CN101902223A

CN101902223A - 模数联合型数据采集装置的通道预置方法

Info

Publication number: CN101902223A
Application number: CN2010102564621A
Authority: CN
Inventors: 李济顺; 韩红彪; 库祥臣; 薛玉君; 司东宏; 罗天宇
Original assignee: Henan University of Science and Technology
Current assignee: Henan University of Science and Technology
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2030-08-19
Also published as: CN101902223B

Abstract

本发明涉及模数联合型数据采集装置的通道预置方法；首先预置并行多路模拟放大调理电路的电路通道数量N、每个电路通道的放大倍数K、AD采样初始通道；模拟输入信号经过初级模拟放大调理电路、并行多路模拟放大调理电路放大后，分别经过N路不同的放大倍数后，数字控制模块定时触发所有通道的AD转换，触发CPU的中断进行预设AD采样初始通道采样值的读取；数字控制模块对采样值进行分析和比较；进行采样通道预置；本方法可根据输入信号的大小和变化趋势选择量程和通道，动态改变增益，扩大采样量程，保证微弱信号的采样精度和大的信号不会超量程，而且改变增益时不增加采样保持采集时间，不影响系统的采样速率和带宽，可实现高带宽的高速数据采集。

Description

模数联合型数据采集装置的通道预置方法

技术领域

本发明涉及一种采用模拟电路和数字控制电路联合而进行的模数联合型数据采集装置的通道预置方法，属于数据采集技术领域。

背景技术

在测量过程中，测试电路的放大倍数和量程必须能够动态地随着模拟输入信号的变化而变化。一般的采集方法和采集系统都是一个模拟信号连接一路模拟放大电路和一个AD采样通道，模拟放大电路通常采用程控增益放大电路来自动改变放大器的增益，但这种方法从改变增益到AD采样增加了额外的时间，限制了采集系统的带宽，无法满足快速变化的高频信号的采集需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种模数联合型数据采集装置的通道预置方法，以解决现有方法从改变增益到AD采样增加额外时间，限制采集系统的带宽，无法满足快速变化的高频信号的采集需要的问题。

为实现上述目的，本发明的模数联合型数据采集装置的通道预置方法，应用于模数联合型数据采集装置，步骤如下：

（1）预置N路并行多路模拟放大调理电路的电路通道和每个电路通道的放大倍数K，其中

；

（2）预设AD采样初始通道；

（3）输入模拟信号；

（4）模拟输入信号经过初级模拟放大调理电路放大后，输入并行多路模拟放大调理电路，分别经过N路不同的放大倍数后，数字控制模块通过定时器定时触发所有通道的AD转换，当AD转换完成后触发数字控制模块CPU 的中断进行预设AD采样初始通道采样值的读取；

（5）数字控模块对采样值进行分析和比较；

（6）根据分析、比较结果进行下次采样的采样通道预置。

进一步的，所述步骤（1）中N和K的预置是根据需要测量的范围、精度设定的。

进一步的，所述步骤（2）中的采样初始通道的预设是用户根据被测信号的大小进行设定或默认放大倍数最大的通道为采样初始通道。

进一步的，所述步骤（4）中判断采样频率是否超过阈值，若是超过阈值，则采取相邻通道的逐级切换方式；若是没有超过阈值则根据采样值选择放大倍数合适的通道。

进一步的，所述相邻通道的逐级切换是指判断该通道的采样值是否增大且大于该通道的切换上限，若是就预置下次读取的AD转换通道为放大倍数更小一级的通道；若采样值减小且小于切换下限，CPU就预置下次读取的AD转换通道为放大倍数更大一级的通道。

进一步的，所述步骤（4）中判断采样值幅值是否超过切换上限和切换下限，若是超过，则进行预置通道的切换；若是没有超过，则下次仍读取该AD转换通道的采样值。

本发明的方法主要包括对并行模拟放大调理电路的参数进行预置，以及数字控制模块在采样过程中根据输入的变化对AD采样通道进行预置，这种通道预置的方法可根据输入信号的大小和变化趋势选择量程和通道，动态改变增益，扩大采样量程，保证微弱信号的采样精度和大的信号不会超量程，而且改变增益时不增加采样保持采集时间，不影响系统的采样速率和带宽，可实现高带宽的高速数据采集。

附图说明

图1是本发明实施例的原理框图；

图2是本发明实施例的流程图；

图3是本发明实施例的通道与切换上下限关系图；

图4是本发明实施例的四通道系统的自动切换三角波图。

具体实施方式

本发明实施例的原理框图如图1所示，主要包括并行多路模拟放大调理电路的通道参数预置和数字控制模块的采样通道预置。

并行多路模拟放大调理电路的通道参数主要包括并行电路的数量N和每个电路的放大倍数K，K_n=B×A^n-1，n表示并行电路的第n个电路或第n个通道，n =1,…,N；B为常数，是并行多路模拟放大调理电路的第一路模拟放大调理电路的放大倍数；A是并行多路模拟放大调理电路的相邻两路模拟放大调理电路的放大倍数的比值，这些参数的预置要考虑需要测量的范围、精度和经济性等因素。通常并行电路的数量N的值越大，并行电路的数量越多，成本越高，测量的动态范围和精度都会提高，一般取四路以上。A的值越大，测量的动态范围越大，但测量精度会下降，一般取2、4、8、10等。

数字控制电路通过定时器定时触发所有通道的AD转换，当AD转换完成后触发CPU的中断进行采样值的读取和下次读取的AD转换通道的预置，CPU的中断软件技术方案如图2所示。CPU在每个中断中读取被测量的采样值。CPU首先从上次预置的AD通道读取采样值，整定后保存起来；然后判断该通道的采样值是否增大而且大于该通道的切换上限（通常是该通道的四分之三量程），若是就预置下次读取的AD转换通道为放大倍数更小一级的通道，即下次中断时CPU不再从原来的通道读取数据，而是从放大倍数更小一级的通道读取采样数据，这样可以保证读取的数据不会超过该通道的最大值，从而提高了测量的量程范围；若采样值减小并且小于切换下限，CPU就预置下次读取的AD转换通道为放大倍数更大一级的通道，即下次中断时CPU不再从原来的通道读取数据，而是从放大倍数更大一级的通道读取采样数据，这样可以保证读取的数据不会太小，从而提高了微弱信号的测量精度；若采样值界于切换上限和切换下限之间，就不改变下次读取的AD转换通道，即下次中断时CPU仍从原来的通道读取数据。而且CPU每次只从一个通道读取数据，从而保证了采样速率。

当采样频率超过1.0MHz时，通道的自动切换是逐级进行的。因为采样速度很快，比信号的变化速度快许多，所以当信号变化超切换上限后，很快下一次采样切换到新的通道时，信号的变化幅值还没有来得及超过该通道的极限值。另外，每个电路的放大倍数K_n=B×A^n-1，n =0,1,…,N。A一般取2、4、8、10等。对变化剧烈的信号，A值可以选择4、8、10等，例如当A=4时，相邻通道间的放大倍数比值是4，那么相邻通道间的采样极限幅值的比值也是4。而信号的变化在下一次采样时一般不会超过原来的4倍。所以，在快速的采样频率下，通道的自动切换是逐级进行的。另外，在高速的采样频率下，DSP对数据的处理只能简单地判断采样值是否增大和大于该通道的切换上限，没有时间根据信号变化速率来确定切换到下一通道后是否会超量程。

当采样频率小于1.0MHz时，DSP就有足够的时间来判断信号的变化速率，当超过限定值时就可以直接越级切换到放大倍数合适的通道。当信号的变化速率没有超过限定值，通道的自动切换还是逐级进行的。

具体的实施例：

如图3所示。K_n=B×A^n-1，n =0,1,…,N，取四路N=4，A=2时，并行多路模拟放大调理电路的第一级模拟放大调理电路的放大倍数设为B=1，并行多路模拟放大调理电路的四路模拟放大调理电路的放大倍数分别设为1、2、4、8，则对应于AD芯片的各采样通道1～通道4的放大倍数分别为1、2、4、8。每个AD采样通道的输入范围都是0～5V，则通道4对应的输入模拟量的范围是0～0.625V，通道3对应的输入模拟量的范围是0～1.25V，通道2对应的输入模拟量的范围是0～2.5V，通道1对应的输入模拟量的范围是0～5V。AD采样芯片的采样精度是12位，所以其AD转换后的读数为0～4096。为保证数据的一致性，将其它通道的采样值都转换成通道4的值，即通道4的读数范围是0～4096，通道3的读数范围是0～4096×2，通道2的读数范围是0～4096×4，通道1的读数范围是0～4096×8。

为保证采样精度和实现通道自动切换，可设当输入模拟量经放大后，达到AD采样通道输入范围的80％时为切换上限值（即4V），达到AD采样通道输入范围的32％时为切换下限值（即1.6V），那么对应每个通道的切换上限和切换下限如图3所示。

则对于一个0～5V变化的三角波，采样初始通道设为通道4，当波形由0V到0.5V变化时，由放大倍数最大的通道4读数，当波形超过0.5V后系统自动切换到通道3读数，当波形超过1V后系统自动切换到通道2读数，当波形超过2V后系统自动切换到通道1读数。波形达到5V开始下降，当波形下降到1.6V后系统自动切换到通道2读数，当波形下降到0.8V后系统自动切换到通道3读数，当波形下降到0.4V后系统自动切换到通道4读数。其变化如图4所示。

对于不同的情况，N可以取不同的值，每一路的放大倍数也可取不同的值，则相应的切换上限与切换下限也可根据实际情况和精度要求取不同的值。

采用本发明的方法对模数联合型超宽增益高速数据采集装置中的并行多路模拟放大调理电路的通道参数和数字控制电路的采样通道进行预置，可根据输入信号的大小和变化趋势选择量程和通道，扩大了动态范围，而且无需额外的量程自动切换时间，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。

本发明专利特别适合对未知大小的、瞬态的、具有冲击性的模拟量的高速高精度的数据采集。

Claims

1. 一种模数联合型数据采集装置的通道预置方法，其特征在于，该方法步骤如下：

；

（2）预设AD采样初始通道；

（3）输入模拟信号；

（5）数字控模块对采样值进行分析和比较；

（6）根据分析、比较结果进行下次采样的采样通道预置。

2. 根据权利要求1所述的通道预置方法，其特征在于：所述步骤（1）中N和K的预置是根据需要测量的范围、精度设定的。

3. 根据权利要求1或2所述的通道预置方法，其特征在于：所述步骤（2）中的采样初始通道的预设是用户根据被测信号的大小进行设定或默认放大倍数最大的通道为采样初始通道。

4. 根据权利要求3所述的通道预置方法，其特征在于：所述步骤（4）中判断采样频率是否超过阈值，若是超过阈值，则采取相邻通道的逐级切换方式；若是没有超过阈值则根据采样值选择放大倍数合适的通道。

5. 根据权利要求4所述的通道预置方法，其特征在于：所述相邻通道的逐级切换是指判断该通道的采样值是否增大且大于该通道的切换上限，若是就预置下次读取的AD转换通道为放大倍数更小一级的通道；若采样值减小且小于切换下限，CPU就预置下次读取的AD转换通道为放大倍数更大一级的通道。

6. 根据权利要求5所述的通道预置方法，其特征在于：所述步骤（4）中判断采样值幅值是否超过切换上限和切换下限，若是超过，则进行预置通道的切换；若是没有超过，则下次仍读取该AD转换通道的采样值。