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CN116243755B - 数据采集装置和数据采集与监控系统 - Google Patents

数据采集装置和数据采集与监控系统 Download PDF

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CN116243755B CN202310513585.6A CN202310513585A CN116243755B CN 116243755 B CN116243755 B CN 116243755B CN 202310513585 A CN202310513585 A CN 202310513585A CN 116243755 B CN116243755 B CN 116243755B
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Abstract

本发明公开了一种数据采集装置和数据采集与监控系统，所述装置包括：偏置调节单元，偏置调节单元被配置为产生偏置调节电压；电压跟踪单元，电压跟踪单元与偏置调节单元相连，电压跟踪单元被配置为对偏置调节电压进行跟踪，以输出跟踪电压；差分放大单元，差分放大单元与电压跟踪单元相连，差分放大单元被配置为对输入信号和跟踪电压进行差分放大，以输出两路差分放大信号；采样单元被配置为对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。本发明的装置在进行数据采集时能够实现偏置调节温度稳定性好，偏置调节噪声低，从而既能够提高偏置调节的精度且温度稳定性高，又能够保障高速、大信号输入时的偏置调节精度。

Description

数据采集装置和数据采集与监控系统
技术领域
本发明涉及数据采集技术领域，尤其涉及一种数据采集装置和一种数据采集与监控系统。
背景技术
随着科技的发展，量子医学检测仪被应用到医疗检测中，对患者的身体状况进行检测。相关技术中，量子医学检测仪进行数据采集时，通常采用偏置调节DAC发送偏置调节电压，再经过高速驱动放大器对偏置调节电压进行放大，以对数据进行采集。但是，高速驱动放大器温漂较大，偏置温度稳定性差，宽带驱动放大器输出宽带噪声较大，导致系统输入噪声性能差，采集数据的有效位数低。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提出一种数据采集装置，在进行数据采集时能够实现偏置调节温度稳定性好，偏置调节噪声低，从而既能够提高偏置调节的精度且温度稳定性高，又能够保障高速、大信号输入时的偏置调节精度。
本发明的第二个目的在于提出一种数据采集与监控系统。
为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种数据采集装置，包括：偏置调节单元，偏置调节单元被配置为产生偏置调节电压；电压跟踪单元，电压跟踪单元与偏置调节单元相连，电压跟踪单元被配置为对偏置调节电压进行跟踪，以输出跟踪电压；差分放大单元，差分放大单元与电压跟踪单元相连，差分放大单元被配置为对输入信号和跟踪电压进行差分放大，以输出两路差分放大信号；采样单元，采样单元与差分放大单元相连，采样单元被配置为对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。
根据本发明实施例的数据采集装置，在进行数据采集时，通过偏置调节单元产生偏置调节电压，通过电压跟踪单元对偏置调节电压进行跟踪以输出跟踪电压，通过差分放大单元对输入信号和跟踪电压进行差分放大，以输出两路差分放大信号，通过采样单元对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。由此，该装置在进行数据采集时能够实现偏置调节温度稳定性好，偏置调节噪声低，从而既能够提高偏置调节的精度且温度稳定性高，又能够保障高速、大信号输入时的偏置调节精度。
另外，根据本发明上述实施例的数据采集装置，还可以具有如下的附加技术特征：
根据本发明的一个实施例，电压跟踪单元包括两级组合驱动电路，两级组合驱动电路被配置为对偏置调节电压和跟踪电压进行跟随放大，以获得电压跟随信号，并对电压跟随信号进行跟踪驱动，以输出跟踪电压。
根据本发明的一个实施例，两级组合驱动电路包括第一放大器、第二放大器和第一反馈电阻，第一反馈电阻连接在第一放大器的负输入端与第二放大器的输出端之间，第二放大器被配置为对第一放大器输出的电压跟随信号进行放大，以输出跟踪电压，并通过第一反馈电阻将跟踪电压提供给第一放大器，第一放大器被配置为对偏置调节电压和跟踪电压进行跟随放大，以输出电压跟随信号给第二放大器。
根据本发明的一个实施例，第一放大器为精密、低噪声运算放大器，第二放大器为高速单位增益缓冲器。
根据本发明的一个实施例，两级组合驱动电路还包括：第一电阻，第一电阻的一端与偏置调节单元的输出端相连，第一电阻的另一端与第一放大器的正输入端相连；第一电容，第一电容的一端与第一电阻的另一端相连，第一电容的另一端接地；第二电容，第二电容连接在第一放大器的负输入端与输出端之间。
根据本发明的一个实施例，两级组合驱动电路还包括：第二电阻，第二电阻连接在第一放大器的输出端与第二放大器的输入端之间；第三电容，第三电容的一端与第二放大器的输入端相连，第三电容的另一端接地。
根据本发明的一个实施例，两级组合驱动电路还包括：第四电容，第四电容的一端与第二放大器的输出端相连，第四电容的另一端接地。
根据本发明的一个实施例，第一放大器的直流开环增益远大于第二放大器的直流增益。
根据本发明的一个实施例，差分放大单元包括：第一增益电阻，第一增益电阻的一端适于接入输入信号；匹配端接电阻，匹配端接电阻的一端与电压跟踪单元的输出端相连；第二增益电阻，第二增益电阻的一端与匹配端接电阻的另一端相连；高速全差分放大器，高速全差分放大器的正输入端与第一增益电阻的另一端相连，高速全差分放大器的负输入端与第二增益电阻的另一端相连，高速全差分放大器的正输出端和负输出端分别与采样单元相连；第二反馈电阻，第二反馈电阻连接在高速全差分放大器的正输入端与负输出端之间；第三反馈电阻，第三反馈电阻连接在高速全差分放大器的负输入端与正输出端之间。
为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种数据采集与监控系统，包括上述的数据采集装置。
根据本发明实施例的数据采集与监控系统，通过上述的数据采集装置，在进行数据采集时能够实现偏置调节温度稳定性好，偏置调节噪声低，从而既能够提高偏置调节的精度且温度稳定性高，又能够保障高速、大信号输入时的偏置调节精度。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为根据本发明实施例的数据采集装置的方框示意图；
图2为根据本发明一个实施例的数据采集装置的硬件拓扑图；
图3为根据本发明一个实施例的数据采集装置的硬件拓扑图；
图4为根据本发明实施例的数据采集与监控系统的方框示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例提出的数据采集装置和数据采集与监控系统。
图1为根据本发明实施例的数据采集装置的方框示意图。
如图1所示，本发明实施例的数据采集装置100，可包括：偏置调节单元110、电压跟踪单元120、差分放大单元130和采样单元140。
其中，偏置调节单元110被配置为产生偏置调节电压。电压跟踪单元120与偏置调节单元110相连，电压跟踪单元120被配置为对偏置调节电压进行跟踪，以输出跟踪电压。差分放大单元130与电压跟踪单元120相连，差分放大单元130被配置为对输入信号和跟踪电压进行差分放大，以输出两路差分放大信号。采样单元140与差分放大单元130相连，采样单元140被配置为对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。
具体而言，如图1所示，偏置调节单元110产生直流电压的偏置调节电压，并将偏置调节电压输送至电压跟踪单元120。电压跟踪单元120可以对偏置调节电压进行跟踪，并输出跟踪电压，可以防止偏置调节电压发生偏移。输入信号与跟踪电压分别输入差分放大单元130，差分放大单元130对输入信号和跟踪电压进行差分放大，并输出两路差分放大信号至采样单元140。采样单元140对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。
根据本发明的一个实施例，电压跟踪单元120包括两级组合驱动电路121，两级组合驱动电路121被配置为对偏置调节电压和跟踪电压进行跟随放大，以获得电压跟随信号，并对电压跟随信号进行跟踪驱动，以输出跟踪电压。
进一步地，根据本发明的一个实施例，如图2所示，两级组合驱动电路121包括第一放大器A1、第二放大器A2和第一反馈电阻Rf1，第一反馈电阻Rf1连接在第一放大器A1的负输入端与第二放大器A2的输出端之间，第二放大器A2被配置为对第一放大器A1输出的电压跟随信号进行放大，以输出跟踪电压，并通过第一反馈电阻Rf1将跟踪电压提供给第一放大器A1，第一放大器A1被配置为对偏置调节电压和跟踪电压进行跟随放大，以输出电压跟随信号给第二放大器A2。其中，第一放大器A1为精密、低噪声运算放大器，第二放大器A2为高速单位增益缓冲器。
具体而言，如图2所示，偏置调节单元110输出的偏置调节电压输送至第一放大器A1的正输入端，第一放大器A1输出电压跟随信号至第二放大器A2，第二放大器A2对第一放大器A1输出的电压跟随信号进行放大，并输出跟踪电压。跟踪电压经第一反馈电阻Rf1输送至第一放大器A1的负输入端，第一放大器A1对偏置调节电压和跟踪电压进行跟随放大，以输出电压跟随信号给第二放大器A2。其中，第一放大器A1为精密、低噪声运算放大器，可以提供低噪声、低漂移、高精度的直流电压跟踪能力，使加到差分放大单元130的直流电压精确跟踪偏置调节电压；第二放大器A2为高速单位增益缓冲器，可以提供宽带大电流驱动能力，当信号输入端为大信号输入时，在输出端提供与输入信号电流大小相等方向相反的驱动电流。
具体地，参见图2，偏置调节单元110输出的偏置调节电压输送至第一放大器A1的正输入端，第二放大器A2的输出端为OT点，OT点的稳态电压VOT=VOS+ΔV+Voff，其中VOS为偏置调节电压，ΔV为VOT的跟踪误差电压，Voff为OT点的失调电压。其中，跟踪误差电压，/>为第一放大器A1的直流开环增益，/>为第二放大器A2的直流增益。在本发明的一个实施例中，第一放大器A1的直流开环增益远大于第二放大器A2的直流增益。以第一放大器A1的直流开环增益/>、第二放大器A2的直流增益/>为例，跟踪误差电压/>，跟踪误差电压在1ppm量级，因此跟踪误差电压ΔV对OT点的稳态电压VOT的影响很小；而OT点的失调电压/>，其中为第一放大器A1的失调电压，/>为第二放大器A2的失调电压，由上式可知OT点的失调电压Voff主要由第一放大器A1的失调电压决定，第二放大器A2的失调电压对OT点的失调电压Voff的影响很小，且由于第一放大器A1为精密、低噪声运算放大器，失调电压/>很低，长期漂移及温度漂移都很小，因此OT点的失调电压Voff很低且稳定性很好。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，两级组合驱动电路121还包括：第一电阻R1，第一电阻R1的一端与偏置调节单元110的输出端相连，第一电阻R1的另一端与第一放大器A1的正输入端相连；第一电容C1，第一电容C1的一端与第一电阻R1的另一端相连，第一电容C1的另一端接地；第二电容C2，第二电容C2连接在第一放大器A1的负输入端与输出端之间。
具体而言，如图3所示，第一电阻R1和第一电容C1组成低通滤波器，可以滤除偏置调节单元110输出的高频噪声，降低偏置调节单元110输出噪声对两级组合驱动电路121的影响。第二电容C2和第一反馈电阻Rf1组成低通滤波器，可以降低负反馈环路带宽，同时第二电容C2提供内环相位补偿，增加环路稳定性。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，两级组合驱动电路121还包括：第二电阻R2，第二电阻R2连接在第一放大器A1的输出端与第二放大器A2的输入端之间；第三电容C3，第三电容C3的一端与第二放大器A2的输入端相连，第三电容C3的另一端接地。
具体而言，如图3所示，第二电阻R2和第三电容C3组成低通滤波器，可以对第一放大器A1的输出进行低通滤波，滤除第一放大器A1的输出高频噪声。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，两级组合驱动电路121还包括：第四电容C4，第四电容C4的一端与第二放大器A2的输出端相连，第四电容C4的另一端接地。
具体而言，如图3所示，第四电容C4可以提供高频旁路作用，与第二放大器A2一起为OT点提供从直流到高频的低输出阻抗，同时第四电容C4也可以滤除第二放大器A2的输出高频噪声，进一步降低两级组合驱动电路121的输出噪声。
由此，本发明实施例的数据采集装置由精密、低噪声运算放大器和高速单位增益驱动放大器共同组成组合驱动电路，实现精密、低噪声、宽带偏置调节，偏置调节单元的直流调节精度由精密、低噪声运算放大器确定，对高带宽、大输入信号的响应由高速单位增益驱动放大器与RC低通电路共同完成，从而既实现了偏置调节的直流精度（精密、低温漂），又实现了高速、大信号输入时的偏置调节精度。
根据本发明的一个实施例，如图3所示，差分放大单元130包括：第一增益电阻Rg1，第一增益电阻Rg1的一端适于接入输入信号；匹配端接电阻Rt，匹配端接电阻Rt的一端与电压跟踪单元120的输出端相连；第二增益电阻Rg2，第二增益电阻Rg2的一端与匹配端接电阻Rt的另一端相连；高速全差分放大器A3，高速全差分放大器A3的正输入端与第一增益电阻Rg1的另一端相连，高速全差分放大器A3的负输入端与第二增益电阻Rg2的另一端相连，高速全差分放大器A3的正输出端和负输出端分别与采样单元140相连；第二反馈电阻Rf2，第二反馈电阻Rf2连接在高速全差分放大器A3的正输入端与负输出端之间；第三反馈电阻Rf3，第三反馈电阻Rf3连接在高速全差分放大器A3的负输入端与正输出端之间。
具体而言，如图3所示，输入信号经第一增益电阻Rg1输送至高速全差分放大器A3的正输入端，跟踪电压经匹配端接电阻Rt、第二增益电阻Rg2输送至高速全差分放大器A3的负输入端，高速全差分放大器A3对输入信号和跟踪电压进行差分放大，并输出两路差分放大信号至采样单元140。采样单元140对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。通过调整第一增益电阻Rg1、第二增益电阻Rg2、第二反馈电阻Rf2、第三反馈电阻Rf3的阻值，可以调节高速全差分放大器A3的放大倍数。
综上所述，根据本发明实施例的数据采集装置，在进行数据采集时，通过偏置调节单元产生偏置调节电压，通过电压跟踪单元对偏置调节电压进行跟踪以输出跟踪电压，通过差分放大单元对输入信号和跟踪电压进行差分放大，以输出两路差分放大信号，通过采样单元对两路差分放大信号进行采样，获得与输入信号相适配的数据采样信号。由此，该装置在进行数据采集时能够实现偏置调节温度稳定性好，偏置调节噪声低，从而既能够提高偏置调节的精度且温度稳定性高，又能够保障高速、大信号输入时的偏置调节精度。
对应上述实施例，本发明还提出了一种数据采集与监控系统。
图4为根据本发明实施例的数据采集与监控系统的方框示意图。
如图4所示，本发明实施例的数据采集与监控系统200，包括上述的数据采集装置100。
根据本发明实施例的数据采集与监控系统，通过上述的数据采集装置，在进行数据采集时能够实现偏置调节温度稳定性好，偏置调节噪声低，从而既能够提高偏置调节的精度且温度稳定性高，又能够保障高速、大信号输入时的偏置调节精度。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种数据采集装置，其特征在于，包括：
偏置调节单元，所述偏置调节单元被配置为产生偏置调节电压；
电压跟踪单元，所述电压跟踪单元与所述偏置调节单元相连，所述电压跟踪单元被配置为对所述偏置调节电压进行跟踪，以输出跟踪电压；
差分放大单元，所述差分放大单元与所述电压跟踪单元相连，所述差分放大单元被配置为对输入信号和所述跟踪电压进行差分放大，以输出两路差分放大信号；
采样单元，所述采样单元与所述差分放大单元相连，所述采样单元被配置为对所述两路差分放大信号进行采样，获得与所述输入信号相适配的数据采样信号；
所述电压跟踪单元包括两级组合驱动电路，所述两级组合驱动电路被配置为对所述偏置调节电压和所述跟踪电压进行跟随放大，以获得电压跟随信号，并对所述电压跟随信号进行跟踪驱动，以输出所述跟踪电压；
所述两级组合驱动电路包括第一放大器、第二放大器和第一反馈电阻，所述第一反馈电阻连接在所述第一放大器的负输入端与所述第二放大器的输出端之间，所述第二放大器被配置为对所述第一放大器输出的电压跟随信号进行放大，以输出所述跟踪电压，并通过所述第一反馈电阻将所述跟踪电压提供给所述第一放大器，所述第一放大器被配置为对所述偏置调节电压和所述跟踪电压进行跟随放大，以输出所述电压跟随信号给所述第二放大器，其中，所述第一放大器为精密、低噪声运算放大器，所述第二放大器为高速单位增益缓冲器。
2.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述两级组合驱动电路还包括：
第一电阻，所述第一电阻的一端与所述偏置调节单元的输出端相连，所述第一电阻的另一端与所述第一放大器的正输入端相连；
第一电容，所述第一电容的一端与所述第一电阻的另一端相连，所述第一电容的另一端接地；
第二电容，所述第二电容连接在所述第一放大器的负输入端与输出端之间。
3.根据权利要求2所述的数据采集装置，其特征在于，所述两级组合驱动电路还包括：
第二电阻，所述第二电阻连接在所述第一放大器的输出端与所述第二放大器的输入端之间；
第三电容，所述第三电容的一端与所述第二放大器的输入端相连，所述第三电容的另一端接地。
4.根据权利要求3所述的数据采集装置，其特征在于，所述两级组合驱动电路还包括：
第四电容，所述第四电容的一端与所述第二放大器的输出端相连，所述第四电容的另一端接地。
5.根据权利要求1所述的数据采集装置，其特征在于，所述第一放大器的直流开环增益远大于所述第二放大器的直流增益。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的数据采集装置，其特征在于，所述差分放大单元包括：
第一增益电阻，所述第一增益电阻的一端适于接入所述输入信号；
匹配端接电阻，所述匹配端接电阻的一端与所述电压跟踪单元的输出端相连；
第二增益电阻，所述第二增益电阻的一端与所述匹配端接电阻的另一端相连；
高速全差分放大器，所述高速全差分放大器的正输入端与所述第一增益电阻的另一端相连，所述高速全差分放大器的负输入端与所述第二增益电阻的另一端相连，所述高速全差分放大器的正输出端和负输出端分别与所述采样单元相连；
第二反馈电阻，所述第二反馈电阻连接在所述高速全差分放大器的正输入端与负输出端之间；
第三反馈电阻，所述第三反馈电阻连接在所述高速全差分放大器的负输入端与正输出端之间。
7.一种数据采集与监控系统，其特征在于，包括根据权利要求1-6中任一项所述的数据采集装置。
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