CN101753141B

CN101753141B - 一种多通道模数转换数字同步采样方法

Info

Publication number: CN101753141B
Application number: CN 200810240063
Authority: CN
Inventors: 杜晓东
Original assignee: BEIJING VALES AND HILLS BIOMEDICAL SYSTEMS CORP
Current assignee: BEIJING VALES AND HILLS BIOMEDICAL SYSTEMS CORP; Vales and Hills Biomedical Tech Ltd
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: CN101753141A

Abstract

本发明涉及数字信号处理领域，是一种多通道模数转换数字同步采样方法，用于多通道模数转换装置。其特征在于，对在多通道模拟信号经数字采样转换为数字信号(简称模数转换)中所取得的各通道非同步的数字信号，采用同一通道连续两个或多个采样点经线性或其它插值方法实现多通道同步采样。采用本发明的一种多通道模数转换数字同步采样方法电路中不需要采样保持装置，使设计和调试更简单；对于n个通道的模数转换，电路中减少了n个采样保持装置，缩小体积并降低生产成本；此方法严格保证各通道间的同步采样，而使用采样保持装置的多通道模数转换同步精度取决于采样保持电路的设计性能及器件质量。此方法原理清楚，效果明确，实现简单，计算量很小。

Description

一种多通道模数转换数字同步采样方法

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，是一种多通道模数转换数字同步采样方法，用于多通道模数转换装置。

背景技术

数字信号处理技术的第一步是将模拟信号经数字采样转换为数字信号，称为模数转换(A/D)。图1为模拟信号数字采样示意图。

为保证经采样的数字信号正确反映模拟信号，数字采样应满足：1、采样精度，即有足够的比特(bit)数(根据需要，一般有8bit，12bit，16bit，24bit等)；2、采样频率(每秒采样点数)应满足奈奎斯特采样定理，即采样频率为信号频率的2倍以上(实际应用一般应在3-4倍以上)。

对于多路模拟信号的模数转换通常只用一个A/D装置，由各通道模拟信号和A/D装置之间加多路转换开关实现多路A/D转换，如图2所示。

由于A/D转换本身需要时间，图2电路存在有两个问题：1、在转换过程中，送给A/D的模拟量如发生变化，则不能保证A/D精度；2、由于各通道经多路转换开关顺序完成A/D转换，所以各通道同一周期的采样点实际上在时间上是不同步的，称为路间相位差。解决以上两个问题的传统方法是在各通道放大电路与多路开关之间增加采样保持装置，如图3所示。

采样保持装置的功能是，若在某一时刻启动采样保持装置后，采样保持装置断开与模拟信号的连接，保持启动时刻的模拟量不变，直到各通道A/D采样结束。采样保持的基本原理如图4所示。

多路转换保持装置的保持时间应为：路数×(A/D转换时间+路间切换时间)。采样保持装置性能取决于电路设计和元件性能。迄今为止，从简单到复杂有很多种不同的采样保持电路设计方案。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种不使用采样保持装置，而用数字方法保证多通道间的同时采样的多通道模数转换数字同步采样方法。

本发明采用如下技术方案，一种多通道模数转换数字同步采样方法，其特征在于，在将多通道模拟信号经数字采样转换为数字信号(简称模数转换)中所取得的非同步的各通道数字信号(如图2所示)，采用同一通道连续两个采样点线性插值方法实现多通道同步采样。步骤如下：

设：

通道数：n(n≥2)，用ch_i表示第i通道，i＝0，...，n-1

采样率(即每通道每秒采样点数)：SamplingRate

采样间隔(单位：us)：int＝10⁶/SamplingRate

第1通道(ch₁)到第n通道(ch_n)采样完成时间：d(单位：us)

由A/D装置设计，应有int＞d

考虑模数转换装置对同一通道(如第i通道)第k和第k+1连续两个采样点分别为t_i[k]，t_i[k+1]，方案设计各通道第k个同步采样点为：

T_1[k]+d+(i n t-d)/2(如图5所示)

设第i通道连续两个采样点(第k，k+1采样点)的A/D采样值分别为a_i[k]，a_i[k+1]则由本方案确定第k个采样点第i通道的数值y_i[k]为

y_i[k]＝a_i[k]+((a_i[k+1]--a_i[k])/int)*((int+d)/2-d*i/(n-1))(1)

整个采样过程中(k＝1，2，...)，在每一个采样周期，令i＝0，...，n-1即可算出n个通道同一时刻采样点n个数值。

2、如权利要求1所述的一种多通道模数转换数字同步采样方法，其特征在于：本发明亦可采用同一通道连续多个采样点线性或非线性插值方法实现多通道同步采样。以3点线性插值为例：

考虑模数转换装置对同一通道(如第i通道)第k-1，k和第k+1连续3个采样点分别为t_i[k-1]，t_i[k]，t_i[k+1]，方案设计各通道第k个同步采样点为：

t_n/2[k]

设第i通道连续3个采样点(第k-1，k，k+1采样点)的A/D采样值分别为a_i[k-1]，a_i[k]，a_i[k+1]则由本方案确定第k个采样点第i通道的数值y_i[k]为

y_i[k]＝a_i[k]+((a_i[k+1]-a_i[k])/i nt)*(n/2-1-i)*i nt/(n-1) 当i＜n/2-1

y_i[k]＝a_i[k] 当i＝n/2-1

y_i[k]＝a_i[k-1]+((a_i[k]-a_i[k-1])/int)*(n-(i-(n/2-1)))*int/(n-1) 当i＞n/2-1

同(1)，整个采样过程中(k＝1，2，...)，在每一个采样周期，令i＝0...，n-1即可算出n个通道同一时刻采样点n个数值。

即本方法的关键性在于采用数字插值方法实现多通道同步采样，而插值算法可以有多种。

用本方法经插值算法计算得到的多通道同步采样值能否确实正确反映原模拟信号取决于采样率是否满足采样定理，而与本方法无关，即只要采样率满足采样定理，经插值算法计算得到的多通道同步采样值就是精确反映原模拟信号。

采用本发明的一种多通道模数转换数字同步采样方法电路中不需要采样保持装置，使设计和调试更简单；对于n个通道的模数转换，由于电路中省去了n个采样保持装置，可使产品降低功耗，缩小体积并降低生产成本；此外，本方法严格保证各通道间的同步采样(理论上可以认为无误差)，而采样保持装置的精度取决于采样保持电路的设计性能及器件质量。

本方法原理清楚，效果明确，实现简单，且计算量很小。

附图说明

图1为模拟信号数字采样示意图；

图2为模数信号转换示意图；

图3为模数信号转换采样保持示意图；

图4为采样保持原理示意图；

图5为各通道同步采样点示意图；

图6为具体实施例参考示意图。

本发明的目的、功能及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

如图6所示，本发明以一种ADS1258(∑-Δ)24位高精度A/D芯片设计8路心电信号采集为例。ADS1258内置有多路转换开关。工作状态为采样率：1000/秒/通道；输入模式：双极；8路A/D转换时间：0.8ms。

由ADS1258特性，单通道A/D完成时间＜30μS，精度满足心电变化要求，可以不用采样保持装置；而最大相位差(第一通道至第八通道)达800μS，不满足各通道同步要求(如心电向量，心室晚电位要做同一时刻各通道相互关系运算)。采用多通道数字同步技术可消除此相位差，使各点采样点同步。

按此例，用两点线性插值方法：

采样间隔Int＝1000；(μS)

8路采样完成时间d＝800；(μS)

通道数chn＝8；

设第i(i＝0..7)通道连续两个采样点为y0，y1。根据公式(1)即可算出第i通道同步采样点的数值y为：

y＝y0+((y1-y0)/int)*((int+d)/2-i*d/(chn-1))；

用C语言格式算法描述如下：

常数：

chn＝8； //通道数

int＝1000；//采样周期1000us(10⁶/采样率)

d＝800； //8路采样完成时间800us

整数变量：

i； //通道循环控制

临时整数变量：

yt； //A/D当前采样值

整数数组：

y0[chn]；//上一周期各通道采样值，初值置为0

y[chn]；//算法所得各通道同步采样值

while(采样未结束){

for(i＝0；i＜chn；i++){

yt＝第i通道A/D值；

y[i]＝y0[i]+((yt-y0[i])/int)*((int+d)/2-i*d/(chn-1))；

//线性插值

y0[i]＝yt；

}

输出y[]；//y[i]i＝0，..，chn-1为各通道同步采样值

}

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，如采用改变线性插值点，用两点或两点以上的线性及非线性插值方法，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种多通道模数转换数字同步采样方法，其特征在于：采用数字插值方法实现多通道同步采样，将多通道模拟信号经数字采样转换为数字信号中所取得的非同步的各通道数字信号，采用同一通道连续两个采样点线性插值方法实现多通道同步采样，步骤如下：

设：

通道数：n，所述n≥2，用chi表示第i通道，i＝0，...，n-1

采样率，即每通道每秒采样点数：SamplingRate

采样间隔，单位：us：int＝10⁶/SamplingRate

第1通道ch1到第n通道chn采样完成时间：d，单位：us

由A/D装置设计，应有int＞d

同一通道为第i通道；

考虑模数转换装置对同一通道第k和第k+1连续两个采样点分别为t_i[k]，t_i[k+1]，方案设计各通道第k个同步采样点为：

t_i[k]+d+(int-d)/2

设第i通道连续两个采样点第k，k+1的A/D采样值分别为a_i[k]，a_i[k+1]则由本方案确定第k个采样点第i通道的数值y_i[k]为

y_i[k]＝a_i[k]+((a_i[k+1]-a_i[k])/int)*((int+d)/2-d*i/(n-1)) (1)

整个采样过程中，即k＝1，2，...，在每一个采样周期，令i＝0，...，n-1即可算出n个通道同一时刻采样点n个数值。

2.如权利要求1所述的一种多通道模数转换数字同步采样方法，其特征在于：采用数字插值方法实现多通道同步采样，将多通道模拟信号经数字采样转换为数字信号中所取得的非同步的各通道数字信号，亦可采用同一通道连续多个采样点线性或非线性插值方法实现多通道同步采样。

3.如权利要求2所述的一种多通道模数转换数字同步采样方法，其特征在于：采用同一通道连续3个采样点线性插值方法实现多通道同步采样，步骤如下：

设：

通道数：n，所述n≥2，用chi表示第i通道，i＝0，...，n-1

采样率，即每通道每秒采样点数：SamplingRate

采样间隔，单位：us：int＝10⁶/SamplingRate

第1通道ch1到第n通道chn采样完成时间：d，单位：us

由A/D装置设计，应有int＞d

同一通道为第i通道；

考虑模数转换装置对同一通道第k-1，k和第k+1连续3个采样点分别为t_i[k-1]，t_i[k]，t_i[k+1]，方案设计各通道第k个同步采样点为：

t_n/2[k]

设第i通道连续3个采样点，第k-1，k，k+1的A/D采样值分别为a_i[k-1]，a_i[k]，a_i[k+1]则由第k个采样点第i通道的数值y_i[k]为

y_i[k]＝a_i[k]+((a_i[k+1]-a_i[k])/int)*(n/2-1-i)*int/(n-1) 当i＜n/2-1

y_i[k]＝a_i[k] 当i＝n/2-1

整个采样过程中即k＝1，2，...，在每一个采样周期，令i＝0，...，n-1即可算出n个通道同一时刻采样点n个数值。