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基于波形记录仪的多物理量采集关键技术研究与实现

基于波形记录仪的多物理量采集关键技术研究与实现

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作者：李梓闻电子科技大学

学位级别：硕士

随着电子信息行业的迅猛发展,对广泛的物理量的高精度高速测量需求使得波形记录仪迅猛发展,波形记录仪作为新一代高精度、高带宽、高隔离的可长时间进行测量采集的数据采集仪器在很多领域内被广泛使用。但是受到国外的技术限制以及元器... 详细信息

随着电子信息行业的迅猛发展,对广泛的物理量的高精度高速测量需求使得波形记录仪迅猛发展,波形记录仪作为新一代高精度、高带宽、高隔离的可长时间进行测量采集的数据采集仪器在很多领域内被广泛使用。但是受到国外的技术限制以及元器件禁售禁运等困难,我国的波形记录仪领域发展困难重重,因此发展我国自己的波形记录仪技术产品迫在眉睫。本文以高精度、高带宽和广测量范围为核心,就多物理量波形记录仪硬件设计与实现展开研究,主要研究内容如下:1.信号采集前端模拟电路通用架构方案设计。针对信号采集的步骤与特性,将信号采集主要分为了四个部分:采集调理电路、抗混叠滤波电路、差分放大电路、模数转换电路,采集电路部分分析五种不同的物理量的特性与适用场景,分别设计了不同的采集调理方案,抗混叠滤波电路分析了多种滤波电路,最后选取了通频带平缓、滚降性能良好的巴特沃斯滤波器,差分放大电路部分与模数转换电路部分针对高速与低速电路分别设计两种单端转差分电路。2.多物理量信号采集关键技术方案设计。五种物理量采集在模拟前端分别有不同的重点与难点,对这些重难点进行了分析并提出解决方案。针对高电压高带宽电压采集设计了高精度阻容分压网络并配合使用可调电容保证在分压的同时提高通频带内幅值的稳定性,后级配合使用单位增益跟随器保证隔离与阻抗匹配。针对加速度采集使用了交流电荷放大器并配合保护环提高电荷采集的稳定性。针对温度采集设计了16通道轮询采样方案并设计了环境温度补偿方案。针对电流采集设计了并联采样方案,在并联电流采样方案的基础上设计了反向并联肖特基二极管配合平均值检测加峰值检测的过流保护方案。针对应变采集的增益误差设计了分流校准方案,从正负增益方向校准应变增益,提高测量精度。3.通用及功能电路设计,硬件电路测量板卡不仅需要前端模拟采样电路,还需要后端的数据隔离与处理电路,由于数字系统不能直接处理模拟信号,需要将模拟信号转换为数字信号再进行处理,本文设计了电源隔离与数字信号隔离的双隔离方案,最高可以实现1000 V的峰值隔离电压,为存储前端模拟通道的校准增益数据,设计了基于EEPROM的数字存储方案。最后通过各项详细的测试表明,在多物理量输入的情况下,精度指标、带宽指标与各项功能均达成预期目标。

关键词：波形记录仪多物理量采集高压数字隔离

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