CN101718562B - 一种多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法，校正时，输入不同电压的直流校正信号，获得每片ADC的量化值并进行逐点校正，得到逐点误差，形成误差矩阵；测量时，输入被测信号进行并行时间交替采样，获得量化值并在误差矩阵中进行查表，分别扣除相对应的误差值，得到校正后的实际量化值，然后，按时间相位关系重新排列，转化为一路采集数据输出并进行低通数字滤波，对时基偏差误差谱线进行滤除，从而完成时间误差的校正。与现有技术相比，偏置、增益误差一起校正，并且查表运算只是一个对应关系运算，过程较为简单，计算量小。低通数字滤波器在DSP处理器中很容易实现，运算速率也较快，大大提升了时间误差校正的效率。

Description

一种多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法

技术领域

本发明涉及一种误差校正方法，具体来讲，涉及一种多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法。

背景技术

随着电子信息技术的不断发展，对实时采样速率极强的依赖性已经成为现代时域测量仪器的瓶颈问题。而模数转换技术(ADC)的研究因受到材料、芯片工艺等因素的制约，限制了其技术指标的快速提升。

在现有条件下，采用多通道并行时间交替采样结构仍是迅速提高系统实时采样率的唯一途径。并行交替采集系统采用M片ADC以相同的采样率对输入模拟信号进行并行逐次交替采样，后端按一定规律重组各ADC的采样值，使系统整体采样率达到单片ADC采样率的M倍。

然而，多通道并行交替采样引入了新的问题。由于并行通道之间的采样时钟相位偏差(时基偏差)，以及增益、偏置参数不一致，引起采样的时间和幅度非均匀，不可避免的带来偏置、增益、时间三种通道失配误差。

多通道并行交替采集系统的误差模型是一个三维的非线性优化问题，偏置误差对于系统相当于产生的加性噪声，可使用加法器进行补偿。增益误差对于系统相当于附加的乘性噪声，可使用乘法器进行补偿。而对于时基误差这个未知参数，它相对于系统的采样周期T_s是一个十分微小的时间量。这三种误差如不加以校正，将会导致信号存在较大的杂散分量，严重影响并行交替采集系统的无杂散动态范围和有效分辨位数。在实际应用中，这三种误差是会同时存在的，并随着ADC器件的老化发生变化。

传统的幅度非均匀误差的校正方法是增益和偏置误差分开进行校正的：

从非均匀信号的频谱中提取误差谱线幅值A(k，m)，对A(k，m)求反傅里叶变换，即可以得到各个通道的增益值g_m。然后对各通道采样数据分别除以其增益，就可以得到增益均衡的采样数据，使得增益误差得到校正。

偏置误差的校正通过对系统输入已知信号，计算出每一个通道ADC的偏置大小，并将其存储下来，然后在采样数据中扣除相应通道偏置量即可。

由于对两种误差各自校正，传统方法的运算过程较为繁琐；而且增益的校正还引入了大量的乘法运算，降低了校正的效率。

传统的时间误差校正方法主要有基于最小二乘参数算法的正弦拟合时基偏差迭代估计方法、基于信号频谱分析的时基偏差估计的分解信号算法等，这些方法对采样误差的校正效果都较为优良，然而计算量大、设计复杂，难以满足高速采集系统的实时性要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种计算量小、实时性高的多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法。

为实现上述目的，本发明的多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法，包括以下步骤：

(1)、校正时，在ADC的输入范围内，输入不同电压的直流校正信号，获得每片ADC的量化值并进行逐点校正，得到逐点误差，形成误差矩阵；

(2)、测量时，输入被测信号进行并行时间交替采样，获得量化值并在误差矩阵中进行查表，将各片ADC采集得到的量化值分别扣除相对应的误差值，得到校正值即为偏置和增益误差同时校正后的实际量化值，然后，按时间相位关系重新排列，转化为一路采集数据输出；

(3)、在并行交替采集系统增加一个低通数字滤波器，步骤(2)中得到采集数据流送入低通数字滤波器中，对时基偏差误差谱线进行滤除，从而完成时间误差的校正。

本发明的发明目的是这样实现的：

(1)偏置、增益误差的归一化校正

通过一次校正，即可同时解决偏置和增益误差的问题。其基本原理是在ADC的输入范围内对量化值进行逐点校正，使每一片ADC的量化值都逼近同一个理论量化值，并作为实际量化值，即将并行交替采集系统中各片ADC对同一输入信号做归一化处理，从而同时消除了因各路ADC的增益和偏置不一致带来的幅度非均匀误差，达到多片ADC偏置、增益误差校正的目的。

与现有技术相比，偏置、增益误差一起校正，并且查表运算只是一个对应关系运算，过程较为简单，计算量小，提高了校正的效率。

(2)时间误差的校正滤波

通过设计用于时间误差校正的低通数字滤波器进行实现来实现一种更为适合工程应用的时间误差校正方法。由于数字低通滤波器在设计实现上的灵活性，其补偿效果比模拟滤波器可以做得更好，因此，在本发明中，采用数字低通滤波器对时基偏差误差谱线进行滤除，从而完成时间误差的校正。

由于低通数字滤波器在DSP处理器中很容易实现，运算速率也较快，大大提升了时间误差校正的效率，增强了工程应用中的时效性。

本发明为一种基于时域分析加低通滤波的校正方法，大大减小了数学运算量，同时也能够取得很好的效果，在高速并行交替采样系统设计的工程应用上非常实用，具有很好的推广性。

附图说明

图1是本发明多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法下的并行交替采集系统的一种具体实施方式原理框图；

图2是一并行交替采集系统校正前重构波形的时域分析图；

图3是图2所示校正前重构波形的频谱分析图；

图4是图2所示并行交替采集系统本发明的方法校正后重构波形的时域分析图；

图5是图4所示校正后重构波形的频谱分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当采用已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法下的并行交替采集系统的一种具体实施方式原理框图

如图1所示，在本实施例中，在并行交替采集系统中加入误差校正电路，即偏置、增益误差校正单元5和时间误差校正单元6，完成误差实时校正。

并行时间交替采集系统中，每片ADC1，即ADC₁、ADC₂......ADC_M输入端都连接在一起，各ADC1均接入同样的模拟信号，信号相位一致。信号输入通过模拟开关2进行选择，在可程控参考校正源3输出的直流校正信号和被测信号之间切换，校正时，选择直流校正信号，测量时，选择被测信号。

在本实施例中，可程控参考校正源3主要由高精度的DAC组成，在校正时，输出不同电压的直流校正信号。设可程控参考校正源3的DAC位数为N₁，采集用ADC位数为N，则N₁＞N。校正源控制器4用于控制可程控参考校正源3中DAC输出电平的调节。校正时，在ADC的输入范围内，设可程控参考校正源3输出给ADC不同电压的直流校正信号，获得每片ADC的量化值逐点误差，形成误差矩阵，并存入偏置、增益误差校正单元5。

测量时，偏置、增益误差校正单元5完成每片ADC1，即ADC₁、ADC₂......ADC_M输出量化值在误差矩阵中进行查表，将各片ADC1采集得到的量化值分别扣除相对应的误差值，得到校正值即为偏置和增益误差同时校正后的实际量化值，然后，按时间相位关系重新排列，转化为一路采集数据；

时间误差校正单元6为一个低通数字滤波器，对偏置、增益误差校正单元5输出的一路采集数据进行低通滤波，对时基偏差误差谱线进行滤除，从而完成时间误差的校正。

在本实施例中，并行交替采集系统输出的校正后的数据输出到处理器7中。

误差实时校正包含两个工作：

1)、偏置、增益误差的归一化校正

在本实施例终，归一化校正分为两个步骤：

a.归一化理论量化值的分配

设ADC满度输入范围是0～F，则ADC最低有效位(LSB)的步长为F/2^N，也即输入电压幅度每增加或减少F/2^N，ADC的量化值将增加或降低1LSB。

根据这一特性，将DAC的输出设定在0～F内，输出步进设置为F/2^N，也即DAC的输出被分成了2^N级，每一级的输出就对应着ADC的理论量化值，例如，第H级的输出对应ADC的理论量化值D(0≤D≤2^N-1)，由于DAC的精度高于ADC的精度，因此可以作为参考源进行校正。

b.各片ADC的归一化校正

误差校正前，ADC信号输入切换为程控参考校正源3，校正源控制器4负责调节校正源输出直流电平在ADC的输入范围内线性变化，变化的步进为F/2^N。程控参考校正源3输出每变化一次，各片ADC就各进行一次采集过程，根据校正源控制器的设置可以计算出第n片ADC针对该校正源输出分别对应的理论量化值D_n。同时，设每次采集过程的深度为K，即一次采集获得K个输入直流电压的量化值，则在这一电平上第n片ADC采样的平均量化值为：

D_n＝(D_n1+D_n2+…+D_nK)/K    (1)

平均量化值与理论量化值之差Δy_M＝D_n-D_n，以此方法计算出此次采集各片ADC的平均量化值与理论量化值之差。按照以上算法，控制校正源以F/2^N为步进，在F范围内变化。完成N次调节后，程控参考校正源3输出直流电压信号覆盖0～F电平区间，可以得到一个M×2^N的误差矩阵□Y，如式(2)所示，其中□y_ij表示第i片ADC在输出量化值为j时所对应的偏置、增益误差，i＝0，1，2…M，j＝0，1，2…2^N-1。

整个误差测量、标定过程都在偏置、增益误差校正单元5中完成，将误差矩阵□Y存储下来。误差校正完成后，将ADC信号输入切换为被测信号。并行时间交替采集系统在正常工作时，可以通过对误差矩阵□Y进行查表的方式，将各片ADC采集得到的量化值分别扣除相对应的误差值即可达到完成偏置和增益误差同时校正的目的。

(2)时间误差的校正滤波

通常情况下，数据采集系统对信号的检测能力约为f_s/f₀＝10，其中f_s为系统采样率，f₀为被测信号频率，即对于1G SPS的采集系统，要能够较好地重现被测信号，该信号的频率应小于100MHz。

当为采用M片ADC组成的并行交替采集系统时，时间误差校正的目的在于滤除信号频率f_spur＝f_s/M-f₀处的时基偏差误差谱线。为减化信号重构算法的复杂性，同时利用并行交替采集系统的特点，我们使用截止频率f_stop＜f_s/M-f₀的低通滤波器对时基偏差误差谱线进行滤除，实现信号重构，保障系统性能特性。

多片ADC并行时间交替采样的数据在经过偏置、增益误差的归一化校正，已经滤除了幅度误差后，按相位关系重新排列为一路数据，然后进行时间误差的实时校正。为了适合工程应用，选用有限FIR数字滤波器完成时间误差校正滤波。设计FIR数字滤波器常用的方法主要有窗函数法、频率取样法、等纹波逼近法等，这里采用频率取样法进行设计。

频率取样设计法可以实现任意的频率响应特性，基本设计思想是对理想频响特性Hd(ω)进行频率取样，然后对取样值进行离散频率、离散时间的傅里叶反变换，获得滤波器的单位冲激响应h(n)。而滤波器计算公式为h(n)与输入序列x(n)的离散卷积运算，通过选用相应的网络结构即可实现滤波。

为了补偿和抵消掉使用低通滤波器所造成的频谱泄漏，在进行滤波器设计时，可以利用旁瓣倍频程衰减较快的窗函数对所需的低通滤波器进行加权修正。

完成三种误差的校正后，将采样数据送出误差处理单元。

整个系统中，ADC的采样、偏置、增益误差的归一化校正、时间误差的校正滤波等处理操作采用流水线方式完成，使误差处理的实时性大大提高，具有很强的工程适用性。

在本实施例中，针对4片ADC并行交替采样完成1GSPS数据采集系统，校正前后分别输入10MHz正弦波信号，对采集数据进行时域和频谱分析，结果如图2～5。

图2、3分别是并行交替采集系统校正前对该输入信号重构波形的时域和频谱分析图。由于采用了4片ADC并行交替采样，各片ADC在电路板上的基准地以及供电的差异、不同ADC增益之间的差异、以及由于布线和时钟延迟等方面的问题造成了并行采样数据有着较大的偏置、增益和时间失配误差，从图2时域显示中的“毛刺”便可以清晰呈现这一现象。图3频谱图中的误差谱线也对各误差成分给出了定量的分析。

图4、5分别是并行交替采集系统经过本发明的方法校正后对该输入信号重构波形的时域和频谱分析图。本发明的方法校正很大程度上去除了信号中叠加的通道失配误差分量，图4中的时域波形明显变得光滑，可以直观得到误差校正结果；图5频谱图中可以清楚的看到误差成分的频谱分量极大减小，频域图变得非常“干净”。

本发明通过分析并行交替采样系统的误差函数，提出了一种快速有效的非均匀误差校正方案，首先利用归一化算法校正了偏置和增益误差，将具有三维非线性误差特性的系统误差函数简化为仅具有时间误差的一维函数；通过设定适当的截止频率，利用低通滤波器对时基偏差误差谱线进行滤除，从而抵消系统的时间误差。实验证明，该发明弥补了传统校正方法实时性不高的缺陷，提高了校正的实效性，降低了系统的设计难度，保证了系统校正的可靠性。同时，该发明降低了硬件设计难度和成本，具有很好的市场推广价值。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种多通道高速并行交替采集系统的误差实时校正方法，包括以下步骤：

(1)、校正时，在ADC的输入范围内，输入不同电压的直流校正信号，获得每片ADC的量化值并进行逐点校正，得到逐点误差，形成误差矩阵；

(2)、测量时，输入被测信号进行并行时间交替采样，获得量化值并在误差矩阵中进行查表，将各片ADC采集得到的量化值分别扣除相对应的误差值，得到校正值即为偏置和增益误差同时校正后的实际量化值，然后，按时间相位关系重新排列，转化为一路采集数据输出；

(3)、在并行交替采集系统增加一个低通数字滤波器，步骤(2)中得到采集数据流送入低通数字滤波器中，对时基偏差误差谱线进行滤除，从而完成时间误差的校正。

2.根据权利要求1所述的误差实时校正方法，其特征在于，所述的不同电压的直流校正信号由高精度的DAC组成的可程控参考校正源产生，可程控参考校正源的DAC位数为N₁，采集系统ADC位数为N，则N₁＞N；

校正时，校正源控制器控制可程控参考校正源中DAC输出电平的调节，在ADC的输入范围内，输出给采集系统ADC不同电压的直流校正信号，获得每片ADC的量化值并进行逐点校正，得到逐点误差，形成误差矩阵。

3.根据权利要求2所述的误差实时校正方法，其特征在于，所述的校正源控制器控制可程控参考校正源中DAC输出电平的调节为：

可程控参考校正源DAC的输出被分成了2^N级，每一级的输出就对应着ADC的理论量化值。

4.根据权利要求1所述的误差实时校正方法，其特征在于，所述的低通数字滤波器为有限FIR数字滤波器，采用频率取样法进行设计，并且用旁瓣倍频程衰减较快的窗函数对所述的低通数字滤波器进行了加权修正。

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