微弱振动信号自适应采集系统的研究与设计

其中：8号引脚Uref是模拟电压输入端，接前置放大器的输出端；CS1和ILEl是来自。DSP芯片的片选与使能信号；XD0～xD7是来自DSP芯片的增益控制信号；DAC0832芯片的Ioutl和Iout2引脚分别接放大器LM357的反向输入端2和同向输入端3；R66为反馈电阻RF，LLl为放大器输出端。

3．3 滤波电路设计

有源滤波器不仅体积小，而且输出阻抗和截止频率fc无关，能够前、后级之间相互独立的设计。巴特沃斯低通滤波器具有通频带比较平坦，且下降快等优点。在该系统的滤波器设计中，采用多重反馈型5阶巴特沃斯低通滤波器。

3．4 电压抬升与保护电路设计

电压抬升电路由一个OP放大器和一个1．5 V的抬压基准构成。OP放大器的同相输入端接一个稳定的1．5 V基准电压，反相输入端接信号输人端，放大器的增益设置为1，这就实现输入信号的电压反相，且抬压1．5 V。保护电路由一个3 V的稳压管和二极管组成，保证经过电路的电压在O～3 V范围内。

4 算法设计与软件流程实现

TMS320F2812芯片的A/D转换器每次可以采集16路信号，而该采集系统仅有四路输入信号，可以实现简单的过采样，提高采集数据的精度。首先对采集到的信号进行过采样处理，然后计算采集到的信号的幅值，并与设定值做比较以判断调节程控放大器与否，同时把采集到的数据除以其对应的放大增益和进行数字滤波，结果存放在数组中，数组中的数据通过异步串口SCI向上位PC机传输。

4．1 信号幅值检测的算法

在程控放大器的设计中，对被测信号振幅的检测至关重要，它是实现程控放大的关键。以往的程控放大器，多数是根据被测信号的幅值来调节程控放大器的放大倍数，此方法比较合适于直流信号的检测。交流信号的幅值是变化的，若根据被测信号的幅值调节程控放大器的增益，需要时刻改变程控放大器的增益，这将浪费CPU的很多资源，影响了A/D转换的速度，限制了被测信号的范围，因器件程序的计算和器件的延时也会给测量结果带来很大的误差，不适合做高频信号的采集，而且很难满足实时性要求。一般信号的振幅是基本不变或者变化很慢，若根据信号的振幅调节程控放大器的增益，就不需要时刻调节放大器的增益，从而节约CPU的资源，减小采集带来的误差，提高采集数据的准确度。

信号幅值的检测是利用正交锁相型放大器的原理实现的，如图3所示。被测信号为x(t)，参考信号为r(t)。

在数据采集实验中，通过简单的计算可以得到信号的振幅，并与设定的数值区间做比较，根据比较的结果来调节DAC0832的增益，从而实现放大器根据被测信号的振幅来调节自身的增益，实现信号的自适应放大。

4．2 系统软件实现

DSP2812的编程工具有C语言和汇编语言两种。采用C语言编程，代码可读性、可移植性强，无需详细了解DSP的硬件就可以上手编程，降低了编程难度。一般应用于实时性要求不是特别高的场合。对于高速实时应用，采用C语言和汇编语言混合编程的方法，能把C语言的优点和汇编语言的高效率有机结合起来。系统流程图如图4所示。

程序算法描述如下：

• Step 1：开始；

• Step 2：系统初始化I2；

• Step 3：A/D转换；

• Step 4：数据处理；

• Step 5：数据滤波；

• Step 6：计算信号振幅；

• Step 7：是否调节程控放大器，如不需要跳转到Step 3；

• Step 8：调节程控放大器增益；

• Step 9：跳转到Step 3；

• Step 10：结束。

5 实验结果与分析

5．1 采集系统实时仿真

信号采集系统设计完成后，对采集系统的性能进行检验。以振幅为0．00 001 V、频率为100 Hz的正弦信号作为待采集的信号，如图5(a)所示，并混有白噪声作为采集系统的输入信号，输入信号的波形如图5(b)所示。经过放大、滤波及电压抬升之后的信号波形如图5(c)所示。

在DSP里对采集到的信号进行处理，把采集到的信号数据还原为采集前的情况，如图5(d)所示。  
有图5(c)可见采集到的信号电压均在0～3 V之间，适合DSP的如入范围，实现了根据信号振幅对信号进行程控的目的。图5(d)是经过简单处理后得到的信号的波形，可以计算出被采集信号的频率为100 Hz、振幅约为10－5V。与图5(b)相比恢复后的信号噪声小了很多，基本和原始信号图5(a)给出的波形相同。由实验结果可知，该系统达到了设计的目标，满足实验的需要。

5．2 实验比较

在实验中，用实验室的动态信号测试分析系统(江苏东华测试有限公司的DH5935N)和本文设计的微弱振动信号自适应采集系统同时对试件进行振动信号采集和处理，采样频率为12 800 Hz。图6(a)和图6(b)为由实验室采集系统得到数据信号的波形图和频谱图，图6(c)和图6(d)为由本文设计的采集系统的波形图和频谱图。可以看出本文设计的系统不仅具有自适应调节放大器增益的功能，还具有高速度、低噪声、无失真的特性。