一種模擬信號採集系統與採集方法與流程

2023-05-14 19:36:51 4

本發明涉及電子技術領域，尤其涉及一種模擬信號採集系統與採集方法。

背景技術：

模擬信號是指信息參數在給定範圍內表現為連續的信號，這種模擬信號的概念經常用於描述電子技術領域中的參數，例如：電壓信號和電流信號等。現有技術中通過模擬信號採集系統來採集這種模擬信號，採集的一般過程為：模擬信號採集系統中的放大電路對模擬信號進行放大處理，被放大的模擬信號再經模數轉換電路轉換成數位訊號，接著對數位訊號進行相應計算以獲得最終的目標數據，從而完成對模擬信號的採集。

由於在設計模擬信號採集系統中的放大電路時，需要預估所要採集的模擬信號的幅值範圍，並基於預估的模擬信號幅值範圍對放大電路的增益係數進行設計，因此在設計完成後放大電路的增益係數為固定值；在這種情況下，當所要採集的模擬信號的幅值偏小時，經放大電路放大後的模擬信號的幅值可能仍然較小，容易出現模擬信號採集系統信噪比過低的現象，而且模數轉換電路的轉換能力也無法得到充分利用，損失了模擬信號採集系統的採樣精度；而當所要採集的模擬信號的幅值偏大時，經放大電路放大後的模擬信號可能會超出模數轉換電路的最大轉換範圍，致使無法得到真實的採樣結果，導致出現嚴重的測量錯誤。因此，現有的模擬信號採集系統中放大電路的增益係數不能夠根據實際需要進行動態調整，使得對於幅值變化範圍未知的模擬信號，現有的模擬信號採集系統還不能夠對其進行準確的採集。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種模擬信號採集系統與採集方法，用於實現對幅值變化範圍未知的模擬信號進行準確的採集。

為了實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

本發明的第一方面提供一種模擬信號採集系統，包括：增益可調放大單元、模數轉換單元和控制單元；其中，

所述增益可調放大單元與所述模數轉換單元連接，且與所述控制單元連接，所述模數轉換單元和所述控制單元連接；

所述增益可調放大單元用於將待測模擬信號放大並得到目標模擬信號；

所述模數轉換單元用於將所述目標模擬信號轉換為數位訊號；

所述控制單元用於判斷所述數位訊號是否在預設目標範圍內，當所述數位訊號在所述預設目標範圍內時，所述控制單元用於輸出所述數位訊號對應的目標數據；當所述數位訊號不在所述預設目標範圍內時，所述控制單元用於調節所述增益可調放大單元的增益係數，以獲得在所述預設目標範圍內的所述數位訊號，再將在所述預設目標範圍內的所述數位訊號對應的目標數據輸出。

基於上述模擬信號採集系統的技術方案，本發明的第二方面提供一種模擬信號採集方法，包括以下步驟：

步驟101，模擬信號採集系統中的增益可調放大單元對待測模擬信號進行放大得到目標模擬信號；

步驟102，模擬信號採集系統中的模數轉換單元將所述目標模擬信號轉換為數位訊號；

步驟103，模擬信號採集系統中的控制單元判斷所述數位訊號是否在預設目標範圍內，當所述數位訊號在所述預設目標範圍內時，所述控制單元輸出所述數位訊號對應的目標數據，完成對模擬信號的採集；當所述數位訊號不在所述預設目標範圍內時，執行步驟104；

步驟104，所述控制單元調節所述增益可調放大單元的增益係數，再重新執行所述步驟101至步驟103。

本發明提供的模擬信號採集系統中，增益可調放大單元能夠將待測模擬信號放大，並得到目標模擬信號；模數轉換單元能夠將目標模擬信號轉換為數位訊號；控制單元能夠判斷由模數轉換單元輸出的數位訊號是否在預設目標範圍內，當數位訊號在預設目標範圍內時，控制單元直接將與數位訊號對應的目標數據輸出即可；當數位訊號不在預設目標範圍內時，控制單元能夠對增益可調放大單元的增益係數進行調節，使增益可調放大單元將待測模擬信號放大合適的比例，從而保證了經模數轉換單元轉換後得到的數位訊號在預設目標範圍內，控制單元再將在預設目標範圍內的數位訊號對應的目標數據輸出即可；因此，本發明提供的模擬信號採集系統能夠根據數位訊號是否在預設的目標範圍內，來實時調節增益可調放大單元的增益係數，從而保證模擬信號採集系統以較高性能採集幅值連續變化且變化範圍未知的信號；避免了當待測模擬信號的幅值偏小時，所出現的模擬信號採集系統信噪比過低，以及模數轉換單元的轉換能力無法得到充分利用的問題；同時也避免了當待測模擬信號的幅值偏大時，所出現的目標模擬信號超出模數轉換單元的最大轉換範圍，致使無法得到真實的採樣結果的問題；很好的保證了對幅值變化範圍未知的模擬信號的準確採集。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1為本發明實施例提供的模擬信號採集系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的增益可調放大單元的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的模擬信號採集方法的流程圖。

附圖標記：

1-增益可調放大單元， 2-模數轉換單元，

3-控制單元， 4-濾波單元，

5-數字電位計， 6-運算放大器，

7-數字通信接口， 8-可調電阻，

9-信號輸入接口， 10-信號輸出接口。

具體實施方式

為了進一步說明本發明實施例提供的模擬信號採集系統與採集方法，下面結合說明書附圖進行詳細描述。

請參閱圖1，本發明實施例提供的模擬信號採集系統包括：包括：增益可調放大單元1、模數轉換單元2和控制單元3；其中，增益可調放大單元1與模數轉換單元2連接，且與控制單元3連接，模數轉換單元2和控制單元3連接；增益可調放大單元1用於將待測模擬信號放大並得到目標模擬信號；模數轉換單元2用於將目標模擬信號轉換為數位訊號；控制單元3用於判斷數位訊號是否在預設目標範圍內，當數位訊號在預設目標範圍內時，控制單元3用於輸出數位訊號對應的目標數據；當數位訊號不在預設目標範圍內時，控制單元3用於調節增益可調放大單元1的增益係數，以獲得在預設目標範圍內的數位訊號，再將在預設目標範圍內的數位訊號對應的目標數據輸出。

模擬信號採集系統的工作過程為：首先為增益可調放大單元1設置初始增益係數(初始增益係數一般根據經驗來設定)，增益可調放大單元1接收待測模擬信號，並根據初始增益係數對待測模擬信號進行放大，以獲得目標模擬信號；然後目標模擬信號由增益可調放大單元1傳輸到模數轉換單元2，模數轉換單元2將目標模擬信號轉換為數位訊號；接著數位訊號由模數轉換單元2傳輸到控制單元3，控制單元3判斷所接收到的數位訊號是否在預設目標範圍內，當數位訊號在預設目標範圍內時，控制單元3輸出數位訊號對應的目標數據，完成對模擬信號的採集；當數位訊號不在預設目標範圍內時，控制單元3調節增益可調放大單元1的增益係數，使得增益可調放大單元1能夠將待測模擬信號放大合適的比例，並獲得對應的目標模擬信號，目標模擬信號再經過模數轉換單元2的轉換，得到對應的數位訊號，控制單元3再根據對數位訊號的判斷結果確定下一步所要執行的步驟，當經過增益調節後獲得的數位訊號在預設目標範圍內時，控制單元3將與其對應的目標數據輸出，即完成了對模擬信號的採樣；當經過增益調節後獲得的數位訊號仍然不在預設目標範圍內時，重複執行上述調節增益係數的過程，直到獲得在預設目標範圍內的數位訊號為止。

根據上述模擬信號採集系統的具體結構和工作過程可知，本發明實施例提供的模擬信號採集系統能夠根據數位訊號是否在預設的目標範圍內，來實時調節增益可調放大單元1的增益係數，以使得經模數轉換單元2轉換後得到的數位訊號均在預設目標範圍內，並輸出與在預設目標範圍內的數位訊號對應的目標數據作為最終的採樣結果；很好的保證了模擬信號採集系統以較高性能採集幅值連續變化且變化範圍未知的信號，且模擬信號採集系統每次輸出的目標數據都具有較高的信噪比和解析度；避免了當待測模擬信號的幅值偏小時，所出現的模擬信號採集系統信噪比過低，以及模數轉換單元2的轉換能力無法得到充分利用的問題；同時也避免了當待測模擬信號的幅值偏大時，所出現的目標模擬信號超出模數轉換單元2的最大轉換範圍，致使無法得到真實的採樣結果的問題；很好的保證了對幅值變化範圍未知的模擬信號的準確採集。

需要說明的是，控制單元3在輸出目標數據之前，需要根據在預設目標範圍內的數位訊號，和與該數位訊號對應的增益可調放大單元1的增益係數計算得到目標數據(待測模擬信號的測量值)，具體的計算過程為現有技術，在此不做贅述。此外，預設目標範圍可以依據工作人員的經驗設定，一般設定為模數轉換單元2最大處理電平的75％～99％，在這個範圍內的數位訊號的幅值足夠高，能夠充分利用模數轉換單元2的轉換能力，保證模擬信號採集系統具有較高的信噪比，有利於提高模擬信號採集系統的採樣精度；而且在這個範圍內的數位訊號不會超出模數轉換單元2的最大轉換範圍，可以充分利用模數轉換單元2的採樣精度，使得最終的轉換結果具有更高的解析度；因而可以將在預設目標範圍以外的採樣結果均視為不理想的採樣結果。

上述實施例提供的增益可調放大單元1可以有多種結構，下面給出一種具體的結構，來對增益可調放大單元1的工作過程進行詳細說明，當然不僅限於給出的這種結構。請參閱圖2，增益可調放大單元1包括相連接的數字電位計5和運算放大器6，即是由數字電位計5和運算放大器6組成的比例放大電路；其中數字電位計5與控制單元3連接，運算放大器6的第一輸入端用於輸入待測模擬信號，運算放大器6的輸出端連接模數轉換單元2。

具體的，運算放大器6的第一輸入端連接信號輸入接口9，運算放大器6的輸出端連接信號輸出接口10；在進行模擬信號的採樣時，待測模擬信號通過信號輸入接口9輸入到運算放大器6的第一輸入端，並經過第一輸入端輸入到運算放大器6中，運算放大器6根據增益係數對待測模擬信號進行放大並獲得目標模擬信號，目標模擬信號由運算放大器6的輸出端經信號輸出接口10從運算放大器6輸出到模數轉換單元2，以供模數轉換單元2進行模數轉換。當控制單元3檢測到由模數轉換單元2輸出的數位訊號不在預設目標範圍內時，控制單元3通過數字電位計5來調節運算放大器6的增益係數，以使運算放大器6能夠以更合適的增益係數對待測模擬信號進行放大。

由於這種結構的增益可調放大單元1僅包括數字電位計5和運算放大器6，控制單元3通過數字電位計5就能夠實現對運算放大器6的增益係數的調節，因此，增益可調放大單元1的結構簡單，採用這種增益可調放大單元1的模擬信號採集系統製作成本低，系統的集成度高，而且增益可調放大單元1的增益係數可以隨時調節，也增加了模擬信號採集系統的靈活性；此外，控制單元3通過數字電位計5調節運算放大器6的增益係數，能夠對運算放大器6的增益係數進行多次調節，直至獲得在預設目標範圍內的數位訊號為止，這樣保證了模擬信號採集系統對於幅值變化範圍未知的模擬信號也能夠實現準確的採集。

更進一步的說，上述數字電位計5包括相連接的數字通信接口7和可調電阻8；其中，數字通信接口7與控制單元3連接，可調電阻8的遊標引腳連接運算放大器6的第二輸入端，可調電阻8的第一固定引腳連接運算放大器6的輸出端，可調電阻8的第二固定引腳連接電源負極VSS。基於這種結構的數字電位計5，控制單元3能夠通過數字通信接口7讀取可調電阻8的遊標引腳所在的位置，並能夠通過數字通信接口7設置可調電阻8的遊標引腳的位置來改變可調電阻8的阻值，從而實現對運算放大器6的增益係數的調節。

由於上述數字電位計5所包括的可調電阻8與運算放大器6連接，且通過調節可調電阻8的阻值就能夠實現對運算放大器6的增益係數的調節；因此，在數字電位計5中不需要引入額外的電阻，保證了採用這種結構的數字電位計5的模擬信號採集系統的結構複雜程度低。

上述實施例提供的數字電位計5中，根據其內部所使用的數字通信接口7的種類不同，一般可以分為兩類，一類是採用集成電路總線接口或串行外設接口的數字電位計5，另一類是採用脈衝式接口的數字電位計5。

當選用帶有集成電路總線接口或串行外設接口的數字電位計5時，由控制單元3計算出運算放大器6所應調節的增益係數，並基於所應調節的增益係數，通過集成電路總線接口或串行外設接口來控制可調電阻8的阻值；在這種情況下，調節可調電阻8的阻值時，能夠跨越式的設定可調電阻8的遊標引腳的位置，即能夠跨越式的調節運算放大器6的增益係數，而不會受到增益調節步長的限制，很好的提高了模擬信號採集系統的響應速率。

當選用帶有脈衝式接口的數字電位計5時，由控制單元3計算出運算放大器6所應調節的增益係數，並基於所應調節的增益係數，通過脈衝式接口來控制可調電阻8的阻值；在這種情況下，使用脈衝信號來調節可調電阻8的遊標引腳的位置，控制遊標引腳和固定引腳之間的電阻連續變化，同樣能夠實現對運算放大器6的增益係數的調節。

值得注意的是，請參閱圖2，運算放大器6在實際使用時，可以有多種連接方式，例如：運算放大器6的正相輸入端作為第一輸入端，運算放大器6的反相輸入端作為第二輸入端，且運算放大器6分別與電源正極VCC和電源負極VSS連接；當然不僅限於這一種連接方式，待測模擬信號通過信號輸入接口9輸入到運算放大器6中時，可以根據實際情況，從運算放大器6的正相輸入端輸入到運算放大器中，或從運算放大器6的反相輸入端輸入到運算放大器6中。

請繼續參閱圖1，上述實施例提供的模擬信號採集系統還包括濾波單元4，濾波單元4通過信號輸入接口9與運算放大器6的第一輸入端連接。這種濾波單元4用於對待測模擬信號進行濾波操作，即將待測模擬信號的噪聲濾除，經過濾波單元4濾波後的待測模擬信號再輸入到運算放大器6中，很好的避免了噪聲對待測模擬信號的幹擾，使最終的模擬信號採樣結果更加準確。值得注意的是，濾波單元4中所包括的濾波電路的種類多種多樣，例如：有源濾波電路和無源濾波電路，優選的，採用基於運算放大器6的有源濾波電路，由於有源濾波電路能夠很好的濾出諧波，而且反應動作迅速，能夠很好的補償無功功率。此外，在選擇濾波電路時，可以根據待測模擬信號的特點，選用與待測模擬信號相匹配的低通濾波電路、高通濾波電路或帶通濾波電路等。

請參閱圖3，本發明實施例還提供了一種模擬信號採集方法，由上述實施例提供的模擬信號採集系統實施，具體包括以下步驟：

步驟101，模擬信號採集系統中的增益可調放大單元1對待測模擬信號進行放大得到目標模擬信號。

步驟102，模擬信號採集系統中的模數轉換單元2將目標模擬信號轉換為數位訊號；更詳細的說，模數轉換單元2對放大後的模擬信號進行採樣，並將其轉換成數字量(數位訊號)後傳輸給控制單元3。

步驟103，模擬信號採集系統中的控制單元3判斷數位訊號是否在預設目標範圍內，當數位訊號在預設目標範圍內時，控制單元3輸出數位訊號對應的目標數據，完成對模擬信號的採集；當數位訊號不在預設目標範圍內時，執行步驟104；更進一步的說：控制單元3讀取由模數轉換單元2轉換得到的數位訊號，並判斷數位訊號是否在預設目標範圍內，並根據判斷結果執行相應操作。控制單元3可以為微控制單元或現場可編程門陣列，但不僅限於此。

步驟104，控制單元3調節增益可調放大單元1的增益係數，再重新執行步驟101至步驟103。；具體的，當控制單元3判斷數位訊號不在預設目標範圍內時，控制單元3調節增益可調放大單元1的增益係數，再重新執行步驟101至步驟103，在執行步驟103時，若經過增益係數調節後的增益可調放大單元1所輸出的目標模擬信號，再經過模數轉換單元2轉換後所輸出的數位訊號在預設目標範圍內，則控制單元3輸出數位訊號對應的目標數據，完成對模擬信號的採集；若經過增益係數調節後，由模數轉換單元2輸出的數位訊號仍不在預設目標範圍內，則再次對增益可調放大單元1的增益係數進行調節，直到模數轉換單元2輸出在預設目標範圍內的數位訊號為止，控制單元3再將與在預設目標範圍內的數位訊號對應的目標數據輸出，即完成了對模擬信號的採集。

值得注意的是，在修改了一次增益係數後，若得到的數位訊號仍不在預設目標範圍內，可能是由於待測模擬信號發生變化等原因造成的，只需再次調節增益可調放大單元1的增益係數，並重新執行步驟101至步驟103，直到經模數轉換單元轉換得到的數位訊號在目標範圍內為止。

上述實施例提供的模擬信號採集方法能夠根據數位訊號是否在預設的目標範圍內，來實時調節增益可調放大單元1的增益係數，以保證經模數轉換單元2轉換後得到的數位訊號均在預設目標範圍內，並輸出與在預設目標範圍內的數位訊號對應的目標數據作為最終的採樣結果；避免了當待測模擬信號的幅值偏小時，所出現的模擬信號採集系統信噪比過低，以及模數轉換單元2的轉換能力無法得到充分利用的問題；同時也避免了當待測模擬信號的幅值偏大時，所出現的目標模擬信號超出模數轉換單元2的最大轉換範圍，致使無法得到真實的採樣結果的問題；很好的保證了對幅值變化範圍未知的模擬信號的準確採集。

具體的，當上述增益可調放大單元1包括相連接的數字電位計5和運算放大器6時，數字電位計5與控制單元3連接，運算放大器6的第一輸入端用於輸入待測模擬信號，運算放大器6的輸出端連接模數轉換單元2；在上述步驟104中，控制單元3通過數字電位計5調節運算放大器6的增益係數。

更進一步的，當數字電位計5包括相連接的數字通信接口7和可調電阻8時；其中，數字通信接口7與控制單元3連接，可調電阻8的遊標引腳連接運算放大器6的第二輸入端，可調電阻8的第一固定引腳連接運算放大器6的輸出端，可調電阻8的第二固定引腳連接電源負極VSS；在上述步驟104中，控制單元3通過數字通信接口7控制可調電阻8的電阻值，以調節運算放大器6的增益係數。

上述控制單元3在對運算放大器6的增益係數進行調節時，需要計算出所要調節的增益係數的具體數值，即目標增益；而目標增益具體可以根據預設目標範圍、數位訊號、以及與數位訊號對應的增益係數獲得。而針對數位訊號的具體情況不同，目標增益的計算方法不同，以下給出在單次周期內，不同情況下的目標增益的計算方法。

第一種情況，當數位訊號的幅值小於預設目標範圍的最小值時，目標增益K1為：

其中，K0為與數位訊號對應的增益係數(在單次採樣周期內獲得當前數位訊號時，運算放大器6所對應的增益係數)，A0為數位訊號的幅值，A1為目標信號的幅值，目標信號為在預設目標範圍內的信號。

由於預設目標範圍為模數轉換單元2最大處理電平的75％～99％，因此目標信號的幅值應在模數轉換單元2最大處理電平的75％～99％之間取值，優選的，取模數轉換單元2最大處理電平的87％，即取預設目標範圍的中間值，這樣將目標信號的幅值帶入到公式(1)進行計算時，對應得到的目標增益也相對居中，這樣當待測模擬信號有微小變化時，對應輸出的數位訊號也能夠在預設目標範圍內，避免多次進行目標增益的計算，很好的提高了模擬信號採集系統的工作效率。

第二種情況，當數位訊號的幅值大於預設目標範圍的最大值時，目標增益K1為：

K1＝(0.4～0.6)K0 (2)

需要說明的是，在公式(2)中目標增益K1具體取多少倍的K0，可以根據工作人員的經驗來確定，一般取K1＝0.5K0，這樣既能夠快速的降低運算放大器6的增益係數，使最終獲得的數位訊號的幅值不超過預設目標範圍的最大值，也保證了最終獲得的數位訊號的幅值不至於太小，儘量避免出現最終獲得的數位訊號的幅值小於預設目標範圍的最小值的情況。

在獲得目標增益後，控制單元3需要通過數字通信接口7控制可調電阻8的電阻值，來實現對運算放大器6的增益係數進行調節，而可調電阻8的電阻值與運算放大器6的增益係數之間的關係為：

其中，K為運算放大器6的增益係數；請參閱圖2，將可調電阻8的第一固定引腳定義為A引腳，將可調電阻8的第二固定引腳定義為B引腳，將可調電阻8的遊標引腳定義為W引腳，RWB為W引腳與B引腳之間的電阻值，RAB為A引腳與B引腳之間的電阻值(可調電阻8的總阻值)。

因此，當獲得目標增益後，可以通過控制W引腳的位置調節出合適的RWB和RAB，以使RWB和RAB滿足公式(4)。

需要說明的是，由於數字電位計5中的可調電阻8具有一定的電阻調節解析度，在實際調節的過程中，可取得與目標增益K1最接近的實際增益K1′，通過控制W引腳的位置調節出合適的RWB和RAB，使得RWB和RAB滿足公式(5)即可。

在獲得滿足預設目標範圍的數位訊號後，最終控制單元3還需根據最後採用的實際增益K1′對採樣結果(滿足預設目標範圍的數位訊號)進行歸一化處理(即統一採樣結果的單位)，再轉化為對應的目標數據輸出。

當上述實施例提供的模擬信號採集系統還包括濾波單元4時，濾波單元4與運算放大器6的第一輸入端連接，濾波單元4對待測模擬信號進行濾波操作，並將經過濾波操作後的待測模擬信號輸入到運算放大器6中。

在上述實施方式的描述中，具體特徵、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。