微弱振动信号自适应采集系统的研究与设计
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1 引 言
在机械结构的振动过程中，许多微弱信号包含机械运动的丰富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出来加以分析。而在微弱信号提取过程中，有时信号非常微弱，极易受到外界的干扰而淹没于强噪声之中，有时被测信号振幅变化范围又很大，给信号采集带来很大困难。放大电路本身的噪声性能和频率特性也将影响到信号的提取精度。对振动信号的采集及处理，通常是用普通的数据采集系统去采集，然后用数字信号处理的方法来提取数据的特征信息。但是，一些由采集系统的不足对信息造成的损失，是后期的数字信号处理无法补偿的。振动信号的检测是机械系统状态监测和早期故障诊断的关键，机械系统早期故障引起的异常振动信号有时都很微弱而且持续时间短，信噪比低，容易淹没于背景噪声中。这对信号检测技术提出了很高的要求。针对此情况，本文考虑设计一个微弱振动信号自适应采集系统，能够根据被测信号的振幅实时地调节放大器的增益，从而检测出微弱振动信号。
2 系统框图与结构原理
系统的总体结构如图1所示，主要包括DSP芯片TMS32OF2812、数据采集预处理电路、数据存储器、JTAG仿真接口及与计算机的通信接口。其中数据采集预处理电路共有四路，每一路包括前置放大器、抗混叠滤波电路、程控放大电路和电压抬升与保护电路。
在结构设计中，设计了四路预处理通道，以提高系统的稳定性和快速性。考虑到采集对象是微弱信号，在每路程控放大器前设计了低噪声前置放大器，且每一路程控放大器的增益控制信号直接来自DSP。程控放大器之前设有抗混叠低通滤波器以滤去信号中混有的高频噪声，减小了噪声对信号的影响，在每一路中也设置一个抬压与保护电路，使输入的信号电压稳定在O～3 V之间。
3 硬件电路设计
微弱信号采集系统硬件电路由信号调理电路和数据采集处理模块两部分组成，信号调理电路主要是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤波、电压抬升、信号传输；主要由测量放大器、多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路和保护电路构成。数据采集处理模块主要有DSP芯片TMS320F2812、数据存储和传输模块构成，完成对四路模拟输入信号的采样、过采样处理、信号振幅的计算、数字滤波和数据的传输。
3．1 前置放大器的设计
本数据采集系统的对象为微弱信号，需要用前置放大器进行放大。由于测量放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、抗共模干扰能力强、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在微弱信号的检测系统中广泛用作前置放大器。
本数据采集系统采用AD公司的高性能运放AD620作为测量放大器，AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1 000的低功耗／高精度仪表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性，最大输入失调电压漂移为1μV，其共模抑制比大于93 dB。在1 kHz处输入电压噪声为9 nV/Hz。在0．1～10 Hz范围内输入电压噪声的峰一峰值为0．28μV，输入电流噪声为O．1 pA/Hz。G＝1时，它的增益带宽为120 kHz，建立时间为15μs。因此AD620的性能满足该数据采集系统的要求。
3．2 程控放大电路设计
3.2.1 DSP芯片的性能特征
TMS320F2812芯片是美国德州仪器(Texas In-struments)公司研制的数字信号处理器，它是一个定点运算、集成度高、高性能的DSP芯片，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。其主要特点有：采用高性能静态CMOS技术，能在一个周期内完成32*32位的乘法累加运算，时钟频率最高可达150 MHz。片内具有128 KB的16位FLASH存储器，8 KB的16位SARAM，2个事件管理器EVA和EVB，3个32位的CPU定时器。16通道的12位模数转换器(ADC)含两路采样保持器，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80 ns,，含2个通用异步串口(SCI)，2个多通道缓冲串口(McBSP)，56个独立配置的通用多功能I/O(GPIO)。
3.2.2 DAC0832芯片的性能特征
DAC0832是AD公司生产的高精度、低功耗、8位数模转换器，能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。DAC0832具有数字输入锁存的功能。DAC0832的互补输出端Ioutl，Iout2均为电流信号，且之和为常数。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1μs，参考电压为-10～+10 V，供电电源为+5～+15 V，逻辑电平输入与TTL兼容。DAC20832具有两级锁存器，第一级锁存器称为输人寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器。
3．2．3 程控放大电路的组成
程控放大电路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反馈电阻组成，受TMS320F2812芯片的控制信号、片选信号控制，如图2所示。DAC0832用作程控放大器，是把DAC0832的参考电压端接输入信号，数字信号输入端接TMS32OF2812芯片的控制信号，互补输出端Iout1和Iout2引脚分别接放大器LM357的反向输入端和同向输入端。DAC0832的互补输出端Ioutl、Iout2均为电流信号，需外接一个放大器实现电流信号到电压信号转换。T型电阻网络的电阻是10 KΩ，接一个阻值为2．55 MΩ反馈电阻R f，就构成一个程控放大器。用该程控放大电路可以实现增益为：20，21，22，…，28-1，从而扩大了被测信号的范围。
在机械结构的振动过程中，许多微弱信号包含机械运动的丰富特征信息，如故障特征信息等，有必要提取出来加以分析。而在微弱信号提取过程中，有时信号非常微弱，极易受到外界的干扰而淹没于强噪声之中，有时被测信号振幅变化范围又很大，给信号采集带来很大困难。放大电路本身的噪声性能和频率特性也将影响到信号的提取精度。对振动信号的采集及处理，通常是用普通的数据采集系统去采集，然后用数字信号处理的方法来提取数据的特征信息。但是，一些由采集系统的不足对信息造成的损失，是后期的数字信号处理无法补偿的。振动信号的检测是机械系统状态监测和早期故障诊断的关键，机械系统早期故障引起的异常振动信号有时都很微弱而且持续时间短，信噪比低，容易淹没于背景噪声中。这对信号检测技术提出了很高的要求。针对此情况，本文考虑设计一个微弱振动信号自适应采集系统，能够根据被测信号的振幅实时地调节放大器的增益，从而检测出微弱振动信号。
2 系统框图与结构原理
系统的总体结构如图1所示，主要包括DSP芯片TMS32OF2812、数据采集预处理电路、数据存储器、JTAG仿真接口及与计算机的通信接口。其中数据采集预处理电路共有四路，每一路包括前置放大器、抗混叠滤波电路、程控放大电路和电压抬升与保护电路。
在结构设计中，设计了四路预处理通道，以提高系统的稳定性和快速性。考虑到采集对象是微弱信号，在每路程控放大器前设计了低噪声前置放大器，且每一路程控放大器的增益控制信号直接来自DSP。程控放大器之前设有抗混叠低通滤波器以滤去信号中混有的高频噪声，减小了噪声对信号的影响，在每一路中也设置一个抬压与保护电路，使输入的信号电压稳定在O～3 V之间。
3 硬件电路设计
微弱信号采集系统硬件电路由信号调理电路和数据采集处理模块两部分组成，信号调理电路主要是消除共模干扰，对微弱小信号进行放大、滤波、电压抬升、信号传输；主要由测量放大器、多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器、程控放大器、电压抬升电路和保护电路构成。数据采集处理模块主要有DSP芯片TMS320F2812、数据存储和传输模块构成，完成对四路模拟输入信号的采样、过采样处理、信号振幅的计算、数字滤波和数据的传输。
3．1 前置放大器的设计
本数据采集系统的对象为微弱信号，需要用前置放大器进行放大。由于测量放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、抗共模干扰能力强、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，在微弱信号的检测系统中广泛用作前置放大器。
本数据采集系统采用AD公司的高性能运放AD620作为测量放大器，AD620是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1～1 000的低功耗／高精度仪表放大器。AD620具有很好的直流特性和交流特性，最大输入失调电压漂移为1μV，其共模抑制比大于93 dB。在1 kHz处输入电压噪声为9 nV/Hz。在0．1～10 Hz范围内输入电压噪声的峰一峰值为0．28μV，输入电流噪声为O．1 pA/Hz。G＝1时，它的增益带宽为120 kHz，建立时间为15μs。因此AD620的性能满足该数据采集系统的要求。
3．2 程控放大电路设计
3.2.1 DSP芯片的性能特征
TMS320F2812芯片是美国德州仪器(Texas In-struments)公司研制的数字信号处理器，它是一个定点运算、集成度高、高性能的DSP芯片，特别适用于有大批量数据处理的测控场合。其主要特点有：采用高性能静态CMOS技术，能在一个周期内完成32*32位的乘法累加运算，时钟频率最高可达150 MHz。片内具有128 KB的16位FLASH存储器，8 KB的16位SARAM，2个事件管理器EVA和EVB，3个32位的CPU定时器。16通道的12位模数转换器(ADC)含两路采样保持器，可实现双通道同步采样，最小转换时间为80 ns,，含2个通用异步串口(SCI)，2个多通道缓冲串口(McBSP)，56个独立配置的通用多功能I/O(GPIO)。
3.2.2 DAC0832芯片的性能特征
DAC0832是AD公司生产的高精度、低功耗、8位数模转换器，能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。DAC0832具有数字输入锁存的功能。DAC0832的互补输出端Ioutl，Iout2均为电流信号，且之和为常数。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1μs，参考电压为-10～+10 V，供电电源为+5～+15 V，逻辑电平输入与TTL兼容。DAC20832具有两级锁存器，第一级锁存器称为输人寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器。
3．2．3 程控放大电路的组成
程控放大电路由DAC0832芯片、高精度放大器LM357和反馈电阻组成，受TMS320F2812芯片的控制信号、片选信号控制，如图2所示。DAC0832用作程控放大器，是把DAC0832的参考电压端接输入信号，数字信号输入端接TMS32OF2812芯片的控制信号，互补输出端Iout1和Iout2引脚分别接放大器LM357的反向输入端和同向输入端。DAC0832的互补输出端Ioutl、Iout2均为电流信号，需外接一个放大器实现电流信号到电压信号转换。T型电阻网络的电阻是10 KΩ，接一个阻值为2．55 MΩ反馈电阻R f，就构成一个程控放大器。用该程控放大电路可以实现增益为：20，21，22，…，28-1，从而扩大了被测信号的范围。