拆解N2000色谱工作站采集卡，了解电路结构

sc360xp

2018/07/01

私聊

液相色谱（LC）

数据采集卡是色谱工作站必不可少的硬件。通常数据采集卡采用ISO插槽或PCI插槽，安装在工作站计算机主板插槽上。国内有厂家配套生产了专门的数据采集盒，采用串行通信口与计算机联络。
浙大N2000（V4.0）是国内比较成功和拥有量最大的一款双通道色谱数据工作站。公司以前购置的，进行新版GMP认证，被换下来了。拆开采集卡看看，内部有些啥东西，学习掌握电路结构。
一、外观
这是拆下的N2000（V4.0）硬件：

这款N2000采集卡是双通道。这是输入端，有色谱信号线、磁控开关引线、手动控制开关线，采用9针插头联络：

这是外接USB电源、与计算机通讯端，用一个9针插座转接USB和连接计算机的COM插头：

采集卡盒背面：

二、数据采集卡电路原理
典型的数据采集卡电路通常由以下部分组成：输入模拟信号调理电路、模数（A/D）转换电路、时钟电路、外部触发电路、数据处理电路、外部存储器、通讯接口电路、电源管理电路等。组成框图如下（双通道结构）：

数据采集卡各部分电路的功能
1、输入模拟信号调理电路
来自色谱仪的模拟电信号一般都比较弱，需要对信号进行放大，再提供给A/D转换器。由于电路中的器件会产生电噪声，周围环境中的电磁发射源也会使信号混入噪声，还需要用调理电路滤波器衰减噪声以提高输入信号的信噪比，匹配电路阻抗进行传输。
2、模数（A/D）转换电路
色谱工作站的计算机系统只能处理数字信号，必须将色谱模拟信号转换成数字信号之后，才能进行计算处理。A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的关键器件。现代高速模数转换器内部一般都集成了采样保持器和多路数据分配器，以保证采样的精度和降低对后续存储器的要求。
3、时钟电路
采用石英晶振电路，比较稳定、误差很小。
4、外部触发电路
本机有手动开关和电磁开关，用于控制启动采集卡，可以根据具体情况接入使用。
5、数据处理电路
采集卡上的微处理器（MCU）负责数据采集系统的管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和处理，然后传送到工作站计算机。
6、外部存储器
对于高速数据采集系统，采集到的数据速率很高而且数量大，工作站计算机系统无法进行实时处理，因此需要存储器对数据进行缓存。它以高速方式接收A／D转换后的数据，又以低速方式将数据传送给计算机进行处理。用这种“快进慢出”来解决高速A／D转换与低速计算机数据传输之间的矛盾。对于数据量不大的系统，由软件在计算机内存中开辟一个缓存区，采集卡上不设置存储器。
7、通讯接口电路
采集卡与工作站计算机之间信息传输的电路，可以使用有线（RS232收发器）、光纤、红外、蓝牙等，视具体需要而定。
8、电源管理电路
为采集卡电路提供工作电源，可以是独立电源，也可以从PCI插槽、USB接口取电。
三、拆解、识别电路元件及功能
卸下采集卡盒背面四颗固定螺丝：

取下背板，首先看到的是电路板背面：

取出电路板，根据电子元件排列，可以看出分为A、B两个通道对称布局，其电路元件完全相同。下面仅分析一个通道的主要元件及功能：

D5、D6、D7发光LED，作为工作时的状态显示灯：

信号输入9针插头旁边，STC12C2052是STC（宏晶科技）公司的单片机，责数据采集系统的管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和处理；SP232EEP是Sipex（西伯斯公司）高性能RS-232线路驱动器/接收器，负责信号的传输。

LSD公司的晶振22.1184MHz，为单片机提供串口通讯时钟基准：

这一排美国仙童（FAIRCHILD）公司的6N137、4N25、817B都是光耦合器，用于电信号的隔离传输：

下图中， OP07是美国TI（德州仪器）公司的高精度低失调电压的精密运放集成电路，用于调理电路微弱信号的放大。在本电路中使用±5V双电源，能达到最好的放大效果。模数（A/D）转换器采用Cirrus Logic（美国凌云逻辑）公司的24位高精度的A/D转换芯片，内含PGA程控放大、高斯低通滤波、零点、满刻度、背景、失调等多种自动校正功能, 分辨率为全量程±1uv，可以保障全量程呈线性：

基准电压源采用仙童公司的LM336（2.5V），为采样分析提供基准：

HDN1-5D05是深圳安时捷公司的DC-DC微功率直流变换器，将从USB取电的5V变换为±5V稳压电源，为电路板上的IC提供工作电源。A、B通道各有一组：

电路板上的其它元件，砖红色的电容是有机薄膜电容器（CL9、CL8两种型号）：

豆绿色的电容（104）是火炬牌独石电容：

电路板上的黑色滤波电解电容采用一线日本红宝石牌：

电路板上的电阻全部采用5环电阻，精度较高，提高准确度：

四、对采集卡故障的检修流程
色谱数据工作站数据采集卡必须与用户电脑联机使用，要另外安装工作站软件，存在系统兼容、操作不规范问题。在N2000的V3.0版本之前，问题较多，在网上可以查询到相应的故障排除文章，在这里不一一叙述。仅仅针对采集卡硬件故障，提出检修流程如下：
首先检测±5V电源输出是否正常，然后依次检测各个IC的各脚电压（根据IC型号资料的标注，判断是否有故障）及晶体管，检测晶振是否起振，检测通讯线的好坏。发现故障点，予以排除。由于是弱电电路，电阻电容一般很少有故障，有条件的，可以用示波器观察晶振电路、A/D转换器及通讯口的波形，寻迹的效率更高。
五、结束语
N2000色谱工作站的硬件，可与岛津、安捷伦、WATERS等色谱仪器相连，作为一款国产通用色谱数据工作站，其最新版本能够适应CFDA的GMP认证要求，性价比较高。通过了解色谱数据工作站数据采集卡的电路结构，对于掌握工作站的正常运行状态、排除硬件故障有帮助。
附件：N2000色谱工作站常见故障及解决办法（网络资料）