

陷波器的设计最困难的在于得到严格容差、低损耗、匹配的电容。BB公司的UAF42通用有源滤波器【111克服了这方面的缺点，它可广泛应用于高通、低通、和带通设计中。UAF42的内部结构如图2．17所示，具有以下特点：(1)通用性强，可根据需要设计成高通、低通、带通、带阻滤波器：(2)设计简单，BB公司还为UAF42专门设计了一个软件，从而可以方便灵活地设计各种不同类型地滤波器；(3)具有高精度频率和高Q值：

济南大学硕士学位论文 iiiiiii宣i宣iiii宣iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii宣i 7 i i'iiiiiiiii(4)片内集成有在实际使用时，1000pF地电容

市电频率往往有偏差，而且干扰强度也随使用环境

因此采用两片UAF42进行两级双T陷波，带宽都是15HZ，二阶电路，率别为49．8HZ和50．2HZ。陷波器电路如图2．18所示。In2In

高通 OUT 带通OUT 低通OUT不同而变化。陷波中心频R

1000PF 1000PFr—1 l I lI I’

R

掺I陟R‘I陟

仓． 仓一侈／ 叫／‘今广—1 I ．GND

图2．17 UAF42的内部结构图2．3．4自因为

动量程放大电路

图2．18双UAF42构成的两级陷波器

在本系统中电流输入的范围较宽，为了保证系统的测量精度和测模数转换器采集之前，应使被转换量在模数转换器转换线形特性范围以内17量范围，在，并尽可能

多通道微弱电流采集电路的柃测与改进

地利用1／2刻度到满刻度的区域进行测量，这就需要在模数转换器采样之前放置一个能根据输入的值进行自动调整放大倍数的放大器，来使信号尽可能地落在1／2刻度到满刻度之间。

在A／D采集之前进行信号增益自动调整的常用的方法有两种：一种程

放大‘121’，

一个是自动量程放大【13】。 程控放大的原理是先采集一次，根据读取的信号值进行判断

设定放大器的放大率，然后再次采集信号。 实际上，采集两次(

提前采集(，增大了信号的采集时间。 本系统采用了第二种方法。 自动范围扩大，那是根

根据各采样点模拟信号的电压振幅实时地确定增益，其电路由PGA203和数字编码器构成

构成。

1 .可编程放大电路

PGA203是可进行单芯片增益控制的双端子输入设备用放大器，编程增益为l、2、4，

8。 通过CMOS/TTL逻辑电平选择控制，与控制器的接口很容易。 包括FET输入和跨距

电路在不同增益时，带宽基本一致。 由于采用了激光修正技术，导致增益损失

无需通过外部设备进行调整，使用方便。 主要性能参数：

构建时间： 20PS(no.01% ) ) ) ) )。

偏置电流： 50PA

非线性误差： s 0.012%

共模电压范围：4-10''-' 13V

共模抑制比： 80dB

输出阻抗： O.5Q左右

增益误差： 0.1% (标准值)

输入阻抗： 10GQ

静态电流： 6.5mA左右

电压范围：6--------4--18v

数字逻辑电平：与CMOS/TTL逻辑电平完全兼容

2 .数字编码器

数字编码器由比较器和逻辑电路构成。 输入并比较了收集的模拟信号

整流器和逻辑电路的处理输出PGA203确定增益所需的值。

为了将模拟信号控制在AD转换器的合理量化范围内，将模拟信号分为4个阶段。

0-0.4V(A档)、0.4.0.8V(b )、b档)、0.8.1.6V(d(c )、c档)、1.6V )以上) d档)。 电压分为4个阶段，3

19

济南大学硕士学位论文

个电压比较器完成，电压比较器为LM339。

智慧校园教务系统

的2的倍数选择端子，同时发送到主处理器。 数字编码器的真值表如表2.2所示的【14】:

表2.2数字编码器真值表

移位基准o~0.4v(x3 ) 0.4~0.8v ) x2 ) 0.8~1.6V ) x1 )大于1.6v

比较得到真值ll1

0 l l l

O 0 l 1

Ao l 0 1 0

AI l l 0 O

PAG203倍率8 4 2 l

真值表和简化的逻辑关系式：

() ) ——(==一一

厶=xlx2XlX2X3

) L=X2

下图2.19是数字编码器的硬件电路图。

图2.19数字编码器的硬件电路图

19

(2.10 )。

(2.11 ) )。

多通道微弱电流采集电路的测量与改进

2.3.5 FPGA概述

FGA部分是本系统的控制核心模块，搭载了所有的数字电路部分。 用FPGA

平台实现了系统所需的所有数字逻辑。 使系统中的数字部分完全可行

调整程序状态，根据需要更新FPGA程序即可，具有较强的适应性和灵活性。

基于这样的想法，我们选择了Altera公司的Cyclone系列EP2CSQ08C8。 如下

详细介绍该系列FPGA的性能和特点。

1.Cyclone系列FPGA的主要特性

Altera的Cyclone系列FPGA基于成本优化，全铜工艺1.5V，SRAM工艺

以一半的成本仍然为竞争对手的FPGA提供了强大的功能。 最多20060个逻辑

除了编辑单元和288K位的RAM之外，Cyclone系列的FPGA还集成了许多复杂的工作

的双曲正切值。

Cyclone系列FPGA提供全功能锁相环(PLL )，专用于板级时钟网络管理

使用I/O接口连接符合行业标准的外部存储器设备。 Altera的NioslI系列是

处理器的IP资源也可用于开发Cyclone系列FPGA。

2.Cyclone系列FPGA的配置方式【15】

展开，也称为加载或下载，是对FPGA内容进行编程的过程。 每次都接通电源

需要以后配置(Configuration )是基于SRAM工艺的FPGA的特征之一，也可以说是

一个缺点。 这是因为SKAM进程具有易失性。 但是如果采用有源串行，则为Active

Serial ) )配置模式可以有效地解除这个问题。 每次接通系统电源时，Altera都会

专用有源串行配置芯片，如EPCS系列自动将程序加载到FPGA中，无需人工加载

偶然的纠纷。

根据FPGA在构成电路中的作用，其构成数据可以使用3种

)1) FPGA主动(主动)方式。

)2) FPGA无源(Passive )方式。

)3) JTAG方式。

在FPGA有源方式中，从目标FPGA有源地输出控制信号和同步信号(包括结构时钟)

给定Altera专用串行配置芯片(EPCSI、EPCS4等)，配置芯片收到命令后

将配置数据发送到PPGA，完成配置过程。 Alters FPGA支持的活动方法是

由于同时使用了Altera公司提供的有源串行配置芯片(EFCS类YU )，Altera将这种配置转换为

济南大学硕士学位论文

表达式也称为“有源串行AS模式”。 此模式只有Altera的StratixlI、Cyclone和Cyclonc2

系列设备支持。

33V

Hcadet5X2

^~稍1117.3 3V

州

图2.20 FPGA系统结构图

21

多通道微弱f电流采集电路的柃测与改进

本系统中，使用了2种配置

采集电路程序的模块图如图2．21所示。图2．21采集电路程序总体框图

前置电路控制模块主要完成采集电路中模拟开关、采样保持器和程控放大器的控制；AD采集模块控制TLC2543对放大后的信号的采集；数据处理模块对采集到的信号做滑动平均滤波处理，滤掉频繁起伏的随机误差； RS232收发模块是一个全双工异步收发器，用来完成FPGA与PC机之间数据的相互收发；收发控制模块的作用是来分析上位机发送过来的指令，根据指令提取存储的数据，然后把数据通过RS232收发模块发送给上位机；时钟分频模块给程序当中的各模块提供时钟。济南大学硕士学位论文2．4．2采集电路程序模块具体实现1．前置电路控制模块

前置电路的控制包括模拟开关的控制、采样保持器的控制和自动量程放大器的控制。图2．22是前置电路控制模块的框图。一k…aig…ua…n_…ko…ng…zh…i…………………reset

clkena

fangda afangda b图2．22前端电路控制模块框图

框图中reset，clk，ena，fangda_a，fangdab是模块的输入接El；sel[5．．0】，caibao_1，caibao一2，ad_flag，pga[1。O】是模块的输出接口。reset：复位端；clk：时钟输入端；ena：采集模块使能端；fangda a和fangda b是PGA203的放大倍数的两个输入端；sel[5．．0】是模拟开关的控制端；caibao 1，caibao 2分别是两个采保的使能控制端；ad_flag是启动AD模数转换的使能端；pga[1．．0】传送PGA203的放大倍数给AD采集模块。图2．23是前端电路控制模块的仿真图。y-lut at． 11-o0 pm

— clk B 0谤 -d-nq B 0侈 c“b．．． B I。 c．ib．．． B 0沙 B I口 f●n‘．． B l一 f姐‘．． B O移 囝pp 暑0l— reset B 0晷 固sel l∞1010)Ps 80 9M 160 Pns 240 PM

320．P M 400 o m 伽．p n‘]pmJ

几n几n几nn nn nnnnnn nn nn n几n几n几n几肌唧n几nn n几n几n丌n几n几n几n几n几『几：L———————．一J’广——]

：01

： CXJIOIO X}

图2．23前端电路控制模块的仿真图。2、模数转换模块

模数转换模块负责TLC2543(12位的A／D)驱动程序的编写。TLC2543是一款伽，一2一妁伽L

=：一

多通道微弱电流采集电路的柃测与改进

具有12位分辨率的A／D转换器，在工作温度范围内10us的转换时间，SPI总线接口1161。图2．24是TLC2543的引脚图，图2．25是TLC2543的时序图。ADTO VCCAINl EoCAIN2 CLoCKAIN3 DATA【NA仆M DATA oUTArN5 CS

AIN6 REF}ADi7 REF—A仆18 ADil0GND ADT91LC2543图2．24 TLC2543的引脚图

AIN0-AINl0-模拟量输入端，11路输入信号由内部多路器选通。CS：片选端，由高变低时，内部计数器复位。DATA INPUT：串行数据输入端，由4位的串行地址输入来选择模拟量输入通道。DATAOUT：A／D转换结果的三态串行输出端。EOC：转换结束端，在最后的I／O CLOCK下降之后，EOC从高电平变为低电平并保持到转换完成和数据准备传输为止。CLOCK：输入／输出时钟端。图2．25 TLC2543时序图

方框图中reset，clk，ad—en，fd[1。0】，datain是模块的输入接121，，CS，clock，dataout，flag，d num[2。0】，data[11．．0】是模块的输出接口。reset-复位端；clk：时钟输入端，ad en：模数转换使能端；fd[1．．0】：PGA203放大倍数输入端；datain：TLC2513转化后的数字信号输入端；CS：TLC2513，clock：TLC2543时钟输入端；，dataout：24济南大学硕十学位论文

TLC2543通道地址输入端；flag：数据处理模块的使能端；td_num【2．．0】：通道号；data[11．．0】：转化后的数据。图2．26是TLC2543驱动程序的方框图。图2．27是TLC2543驱动的仿真图。图2．26 TLC2543驱动程序的方框图p m l 0

__一

劳 reset -0__一

时 ·d．n I 1一 htti# -l画 田fa l饭●一移 dodt 1 0_一

口 CI l 0

晷 曰dttt I∞∞呱__一口 Ittma l 0_。～谚 n≮ l 0

蚕 固tdJ_ 1 0--_一

硼皿舢册8舢唧I咖硼唧啊唧啊I肌唧帅唧m唧唧唧0删姗‘ ∞

|UUlIUul 0 0 0 0 0 0 JUU|Ⅲ|UU|IUU| 0 0 0咖0 0IuUll 0广] 广] 广]：咖00000c姗 X 111111111111广] 广1 n

0 X I X

图2．27 TLC2543驱动模块的仿真图3、数据处理模块

设动态测试数据y(t)由式所示的确定性成分f(t)和随机性成分x(t)组成【1 71，且前者为所需的测量结果或有效信号，后者即随机起伏的测试误差或噪声，即x(t)=e(t)，经离散化采样后，可相应地将动态测试数据写成：Yk=石+ek， k=l，2，…丹 (2．12)

为了抑制随机误差咯的影响，常对动态测试数据儿作平滑与滤波处理，具体地说，就是对非平稳的数据儿，在适当的小区间上视为接近于平稳的，而作某种局部平均，以减小气所造成的随机起伏。这样沿全长n个数据的逐一小区间上进行不断地局部平均．即可得出较平滑的测量结果以，而滤掉频繁起伏的随机误差。 ‘多通道微弱电流采集电路的柃测与改进I

例如，lR_lz式n=5，则M、此、乃、儿、弘均可表为：只2i．i11．(乃+儿+乃+儿+乃) i=l，2，…5 (2．13)显然这样得到的六=Y。，其起伏因平均比原始数据减小，即更平滑了，故称之为平滑数据，由此得到对随机误差或噪声的估计。上述动态测试数据的平滑与滤波方法就称为滑动平均。需指出五只能得到大部分取值，缺少两端的取值，通常称其为端部效应，需设法补入。沿全长的11个数据，不断逐个滑动地取m个相邻数据作加权平均来表示平滑数据，其一般算式为：

正=只=艺q坛彬 k=q+l，g+2，…N-p (2．14)

式(2．14)中，wj为权系数，且艺哆=l，P，q为小于m的任一正整数，I；lp+q+l--m。这些参数不同的取法就形成不同的滑动平均方法。在本课题中，考虑至UFPGA的存储容量及运算速度，取5个样本点，p=q，

{q)=‘百1，素，而6，而4，i1)，即中心平滑法中的二项式法【18】。数据处理模块的仿真图如图2．28所示。4、UART通信模块一、UART简介

图2．28数据处理模块仿真图

UART是一种广泛应用的短距离串行传输接口。基本的UART只需要两条信号线(RXD，D①)就可以完成数据的相互通信，接受与发送是全双工的形式。TXD是UART发送端，为输出；RXD是UART接受端，为输入。二、FPGA UART系统组成FPGAUART由三个子模块组成：即波特率发生器，接受模块，发送模块u91。原济南大学硕十学位论文

理方框图如图2．29示。

图2．29 UART的原理方框图三、模块设计(1)顶层模块

异步收发器的顶层模块由波特率发生器、UART接收器和UART发送器构成。UART发送器的用途是将准备输出的并行数据按照基本UART帧格式转为TXD信号串行输出，UART接收器接收RXD串行信号，并将其转化为并行数据。波特率发生器就是专门产生一个远远高于波特率额本地时钟信号对输入RXD不断采样，使接收器与发送器保持同步，电路图如图2．30所示。图2．30 UART的顶层模块图(2)UART接收器

图2．31是UART接收器程序的模块图。

在图2．3l中，bcll【r，resetr，rxdr是接收器模块的输入接口，r_ready，rebuf[7—0】是模块的输出接E1。bclkr．．时钟输入端；reset／'：复位端；rxdr：数据接收端；r_ready：多通道微弱电流采集电路的检测与改进接收完毕标志位；rebuf[7．．0】：接受到的数据。图2．31 UART接收器的模块图

图2．32是UART接收器程序的仿真图。(3)UART发送器I

‘00000000 X 01110011]厂]：厂■] I ，，，。。 。，；．； ；} 4： l：i； i：， ；， ：i r；l }；图2．32 UART接收器的仿真图

图2．33是发送器程序的模块图。在图2．33中，bclkt，reset，xmit_cmd_p，txdbuf[7。0】是模块的输入接口，txd，txd—done是模块的输出接口。bclkt：时钟输入端；resett：复位端；xmit_cmd_p：发送器使能端；图像txdbulf【7．．01：待发送的数据；txd：发送的数据输出端；txd—done：发送一个字节的结束标志位。图2．33发送器程序的模块图图2．34是发送器程序的仿真图济南大学硕士学位论文

_

口p日产屯多重多画衄p

bclkt B lresett{ B 0圆B txd B oo囝txdbuf；B 1010101聃it…I 暑0厂l厂]厂|厂|I：I

： 10101010J ； ；

图2．34发送器程序的仿真图(4)波特率发生器

波特率发生器为接受器和发送器提供精准的时钟。课题中的UART速率为9600kbit／s，FPGA的晶振为32M，因为接收器与发送器是每16个周期动作一次，故波特率发生器需要提供频率为153600HZ的信号。波特率发生器实际是一个208分频器。波特率发生器的仿真图如图2．35所示。ydne atlie

12，4坫

睁 clk； B 0o bch B 0

]ps 1．碍Ⅱ 2．碍璐 3．8}砧 5．1}虹 6．4I帖 T．叼世12．4坫j

I I I I I

图2．35 波特率发生器的仿真图5、收发控制模块

收发控制模块通过UART接收器接受到上位机发送的命令，在课题中约定上位机发送字符‘a’，如果上位机发送过来的字符是字符‘a’，则收发控制模块从RAM中提取数据，然后通过UART发送器把数据发送给上位机。图2．35是收发控制模块的方框图。图2．35收发控制模块方框图多通道微弱电流采集电路的柃测与改进

图2．35中reset，clk，reci_flag，transfer_out_flag，rebufsss[7．．0】’dataram[1 5。0】是收发控制模块的输入接13；ram_tongdaonumber[11．．O】，data_transfer[7．．0】，cmd是收发控制模块的输出接13。reset：复位端；clk：时钟输入口；reci_flag：UART接受数据标志位；transfer__out__flag：UART发送完毕置为端；rebufsss[7。0]-上位机发送的命令；data_ram[15．．0】：从RAM中所取的数据；ram_tongdaonumber[11。0]-从rain中取数据的地址；data_transfer[7．．0]-串13要发送的数据；cmd：串口发送使能。图2．36是收发控制模块的仿真图。妒 clk蕾多 cad

谬 团dlta．．．移 田data．．．蚤 田r蛳一…帚 田reb也．．皿p r●Cl…臼p r●s●tnp tran．．移 团nml移 田n胁2移 田姗3

移 田tmp B 000000C2．5本章小结图2．36收发控制模块的仿真图

本章介绍了128路光电流采集电路的具体制作。在采集电路的硬件制作方案中，提出了电流信号源输出端分布电容的存在，并给出了解决方案。采集电路控制核心采用了处理速度快、控制方便的FPGA．采集电路速率不低于20KHZ，误差在3％以内。济南大学硕十学位论文第三章 程控电流源的制作

课题中设计的采集电路前端传感器是激光探头，由于激光探头受实验室周围的环境影响较大，不能提供恒定的微弱电流，无助于电流采集评价系统，因此需要设计一个多路的程控电流源来代理光探头作为标准信号源。目前市场上销售的多路电流源大多输出电流只能达到毫安级，且通道数较少，不能满足粒度仪测试的要求，所以需设计一个八路微安级程控电流源，以满足采集电路性能评价测试的要求。此恒流源具有以下几个特点：1．电流恒定，带负载能力强，输出的电流值误差控制在1％内。2．提供的电流跨度较大，O雌"---20I_tA，最小步进为0．1衅。3．灵活地对电流进行设定。

3．1程控电流源概述1．恒流源的定义

“恒流源”【20】这个术语，原则上是指这样一种稳定电源：它的输出的电流与其外部影响无关，实际上，大多数恒流源是用电子电路实现的，而且仅当外部条件在一定的范围内变化时，才能保持输出的电流基本不变。2．恒流源的主要技术性能指刷21】

(1)电压调整率：负载和环境温度为定值时，输出电流自身的相对变化量与输入电压相对变化量之比值，记做既，即通常以输入电压波动-4-10％时，输出电流的相对变化量来表示电压调整率。显然，既的值越小越好。

(2)负载调整率：电源电压和环境温度为定值时，输出电流自身的相对变化量与输出电压(即负载电阻)的相对变4七12_Lh值，记做S即幽～伽一蝴一洳S =AIo

岛=(盘)Uos

显然，岛的值越小越好，恒流源的性能越好。(3．2)

(3)电流稳定度：输出电流自身的相对变化，记做Z即r：_Mo I (3．3)10

、 。

3．2程控电流源系统设计3．2．1系统工作原理

单片机为下位机的主控核心，控制八路数模转换器将预置的数字量转换成对应的模拟电压，来对压控电流源进行控制，压控电流源输出对应的电流，实际当中由于受负载因素、温度因素以及后级采集电路中模拟开关切换引起的波动等影响，光靠前向通道，难以达到精确输出的目的，基于以上因素考虑，本设计引入闭环控制的思想，实时地、快速地去控制输出电流达到稳定值。先由精密取样电阻产生取样电压，取样电压经模数转换器反馈给单片机，然后在单片机内部用PID调节器实现电流闭环反馈控制，达到精确控制电流的目的。电流值的设定与显示没有采用通常的键盘设定和数码管显示，而是通过RS232口与PC机连接，通过上位机软机(LabVIEW设计)来完成对电流值的设定与显示，简洁实用。系统的原理图如图3．1所示：图3．1程控电流源总体框图32

济南大学硕+学位论文

3．2．2硬件设计及工作原理1．程控电流源的前向通道设计

电流源的前向通道主要包括数模转换器和压控电流源。单片机通过数模转换器将预置的数字量转换为对应的模拟量。压控电流源利用运放构成的V／I转换电路实现了电压到电流的输出【22】【231。数模转换器采用了1rI公司的TLC5615。TLC5615是一款10位SPI串行接口的数模转换器，10位保证了电流值最小步进值达到O．1衅，串行SPI接口简化了DAC与单片机的连接压控电流源利用运放构成的电路来实现了电压到电流的转化。电路原理图如图3．2所示。

R1

图3．2 IⅣ转换电路电流

图3．2中的运方U1构成的电路是一个电压跟随器，输入电阻大，输出电阻小，起到前后级隔离的作用。运放U2和运放U3构成了V／I转换电路，来实现电压到电流的转换。V／I转换电路，输出电阻达到1010Q，很好地起到了恒流的作用，下面是V／I转换电路的工作原理。V02=酢2 (3．4)

多通道微弱电流采集电路的棉铡与改进

u，-=页羔Ul+页等uP：=。．5u-+。．5uPz (3．s)u。。=(1+鲁)己r尸。=2u尸。 (3．6)根据pA_k--式得，Uo。=up2+U (3．7)电阻Rs上的电压为％，=uol—up2=U (3．8)gfpAio=等 (3．9)可以看出足决定电流源源输出电流的大小，足选取高精度、温度系数低的电阻。又因为单片机通过D／A转换器输出的电压最大是5V，而需要的电流最大值是20uA，根据上述的公式(4．9)，则该电阻的值选取为250K(2。2．反馈通道为了使电流稳定输出，在电流源的输出通道加一反馈回路，构成闭环反馈。反馈通道通过IⅣ转换电路将程控电流源产生的电流转化成对应的电压信号，然后将采集的电压转换成数字量后传输给单片机，在单片机内做PID调节，不断调整输出，从而保证了电流稳定输出。电流转换成电压通常的做法有以下两种：

(1)在电路中加精密取样电阻【2411251，从电阻上获得电压信号。这种方法的特点是简单方便，但是却无法加载后级负载，因为再串上负载，所取的电压就不再是精密取样电阻上的电压，而是负载与取样电阻并联电压，所以该电路不实用。(2)采用电流／电压转换芯片进行取样1251，这样可以在电流源后级中接入负载，但是电流／电压芯片一般是毫安级别，本系统所产生的电流是微安级别的，会引入较大误差；电流源八路电流输出，需要八片转换芯片，价格昂贵。本系统通过一个减法电路从取样电阻上取压，既克服了方案l中无法接入后级负载的弊端，又能到达精确取样的目的，而且价格低廉。其电路如图3．3所示。图中的Ul和％分别接图3．2中250KQ电阻尺5的两端。R5两端电压为V／I转换输入的电压，只要能检出皿两端的电压就可以知道电流源中产生电流的大小。第一级电路为同相比例运算电路：济南大学硕十学位论文II_

图3．3 l／v转换电路

Uo。划+争r…“ ·2(1+詈’％…¨利用叠加定理，第二级电路的输出：眈=一鲁删+孝Rf2∽：R1=Rf2，Rs=Rf2则…．(4．10)乩-(1+等)(％㈨………………………………2)在图3．3当中髟：髟：和玛这两个电阻阻值相等，所以

Go=2(U2一玑1)…………………………………………(4．1 3)另外由于本系统中所用到的D／A和A／D满量程都是5V，当D／A输出5V满量程时，在Ro上的电压也是5V，则Vo为lOV，显然超过了A／D的量程，所以还要在该级后面接上一个倍数衰减电路(衰减一半)，电路如图3．4所示：图中阢和协均是反相比例放大器，Rl，飓，地阻值均为10K92，R3阻值为5KQ。UoI R蚂2，u=一‰…………………………………………．(4．1 4)u一鲁虬…………………………………………………………“…5)则Uo=0．5U,．……………………………………………．…………………(4．16)多通道微弱电流采集电路的检测与改进

3．2．3软件设计图3．4衰减电路1．上位机软件

在本系统的设计中，用上位机来代替键盘与数码管对电流进行设定与显示。上位机软件流程图如下图3．5所示：NO

发送八路值J接受八路值上求均值土

显示

图3．5上位机程序框图

由于计算机的处理速度快，内存大。计算机作为一个数据处理、显示、控制终端甲圈济雨大学硕l：学位论文

是一个很好的解决方案。上位机软件完成的任务是实时接收由下位机发来数据采集的数据，进行数据分析、处理、显示，然后对下位机进行实时控制。上位机的主要功能模块：人机界面、通讯接口、数据处理。该上位机软件由LabVIEW编写。2．下位机软件(1)主控程序

下位机软件主要负责接收上位机给定的电流值，然后启动D／A转换器来驱动IⅣ转换模块，并接受A／D反馈值，然后调用校准子程序来调整电流输出值，并把实际的电流值送给上位机显示。其流程图如图3．6所示。启动～D转换上

调用校准子程序上启动D／A转换上发送给上位机

图6 F位机程序框图(2)校准子程序

在本系统中采用离散增量PID算法【271来进行电流值的校准，具体控制过程为：单片机经A／D芯片读出实际输出电流k，然后和设定电流B相比较， 得出差值k=厶一厶，单片机根据反的正负大小，调用PID公式，计算出本次电流调节的增量叱， 然后根据前一次D／A芯片输出电流，计算出本次电流输出。≈7多通道微弱电流采集电路的检测与改进离散增量PID的计算公式为：

AIK=KJp【(EI。Er．1)+K，Er+KP(EK-2Er：l+Er．2)】=KD(EK—Er—1)+Kj(EK一2E足一l+EK一2)使用PID算法能否达到设计的调节品质，在于调整好三个关键参数：比例系数砗、积分系数群和微分系数％。各个参数的取值大小分别对系统的性能有不同的影响。(1)比例系数砟对系统的影响：／G太大时，系统会趋于不稳定；廓太小，又会使系统的动作缓慢。

(2)积分系数群对系统的影响：髟大，积分作用使系统的稳定性下降；K，小，积分作用强，会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。(3)微分系数％对系统的影响：微分作用可以改善动态特性，KD偏大时，超调量较大，调节时间较短；屹偏小时，超调量也较大，调节时间也较长；只有KD合适，才能使超调量较小，减短调节时间。根据实验结果，确定Kp=01175，K=01146，KD=01932。3．3电流源测试结果

(1)电流输出范围和步进功能调试

表3．1与表3．2表明系统能很好地实现所要求地步进O．1 p A，电流地输出范围也达到了要求的0--209A。表3．1 负载为10K Q，步进为2衅的情况设定值(衅) 实测值(ttA) 回显值(肚)12 12．．01 11．914 13．08 13．0916 15．97 16．0l18 17．96 17．99济南大学硕士学位论文表3．2负载为10K，步进为O．1雌的情况设定值(衅) 实测值(oa) 回显值(oa)O．1 O．09 0．11O．2 0．2l 0．2O．3 O．31 0．32O．4 O．39 0．41(2)受负载变化的影响改变数控直流源的负载，负载变化对电流的影响。表3．3电流值为10衅，负载变化负载(Q) 设定值(衅) 实测值(衅) 回显值(”)100 10 10．01 10．02

lK 10 9．99 lO10K 10 9．97 9．9850K 10 10．04 10．03100K 10 9．97 9．98表3说明程控电流源受负载的影响比较小，很好地起到了恒流的作用。3．4本章小结

教务网教务系统

第四章 采集电路‘性能评价系统

为了对课题中设计的128路光电流采集电路进行性能的测试与评价，需设计一个采集电路性能评价系统。程控电流源作为标准信号源向采集电路注入电流，采集电路评价系统对采集到的数据按照指标定义4。1采集电路性能评价系统概述

目前电路设计不断发展，导致电路检测系统日新月异，由以前的人工检测，发展到现在的自动检测、智能检测。电路制造技术也正朝着将更多的集成电路安装在一块PCB电路板上的方向发展，同时就对电路检测系统提出了新的要求。但是，随着微电子，数字时代的不断前进，大量的电子产品走进了我们生活的各方面，许多专门的电路检测系统却几乎存在空白，特别是在数据采集方面。现在数据采集仪器不段更新，采集手段多种多样，虽然采集电路的检测系统也发展了多年。但是，很多检测系统还不够完善，功能还很单一，实际运用中范围狭窄，成本较高。4．1．1数据采集电路评价指标介绍关于数据采集系统指标评价，大都采用标准信号源法。这种方法，是给数据采集系统加载特定的输入信号，然后对采集到的数据进行处理，最终获得其性能指标的评价结果，而不破坏数据采集系统的电气结构与用户界面。采集电路性能评价指标有以下几种：

1．通道采集速率：通道单位时间内采集的数据个数。数据采集系统的总采集率是各个工作的采集是各个工作的采集通道采集速率之和。通过给数据采集系统的通道加载有时间标记的信号【28】【29】，启动数据采集系统对该信号执行采集，则通道采集速率V=N／T，其中，T是信号时间的间隔，N是T时间内采集的数据个数。2．线性度：是用来描述数据采集系统采集通道输入输出特性非线性误差限的指标。可以按最dx--乘法【301、理想直线法、平均选点法等计算出不同定义下的线性度．3．通道间串扰：用来描述多通道巡回采集过程中，数据采集系统前一通道对逻辑后继通道的影响的指标，以串扰抑制比SMRR来表示。4．时间漂移：描述的是数据采集系统通道采集特性的时间稳定性。一般以零输入信号采集随时间变化的“零点漂移”及增益随时间而变化的“增益漂移”二参数来定41

多通道微弱电流采集电路的柃测与改进量系统。

5．温度漂移：描述的是数据采集系统通道采集特性的温度稳定性。～般以零输入信号采集值随温度变化而变化的零点温度漂移以及增益随温度变化而变化的“增益温漂移”二参数来定量评价。

6．共模抑制比(CMl球)：是共模直流(或正弦交流)电压峰值％，与其使数据采集系统产生相等的变化值所需要的输入电压△U之比。CMRR=20lg Um／AUI，用此项指标来评价数据采集系统对共模形式存在的干扰信号抑制的能力。7．串模抑制比(NMRR)：串模抑制比是引起采集值给定变化的串模电压的峰值，与被测信号能产生相同变化的电压之比。这一指标只有在数据采集系统对某一频率(或频带)的干扰信号有抑制要求时才被使用。是评价数据采集系统对以串模形式出现的干扰的抑制能力的指标。

8．动态有效位数：理想的模数转换在数据采集中引人与其转换位数相对应的量化误差。在满足采样定理的条件下，实际的数据采集系统对单频正弦交流信号执行数据采集后，根据采集到的数据，求得相应的拟合正弦曲线，将采集数据与该拟合正弦曲线之间的有效值误差归结为动态采集下的量化误差。与此动态量化误差相对应的模数转换的有效位数，称为数据采集系统通道的动态有效位数。 这一指标实际上评价了数据采集系统对单频正弦交流信号(可有直流偏置)采集时，由噪声及各种非线性误差因素引起的误差状况。

9．输入电阻：数据采集系统通道被选通时，其输入端之间的电阻。它是描述数据采集系统通道适应性的一个指标。当其输入电阻过低时，系统准确度会随信号源内阻而变化。通常，通道被选通时与未通时的输入电阻可以有很大差别。10．输入通频带(或输入信号频率范围)：在约定衰减误差下，输入信号频率可变化的范围。该项指标是从另一个方面来评价数据采集系统对交流信号采集性能。11．分辨力；系统通道能够显示出的被测量的最小增量。分辨力指标评价了采集通道在本量程下对信号的最大分辨能力。该指标同时限定了通道的准确度。任伺一个采集通道的误差指标，在小于其采集分辨力的一半时．都是毫无意义的。以上各项指标，构成了对数据采集系统性能总体评价的基础，它们的不同组合可以勾划出数据采集系统不同方面的基本特性。42

济南大学硕士学位论文

4．1．2虚拟仪器及LabVIEW概述

虚拟仪器(virtual instrumentation)是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结合是目前仪器发展的一个重要方向。粗略地说这种结合有两种方式【3¨，一种是将计算机装入仪器，其典型的例子就是所谓智能化的仪器。随着计算机功能的日益强大以及其体积的日趋缩小，这类仪器功能也越来越强大，目前己经出现含嵌入式系统的仪器。另一种方式是将仪器装入计算机，以通用的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，虚拟仪器主要是指这种方式。下面的框图反映了常见的虚拟仪器方案。被 信数 数

测 号 据 虚拟仪器面板对 调采据集处

象 理 理 卡

图4．1虚拟仪器框图虚拟仪器的主要特点有：

(1)尽可能采用了通用的硬件，各种仪器的差异主要是软件。(2)可充分发挥计算机的能力，有强大的数据处理功能，可以创造出功能更强的仪器。)3)用户可以根据自己的需要定义和制造各种设备。

虚拟仪器实际上是根据仪器需求组织的数据采集系统。 涉及虚拟仪器的研究及的基础理论主要是计算机数据采集和数字信号处理。 现在在这个领域是比较多的广泛的计算机语言是美国倪公司的LabVIEW。

虚拟仪器的起源可追溯到20世纪70年代，当时计算机测控系统在国防、航天等领域都有了很大的发展.自从PC问世后，机器级的计算机化已经成为可能，甚至在Microsott公司的Windows诞生之前，m公司在Macintosh计算机上上市了LabVIEW2.0之前的版本。 虚拟仪器和LabVIEW的长期、系统、有效的研究与开发使该公司成为业界公认的权威。普通PC有一个不可避免的弱点，用它搭建的虚拟仪器和计算机测试系统的性能不可能太贵。 目前，作为计算机化设备的~重要发展方向是制定了VXI标准[32，这是是卡式器具。 每台设备都是一个插件，为了保证设备的性能，也被广泛采用43

多通道微弱电流采集电路的检测与改进

的硬件，但这些卡片设备本身没有面板。 面板还虚拟地在计算机屏幕上出现。 将这些卡插入标准VXI机箱并连接到计算机，即可配置测试系统。 VXI机器价格昂贵，现在又推出了比较便宜的PXI标准机器。

LabVIEW是美国倪公司历经数年开发的APP应用程序，从1992年开始面向微软发售Windows平台版本目前已在实验室实现自动化、过程检测与控制、电子学测试、自动化机械、航天及医药领域得到了极其广泛的应用。 集数据收集、数据分析、高分辨率数据显示于一身它被显示为一体化的工具软件。 连接一台微机和一个设备模块，搭载对应的LabVIEW软件构成PC级的设备系统。除了文件I/O、计时器等和c语言程序外，LabVIEW提供了数百个标准VI相似库的VI和用于数字信号处理、数值滤波、统计、数值仪等数据分析的VI用于计算、曲线拟合和接口的VXIbus、GPIB、RS232和用户定义的VI。 用户根目录根据自己的硬件环境自行定义和生成的VI使用高级语言，如C.Pascal和汇编语言通过编程、CIN工具生成，并可用于配置特定的APP位置。4.2数据采集电路评估系统的具体实现4.2.1 LabVIEW串口模块的实现

本课题中，程控电流源、评估系统、故障诊断系统采用串口模块进行通信。首先坐在LabVIEW的串口模块上介绍【3引脚】。图4.2显示了LabVIEW7.1中串行模块的位置。(罪照k寻)—————(园圈目Shu—— ) () ) ) ) ) ) )。图4.2串行模块节点

LabviEW串行端口由Instrument I/O的串行模块控制，主要包括以下VI :济南大学硕士十学位论文

)1) VISAConfigure Serial Port.vi，主要用于设置串行参数。 如图4.3所示。 其中包括波特率、开始位、停止位、奇偶校验位、序列号等。v工s^resot(rcenapo预算(9600 )。

a「abits(8)”

Parity(0:T1.one ) )。error i:L&； o error )(10lrcozLH'ol(o:Hone ) )。1i敲1i cite VISA resource iialBe错误输出

VISA Cen.fi Ellro Seri 11 Fort【1rIS^Confi‘火辣辣的t seri 11端口’】图4.3串行参数配置节点)2) VISAWrite.vi主要用于向字符串El写入数据，如图4.4所示。VIS^resource namewriLe buffer错误(无错误)。

VIS^Vrtte图4.4写入数据节点

duD VISA resoclrCe name回圈止错误输出

)3) VISA Read.vi主要用于从串行端口读取数据，如图4.5所示。 其中，用于字节计数控制从buffer中读取的字节数。 本设计中，1次读出采用2字节。visa资源名称

byte count错误(无错误)。VIS^Read图4.5读数据节点dld v15a资源n拼写fe读缓冲器

retufl rj COUnt错误输出

)4)用于关闭串行端口的VISAClose.vi，如图4.6所示

弘。 e—s:ou.1c。 e邓r饼I rioItanlein error，丑I…。 ITOI毘j _’_三—誓j。 一口uVISA ClOSe图4.6关闭串行节点

)5)如图4.7所示，VISA Clear.vi用于清除串行端口。

vIsA letOulce italue——啊万一是一卜一dup VlsA r补丁unameelTO！ in【m er『orl》。 _J竺匡峰4即日outR CL I图4.7清除串行节点45

多通道微弱电流采集电路的检测与改进

图4.8是本设计中使用的从串口读写数据的例子，程序流程如图4.8所示。[国家…图4.8从串行端口读取和写入数据

首先在串口进行参数配置，本设计通过串口向主站发送指令，接收主站

发送的数据，因为其中有一定的时间间隔，所以在读写数据之间增加延迟。 VISA Read．vi从buffer里读出的是字符串数据，在实际数据处理中，要进行数学运算，在读出数据的同时将其转换为数字数据，利用字符串转换节点，将字符串转换为8位无符号整数数组。每一个字符对应数组中的一个元素，输出的数字是字符在ASC II表中的编号。流程图如图4．9所示。图4．9从串口读写数据的流程图4．2．2评价系统各指标具体实现

在程序中，要完成对数据采集电路的评价，评价的指标有：准确度、线性度、稳定性、均匀一致性，也就是计算采集数据的均匀性、线性度计算、线性度统计、方差、偏差【3211331。济南大学硕士学位论文(1)求平均

如图4．10所示，利用循环，将采集的数据每通道依次读出，对每通道数据求平均，再将所得的结果组合成一维数组，数组长度为采集通道数。图4．10求平均框图程序(2)背景采集

背景采集是为了减去仪器的误差数据，使得采集结果更接近真实值，在处理中，进行背景采集时，利用初始化数组节点，使数据接收中的背景采集数据为0，进行数据采集时，利用本地变量使背景采集数据为实际背景采集值。本地变量在对象值改变之前，本地变量值一直保持不变。同时，将背景采集值保存，以便在数据保存时直接读出该文件。事件控制如图4．11所示，程序框图如图4．12所示。图4．1l 背景采集事件控制程序(3)准确度

图4．12背景采集框图程序47多通道微弱电流采集电路的检测与改进

准确度是考察采集电路数据采集准确性的系统指标。在保持输入不变时，设采集n次，每次采集的数据分别为U，％，．．．以，其中V，汪l，2，…rt是包含64个元素的一维列向量。准确度误差的计算公式为：

iU-U'×100％ (4．1)，，’’ ’

其中U·为标准值，万：三兰U，为U的平均值。 刀i=l

求准确度的程序如图4．13所示，对采集原始数据先求平均，再根据公式(4．1)进行处理。将求得结果放入一维数组和转换为字符串，同时对结果数据进行暂存，用于数据显示模块和数据保存模块。在进行数据暂存时，同时存入采样标准值，如果进行多次采样，则每次采样的结果存入上次采样保存文件的末尾。文件的路径采用固定路径，在进行数据保存时，将删除这些暂存的文件。图4．13求准确度程序圉

Vi圈标

(4)线性度

线性度是考察采集电路中的每一路当输入信号成线性变化时，输出信号是否线性变化的系统指标，是对64路采集通道的其中1路的评价。设输入电流为‘，i=1，2，…，11，输出电压为％，扛1，2，…，玑得到比例系数K=鲁，汪l’2，…，刀，求得K的相对误差：冬箬×100％ (4．2)K

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其中i=!量K。 由相对误差即可判断采集系统线性度的好坏。n i=1

程序框图如图4．14所示。先求出K值，将所得结果暂存，进行两次以上线性度采集时，都会有一个线性度采集结果，当采集达到预期次数时，由“显示通道”控制所要察看的通道的线性度。通过这个变量控制，读出该通道所有K值，根据公式(4．2)计算出该通道线性度，并求出该通道最大误差。由于线性度要进行多次测量，采集数据，所以对每次采集的数据初步处理后都进行暂存，且按先后顺序存入同一个文件中。以便采集结束时直接通过文件读出数据，用于线性度处理和数据保存。图4．14求线性度程序(5)均匀一致性

均匀一致性是考察当输入信号完全相同时，各通道的输出信号是否完全相同的系统指标。设输入电流分别为‘，厶，厶，．．．，L，得到的输出电压分别为U，％，％，…U。设列向量∽，i=1，2，3…疗中各元素分别为{∽。，∽：，∽，，Lu,“)，则各向量均值为I 64∽=去∑％可求得均匀一致性误差为： O‘．k=l

A。％：下w,-u,×100％，i．1，2，…，阼 ‘ (4．3) 阢。。 ’ 、 7

求均匀一致性程序框图入图4．15所示，对采集原始数据先求平均，再根据公式(4．3)进行处理，并在求的结果中找出最大误差。将结果数据放入一维数组和转换为字符串数据，同时对结果数据进行暂存，用于数据显示模块和数据保存模块。在数多通道微弱电流采集电路的检测与改进据暂存时，同时存入采样标准值。图4．15求均匀一致性程序(6)稳定度

稳定度是考察采集电路随着时间的变化，当输入信号相同时，输出信号是否变化。在以个时刻，。，，：，…乙，输入相同的电流J，得到的输出电压分别为U，％，…U，计算得到各向量对应元素的平均值％：三壹以j，七=1，2，．．一64，每通道对应的稳定度相对误差：疋％=麦止耋(％一耐×10蝴H2，…甩 (4．4)图4．16求稳定性程序

稳定度程序框图如图4．16所示，由于稳定度需要多时间段采集，所以先对每次采集数据暂存，再利用循环读出每一通道的数据，对每一通道求稳定度，然后组合成一维数组和转换为字符串数据，用于数据显示。在程序设计时，考虑采集通道不是固定的，在组合成一维数组时，采用先建立个一维数组，值为0，数组元素个数为通道数，在将求得的稳定度数据依次放入建立的数组中。50

4．3测试结果

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(1)线性度、均匀一致性测试表4．1线性度、均匀一致性测试数据表

通道 电流值 电压m 比例系 电流值 电压(V) 比例系 电流值 电压(Ⅵ 比例系(幽-) 数 (1aA) 数 (衅) 数

1 0．5 0．255 O．51 l 0．509 0．509 1．5 0．765 0．5l2 O．5 0．254 0．508 l O．5l 0．51 1．5 0．733 0．4893 0．5 0．255 O．5l l O．52 0．52 1．5 0．78 O．524 O．5 0．255 O．5l 1 0．5 O．5 1．5 O．77 0．5135 0．5 0．255 0．51 l 0．5l 0．51 1．5 0．76 0．5076 O．5 0．254 0．508 1 O．52 O．52 1．5 0．75 O．57 O．5 0．255 0．5l l O．5 O．5 1．5 O．77 0．5138 0．5 0。255 0．5l l 0，53 0．53 1．5 0。74 0．493l 2 l 0．5 2．5 1．28 0．512 3 1．55 O．5172 2 1．05 0．525 2．5 1．27 0．508 3 1．5 0．53 2 l O．5 2．5 1．26 0．504 3 1．5 O．54 2 1 0．5 2．5 1．3 O．52 3 1．55 0．5175 2 1．06 0．53 2．5 1．25 O．5 3 1．53 0．516 2 1．02 O．51 2．5 1．3 0．52 3 1．48 0．4937 2 0．99 0．495 2．5 1．3l 0．524 3 1．5 O．58 2 1．Ol 0．505 2．5 1．25 0．5 3 1．6 0．533表4．2线性度测试误差表通道 比例系数绝对误差 比例系数 最大误差％0．5衅 1衅 1．50A 2衅 2．5衅 3衅 均值

l 0．001 0 0．001 -0．009 0．003 0．008 0．509 1．7％2 O．00l 0．003 ．0．018 0．018 0．001 ．0．007 0．507 3．5％3 0．00l 0．01l 0．011 -0．009 -0．005 -0．009 0．509 2．16％4 O —o．01 0．003 -o．01 O．Ol 0．007 O．5l 1．97％5 -0．001 -0．001 -0．004 O．019 ．0．011 ．o．OOl 0．511 3．7％6 ．0。001 0．011 -0．009 0．001 O。011 ．0。016 0．509 2．17％7 0．003 -0．007 0．006 -0．012 O．017 ．0．007 0．507 2．35％8 -0．002 O．018 -0．019 -0．007 -0．012 0．021 0．512 3．1％5l多通道微弱电流采集屯路的柃测与改进表4．3均匀性测试误差表比例系 最大误

通道 l 2 3 4 5 6 7 8数均值 差％

0．5衅 0．51 0．508 0．51 0．51 0．51 0．508 O．51 0．51 0．509 0．2941衅 0．509 0．51 O．52 O．5 0．51 0．52 0．5 0．53 0．512 2．4161．5ta,A O．5l 0．489 O．52 0．513 0．507 0．5 O．513 0．493 0．505 1．2882衅 0．5 0．525 O．5 0．5 0．53 0．53 0．495 0．505 0．510 1．794由表5．2可以看出，线形度比例系数绝对误差都比较小，比例系数均值误差最大的是2通道和7通道，比例系数误差最大的是8通道，由于最大误差都少于3％，采集系统的线形度比较理想。

由表5．3可见，采集系统均匀一致性比例系数均值都接近理想值0．5l，最大误差也没有超过3％，采集系统均匀一致性达到了设计要求。(2)准确性、稳定性测试

以第一通道为例，输入电流为l衅，测试10次，得到数据如下表5．4所示：测试准确度误差：半×100％=驾笋100％乩76％，萁州=0．51为1衅输入电流对应的理想输出电压值。燃稳定性髓号×100％=筹-2．4％表4．4稳定度测试数据表

测试次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10输入电流(rtA) 1 1 1 l l 1 l 1 l l

输出电压∽ 0．508 0．511 0．52 0．495 0．5ll 0．52l 0．525 0．54 0．532 0．528平均值口 ． O．519标准差仃 0．01254．4本章小结

本章介绍了采集电路性能评价系统的制作，并给出了128路光电流采集电路在采集电路评价系统测试下的各项测试结果。52

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第五章 采集电路故障诊断系统5．1采集电路故障诊断系统概述1．故障诊断系统的必要性

随着科技的进步，对数据采集电路的要求也越来越高。要求系统有高的实时性，精确性，便携性，然而数据采集电路的故障检测方法却相对缺乏，在电路出现故障的情况下，仅由人工凭借传统电子测试仪器(如万用表、示波器等)逐一对电路各个环节进行测试检修，耗时长且不易发现细小问题。本文所研究的课题就是借助一定的软、硬件测试手段对课题中的数据采集电路进行检测、分析，确定科学的诊断方法，初步建立起此类电路的故障诊断平台和故障知识库，从而实现快速、有效、准确地电路故障诊断，帮助相关人员改进、完善电路，确保采集电路工作的稳定性。2．故障诊断方案论证(1)数字逻辑电路的故障诊断方法

数字逻辑电路诊断故障‘34】【351的实际过程，是通过有顺序的运行系统里的门电路和集成电路，然后把各输出端的结果和应该呈现的状态相比较，可以通过使用适当的测试信号和使用宽频带示波器来检查运行的结果，这个示波器的频带宽度最小不能低于10MHz，触发必须是良好的，以防丢失某些脉冲信息。用这个方法，将有助于把故障的寻找从整个系统缩小到一个狭窄的小区域，然后通过静态的检查方法，逐一检查每个门电路或集成电路的功能。方案需要关断或放慢任何系统的时钟脉冲发生器，这就需要几台不同的测试仪器，有些是很昂贵和复杂的，并且由于需要逐一检查每个门电路或集成电路，实现起来比较麻烦，工作量大，所以本课题不采纳该方案。

(2)利用电路故障检测仪器

利用电路故障检测仪【36]137】可以准确地找出电子线路板上短路的故障源，准确定位故障发生位置，从而达到检错纠错目的。HTEDS8000电路故障检测仪系统体系结构：电子设备电路板维修测试与诊断系统主要由主控计算机、VXI总线仪器、IEEE488接口仪器以及专用设备组成。硬件部分可扩展性强，可根据用户的需求做相应的增减。VXI总线具有结构紧凑、标准开放、数据吞吐能力强、模块重复使用等特点，并且虚拟仪器软件结构(VlSA)解决了计算机与仪器之间的接口及应用软件开发环境53多通道微弱电流采集电路的柃测与改进

的兼容性问题，GPIB总线作为一种成熟的标准仪器总线具有广泛的应用范围，两种总线接口在系统中结合应用，使系统的通用性、测试功能及测量带宽的扩充性和电磁兼容能力进一步提高【3引。

对于多种类型电路板的测试诊断，系统通过被测电路板专用适配器与被测电路板相连，激励信号通过通用信号转接箱发送至专用适配器，加载到被测电路板相应端子，同时将被测信号送入通用信号转接箱的信号测量通道，经调理、转接后由VXI测控组合中的测量模块、功能模块或GPIB测量设备实现信号的测量、控制和采集。主控计算机对数据采集及激励设备的工作进行协调和控制，测试数据经过相应的预处理，提供给诊断专家系统。每个电路板通过配置专用适配器和测试诊断程序(TPS)，就可实现电路板的测试与故障诊断。方案(2)虽然精确度高，适用范围广，但成本较高，理论复杂，不适合课题要求。(3)软硬件结合检错【38】【39】【40】

在硬件方面，掌握该采集电路的各个功能模块的用途、内部结构原理、主要特性以及常见故障类型、原因，熟知各元器件的功能，建立数据采集电路故障模型，借助万用表、示波器、数字探针等对电路各节点及元器件管脚有针对性地进行大量检测实验，获取某一节点或管脚在正常和故障两种状态下的对比数据，配合软件手段通过计算机建立起常见故障知识库。软件方面利用串口实现PC机与主控器的通信，通过LabVIEW程序实现图形界面，按流程逐一检测采集电路各功能模块，并与库内数据比较，找出故障位置，然后再利用软硬手段根据各个功能模块的常见故障检测手法准确找到具体故障点并予以排除。方案(3)很好的弥补了两个方案的不足，方案相对简单易实现又降低了成本，利用现有的简单仪器就可实现检错目的。

综上分析，本课题采取方案(3)，即软硬件结合的方法。5-2故障诊断系统具体设计故障诊断电路流程图如图5．1：济南大学硕十学位论文

数

上位PC机据 处理分析确定故障位置采 J L集系 T统

样本信息 结合硬件检测图5．1故障诊断电路流程图

通过LabVIEW设计的上位机操作程序提示，按照图5．1的流程对整个数据采集系统进行故障诊断。通过发送接收数据的对比实现对整个系统故障的判断以及内部器件的详细故障判断。本课题是基于数据采集系统的故障诊断，我们将着重处理内部器件的详细故障判断，以下是对电路版的故障处理进行简单介绍和数据采集电路内部器件的故障深入探讨。5．3采集电路各部件的诊断方法5．3．1 RAM的故障诊断

数据采集电路中RAM是32K的62256。RAM的故障诊断分为数据线故障诊断和地址线故障诊断。(1)数据线的诊断处理

在检测数据线的过程中将地址线确定为一个固定的值，也就是向同一个选通同一个地址，在此条件下依次进行以下的处理过程。图5．2为其流程图。第一步，向数据线发送十进制的000，也就是将八条数据线全写“0”，将写入的数据返回上位机，如果返回000，则表示该RAM数据线没出现常“1”，如果返回非000，则将返回的数据换算成二进制，由低到高位依次对应排除出现置“1”的情况，通过该步即排除数据线与电源短路的情况。第二步，向数据线发送十进制的1l 1，也就是将八条数据线全写“l”，将写入的数据返回上位机，如果返回11 1，则表示该RAM数据线没出现常“O”，如果返回非11 1，则将返回的数据换算成二进制，由低到高位依次对应排除出现置…0’的情况，通过该步即排除数据线与地短路的情况。

第三步，向数据线发送十进制的170，也就是将八条数据线写为“10101010”，将’55

写入的数据返回上位机，如果返回170，则表示该RAM数据线无断路的情况，如果返回非170，则将返回的数据换算成二进制，由低到高位依次对应排除出现错误的位的数据线的断路故障，通过该步即排除掉了数据线断路的故障。发送170可以消除因为连带错误的影响，能够快速、准确、有效的排除断路故障H2】【43】。检测数据线1L l

l 发送十进制数据000YES

将输出数据转换成二进制与170的二进制比较不相同的为断路故障点图5．2 RAM数据线检测流程图

需要注意的是，第一步与第二步的顺序口J以且抉，但是第三步必须最后执行，并56济南大学硕士学位论文

且是在第一步、第二步完成且排除掉常…0’，常“1”的情况下执行，否则它将出现连带错误，影响第三步的准确性。

通过以上三步不仅解决数据线故障，而且通过观察有无数据返回可以排除是否接地接电源以及片选线问题。该诊断方法不仅完全针对数据线一线所有可能发生的故障进行处理，而且能够同时对多线常“O”、常“1”及断路的复杂故障进行有效而简单的处理。(2)地址线的诊断处理

通过以上数据线的诊断处理，可以确保数据线的无误，这也是进行以下地址线诊断的前提条件。该检测地址线的方法我li']nq它为逐线扫描法，主要原理是：每次只检测一根地址线砧，使得被测地址线加的信号取0和l各一次，同时要保持其它非检测地址线的信号维持不变(这样即使其它非检测地址线有断路故障，造成地址线上的信号固定为0或者固定为1对被测地址线舢的信号是没有影响的)。利用～的信号的变化进行两次不同的寻址给两个地址单元写入不同的数据，再依次将刚才写入的两个不同的数据读出比较。如果被测地址线Ai没有发生断路故障，则连续两次读出的两个数据比较应不相等。如果被测地址线Ai发生了断路故障，就会造成两个不同的数据写入同一个存储单元，因此后一次的写入数据将覆盖掉前一次的写入数据，这样再连续两次读出的两个数据比较应该相等；再依次对其它的地址线Aj进行同样方法的扫描检测，直到全部结束。逐线扫描法的检测地址线的流程图如图3．5。例如：我们的62256地址线共15根，编号为A0、A1、A2……A14， 我们对A0进行扫描检测，可以给地址为0x0000和0x0001注意只使A0地址线的信号取0和l各一次)两个存储单元依次写入两个不同的数据，如000和255，再依次读出这两个存储单元的数据比较，如果A0线发生了断路，则地址线的信号将固定为0或者固定为1，这样会使得数据写入同一地址0x0000或者为0x0001，因而两次读出数据是相同的，这时可以进行故障处理。以后再对A2、A3……A14进行相同检测。其中当检测位置1时，A旺A14依次对应的地址为0x0001，0x0002，0x0004，0x0008，0x0010，0x0020，0x0040，0x0080，0x01 00，0x0200，0x0400，0x0800，0x l 000，0x2000，0x4000i'ul。通过逐线扫描法，能够通过简单的读写完成对整个RAM地址线的检测，该方法

简单、有效。图5．3是地址线检测的流程图。57

多通道微弱电流采集电路的检测与改进5．3．2模拟开关的故障诊断图5．3地址线诊断处理

诊断的基本方法就是总体扫描的方法，原理就是在其八路通道公共输入的一端(3脚)依次)jⅡl-)k路不同的信号，也就是不同的电压，通过依次选通八路通道使加入的八路信号依次由八路通道逐一读出。将读出的数据返回与发送值做比较，对于一个检测通道而言，如果有数据返回并且与发送值对应相等，表示无故障；如果有数据返回但与发送值不相同，找到应该传输这个信号的通道，与检测通道对比，检测出地址线58济南大学硕士学位论文

的故障；如果该检测通道无信号输出且其他通道没有出现输入输出值不相等的情况，表示该检测线断路，具体流程图如5．4图。』5．4模拟开关的故障诊断流程图5．3．3 A／D转换器故障诊断

检测原理是：选择检测的模拟输入端Ai，在其处依次加入0V、5V、2．5V电压，在将输出端测量的输出电压返回PC机，与输入值进行比较，如果3个输出电压都与3个输入电压相同或误差在规定的5％的范围内，则表示被检测模拟输入端是好的，再测量下个模拟输入端，依照此方法依次测量完整个TLC2543的。具体流程图如下图5．5。多通道微弱电流采集电路的柃测与改进I Ai端依次加电譬。V，5y’2．5VI

采集信号

图5．5 A／D故障检测流程图

5．3．4数据采集电路其它器件的故障检测1．FPGA的检测

(1)检查FPGA的FO是否正常工作。分别将FO全置0、置1，然后用万用表来测各口的电平，来判断是否正常。(2)用万用表检查FPGA电源是否正常。2．串口的检测

由上位机通过串口向FPGA发送测试数据，FPGA接收到上位机的命令后向上位机返回已设定的数据，上位机比较接收到的数据与原先设定的数据。若一致，可判定串口工作正常，否则重新调试。60

济南大学硕士学位论文6．1全文总结第六章 结束语

本文主要讲述了多通道微弱电流采集电路的制作以及对采集电路的性评价和故障检测系统的制作。取得了以下创新成果：

1．克服了传统的多路电流采集中由于IⅣ中反馈电阻参数的分散性及信号放大处理电路中各通道的不均匀误差引起了的测量误差，提出了光电流传感器输出端存在着分布电容，并给出了一种消除分布电容的方法。采用FPGA作为主控器，提高了系统的采集速率与实时性。2．八路程控电流源采用PID调节器闭环控制输出电流，输出电流精确度高，纹波小；用上位机软件代替了传统的数码管和键盘，灵活实用。3．初步探索采集电路性能评价系统和采集电路故障诊断系统的设计。6．2进一步研发设想随着设计的不断深入，发现还有很多因素应予以考虑，但现在的技术和科研使得仍未能深入进行。在今后的研究工作中应重点解决的问题：

1．本文中测试的数据是在实验室中完成的，没有完全考虑激光粒度测试仪现场中存在的各种干扰，因此下一步的工作主要是考查在现场中采集电路的性能如何，并做出改进。2．程控电流源中V／I转换由于使用过多电阻，导致误差偏大，选取更精确的V／I转换是下一步研究的内容。

3．采集电路评价系统所能评价的指标偏少，下一步的任务是评价系统能评价更多指标，进一步优化系统。6．3心得体会

通过本次的设计工作，加深了对所学理论知识的理解，提高了查阅文献和自我学习的能力，同时也增强了编程设计能里和电路设计能力，在各个方面都有了很大的进步。6l

济南大学硕十学位论文致谢

本文在我的导师江海鹰教授的悉心指导下完成的。在选题方面，江老师认真求证，根据当前国内外的科技动向，确定了光电流采集电路这一比较前沿的研究方向。江老师以渊博的知识、严谨的治学态度、缜密敏锐的思维、和蔼的为师风范等诸多方面深深地感染了我，使我受益非浅。在学习和研究上，江老师给我们充分地积极性和发挥的空间。在此，谨向尊敬地江老师致以衷心地感谢。感谢3年以来给我广博知识的院、系各位老师，是你们的辛勤汗水使我得以充实而有意义地度过了3年地研究生生活，使我能找准人生的目标并为之不断地努力奋斗。

感谢我的师兄和师弟们，他们让我获得了最真挚地友情，让我拥有了一生中最美好的也是最令人怀念的学生时光。感谢我得父母，他们一直默默关心支持着我，祝愿他们永远健康幸福。最后感谢在百忙之中为我评审论文的各位老师。济南大学硕士学位论文

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(a )自制的FPGA最小系统主板(b )收集电路71

多通道微弱电流采集电路的检测与改进(c )可编程电流源(d )八路可编程电流源上位机接口72济南大学硕士学位论文

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c#%。 l妻n“崩溃； I…(e )循环，I(e )采集电路性能检测系统接口(f )采集电路故障诊断系统接口73多通道微弱电流采集电路的检测与改进作者：刘维东

学位授予单位：济南大学

正文链接： http://d.g.wanfang data.com.cn/thesis _ y 1307905.aspx