CN101895267A - 双通道模数联合型可变增益数据采集的增益预置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及双通道模数联合型可变增益数据采集的增益预置方法；本方法的被测信号经初级放大调理电路进行初步的放大和调理后，被同时送入两路并行设置的程控放大器放大后送入A/D转换器的相应通道，数字控制模块读取、保存一个通道的A/D转换值，DSP将此采集数据与历史数据进行比较，预估信号的变化趋势，并对另一路空闲的程控放大器的增益进行预置，当信号变化超出设定阈值时，就采用已预置相应增益的另一通道的采样值，这样就消除了传统采集方法中临时改变增益所必需的电路建立时间，不会造成有效信息的丢失，保证了被测量处于最佳量程范围内，从而满足了对信号高速度及高精度的数据采集要求。

Description

双通道模数联合型可变增益数据采集的增益预置方法
技术领域
本发明涉及一种利用模拟电路和数字电路联合的方法对双通道数据采集电路的增益进行预置的方法，属于数据采集技术领域。
背景技术
在工业控制和智能测量系统中，有些信号的变化幅度很大，如果放大电路的增益不合适，则微弱信号经放大后其幅值仍然可能很小，而大信号放大后又有可能超出A/D转换的量程，这样，往往使A/D转换器的精度不能最大限度的利用，造成很大的测量误差，甚至损坏A/D器件。为了获得较高的测量精度和一致性，必然要求信号处理电路能够随着测控对象状态的变化相应地改变增益，使被测模拟量与A/D转换器相匹配。
现有的改变增益的方法，是先测量被测信号，然后根据测量值的大小再来改变增益。往往是超出增益范围之后才进行纠正，造成有效信号的丢失，而且放大电路增益的改变也需要一个操作过程和响应时间，因此，就需要一段等待时间，等建立稳定的增益后，再进行数据的采集，这就影响了数据采集的速度，不能满足对高频信号进行高速数据采集的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种双通道模数联合型可变增益数据采集的增益预置方法，以解决一般增益改变过程中所存在的有效数据丢失、等待增益电路稳定等缺陷，以及由此所带来的对数据采集速度、精度、数据一致性和带宽等方面的不利影响，从而实现高速度、高精度的数据采集。
为实现上述目的，本发明的双通道模数联合型可变增益数据采集的增益预置方法步骤如下：
（1）被测信号输入初级放大调理电路进行初步的放大和调理；
（2）经初步放大、调理后的信号被同时送入两路并行放大电路，经两不同放大倍数的程控放大器放大后的信号分别送入A/D转换模块中相对应的通道中；
（3）A/D转换模块将输入的两通道模拟信号转换为数字量并将数字量送入数字控制模块；
（4）数字控制模块读取、保存占用通道的数据并与历史数据进行比对，预估信号的变化趋势，并根据预估的信号变化趋势，对另一空闲通道所对应程控放大器的增益进行预置。
进一步的，所述步骤（3）中A/D的转换是由数字控制模块的DSP采取定时中断的方式来实现，在每个中断周期，DSP采集并保存一个通道的被测量。
进一步的，所述步骤（4）中占用通道是指数字控制电路所读取并保存数据的通道，占用通道的首次选定是根据输入信号预先设定或随意选择的，占用通道的后续选定是通过数字控制模块根据信号的变化趋势来自动选择已预置合适增益的通道；空闲通道是占用通道所对应的一路程控放大器外的另一路程控放大器所对应的A/D转换模块中的一通道。
 进一步的，所述步骤（4）中增益的预置原则是：如果被测信号处于增大的趋势，则减小空闲通道的增益，以使被测信号经空闲通道放大后仍处于A/D转换器的最佳量程范围内；如果被测信号处于减小的趋势，则增大空闲通道的增益，以使信号处于A/D转换器的最佳量程范围。
进一步的，所述步骤（4）中当信号的变化在设定的占用通道阈值上下限范围内时，继续采用目前的占用通道进行数据采集并保持此通道的增益不变，只预置空闲通道的增益；当信号变化达到设定的占用通道阈值时，则切换到已预置了合适增益的另一通道进行数据采集，而此前被占用的通道成为空闲通道，其增益随着信号的变化而不断进行预置。
 本发明的双通道模数联合型可变增益数据采集的增益预置方法，利用双通道对被测信号进行采集，数字控制模块DSP采取定时中断的方式实现A/D的转换，采集并保存占用通道的被测信号值，根据历史记录的数值对信号的变化趋势进行预估并相应地预置另一通道的增益，需要时就从已预置增益的通道采集数据，确保信号处于最佳量程范围内，这样就保证了采样的高速度，兼顾了微弱信号和大量程信号的采样精度，提高了被测信号的动态范围。根据信号的变化趋势，下次采集时自动选择已预置了合适增益的通道进行数据采集，从而消除了传统增益自动调整所必需的电路建立时间，提高了系统的响应速度，特别适合于对未知大小且变化范围比较大的模拟量进行超宽增益的高速数据采集。 
附图说明
图1是本发明实施例的原理框图；
图2是本发明实施例的数据采集流程图；
图3是本发明实施例的被测信号曲线图。
具体实施方式
本发明实施例的原理框图如图1所示，数据采集系统包括初级放大调理电路、两路并行放大电路、A/D转换模块、数字控制模块。
本发明的增益预置方法具体步骤如下：
（1）被测信号输入初级放大调理电路进行初步的放大和调理；
（2）经初步放大、调理后的信号被同时送入两路并行放大电路，经两不同放大倍数的程控放大器放大后的信号分别送入A/D转换模块中相对应的通道中；
（3）A/D转换模块将输入的两通道模拟信号转换为数字量并将数字量送入数字控制模块；A/D的转换是由数字控制模块的DSP采取定时中断的方式来实现，在每个中断周期，DSP采集并保存一个通道的被测量；
   （4）数字控制模块读取、保存占用通道的数据并与历史数据进行比对，预估信号的变化趋势，并根据预估的信号变化趋势，对另一空闲通道所对应程控放大器的增益进行预置。    
    占用通道是指数字控制电路所读取并保存数据的通道，占用通道的首次选定是根据输入信号预先设定或随意选择的，占用通道的后续选定是通过数字控制模块根据信号的变化趋势来自动选择已预置合适增益的通道；空闲通道是占用通道所对应的一路程控放大器外的另一路程控放大器所对应的A/D转换模块中的一通道。
增益的预置原则是：如果被测信号处于增大的趋势，则减小空闲通道的增益，以使被测信号经空闲通道放大后仍处于A/D转换器的最佳量程范围内；如果被测信号处于减小的趋势，则增大空闲通道的增益，以使信号处于A/D转换器的最佳量程范围。
被测信号经初级放大调理电路进行初步的放大和调理，然后并行送入两路并行放大电路。两路程控放大器的增益分别由数字控制电路单独进行控制，根据需要进行改变。通过对程控放大器的增益进行调整后，被测信号被调理到A/D转换器所要求的输入范围内，并连接到A/D转换模块不同的通道上。A/D转换模块采用高速度高精度的转换芯片，数字控制模块由具有数字处理能力的DSP芯片组成。在DSP的控制下，经过某一个程控放大器放大后的信号通过A/D转换器中与其相对应的一个通道转换为数字量并被保存。DSP对这些保存的信息进行对比和处理，预估出信号的变化趋势，并据此对另一路空闲的程控放大器的增益进行预置。当信号的变化不超过设定的阈值时，不变换通道，仍将目前所占用通道的转换值作为被测信号的采样值；当信号变化达到设定阈值时，则切换到另一通道，将该通道的转换值作为被测信号的采样值。因该通道的增益已根据信号的变化趋势预先设置好，这样既保证了被测信号在A/D转换器合适的量程范围内，有效信息不会丢失，又消除了传统采集方法中临时更改增益所需要的电路建立时间，实现了对被测信号的高速高精数据采集。同样，此时被闲置通道的增益相应地要根据当前被占用通道所采集数据的变化趋势进行增益预置，为下一次通道切换作好准备。该发明的实质就是在硬件布局上设置并行双通道对一路被测信号进行处理，利用这种硬件的冗余来换取数据采集的高速度和高精度。
系统数据采集的流程图如图2所示，具体的工作过程为：数字控制电路DSP采用定时中断方式进行数据采集，在每个中断周期，DSP对占用通道进行采集并保存被测量。该信息与此前已经采集的信息进行对比，预估信号变化的趋势。如果被测信号处于增大的趋势，则降低空闲通道的增益；如果被测信号处于减小的趋势，则加大空闲通道的增益。当信号超出预先设定的上限或下限阈值时（阈值可根据实际信号的性质及变化特点设定，通常上限阈值取通道量程的五分之四，下限阈值取通道量程的五分之一），则更改通道占用标志，将当前空闲通道设置为占用通道，保证下个周期读取该通道的采样值。当一个通道被占用实现数据采集时，空闲通道的增益就根据信号变化趋势而不断进行调整。随着被测信号的不同变化，两个通道轮流使用，确保微弱信号和大量程信号都能同A/D转换器相匹配，从而实现数据采集的高速度和高精度。
不失一般性，假设被测交变信号按如图3所示曲线变化。在t1时刻，信号的幅值为v1，即图3中的A点。假定此时采用通道1对被测信号进行采集。通道1的增益已预先设置好，可以将幅值v1放大到A/D转换器的合适量程范围内。在t1之后，信号处于增大的趋势，在每个采样周期，根据信号的幅值对通道2的增益进行预置，使其与信号幅值的变化相匹配。由于信号的变化并没有超出通道1预设的阈值，所以通道1的增益保持不变，可以连续占用该通道实现对被测信号的采集。在t2时刻，信号的幅值为v2，已达到通道1量程的阈值上限，则切换通道，采用通道2对信号进行采集，而通道2已预置了合适的增益，能够保证信号的采集精度。所以，在B点之后，利用通道2完成对信号的采集。由于信号仍然处于增大的趋势，因此在每个采样周期，改变通道1的增益，以保证信号经过其放大后处于A/D转换器的合适量程范围内。因通道2成为占用通道，其增益保持不变。在t3时刻，信号的幅值为v3，达到了通道2预设的阈值上限，则切换到通道1实现数据采集。因此，在C点之后，利用通道1来完成对信号的采集，并保持其增益不变，而通道2的增益则根据信号不断增大的趋势而减小。在t4时刻，信号到达最大点D，其幅值为v4。由于最大幅值v4没有超出通道1经过放大后的量程阈值上限，所以D点之后，仍然采用通道1实现数据采集且其增益保持不变，但通道2的增益则根据信号不断减小的趋势而增大。在t5时刻，信号到达E点，其幅值为v3，达到了通道1预设阈值的下限，则切换到通道2继续进行数据采集，而通道1的增益则根据信号减小的趋势而不断进行调整，为通道切换做好准备。这样，根据信号的变化情况，数据采集在两个通道之间进行切换，保证了数据采集的精度和速度。
总之，本发明用增加通道的方式满足大范围变化信号的高速数据采集需求，一个通道用来采集，另一个通道的增益则随着信号的变化而不断改变，当信号变化超出设定范围时，自动从已预置了合适增益的通道读取数据，始终保证信号处于A/D转换器的最佳量程范围内，扩大了对信号进行动态测量的范围，消除了一般测量方法中增益变化的所需要的电路建立时间，不影响系统的采样速率和带宽，可实现高速、高精度的数据采集。

Claims (5)

1.一种增益预置方法，其特征在于，该方法的步骤如下：
（1）被测信号输入初级放大调理电路进行初步的放大和调理；
（2）经初步放大、调理后的信号被同时送入两路并行放大电路，经两不同放大倍数的程控放大器放大后的信号分别送入A/D转换模块中相对应的通道中；
（3）A/D转换模块将输入的两通道模拟信号转换为数字量并将数字量送入数字控制模块；
（4）数字控制模块读取、保存占用通道的数据并与历史数据进行比对，预估信号的变化趋势，并根据预估的信号变化趋势，对另一空闲通道所对应程控放大器的增益进行预置。
2.根据权利要求1所述的增益预置方法，其特征在于：所述步骤（3）中A/D的转换是由数字控制模块的DSP采取定时中断的方式来实现，在每个中断周期，DSP采集并保存一个通道的被测量。
3.根据权利要求2所述的增益预置方法，其特征在于：所述步骤（4）中占用通道是指数字控制电路所读取并保存数据的通道，占用通道的首次选定是根据输入信号预先设定或随意选择的，占用通道的后续选定是通过数字控制模块根据信号的变化趋势来自动选择已预置合适增益的通道；空闲通道是占用通道所对应的一路程控放大器外的另一路程控放大器所对应的A/D转换模块中的一通道。
4.根据权利要求 3所述的增益预置方法，其特征在于，所述步骤（4）中增益的预置原则是：如果被测信号处于增大的趋势，则减小空闲通道的增益，以使被测信号经空闲通道放大后仍处于A/D转换器的最佳量程范围内；如果被测信号处于减小的趋势，则增大空闲通道的增益，以使信号处于A/D转换器的最佳量程范围。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的增益预置方法，其特征在于：所述步骤（4）中当信号的变化在设定的占用通道阈值上下限范围内时，继续采用目前的占用通道进行数据采集并保持此通道的增益不变，只预置空闲通道的增益；当信号变化达到设定的占用通道阈值时，则切换到已预置了合适增益的另一通道进行数据采集，而此前被占用的通道成为空闲通道，其增益随着信号的变化而不断进行预置。
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