CN101188058A

CN101188058A - 基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统及方法

Info

Publication number: CN101188058A
Application number: CNA2007101563969A
Authority: CN
Inventors: 诸葛起; 潘宏
Original assignee: HANGZHOU RAD DIGITAL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HANGZHOU RAD DIGITAL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2007-10-29
Filing date: 2007-10-29
Publication date: 2008-05-28

Abstract

本发明公开了一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统以及利用该系统的数据采集方法。本发明的数据采集系统包括测量通道、连接在测量通道上的至少两个测量路径和与个路径相连的测量数据控制单元：测量通道，用于接收输入信号；每个测量路径包含一个模拟数字转换器和一个设置有不同与其他路径放大系数的放大器，每个测量路径具有大小不同的测量量程；测量数据控制单元包括输入缓存器、输出缓存器以及由数字逻辑电路和数字信号处理器组成的交叉校准运算模块。本发明具有自动调整最佳测量量程，且测量结果更加准确的优点。

Description

基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统及方法

技术领域

本发明属于数据采集领域，具体涉及高动态数值输入范围的数据采集系统及其数据采集方法。

背景技术

输入量程的设置是数据采集系统中最重要的系统设置之一。例如，一个测试分析系统可能需要对每一个输入通道设置一系列不同的电压输入量程。输入范围设置的正确与否可直接影响测量的质量，通常以信噪比或动态范围来描述。由于被测信号的不确定性或无法知道其幅值范围，用户要设置最优的输入量程往往是非常困难的。对于一个多通道及多输入范围的数据采集系统，要把所有通道的输入量程设置合适，就更加困难。为了解决这一问题，许多测量仪器设计了一种称为“自动量程”的功能。“自动量程”技术实际上是在实际测量开始之前，通过一些预测量比较来设置最优量程。自动量程技术只对稳态信号或周期信号有效，因为这些信号的幅值变化要么不会太大，要么是有规律的。但对于非稳态信号如瞬态电子信号，自动量程技术无法适用，因为每一个电子脉冲其幅值可能差异极大。同样对于一个需要长时间测量，并且幅值变化范围极大的信号，自动量程技术也不适用，因为测量过程中是不允许改变量程设置，及放大器放大倍数的。

发明内容

为克服上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种可以自动调整最佳测量量程，且测量结果更加准确的数据采集系统。

本发明采用的技术方案如下：一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统，包括测量通道、连接在测量通道上的至少两个测量路径和与个路径相连的测量数据控制单元：测量通道，用于接收输入信号；每个测量路径包含一个模拟数字转换器和一个设置有不同与其他路径放大系数的放大器，每个测量路径具有大小不同的测量量程；测量数据控制单元包括输入缓存器、输出缓存器以及由数字逻辑电路和数字信号处理器组成的交叉校准运算模块。

本发明一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的测量通道后而还可设置一个校准和正常工作状态切换电路和标准信号产生电路，与测量数据控制单元相连；标准信号产生电路用于产生基准信号。

本发明一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的各测量路径上还可设置有单一时钟源，用于控制所有路径的工作时序，以减少信号测量在时间上的抖动问题。

一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法，第一步，一个基准信号输入该系统，该基准信号属于各路径中的最小测量量程范围内；基准信号经过各测量路径后，分别将得到的各路径测量值输入测量数据控制单元内的交叉校准运算模块经运算后得到校准参数，校准参数保存在测量数据控制单元内；第二步，输入欲测量的未知信号，进入测量数据控制单元内，运用第一步所得的校准参数在交叉校准运算模块内运算后得到测量数据流，经过测量数据控制单元进一步融合后生成最终结果。

一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法中，在测量值不饱和的情况下，使用来自于小量程路径的测量值对来自于大量程路径的相关的测量值进行修正校准。

一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法中的第一步中的基准信号可以是外部输入的个已知信号。

一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法的第一步中的基准信号还可以是由标准信号产生电路产生的信号。

一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法中，其最终校准过的测量输出数据流从至少两个路径产生；生成时，系统从多个路径的测量点中选取测量值，选择原则为：当测量值处于小量程路径的量程范围内时，选取小量程路径输出的数字量，当小量程路径的测量值饱和时，选取经过校准的大量程路径输出的数字量。

本发明具有的优点：1、通过应用本系统，可以减少甚至取消那些从一系列输入量程中进行选择的自动或人工的方法。也就是说，本发明可以显著地减少或完全取消测量系统量程设置操作。2、本发明采用了一种特殊的交叉路径校准技术来解决校准问题。交叉路径校准技术不需要去除或减少测量路径的绝对测量误差。相反这一校准技术的设计是用来匹配不同路径间的误差，使得这些路径的测量结果尽可能的接近。这样使得在“融合”过程中，信号值从一个区间向另一个区间过渡时能够非常的光滑，在测量中能够产生连续的动态的时间序列而不仪仪是某个读值。

附图说明

图1是本发明的实施例1的系统结构框图。

图2是图1中数据控制单元的结构框图。

图3是图1中测量路径的结构图。

图4是本发明实施例2的结构示意图。

图5按本发明实施例3测量路径的结构框图。

具体实施方式

下面参考附图进行具体的说明。

实施例1：如图1所示，本发明包括测量通道、连接在测量通道上的两个测量路径和与各路径相连的测量数据控制单元。两个测量路径分别设为路径A和路径B，设路径A的测量量程为10V，路径B的测量量程为0.1V，如图3所示。每个路径包含一个模拟放大器和模拟数字A/D转换器。其中每个路径中的模拟放大器的放大倍数不同，如图，A路径放大系数较小，设为K＝1，B路径放大系数较大，设为K＝1024。除放大器外，还可以根据实际测量需要，为一个或多个路径选择衰减器，即放大倍率小于1.0的。测量数据控制单元包括输入缓存器、输出缓存器以及由PGA现场可编程阵列数字逻辑电路和DSP数字信号处理器组成的交叉校准运算模块，如图2所示。交叉校准运算模块中的数字逻辑电路还可以是CPLD或ASIC。用户按口与测量数据控制单元相连。各测量路径上还设置有单一时钟源，用于控制所有路径的工作时序，以减少信号测量在时间上的抖动问题。

实施例2：如图4所示，在实施例1的基础上还包括设置在测量通道后面的一个校准和正常工作状态切换电路和标准信号产生电路。两者与测量数据控制单元相连，标准信号产生电路用于产生基准信号。

实施例3：在实施例2的基础上，还可以将测量路径设置成多于两个的设置有不同放大系数的更多路径的测量系统。其测量路径的结构见图5。

在实际测量时，例如，我们选用一个动态电压值来测量，当利用实施例1的系统来测量时，先将一个已知的基准电压输入测量通道，该已知的基准电压处于小量程路径B的测量范围，故路径B产生的测量值，若设为一系列的动态值YB，则可以认为测量值YB是真实值的“最佳估值”。该一系列的测量值经过交叉校准运算模块运算，就可以得出校准参数，若设为ka和Ba。其具体算法如下：当给定一系列测量值Yb和Ya时，如何估计系数Ka和Ba

Ya＝Ka*Yb+Ba

理论上，只要给定两组已知测量值，就可以求出Ka和Ba。只要确定了Ka和Ba，就可以说路径A通过路径B进行了校准。设两组已知测量值为Ya1，Ya2，Yb1，

Yb2，则Ka和Ba如下求解：

Ya1＝Ka*Yb1+Ba

Ya2＝Ka*Yb2+Ba

可导出：

Ka＝(Ya1-Ya2)/(Yb1-Yb2)

Ba＝Ya1-Yb1*(Ya1-Ya2)/(Yb1-Yb2)

一旦求得了Ka和Ba，则可利用他们回求测量值，这将使测量值非常接近真实值。这一计算如下式：

校准值(Yb)＝(Ya-Ba)/Ka (1)

完成这一计算后，称路径A的数据点经过了交叉路径校准。这时再输入想要测量的未知信号，就可以得到准确的测量值。

利用实施例2所示的系统进行测量时，用户对测量数据控制单元输入一个校准请求，测量数据控制单元控制标准信号产生电路产生标准的基准信号源输出X。例如基准信号类型为周期信号正弦和三角波。同时又控制标准和正常工作状态切换电路把各测量路径与标准信号产生电路接通，而断开与外输入的连接。然后测量数据控制单元启动路径A和路径B进行ADC模数转换，对每种波形采样几百点，供校准计算。路径A，B的采样结果输入到图2的测量数据控制单元的输入缓冲器，交叉校准运算模块从缓冲器取得路径A，B的采样结果后，采用最小二乘法，求取最佳的Ka和Ba。

完成根据以上原理进行的校准过程后，图1测量数据控制单元控制标准和正常状态切换电路把个测量路径电路与标准信号产生电路断开，而接通外输入，即系统切换到正常测量模式下，并完成以下运算功能：

图3中输入信号Xi经过路径A和B进行AD模数转换后后变成相位相同、幅值不等的两个信号Xia、Xib进入测量数据控制单元，在测量数据控制单元内部做如下的计算：其中

K：A，B路径的量程比值；

offset：A，B路径的偏移；

gain_error(A，B路径的增益误差)

(Xia-offset_a) *gain_error＝output_a (2)

(由K＝(Xia-offset_a)/(Xib-offset_b))

(Xib-offset_b)*K*gain_error＝output_b (3)

这样就把路径B匹配到路径A上了，然后通道判断output_b的大小，当其值大于路径B的量程时对应的数字量就切换到路径A，那么测量通道的输出由式(1)可得：

最终校准值＝(output_a-Ba)/Ka，

当其值小于路径B的量程对应的输出值就切换到路径B，测量通道输出：

最终校准值＝output_b。

Claims

1.一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统，其特征在于：包括测量通道、连接在测量通道上的至少两个测量路径和与个路径相连的测量数据控制单元：测量通道，用于接收输入信号；每个测量路径包含一个模拟数字转换器和一个设置有不同与其他路径放大系数的放大器，每个测量路径具有大小不同的测量量程；测量数据控制单元包括输入缓存器、输出缓存器以及由数字逻辑电路和数字信号处理器组成的交叉校准运算模块。

2.如权利要求1所述的基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统，其特征在于：测最通道后面还可设置一个校准和正常工作状态切换电路和标准信号产生电路，与测量数据控制单元相连；标准信号产生电路用于产生基准信号。

3.如权利要求1或2所述的基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统，其特征在于：各测量路径上还可设置有单一时钟源，用于控制所有路径的工作时序，以减少信号测量在时间上的抖动问题。

4.一种基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法，其特征在于：第一步，一个基准信号输入该系统，该基准信号属于各路径中的最小测量量程范围内；基准信号经过各测量路径后，分别将得到的各路径测量值输入测量数据控制单元内的交叉校准运算模块经运算后得到校准参数，校准参数保存在测量数据控制单元内；第二步，输入欲测量的未知信号，进入测量数据控制单元内，运用第一步所得的校准参数在交叉校准运算模块内运算后得到测量数据流，经过测量数据控制单元进一步融合后生成最终结果。

5.如权利要求4所述的基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法，其特征在于：在测量值不饱和的情况下，使用来自于小量程路径的测量值对来自于大量程路径的相关的测量值进行修正校准。

6.如权利要求4或5所述的基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法，其特征在于：第一步中的基准信号可以是外部输入的一个已知信号。

7.如权利要求4或5所述的基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法，其特征在于：第一步中的基准信号可以是由标准信号产生电路产生的信号。

8.如权利要求4或5所述的基于多个数字路径和交叉校准的数据采集系统的数据采集方法，其特征在于：最终校准过的测量输出数据流从至少两个路径产生；生成时，系统从多个路径的测量点中选取测量值，选择原则为：当测量值处于小量程路径的量程范围内时，选取小量程路径输出的数字量，当小量程路径的测量值饱和时，选取经过校准的大量程路径输出的数字量。