CN106452443A - 多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置 - Google Patents

多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置 Download PDF

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林凌
刘红艳
李刚
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    • H03M—CODING; DECODING; CODE CONVERSION IN GENERAL
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    • H03M1/12—Analogue/digital converters
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Abstract

本发明公开了一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，抬高预设电平的双极性正交方波控制至少2路开关电路的通断，开关电路实现了双极性正交方波幅度调制；调幅后的不同频率的信号经加法运算电路相加、以及叠加预设直流电平后，由单路模数转换器进行模数转换获得数字信号；作为驱动的双极性正交方波信号由于抬高了预设电平，在双极性正交方波信号的低电平部分，双极性正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在双极性正交方波信号低电平段，单路模数转换器进行模数转换获得数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理器中的数字信号的精度；所述微处理器对数字信号进行处理，解调出各个被测信号。

Description

多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置
技术领域
本发明涉及采集装置领域，尤其涉及一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置。
背景技术
电压信号等载有信息的变化量，在其自然状态下是以模拟形式表示的，但是，为了便于计算机处理，传输和储存，通常要通过ADC(模数转换器)将其转变为数字信号，因此在信号处理中，模数转换是必不可少的。
现有的多路信号采集系统中，通常需采用多片ADC或多路模拟开关搭配单片ADC的方案，前者具有电路复杂，系统功耗高及电路尺寸大的缺点；而后者则会在采集过程中，由于多路开关的切换，引入开关噪声，以及由于多路开关存在建立时间，会导致相邻通道信号之间相互干扰。
为了提高信号的采集质量，现有技术中的公告号为CN 104796144A，公告日为2015年7月22的专利申请利用双极性正交方波作为激励信号来提高信号采集的质量。
由于现有的采集装置无一例外地均采用模数转换器，模数转换器在靠近输入极限(最大或最小幅值)时存在显著的非线性，特别是输入模数转换器的模拟信号电平越低，得到的数字转换结果的不确定度越大。
因此，采用双极性正交方波作为激励信号时，在双极性正交方波的低电平部分得到的数字信号的信噪比就很低，从而影响了信号的采集精度。
发明内容
为了改进现有技术中的不足，本发明提供了一种多路抬高电平的双极性正交方波调制信号的单路同步采集装置，本发明通过抬高预设电平的双极性正交方波调制信号、以及单路ADC实现对多路信号的模数转换，详见下文描述：
一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，所述单路同步采集装置包括：微处理器，所述单路同步采集装置还包括：至少2路开关电路、加法运算电路和单路模数转换器；
所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的双极性正交方波，
抬高预设电平的双极性正交方波控制至少2路开关电路的通断，至少2路被测信号经过开关电路，所述开关电路由模拟开关、电阻和运算放大器组成，所述开关电路实现了双极性正交方波幅度调制；
调幅后的不同频率或相位的信号经所述加法运算电路相加、以及叠加预设直流电平后，由所述单路模数转换器进行模数转换获得数字信号；
作为驱动的双极性正交方波信号由于抬高了预设电平，在双极性正交方波信号的低电平部分，双极性正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在双极性正交方波信号低电平段，单路模数转换器进行模数转换获得数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理器中的数字信号的精度；
所述微处理器对数字信号进行处理，解调出各个被测信号。
其中，所述作为驱动的双极性信号由于抬高了预设电平，在双极性正交方波信号的高电平部分，提高了单路模数转换器进行模数转换获得数字信号的信噪比。
其中，所述微处理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。
其中，混合信号由单路模数转换器转换成数字信号送入微处理器；
以4种频率抬高预设电平的双极性正交方波驱动开关电路、采集4路被测信号进行说明：
所述微处理器输出控制开关电路的正交方波信号频率分别为2倍f、2倍f、1倍f、1倍f，其中同频率方波的相位相差90°，单路模数转换器的采样频率为fs，且fs＝8f，并保证在最高频驱动信号的高、低电平中间采样；
采样频率fS远高于被测信号的变化频率，在最低驱动信号频率的一个周期各路正交方波信号幅值不变，获取被测信号在正半周期和负半周期幅值；以顺序每8个数字信号为一组进行运算，求得被测信号8倍的信号幅值。
本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明采用不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的双极性正交方波控制2路开关电路的通断；调幅后的不同频率的信号经加法运算电路相加，以及加上一个预设直流电平后，经单路模数转换器进行模数转换得到较高信噪比的数字信号，进而提高了输入到微处理器中的数字信号的精度，相较于背景技术中的公告号为CN 104796144A，公告日为2015年7月22的专利申请，本发明显著地提高了在双极性正交方波信号低电平段的数字信号的信噪比，从而提高了信号采集的精度，满足了实际应用中的多种需要。
附图说明
图1为本发明提供的一种多路抬高电平的双极性正交方波调制信号的单路同步采集装置的结构示意图；
图2为本发明提供的一种多路抬高预设电平的双极性正交方波调制信号的单路同步采集装置的软件流程图；
图3为抬高预设电平的双极性正交方波的示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1：开关电路； 2：加法运算电路；
3：单路模数转换器； 4：微处理器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，参见图1，该单路同步采集装置包括：至少2路开关电路1、加法运算电路2、单路模数转换器3和微处理器4，
微处理器4输出不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的双极性正交方波，抬高预设电平的双极性正交方波控制至少2路开关电路1的通断，N(N>＝2)路被测信号经过开关电路1(该开关电路1由电阻、模拟开关和运算放大器组成)，开关电路1用于实现双极性正交方波幅度调制。调幅后的不同频率或相位的信号经加法运算电路2相加后，由单路模数转换器3进行模数转换获得数字信号。
调幅后的不同频率的信号经加法运算电路2相加，以及加上一个预设直流电平后，由单路模数转换器3进行模数转换获得数字信号。微处理器4对数字信号进行处理，解调出各个被测信号。
其中，由于添加了一个预设直流电平，在双极性正交方波信号的低电平部分，使得经单路模数转换器3进行模数转换得到较高信噪比的数字信号，进而提高了输入到微处理器4中的数字信号的精度。
另外，由于抬高预设电平，噪声水平没有变化，在双极性正交方波信号的高电平部分，双极性正交方波信号相较于噪声也有一定的改善，提高了在双极性正交方波信号高电平段的信号的信噪比。
进而，由于单路模数转换器3进行模数转换得到较高信噪比的数字信号，进而提高了输入到微处理器4中的数字信号的精度。
其中，开关电路2的数量大于等于2。具体实现时，开关电路2的数量及具体实现形式根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。
微处理器1可以采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在双极性正交方波信号低电平段的数字信号的信噪比，从而提高了信号采集的精度，满足了实际应用中的多种需要。
实施例2
一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置的软件流程，参见图2，该方法包括以下步骤：
101：混合信号由单路模数转换器3转换成数字信号送入微处理器4；
102：微处理器4对数字信号进行处理，解调出各个被测信号。
为简便说明起见以4种频率抬高预设电平的双极性正交方波驱动开关电路2、采集4路被测信号为例进行说明，假定被测信号V1、V2、V3和V4对应开关电路的驱动抬高预设电平的双极性方波频率分别为2f，2f，f，f，且被测信号V1、V2对应开关电路1的驱动抬高预设电平的双极性方波相位相差90°，被测信号V3、V4对应开关电路1的驱动抬高预设电平的双极性方波相位相差90°。
假定单路模数转换器3的采样频率为fS，且fS＝8f，并保证在被测信号V1高、低电平中间采样。
数字信号序列可以表示为：
其中，和分别为被测信号V1、V2、V3和V4幅值，为直流分量幅值。
假定采样频率fS远高于被测信号的变化频率，在最低驱动信号频率的一个周期可以近似认为各路抬高预设电平的双极性正交方波信号幅值不变，以最前8个采样数据为例：
其中，和分别为被测信号V1、V2、V3和V4的正半周期和负半周期幅值，为直流分量的幅值。
换言之，以顺序每8个数字信号为一组进行运算：
即得到8倍的V1信号幅值而且完全消除了直流分量的影响。
即得到8倍的V2信号幅值而且完全消除了直流分量的影响。
即得到8倍的V3信号幅值而且完全消除了直流分量的影响。
即得到8倍的V4信号幅值而且完全消除了直流分量的影响。
综上所述，由于本发明实施例相对于背景技术中的申请文件，显著地提高了在双极性正交方波信号低电平段的数字信号的信噪比，从而提高了信号采集的精度，满足了实际应用中的多种需要。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，所述单路同步采集装置包括：微处理器，所述单路同步采集装置还包括：至少2路开关电路、加法运算电路和单路模数转换器；其特征在于，
所述微处理器输出不同频率且成2倍比率关系的抬高预设电平的双极性正交方波，
抬高预设电平的双极性正交方波控制至少2路开关电路的通断，至少2路被测信号经过开关电路，所述开关电路由模拟开关、电阻和运算放大器组成，所述开关电路实现了双极性正交方波幅度调制；
调幅后的不同频率或相位的信号经所述加法运算电路相加、以及叠加预设直流电平后，由所述单路模数转换器进行模数转换获得数字信号；
作为驱动的双极性正交方波信号由于抬高了预设电平，在双极性正交方波信号的低电平部分，双极性正交方波信号相较于噪声改善明显，从而提高了在双极性正交方波信号低电平段，单路模数转换器进行模数转换获得数字信号的信噪比，进而提高了输入到微处理器中的数字信号的精度；
所述微处理器对数字信号进行处理，解调出各个被测信号。
2.根据权利要求1所述的一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，其特征在于，所述作为驱动的双极性信号由于抬高了预设电平，在双极性正交方波信号的高电平部分，提高了单路模数转换器进行模数转换获得数字信号的信噪比。
3.根据权利要求1所述的一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，其特征在于，所述微处理器采用MCU、ARM、DSP或FPGA中的任意一种。
4.根据权利要求1-3中任一权利要求所述的一种多路抬高电平双极性正交方波调制信号单路同步采集装置，其特征在于，所述装置包括：
混合信号由单路模数转换器转换成数字信号送入微处理器；
以4种频率抬高预设电平的双极性正交方波驱动开关电路、采集4路被测信号进行说明：
所述微处理器输出控制开关电路的正交方波信号频率分别为2倍f、2倍f、1倍f、1倍f，其中同频率方波的相位相差90°，单路模数转换器的采样频率为fs，且fs＝8f，并保证在最高频驱动信号的高、低电平中间采样；
采样频率fS远高于被测信号的变化频率，在最低驱动信号频率的一个周期各路正交方波信号幅值不变，获取被测信号在正半周期和负半周期幅值；以顺序每8个数字信号为一组进行运算，求得被测信号8倍的信号幅值。
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