CN100458864C - 提高微弱信号采集精度的方法与电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高精度采集微弱信号的方法与电路。将被测信号与一个锯齿波或三角波信号相加，并在锯齿波或三角波的周期内高速采样，可以实现对小于模数转换器量化电平的信号的检测，而且检测精度也可以高于所用模数转换器的分辨率。

Description

提高微弱信号采集精度的方法与电路
技术领域
本发明涉及电子电路，尤其是一种可以高精度测量低频信号的数据采集电路。
背景技术
高精度的数据采集在各种工业测控系统、仪器仪表和科学研究中起着极其重要的作用。有很多人研究了各种各样的数据采集系统：例如王立欣等设计的发明专利(基于CPLD和SDRAM的高速大容量数据采集系统，申请号CN200410043813.5)和王谷音等设计的发明专利(多通道高速数据采集装置，申请号CN89106196.7)，等等，但上述设计只能得到设计中所采用的模数转换器(Analog Digital Convertor，ADC)的精度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的不足，提供一种可以充分利用现有器件提高微弱信号采集精度的数据采集方法，并提供一种采用此种方法的电路。
为了实现上述目的，本发明采用过采样原理，充分利用模数转换器的速度，从而提高微弱信号数据采样精度。本发明的采集微弱信号的方法，包括下列步骤：
(1)将被采集信号与锯齿波或三角波叠加并进行抗混叠滤波；
(2)将经过处理的被采集信号进行模数转换；
(3)设置一个微控制器，用以对被转换得到的数字信号进行处理，获得高精度数字信号，并用以控制上述各步骤。
本发明还提供一种采用上述方法的电路，包括锯齿波或三角波产生电路，加法器，模数转换器和微处理器，其中，
锯齿波或三角波产生电路，用以生成锯齿波或三角波；
加法器，用以将被采集信号和锯齿波或三角波叠加并进行抗混叠滤波；
模数转换器，用以将由加法器输出并经过处理的被采集信号进行模数转换；
微控制器，用以对被转换得到的数字信号进行处理，获得高精度数字信号，并用以控制各部分电路的工作。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：将被测信号与一个锯齿波或三角波信号相加，并在锯齿波或三角波的周期内高速采样，能够实现对小于模数转换器量化电平的信号的检测，而且检测精度也可以大大高于所用模数转换器的分辨率，从而实现对微弱信号的测量。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
附图标记：
101为加法器    102为模数转换器    103为控制器    104为锯齿波或三角波产生电路
图2为锯齿波与被采集信号叠加示意图。
图3为三角波与被采集信号叠加示意图。
图4为阶梯锯齿波与被采集信号叠加示意图。
图5为三角波与被采集信号叠加示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
如图1所示，所述加法器101将被测信号与锯齿波或三角波产生电路104输出的锯齿波或三角波信号相加后输出给模数转换器102，模数转换器102将信号转变成数字信号后经过微处理器103的处理就能够得到高精度的数字信号。
假定被检测的信号(图2中的点划线)小于模数转换器的一个量化电平(1个LSB所对应的电平，图2中的细实线)，在常规的情况下模数转换器是不能够分辨出这样的被测信号，但如果有叠加一个幅值等于量化电平的锯齿波后，模数转换器就能够将叠加后的信号分成两个对应数字信号的部分：高于和低于量化电平的部分。如果在一个锯齿波的周期内均匀地采样多次(N次)，并把大于量化电平的那部分的采样次数L与N的比值作为被测信号的大小，从而实现了对小于模数转换器量化电平的微弱信号的检测，而且，采样次数越多，得到的数字信号精度越高。
实际上，锯齿波的信号并不限于等于量化电平，可以大于量化电平，但被测信号与锯齿波信号经加法器的输出必须在模数转换器的输入范围以内。
同样，也可以用三角波(图3)来替代锯齿波，可以得到同样的效果。
同样，也可以用数模转换器输出的阶梯型锯齿波(图4)或三角波(图5)，可以得到同样的效果。
同样，可以由控制器输出方波信号或PWM信号经过RC低通滤波器得到三角波信号，也可以得到同样的效果。
所述的加法器可以采用通常的运算放大器来构成，如LM324。也可以直接用两只电阻器构成，两个电阻的一端分别接被采集信号和锯齿波或三角波产生电路的输出端，另外一端共同连接在模数转换器的同一个输入端。所述模数转换器可以采用MAX197，AD6547，AD7678等。所述微控制器108采用89C52等器件，也可以采用将模数转换器集成在一起的ADuC841、ADuC848或MSC1212等。所述锯齿波或三角波产生电路可以由NA555或运算放大器构成，也可以由数模转换器构成，如DAC0832等，也可以是集成在微控制器中的数模转换器，如ADuC841中的数模转换器。
需要说明的是，本发明属于一种组合发明，是一种在技术应用上具有创新性的发明，其中所涉及的加法器、模数转换器、控制器和锯齿波或三角波产生电路等，都属于已有技术并且已有多种形式和应用。在此不对电路的细部特征再作叙述。
此外，这里以本发明的实施例为中心展开了详细的说明，所描述的优选方式或某些特性的具体体现，应当理解为本说明书仅仅是通过给出实施例的方式来描述本发明，实际上在组成、构造和使用的某些细节上会有所变化，包括部件的组合和组配，这些变形和应用都应该属于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种提高微弱信号采集精度的方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)将被采集信号与锯齿波或三角波叠加并进行抗混叠滤波；
(2)将经过处理的被采集信号进行模数转换；
(3)设置一个微控制器，用以对被转换得到的数字信号进行处理，获得高精度数字信号，并用以控制上述各步骤。
2.根据权利要求1所述的提高微弱信号采集精度的方法，其特征在于，所述锯齿波或三角波为数模转换器生成的模拟信号。
3.根据权利要求1所述的提高微弱信号采集精度的方法，其特征在于，所述锯齿波或三角波为由NA555或运算放大器生成的模拟信号。
4.根据权利要求1所述的提高微弱信号采集精度的方法，其特征在于，所述三角波为由RC低通滤波电路生成的模拟信号。
5.一种提高微弱信号采集精度的电路，其特征在于，包括锯齿波或三角波产生电路，加法器，模数转换器和微控制器，其中，
锯齿波或三角波产生电路，用以生成锯齿波或三角波；
加法器，用以将被采集信号和锯齿波或三角波叠加并进行抗混叠滤波；
模数转换器，用以将由加法器输出并经过处理的被采集信号进行模数转换；
微控制器，用以对被转换得到的数字信号进行处理，获得高精度数字信号，并用以控制各部分电路的工作。
6.根据权利要求5所述的提高微弱信号采集精度的电路，其特征在于，所述锯齿波或三角波产生电路由数模转换器构成。
7.根据权利要求5所述的提高微弱信号采集精度的电路，其特征在于，所述锯齿波或三角波产生电路由NA555或运算放大器模拟电路构成。
8.根据权利要求5所述的提高微弱信号采集精度的电路，其特征在于，所述三角波产生电路由RC低通滤波电路构成。
9.根据权利要求5所述的提高微弱信号采集精度的电路，其特征在于，所述加法器由运算放大器构成。
10.根据权利要求5所述的提高微弱信号采集精度的电路，其特征在于，所述加法器由两个电阻构成，两个电阻的一端分别接被采集信号和锯齿波或三角波产生电路的输出端，另外一端共同连接在模数转换器的同一个输入端。
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Open date: 20060920

Record date: 20100819

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Granted publication date: 20090204

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