CN102497209B - 滑动窗口式数据采样方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种滑动窗口式数据采样方法，通过对待采样的信号叠加正向和反向的修正电压，形成一个动态滑动的采样窗口，将模数转换器的输入电压控制在其最优测量区间内，并通过数据处理单元对模数转换器的采样数据进行处理，跟踪调整正向及反向修正电压，同时结合正向和反向修正电压数据，对采样数据进行规一化处理，得到准确的实时输入数据。本发明还公开了滑动窗口式数据采样装置。本发明方法可以将采样输入电压范围作正向和反向的扩展，扩展的范围可由设计参数确定，同时可以准确将输入信号进行转换，将模数转换器的实时输入锁定至模数转换器最优性能区间窗口，提高信号采集的整体性能。

Description

滑动窗口式数据采样方法及装置

技术领域

本发明属于信号测量技术领域，涉及一种信号处理技术，特别涉及一种滑动窗口式的数据采样方法及装置。

背景技术

在信号测量技术领域中，模数转换器是最重要的元件之一，但模数转换器的输入范围普遍都比较小，在很多情况下由于输入信号的范围较大，不能够直接作为模数转换器的输入，通常采用变送器将输入信号范围转化为模数转换器的输入范围，为了配合输入信号的最大值，满量程电压值选得很大，使得小信号的分辨率不是很好。同时模数转换器的性能在其输入范围的不同区间内是不相同的，都存在一个最优测量区间。只有使模数转换器的输入控制在其最优的测量区间内，才能最大限度的提高其测量性能。

现有的一种技术方案是通过变送器(如传感器、互感器等)将大范围的输入信号转换至适合模数转换器输入信号范围内，然后由控制器(ARM、DSP、FPGA等)对模数转换器进行控制，对输入信号进行采样，转化为可以由微机处理的数字量化值，继而结合变送器的特性，进行数字量化值的规一化处理(显示、判断等)。通常用到的传感器与互感器分为电压型互感器、电流型互感器、温度变送器等，传感器与互感器的主要作用都是将大量程信号按比例降至可以直接用模数转换器进行采样的小量程信号或将非电压信号转换成模数转换器可以采样的电压信号。对于传感器与互感器的选用，必须结合模数转换器的输入范围进行确定。此方案通过变送器将大范围输入信号按比例转换至模数转换器的输入信号范围内，将会对输入信号的信号分辨率造成损失，信号的分辨率的损失倍率即为变送的器变送比例，例如将0-20V电压信号转换至模数转换器的输入0-5V，信号分辨率为直接对0-20V信号进行采样的0.25倍。同时，此方案对于模数转换器的转换范围亦是全范围的使用，无法避免模数转换器的不同输入区间的不同转换性能的差异。另外，由于变送器的输出与模数转换器输入信号的匹配关系，在进行变送器和模数转换器二者任一元件的更换时，如果涉及到二者信号的匹配关系，必须同时进行更换。

现有的另一种方案是采用对数放大器对大范围的输入信号进行压缩，将大的输入动态范围转换为小的输入范围，以适合模数转换器的输入，其方案原理图如图1所示。此方案利用了对数放大器是输入与输出之间为对数关系的原理，由于对数放大器的输入输出特性在于对数放大器的输入为等比级数，对数放大器的输出为等差级数，故而可以对大范围输入信号转换至模数转换器的小范围输入。但是，由于对数转换器的特性，在输入信号电平较低的情况下，由于log(0)＝-∞，故而对数放大器的转换将存在问题，必须在对数放大器的前级增加前置放大器，对输入为小信号时进行放大，来避免对数放大器的转换问题。

同时，上述两种方案均没有考虑模数转换器的不同输入区间的转换性能差异。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种滑动窗口式的数据采样方法及装置。

本发明具体采用如下技术方案：

一种滑动窗口式数据采样方法，其特征在于通过对待采样的信号叠加正向和反向的修正电压，形成一个动态滑动的采样窗口，将模数转换器的输入电压控制在其最优测量区间内，并通过数据处理单元对模数转换器的采样数据进行处理，跟踪调整正向及反向修正电压，同时结合正向和反向修正电压数据，对采样数据进行规一化处理，得到准确的实时输入数据。

一种滑动窗口式数据采样装置，其特征在于包括：

正向修正数模转换器，用于产生正向修正电压；

反向修正数模转换器，用于产生反向修正电压；

正向调理电路，对所述正向修正电压进行信号调理；

反向调理电路，对所述反向修正电压进行信号调理；

运算放大器，将待采样的信号和经过信号调理的正向、反向修正电压进行叠加，叠加后的电压信号作为模数转换器的输入信号；

模数转换器，对经运算放大器叠加后的电压信号进行模数转换，并输出采样数据到数据处理单元；

数据处理单元，对模数转换器和正、反向修正数模转换器进行控制，实时处理模数转换器输出的采样数据，跟踪调整正、反向修正数模转换器的数字量输入，从而调整运算放大器的输出电压窗口。

本发明的滑动窗口式的数据采样方法及装置，可以将采样输入电压范围作正向和反向的扩展，扩展的范围可由设计参数确定，同时，基于正向修正电压和反向修正电压的实时调整，形成动态滑动的转换窗口，可以准确将输入信号进行转换，将模数转换器的实时输入锁定至模数转换器最优性能区间窗口，提高信号采集的整体性能。

附图说明

图1：采用对数放大器将输入信号范围转化为模数转换器输入范围的原理框图；

图2：滑动窗口式数据采样方法原理框图；

图3：滑动窗口式数据采样方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步地说明。

如图2所示为滑动窗口式数据采样方法原理框图，采用正、反向修正数模转换器即数模转换器A和数模转换器B分别产生正向和反向的修正电压，数模转换器A和数模转换器B的数字量输入端分别与数据处理单元连接，数模转换器A和数模转换器B的模拟量输出端分别接有调理电路，用于对正向和反向修正电压进行信号调理。正、反向调理电路的输出端分别经电阻Ra和Rb与一运算放大器的正、反相输入端连接，运算放大器将待采样的信号SAM_INPUT和经信号调理的正向、反向修正电压进行叠加，叠加后的电压作为模数转换器的输入ADC_INPUT。模数转换器的数字量输出端与数据处理单元连接，数据处理单元采用相应的程序算法，对模数转换器和两路数模转换器进行控制，实时处理模数转换器的采样数据，跟踪调整数模转换器的数字量输入，调整运算放大器的输出电压窗口。

结合本发明的设计方法，涉及以下相关参数：

(1)模数转换器相关参数

模数转换器参考：ADC_REF，其为模数转换器的参考电压输入，为电压量，与硬件设计所采用的模数转换器器件参数及硬件电路设计决定其数值大小；

模数转换器位数：ADC_BITS，其为模数转换器的器件参数，表征模数转换器的数字量输出位数，由模数转换器器件参数决定；

模数转换器输入：ADC_INPUT，模数转换器的模拟量实时输入，其有效测量数据应在模数转换器参考范围内；

模数转换器输出：ADC_CODE，模数转换器的数字量输出，其是模数转换器输入的数字量化反映，其数值在模数转换器位数的最大表征范围内。

模数转换器相关参数存在以下关系：

$\mathrm{ADC}\_\mathrm{CODE}=\frac{\mathrm{ADC}\_\mathrm{INPUT}}{\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}$ 式(1)

(2)数模转换器A相关参数

数模转换器A参考：DAC_A_REF，此参数表征数模转换器A的数字量输入为最大值(即2^DAC_A_BITS)时为数模转换器所输出的模拟量化值，其由数模转换器器件参数及相关硬件设计所决定；

数模转换器A位数：DAC_A_BITS，数模转换器A数字量输入位数，为数模转换器的器件参数；

数模转换器A输入：DAC_A_CODE，数模转换器A实时数字量输入，其数值范围由数模转换器A位数决定；

数模转换器A输出：DAC_A_OUTPUT，数模转换器A实时模拟量输出，其与数模转换器A实时数字量输入相关。

数模转换器A相关参数存在以下关系：

$\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{OUTPUT}=\frac{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{CODE}}{2^{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{BITS}}}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{REF}$ 式(2)

(3)数模转换器B相关参数

数模转换器B参考：DAC_B_REF，此参数表征数模转换器B的数字量输入为最大值(即2^DAC_B_BITS)时为数模转换器所输出的模拟量化值，其由数模转换器器件参数及相关硬件设计所决定；

数模转换器B位数：DAC_B_BITS，数模转换器B数字量输入位数，为数模转换器的器件参数；

数模转换器B输入：DAC_B_CODE，DAC_A_CODE，数模转换器B实时数字量输入，其数值范围由数模转换器B位数决定；

数模转换器B输出：DAC_B_OUTPUT，数模转换器B实时模拟量输出，其与数模转换器A实时数字量输入相关。

数模转换器B相关参数下存在以下关系：

$\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{OUTPUT}=\frac{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{CODE}}{2^{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{BITS}}}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{REF}$ 式(3)

(4)运算放大器相关参数

输入信号电压系数电阻：Ri，电阻值；

正向修正电压系数电阻：Ra，电阻值；

反向修正电压系数电阻：Rb，电阻值；

运算放大器增益电阻：Rf，电阻值；

采样信号输入电压：SAM_INPUT，为待采集信号输入的实时电压信号；

采样信号输出结果：SAM_CODE，为对采样信号进行归一化处理后的实时采样数字量化值；

正向修正电压调理输出：DAC_A_OUTBUF，数模转换器A的输出经调理电路处理所得的电压量，其与数模转换器A的数字量输入为线性关系；

正向修正电压调理系数：Ka，其与运算放大器增益电阻Rf及正向修正电压系数电阻Ra相关；

反向修正电压调理输出：DAC_B_OUTBUF，数模转换器B的输出经调理电路处理所得的电压量，其与数模转换器B的数字量输入为线性关系；

反向修正电压调理系数：Kb，其与运算放大器增益电阻Rf及正向修正电压系数电阻Rb相关；

运算放大器相关参数存在以下关系：

DAC_A_OUTBUF＝Ka*DAC_A_OUTPUT    式(4)

DAC_B_OUTBUF＝Kb*DAC_B_OUTPUT    式(5)

$\mathrm{ADC}\_\mathrm{INPUT}=\mathrm{Rf}*(\frac{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{OUTBUF}}{\mathrm{Ra}}+\frac{\mathrm{SAM}\_\mathrm{INPUT}}{\mathrm{Ri}}-\frac{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{OUTBUF}}{\mathrm{Rb}})$ 式(6)

综合式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可得：

$\mathrm{ADC}\_\mathrm{INPUT}=\mathrm{Rf}*(\frac{\mathrm{Ka}*\frac{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{CODE}}{2^{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{BITS}}}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Ra}}+\frac{\mathrm{SAM}\_\mathrm{INPUT}}{\mathrm{Ri}}-$

$\frac{\mathrm{Kb}*\frac{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{CODE}}{2^{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{BITS}}}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Rb}})$ 式(7)

结合式(7)可得采样信号输入电压SAM_INPUT的实时表示，如下式(8)：

$\text{SAM\_INPUT=Ri*}(\frac{\mathrm{ADC}\_\mathrm{CODE}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}{2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{Kb}*\frac{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{CODE}}{2^{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{BITS}}}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Rb}}-$

$\frac{\mathrm{Ka}*\frac{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{CODE}}{2^{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{BITS}}}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Ra}})$

基于采样信号输入电压SAM_INPUT与采样信号输出结果SAM_CODE的线性关系，对采样信号输入电压SAM_INPUT进行数字归一化处理，即令采样信号输入电压SAM_INPUT等于ADC_REF时，采样信号输出结果SAM_CODE数字归一化数值为2^ADC_BITS，结合式(8)可得采样信号输出结果SAM_CODE的实时表示，如下式(9)：

$\mathrm{SAM}\_\mathrm{CODE}=\frac{\mathrm{SAM}\_\mathrm{INPUT}}{\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}$

综合式(8)与式(9)可得采样信号输出结果归一化数字量表示如下式(10)：

$\mathrm{SAM}\_\mathrm{CODE}=\mathrm{Ri}*(\frac{\mathrm{ADC}\_\mathrm{CODE}}{\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{Kb}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{CODE}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Rb}*2^{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}-$

$\frac{\mathrm{Ka}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{CODE}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Ra}*2^{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}})$

结合式(8)，可得数模转换器A的数字量输入调整单位1时对模数转换器的数字量输出ADC_CODE的叠加效果ΔADC_CODE_A如下式(11)及数模转换器B的数字量输入调整单位1时对模数转换器的数字量输出ADC CODE的叠加效果ΔADC_CODE_B如下式(12)：

$\mathrm{\ΔADC}\_\mathrm{CODE}\_A=\mathrm{Ri}*\left(\frac{\mathrm{Ka}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Ra}*2^{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}\right)$ 式(11)

$\mathrm{\ΔADC}\_\mathrm{CODE}\_B=\mathrm{Ri}*\left(\frac{\mathrm{Kb}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Rb}*2^{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}\right)$ 式(12)

滑动窗口式数据采样方法流程如图3所示：

步骤(1)，采样窗口搜索：在数据采样初始时，需对采样窗口进行首次搜索。采样窗口搜索是通过调整正向及反向修正电压来对输入信号进行叠加，并通过对模数转换器转换结果数字量进行判断，以确定模数转换器输入当前电压范围，进而调整正向和反向输出电压，以将模数转换器的输入修正至其采样窗口搜索结果范围内，即模数转换器输入的20％-80％区间内。其按以下步骤进行处理：

步骤1-1：正向及反向修正初始化：初始化数模转换器A及数模转换器B的数字量输入，即DAC_A_CODE置为0，DAC_B_CODE置为0。

步骤1-2：模数转换器采样控制：启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_CODE。

步骤1-3：模数转换器结果判断：对模数转换器数字量输出ADC_CODE进行判断，若ADC_CODE大于2^ADC_BITS的80％，进入步骤1-4反向修正过程，若ADC_CODE小于2^ADC_BITS的20％，进入步骤1-5正向修正过程，若ADC_CODE大于或等于2^ADC_BITS的20％并且ADC_CODE小于或等于2^ADC_BITS的80％，则转至步骤(2)进行采样窗口锁定。

步骤1-4：反向修正过程：数模转换器A实时输入DAC_A_CODE增加0.05*2^DAC_A_BITS，并确保DAC_A_CODE未超出模数据转换器A的输入范围(0-2^DAC_A_BITS)，DAC_B_CODE减小0.05*2^DAC_B_BITS，并确保DAC_B_CODE未超出模数转换器B的输入范围(0-2^DAC_B_BITS)。转至步骤1-2进行模数转换器采样控制。

步骤1-5：正向修正过程：数模转换器A实时输入DAC_A_CODE减小0.05*2^DAC_A_BITS，并确保DAC_A_CODE未超出模数据转换器A的输入范围(0-2^DAC_A_BITS)，DAC_B_CODE增加0.05*2^DAC_B_BITS，并确保DAC_B_CODE未超出模数转换器B的输入范围(0-2^DAC_B_BITS)。转至步骤1-2进行模数转换器采样控制。

步骤(2)，采样窗口锁定：在采样窗口搜索步骤完成后，已将模数转换器输入调整于模数转换器输入范围的20％至80％，即模数转换器的结果在0.2*2^ADC_BITS至0.8*2^ADC_BITS区间中。在采样窗口锁定步骤中，通过调整正向及反向修正电压，将模数转换器输入进一步修正至模数转换器输入范围的(30％-70％)之间。其按以下步骤进行处理及判断：

步骤2-1，锁定修正：对模数转换器转换结果ADC_CODE进行判断，若ADC_CODE大于0.5*2^ADC_BITS，则对数模转换器B的实时数字量输入增加

并确保DAC_B_CODE未超出模数转换器B的输入范围(0-2^DAC_B_BITS)，若ADC_CODE小于0.5*2^ADC_BITS，则对数模转换器A的实时数字量输入增加

并确保DAC_A_CODE未超出模数转换器A的输入范围(0-2^DAC_A_BITS)，若ADC_CODE等于0.5*2^ADC_BITS，保持数模转换器A和数模转换器B的数值不变。

步骤2-2，模数转换器采样控制，启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_CODE。

步骤2-3，模数转换器结果判断，对模数转换器数字量输出ADC_CODE进行判断，若ADC_CODE大于2^ADC_BITS的70％，进入步骤1-4反向修正过程，若ADC_CODE小于2^ADC_BITS的30％，进入步骤1-5正向修正过程，若ADC_CODE大于或等于2^ADC_BITS的30％并且ADC_CODE小于或等于2^ADC_BITS的70％，则转至步骤(3)进行采样窗口跟踪滑动。

步骤(3)，采样窗口跟踪滑动：在采样窗口锁定(步骤(2))完成后，已将模数转换器的输入调整于模数转换器输入范围的30％至70％，即模数转换器的结果在0.3*2^ADC_BITS至0.7*2^ADC_BITS区间中，在采样窗口跟踪滑动步骤中，完成采样控制，并对采样结果进行归一化处理，得到实时的采样数据，同时通过调整正向及反向的修正电压，来实现采样窗口的跟踪滑动，将模数转换器的输入始终锁定至模数转换器的最佳输入中心(模数转换器输入的50％)处，其按以下步骤处理：

步骤3-1，跟踪滑动修正：结合当前模数转换器转换结果ADC_CODE，计算出当前模数转换器输入与模数转换器输入中心的偏差，即为

并对偏差进行判断，若偏差大于0，则需进行反向修正，反向修正方法结合式(12)数模转换器B的数字量输入调整单位1时对模数转换器的数字量输出的影响进行调整，即对数模转换器B实时输入增加

若对数模转换器B实时输入增加修正时，修正后DAC_B_CODE超出数模转换器B的输入范围，则结合式(11)数模转换器A的数字量输入调整单位1时对模数转换器的数字量输出的影响，对数模转换器A的输入进行调整，即对数模转换器A的实时输入减小

若偏差小于0，则需进行正向电压修正，正向修正方法结合式(11)数模转换器A的单位1对模数转换器结果的影响进行调整，即对数模转换器A的实时输入增加若对数模转换器A的实时输入增加修正时，修正后的DAC_A_CODE超出数模转换器A的输入范围，则结合式(12)对数模转换器B的实时输入减小

若偏差等于0，则无需进行修正调整，保持数模转换器A和数模转换器B的数值不变。

步骤3-2，模数转换器采样控制，启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_CODE。

步骤3-3，采样数据归一化处理，结合当前模数转换器的转换结果ADC_CODE及数模转换器A的数字量输入DAC_A_CODE和数模转换器B的数字量输入DAC_B_CODE，计算得出采样信号输入电压SAM_INPUT的归一化数字量SAM_CODE，其中SAM_CODE的归一化处理计算方式如式(10)，并转回步骤3-1进行采样窗口滑动跟踪，重复步骤(3)中的步骤，并实时计算采样数据的归一化值。采样数据的归一化值可以直接用于计算、显示、判断等应用处理。

上述本发明方法中产生正向和反向修正电压的结构并不限于具体实施方式中的数模转换器，也可以采用别的电路结构，比如数字电位器等。

本发明的滑动窗口式数据采样装置包括：

正向修正数模转换器，用于产生正向修正电压；

反向修正数模转换器，用于产生反向修正电压；

正向调理电路，对所述正向修正电压进行信号调理；

反向调理电路，对所述反向修正电压进行信号调理；

运算放大器，将待采样的信号和经过信号调理的正向、反向修正电压进行叠加，叠加后的电压信号作为模数转换器的输入信号；

模数转换器，对经运算放大器叠加后的电压信号进行模数转换，并输出采样数据到数据处理单元；

数据处理单元，对模数转换器和正、反向修正数模转换器进行控制，实时处理模数转换器输出的采样数据，跟踪调整正、反向修正数模转换器的数字量输入，从而调整运算放大器的输出电压窗口。

本发明方法及装置中，正向修正数模转换器可以是多个，各正向修正数模转换器的输出的总和构成正向修正电压，通过数据处理单元控制各正向修正数模转换器的数字量输入，可以对正向修正电压进行调整。反向修正数模转换器可以是多个，各反向修正数模转换器的输出的总和构成反向修正电压，通过数据处理单元控制各正向修正数模转换器的数字量输入，可以对反向修正电压进行调整。各正向修正数模转换器和各反向修正数模转换器均可以采用相同型号的数模转换器，也可以采用不同型号的数模转换器。正向调理电路和反向调理电路可以采用相同的电路结构，也可以采用不同的电路结构。数据处理单元可以是CPU、ARM、DSP、FPGA等。

Claims (4)

1.一种滑动窗口式数据采样方法，其特征在于通过对待采样的信号叠加正向和反向的修正电压，形成一个动态滑动的采样窗口，将模数转换器的输入电压控制在其最优测量区间内，并通过数据处理单元对模数转换器的采样数据进行处理，跟踪调整正向及反向修正电压，同时结合正向和反向修正电压数据，对采样数据进行归一化处理，得到准确的实时输入数据，具体是采用正、反向修正数模转换器分别产生正向和反向的修正电压，正向和反向的修正电压分别进行信号调理后，通过一路运算放大器与待采样的信号进行叠加，叠加后的电压作为模数转换器的输入，数据处理单元采用相应的程序算法，对模数转换器和正、反向修正数模转换器分别进行控制，实时处理模数转换器的采样数据，跟踪调整正、反向修正数模转换器的数字量输入，调整运算放大器的输出电压窗口即采样窗口，具体包括如下步骤：

步骤（1），采样窗口搜索：在数据采样初始时，对采样窗口进行首次搜索，采样窗口搜索是通过调整正向及反向修正电压来对输入信号进行叠加，并对模数转换器转换结果数字量进行判断，以确定模数转换器输入当前电压范围，进而跟踪调整正向、反向修正电压，以将模数转换器的输入修正至其采样窗口搜索结果范围内，即模数转换器输入范围的20%-80%区间内；

步骤（2），采样窗口锁定：跟踪调整正向、反向修正电压，将模数转换器输入进一步修正至模数转换器输入范围的30%-70%区间内；

步骤（3），采样窗口跟踪滑动：完成采样控制，并对采样结果进行归一化处理，得到实时的采样数据，同时通过调整正、反向修正电压，来实现采样窗口的跟踪滑动，将模数转换器的输入始终锁定至模数转换器的最佳输入中心，即模数转换器输入范围的50%处。

2.根据权利要求1所述的滑动窗口式数据采样方法，其特征在于步骤（1）的具体步骤如下：

步骤1-1，正、反向修正初始化：初始化正、反向修正数模转换器的数字量输入DAC_A_CODE和DAC_B_CODE，置为0；

步骤1-2，模数转换器采样控制：启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_CODE；

步骤1-3，模数转换器结果判断：对模数转换器数字量输出ADC_CODE进行判断，若ADC_CODE大于2^ADC_BITS的80%，进入步骤1-4反向修正过程，若ADC_CODE小于2^ADC_BITS的20%，进入步骤1-5正向修正过程，若ADC_CODE大于或等于2^ADC_BITS的20%并且ADC_CODE小于或等于2^ADC_BITS的80%，则转至步骤（2）进行采样窗口锁定，其中2^ADC_BITS表示模数转换器数字量输出的最大值，ADC_BITS表示模数转换器的数字量输出位数；

步骤1-4，反向修正过程：正向修正数模转换器实时数字量输入DAC_A_CODE增加0.05*2^DAC_A_BITS，并确保DAC_A_CODE未超出正向修正数模转换器的数字量输入范围0-2^DAC_A_BITS，反向修正数模转换器实时数字量输入DAC_B_CODE减小0.05*2^DAC_B_BITS，并确保DAC_B_CODE未超出反向修正数模转换器的数字量输入范围0-2^DAC_B_BITS，其中DAC_A_BITS、DAC_B_BITS分别表示正、反向修正数模转换器的数字量输入位数，接着转至步骤1-2进行模数转换器采样控制；

步骤1-5，正向修正过程：正向修正数模转换器实时数字量输入DAC_A_CODE减小0.05*2^DAC_A_BITS，并确保DAC_A_CODE未超出正向修正数模转换器的数字量输入范围0-2^DAC_A_BITS，反向修正数模转换器实时数字量输入DAC_B_CODE增加0.05*2^DAC_B_BITS，并确保DAC_B_CODE未超出反向修正数模转换器的输入范围0-2^DAC_B_BITS，转至步骤1-2进行模数转换器采样控制。

3.根据权利要求2所述的滑动窗口式数据采样方法，其特征在于步骤（2）的具体步骤如下：

步骤2-1，锁定修正：对模数转换器转换结果数字量输出进行判断，若数字量输出大于0.5*2^ADC_BITS，则对反向修正数模转换器的实时数字量输入DAC_B_CODE增加

并确保DAC_B_CODE未超出反向修正数模转换器的输入范围0-2^DAC_B_BITS，若数字量输出小于0.5*2^ADC_BITS，则对正向修正数模转换器的实时数字量输入DAC_A_CODE增加

并确保DAC_A_CODE未超出模数转换器A的输入范围0-2^DAC_A_BITS，若数字量输出等于0.5*2^ADC_BITS，保持正、反向修正数模转换器的数值不变，其中，ADC_BITS表示模数转换器的数字量输出位数，ADC_CODE表示模数转换器数字量输出，DAC_A_BITS、DAC_B_BITS分别表示正、反向修正数模转换器的数字量输入位数；

步骤2-2，模数转换器采样控制：启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_CODE；

步骤2-3，模数转换器结果判断，对模数转换器数字量输出进行判断，若数字量输出大于2^ADC_BITS的70%，进入步骤1-4反向修正过程，若数字量输出小于2^ADC_BITS的30%，进入步骤1-5正向修正过程，若数字量输出大于或等于2^ADC_BITS的30%并且数字量输出小于或等于2^ADC_BITS的70%，则转至步骤（3）进行采样窗口跟踪滑动。

4.根据权利要求1所述的滑动窗口式数据采样方法，其特征在于步骤（3）的具体步骤如下：

步骤3-1，跟踪滑动修正：结合当前模数转换器数字量输出ADC_CODE，计算出当前模数转换器输入与模数转换器输入中心的偏差，并对偏差进行判断，若偏差大于0，进行反向修正，对反向修正数模转换器实时数字量输入DAC_B_CODE增加

若修正后DAC_B_CODE超出反向修正数模转换器的输入范围，则对正向数模转换器实时数字量输入DAC_A_CODE减小

若偏差小于0，进行正向修正，对正向数模转换器实时数字量输入DAC_A_CODE增加

若修正后的DAC_A_CODE超出正向数模转换器的输入范围，则对反向修正数模转换器实时数字量输入减小

若偏差等于0，则不进行修正调整，保持正、反向数模转换器的数值不变，其中，ADC_BITS表示模数转换器的数字量输出位数，Ri表示运算放大器输入信号电压系数电阻，Ka、Kb分别表示正、反向修正电压调理系数，DAC_A_BITS、DAC_B_BITS分别表示正、反向修正数模转换器的数字量输入位数，DAC_A_REF、DAC_B_REF分别表示正、反向修正数模转换器数字量输入为最大值时输出的模拟量化值，ADC_REF表示模数转换器的参考电压输入，Ra、Rb分别表示运算放大器的正、反向修正电压系数电阻；

步骤3-2，模数转换器采样控制，启动模数转换器转换，待模数转换完毕后取得模数转换器数字量输出ADC_CODE；

步骤3-3，采样数据归一化处理，结合当前模数转换器的数字量输出ADC_CODE及正、反向数模转换器数字量输入DAC_A_CODE和DAC_B_CODE，计算得出采样信号输入电压SAM_INPUT的归一化数字量SAM_CODE，

$\mathrm{SAM}\_\mathrm{CODE}=\mathrm{Ri}*(\frac{\mathrm{ADC}\_\mathrm{CODE}}{\mathrm{Rf}}+\frac{\mathrm{Kb}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{CODE}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Rb}*2^{\mathrm{DAC}\_B\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}}-$

$\frac{\mathrm{Ka}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{CODE}*2^{\mathrm{ADC}\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{REF}}{\mathrm{Ra}*2^{\mathrm{DAC}\_A\_\mathrm{BITS}}*\mathrm{ADC}\_\mathrm{REF}})$

其中Rf表示运算放大器增益电阻，转回步骤3-1进行采样窗口滑动跟踪，重复步骤（3）中的步骤，并实时计算采样数据的归一化值。

Images