基于微弱振动信号自适应采集系统设计

　　0 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。

　　1 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。

　　2 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。

　　2.1 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。