一种集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡技术领域
本发明涉及一种数据采集卡，特别是关于一种在设备状态监测领域中使用的集多
类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡。
背景技术
目前，国内的数据采集技术有了较大的发展，但采集信号的种类仍有一定的限制，
数据采集的精度仍有待提高，应用场合受到限制。国外的数据采集技术研究起步较早，开发
出的数据采集系统技术比较成熟。信号采集的种类多、范围广、精度高、可靠性好，无需外围
调节电路。但是价格昂贵，对于一些中小企业来说很难接受，并且系统的操作比较繁琐，对
使用和维护人员都提出了较高的要求。因此，对数据采集系统的研究，对多种采集信号的支
持和采集精度的提高，以及搞干扰能力和稳定性的设计，具有重大的研究意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种集多类型检测信号的高精度同步振动数
据采集卡，其灵敏度高、输出信号质量好，减少了数据输出端口的数目。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种集多类型检测信号的高精度同
步振动数据采集卡，其特征在于：该采集卡包括3路IEPE接口电路、1路4-20mA电流输入接口
电路、1路±5V电压信号输入接口电路、1路毫伏级电压输入接口电路、单片机和上位机；每
一路所述IEPE接口电路都连接一恒流源电路，所述IEPE接口电路输出端经所述恒流源电路
后依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器，所述4-20mA电流输
入接口电路输出端与所述I/V转换电路输入端连接；所述I/V转换电路输出端依次串联连接
程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器；所述毫伏级电压输入接口电路输出
端依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路和AD转换器；所述±5V电压信号
输入接口电路输出端依次串联连接滤波电路、单端转差分电路和AD转换器；所述±5V电压
信号输入接口电路中的AD转换器与所述毫伏级电压输入接口电路中的AD转换器、4-20mA电
流输入接口电路中的AD转换器以及3路所述IEPE接口电路中的AD转换器级联后连接至所述
单片机；所述毫伏级电压输入接口电路中的程控放大电路、4-20mA电流输入接口电路中的
程控放大电路以及3路IEPE接口电路中的程控放大电路控制输入端并联后连接至所述单片
机，由所述单片机对各所述程控放大电路的增益进行调节控制；所述单片机通过USB端口与
所述上位机进行通讯。
进一步，所述恒流源电路包括恒流芯片U1、五个电阻R1～R5、电容C1、电容C2和二
极管D1；所述恒流芯片U1正向电源端V+连接+15V电压构成电源支路，并在该电源支路上并
联所述电容C1后接地；所述恒流芯片U1负向电源端V-连接所述二极管D1正极，所述恒流芯
片U1的微调端ADJ分别连接第一支路一端和第二支路一端，所述第一支路由所述电阻R1和
电阻R2串联构成，所述第二支路由所述电阻R3和电阻R4串联构成；所述第一支路另一端连
接至所述二极管D1负极，所述第二支路另一端连接至所述二极管D1正极；所述电阻R5一端
与所述IEPE接口电路输出端连接，所述电阻R5另一端与所述电容C2一端串联，所述电容C2
另一端作为所述恒流源电路的输出端；且所述二极管D1负极还连接至所述电阻R5与所述电
容C2之间。
进一步，所述恒流芯片采用型号为LM334的恒流芯片，所述二极管D1采用硅二极
管。
进一步，所述程控放大电路包括放大器U2、电阻R8、电阻R11、电容C3和电容C4；所
述程控放大电路的输入端经所述电阻R8连接至所述放大器U2输入端，所述电阻R11一端连
接至所述放大器U2输入端与所述电阻R8之间，所述电阻R11另一端与所述放大器U2接地端
GND并联后接地；所述放大器U2负向电源端V-连接-15V电压构成电源支路，并在该电源支路
上并联所述电容C3后接地，所述放大器U2正向电源端V+连接+15V电压，并在正向电源端V+
与+15V电压之间并联所述电容C4后接地；所述放大器U2的输出端口OUT作为所述程控放大
电路的输出端。
进一步，所述放大器U2采用型号为PGA103的可编程增益放大器。
进一步，所述滤波电路采用两阶有源巴特沃兹低通滤波电路，并采用型号为LF351
的放大器。
进一步，所述单端转差分电路包括运算放大器U5、六个电阻R22～电阻R27以及七
个电容C11～C17；所述运算放大器U5正向输入端与所述电阻R22第一端连接，所述电阻R22
第二端作为所述单端转差分电路输入端；所述电阻R22第一端还分别与所述电阻R23一端和
电容C13一端连接，所述电阻R23另一端连接至所述电阻R24第一端，所述电容C13另一端连
接至所述电阻R24第二端，且所述电阻R24第二端连接至所述运算放大器U5负向输出端，所
述电阻R24第一端作为所述单端转差分电路负向输出端；所述运算放大器U5的COMP端经所
述电容C14接地；所述运算放大器U5负向输入端分别连接所述电容C15一端、电阻R26一端和
电阻R27一端，所述电容C15另一端连接至所述运算放大器U5正向输出端，所述电阻R26另一
端接地，所述电阻R27另一端连接至所述电阻R25第一端，所述电阻R25第二端连接至所述运
算放大器U5正向输出端，且所述电阻R25第一端作为所述单端转差分电路正向输出端；所述
运算放大器U5正向电源端连接至+15V电压，该正向电源端还连接由所述电容C11和电容C12
并联构成的滤波电路后接地；所述运算放大器U5负向电源端连接至-15V电压，该负向电源
端还连接由所述电容C16和电容C17并联构成的滤波电路后接地。
进一步，所述运算放大器U5采用型号为OPA1632的单端转差分芯片。
进一步，所述I/V转换电路采用型号为RCV420的芯片进行电流/电压转换。
进一步，所述AD转换器采用型号为ADS1271模数转换器，所述单片机采用型号为
C8051F340的芯片。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明能实现对不同信号输
出型传感器的数据采集功能，解决了一般采集卡采集信号类型单一、精度不高的问题。2、
IEPE传感器由于采用压电晶体和内置电荷放大，因此具有灵敏度高、输出信号质量好的优
点。因此本发明设置了3路IEPE接口电路作为传感器采集通道。此外，另增加了3路不同类型
信号输入的通道，分别为4-20mA电流输入型、±5V电压信号输入型和毫伏级电压输入型通
道。各通道都设置了独自的信号调理电路，降低了外界环境的干扰，提高了采集数据的准确
率。3、本发明采用型号为ADS1271的24bit高精度AD转换器，6路AD转换通过菊花链级联在一
起，共用一个有源晶振，各通道数据从最后一路AD转换器输出，减少了数据输出端口的数
目，同时满足了高精度同步采集的要求。4、本发明采用6路采集通道，在设备状态领域中，可
以满足一般情况下的采集需求，对于后续开发一套通用的、可靠的数据采集系统具有重要
意义。综上所述，本发明可以广发在设备状态监测领域中应用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明的恒流源电路结构示意图；
图3是本发明的程控放大电路结构示意图；
图4是本发明的滤波电路结构示意图；
图5是本发明的单端转差分电路结构示意图；
图6a是本发明的单端转差分电路输入的单端正弦波仿真图；
图6b是本发明的单端转差分电路输出的差分正弦波仿真图；
图7是本发明的I/V转换电路结构示意图；
图8是本发明的AD转换器电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种集多类型检测信号的高精度同步振动数据采集卡，针
对不同输入类型的信号，针对性地设计了各自的信号调理模块。本发明包括3路IEPE接口电
路、1路4-20mA电流输入接口电路、1路±5V电压信号输入接口电路、1路毫伏级电压输入接
口电路、单片机和上位机(PC)。3路IEPE接口电路后续信号调理电路部分结构相同，每一路
IEPE接口电路都连接一恒流源电路，由恒流源电路对相应的IEPE接口电路进行供电，IEPE
接口电路输出端经恒流源电路后依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转差分电路
和AD转换器，依次进行放大、滤波和单端转差分处理，得到标准的差分信号后进行模数转
换。4-20mA电流输入接口电路输出端与I/V转换电路输入端连接，将4-20mA电流信号转换为
0-5V电压信号后输出；I/V转换电路输出端依次串联连接程控放大电路、滤波电路、单端转
差分电路和AD转换器。毫伏级电压输入接口电路输出端依次串联连接程控放大电路、滤波
电路、单端转差分电路和AD转换器。±5V电压信号输入接口电路输出端依次串联连接滤波
电路、单端转差分电路和AD转换器。±5V电压信号输入接口电路中的AD转换器与毫伏级电
压输入接口电路中的AD转换器、4-20mA电流输入接口电路中的AD转换器以及3路IEPE接口
电路中的AD转换器级联后连接至单片机；毫伏级电压输入接口电路中的程控放大电路、4-
20mA电流输入接口电路中的程控放大电路以及3路IEPE接口电路中的程控放大电路控制输
入端并联后连接至单片机，由单片机对各程控放大电路的增益进行调节控制；单片机通过
USB端口与上位机进行通讯。
在一个优选地实施例中，IEPE接口电路连接两线制IEPE传感器，两线制IEPE传感
器的两根线既是信号线，又是电源线，其整体结构包括传感器和放大电路。因此首先需要为
传感器提供恒定的电流，一般标准的电流值为4mA，激励电压值为24V。为了提高抗干扰性，
本发明采用同相交流放大原理，如图2所示，恒流源电路包括恒流芯片U1、五个电阻R1～R5、
电容C1、电容C2和二极管D1。恒流芯片U1正向电源端V+连接+15V电压构成电源支路，并在该
电源支路上并联电容C1后接地；恒流芯片U1负向电源端V-连接二极管D1正极，恒流芯片U1
的微调端ADJ分别连接第一支路一端和第二支路一端，第一支路由电阻R1和电阻R2串联构
成，第二支路由电阻R3和电阻R4串联构成；第一支路另一端连接至二极管D1负极，第二支路
另一端连接至二极管D1正极。电阻R5一端与IEPE接口电路输出端连接，电阻R5另一端与电
容C2一端串联，电容C2另一端作为恒流源电路的输出端；并且二极管D1负极还连接至电阻
R5与电容C2之间。
上述实施例中，恒流芯片采用型号为LM334的恒流芯片，二极管D1采用硅二极管；
通过调节R2和R4的电阻值大小就可以改变恒流源的电流输出值，其中电阻R1与R3用来进行
微调。同时由于恒流芯片具有正温度效应，因此可以通过增加硅二极管，利用硅二极管的负
温度响应来减小外部温度变化对电路的影响。恒流源电路具有电路结构简单、可靠性高、功
耗低、信号失真小等优点。
在一个优选地实施例中，如图3所示，程控放大电路包括放大器U2、电阻R8、电阻
R11、电容C3和电容C4。程控放大电路的输入端经电阻R8连接至放大器U2输入端，电阻R11一
端连接至放大器U2输入端与电阻R8之间，电阻R11另一端与放大器U2接地端GND并联后接
地；放大器U2负向电源端V-连接-15V电压构成电源支路，并在该电源支路上并联电容C3后
接地，放大器U2正向电源端V+连接+15V电压，并在正向电源端V+与+15V电压之间并联电容
C4后接地。放大器U2的输出端口OUT作为程控放大电路的输出端。
上述实施例中，放大器U2采用型号为PGA103的可编程增益放大器，可通过两个与
COM/TTL兼容的输入端直接连接至单片机端口，对增益大小进行控制，可以将增益设定为1、
10或100，可以广泛应用于数据采集系统、通用模拟板和医疗仪表等信号动态范围宽的场
合。
在一个优选地实施例中，由于工业现场一般存在大量干扰，可以通过传感器耦合
进入电路中，这些噪声会使数据在采集之后发生混叠失真。为了避免失真，本发明采用在在
AD转换之前设置滤波电路，可以有效地滤除干扰噪声。如图4所示，本发明的滤波电路采用
经典的两阶有源巴特沃兹低通滤波电路，并选用具有高频带响应的型号为LF351放大器，该
滤波电路具有电路结构简单、滤波效果好等优点，阶数完全满足实际应用需要。通过改变
LF351放大器外围电路中电容C5和C6的电容值则可以改变低通滤波电路的截止频率，本发
明优选将滤波电路的截止频率设为15KHz。
在一个优选地实施例中，本发明为了充分挖掘24bit AD转换器的性能，在信号调
理模块的终端将单端信号转换为差分信号。如图5所示，单端转差分电路包括运算放大器
U5、六个电阻R22～电阻R27以及七个电容C11～C17。运算放大器U5正向输入端与电阻R22第
一端连接，电阻R22第二端作为单端转差分电路输入端；电阻R22第一端还分别与电阻R23一
端和电容C13一端连接，电阻R23另一端连接至电阻R24第一端，电容C13另一端连接至电阻
R24第二端，且电阻R24第二端连接至运算放大器U5负向输出端，电阻R24第一端作为单端转
差分电路负向输出端。运算放大器U5的COMP端经电容C14接地。运算放大器U5负向输入端分
别连接电容C15一端、电阻R26一端和电阻R27一端，电容C15另一端连接至运算放大器U5正
向输出端，电阻R26另一端接地，电阻R27另一端连接至电阻R25第一端，电阻R25第二端连接
至运算放大器U5正向输出端，且电阻R25第一端作为单端转差分电路正向输出端。运算放大
器U5正向电源端连接至+15V电压，该正向电源端还连接由电容C11和电容C12并联构成的滤
波电路后接地；运算放大器U5负向电源端连接至-15V电压，该负向电源端还连接由电容C16
和电容C17并联构成的滤波电路后接地。
上述实施例中，运算放大器U5采用型号为OPA1632的单端转差分芯片，经过
Multisim仿真模拟后(如图6a、图6b所示)，可以看出本发明的单端转差分电路能有效将单
端信号转换为差分信号。
在一个优选地实施例中，I/V转换电路采用型号为RCV420的芯片进行电流/电压转
换，如图7所示。
在一个优选地实施例中，各路传感器信号转换为数字信号之后，最后经AD转换器
与单片机通过SPI总线进行数据传输。如图8所示，AD转换器采用型号为ADS1271模数转换
器，各路的ADS1271可以通过DIN管脚和DOUT管脚级联起来，共用一个有源晶振，达到同步采
集的要求。
在一个优选地实施例中，单片机采用型号为C8051F340的芯片，其包括复位电路、
程序下载接口电路和外接RAM电路等，该芯片自带USB接口，可与上位机直接进行通讯。
上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以
有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等
同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。