CN108594147B - 一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，属于计量领域。采用多通道模数转换器采集模拟信号，采用数字接口采集数字信号，软件同时发出模拟信号和数字信号采集指令。采用仿真的方法对模数转换器和数字接口采集信号的时间同步性进行校准。本发明采用模数转换器采集标准系统的模拟电压信号，数字接口采集被校传感器输出的数字信号。为解决上述采集两个信号在时域存在时间无法准确同步，从而导致信号处理得到的相频特性误差较大的问题，采用多通道同步输出的D/A转换器仿真模拟信号输出和数字接口信号输出，对模数转换器采集模拟信号和数字接口采集数字信号同步时间差进行校准。

Description

一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法

技术领域

本发明涉及一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，属于计量领域。

背景技术

在动态校准中，标准信号和被校信号在时域采集的同步性对校准结果的准确性至关重要。比如在采用正弦信号作为激励源进行动态校准时，需要校准被校传感器的幅频特性和相频特性。一般采用多通道模数转换器同步采集标准系统和被校传感器在同一激励量值下的模拟电压信号，通过对标准信号和被校信号的分析，获得被校传感器的幅频特性和相频特性。如果采集不同步，传感器的相频特性将引入误差。随着科学技术的进步，越来越多的被校传感器具有数字量输出模式，不再输出模拟信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，实现模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，采用模数转换器采集标准系统的模拟电压信号以及数字信号采集接口采集被校数字量输出传感器的数字信号。为解决现有技术采集到的两个信号在时域存在时间无法准确同步，导致信号处理得到的相频特性或时域延迟误差较大的问题，采用多通道同步输出的D/A转换器产生时域同步输出的方波信号(其中一路是模拟信号，另一路是数字信号)，对模拟信号和数字信号同步采集时的同步时间差进行校准。

一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，具体步骤如下：

步骤一、模拟信号和数字信号同步采集

1)启动标准动态激励源产生动态激励信号,标准测量系统和被校数字量输出传感器同时感受标准动态激励源的激励信号；

2)将标准测量系统的输出接入模数转换器，被校数字量输出传感器的输出接入数字信号采集接口；同时启动模数转换器和数字信号采集接口进行数据采集和存储,模数转换器的采样频率为f_s；

3)步骤一2)所述存储的数字量输出传感器输出信号由被校信号解调软件解调出被校数字量传感器输出系列D_c{m}以及数字信号的更新频率f_c；所述存储的标准测量系统输出信号由标准信号解调软件解调出标准物理量系列D_s{n}；根据两个数字信号系列D_s{n}和D_c{m}，采用数据分析软件计算动态测量结果。所述被校数字量传感器输出系列相对于标准测量系统输出信号在时域的时间差为Δt₁；

步骤二、测量通道间的时间差校准

1)使用两组采用硬件触发同步输出的D/A转换器，第一D/A转换器输出单通道模拟电压信号，第二D/A转换器仿真被校数字量输出传感器信号；第一D/A转换器和第二D/A转换器同步输出相同的M个方波信号，M为大于10的正整数，方波的频率为步骤一数字信号的更新频率f_c的1/N倍，N是根据校准准确度要求选定的正整数；

2)第一D/A转换器输出电压信号由模数转换器采集，模数转换器的参数设置与步骤一相同，其采样频率为f_s，经标准信号解调软件解调出标准信号系列D_s{j}；从标准信号系列D_s{j}中筛选出从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号j_i，i＝1～M；由此计算测量通道1测得的标准信号从低电平跳变至高电平所对应的时刻s_i：

式中：j_i—标准信号系列从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号；

f_s—模数转换器的采样频率；

i—第i个低电平跳变至高电平点；

M—方波信号总个数；

3)第二D/A转换器输出仿真被校数字量输出传感器的信号，由数字信号采集接口采集；数字信号的更新频率f_c以及数字信号采集接口的参数设置与步骤一相同；被校信号解调软件解调出被校信号系列D_c{k}；从被校信号系列D_c{k}中筛选出从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号k_i，i＝1～M；由此计算出测量通道2测出的被校信号从低电平跳变至高电平所对应的时刻c_i：

式中：k_i—被校信号系列从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号；

f_c—数字信号的更新频率；

i—第i个低电平跳变至高电平点；

M—方波信号总个数；

4)根据计算得到的每个方波信号从低电平跳变至高电平所对应的标准信号跳变时刻s_i和被校信号跳变时刻c_i，计算出测量通道2和测量通道1之间的同步时间差为：

步骤三、同步时间差校准

由步骤一和步骤二的测量结果，计算出被校传感器输出信号相对于标准信号的实际时间延迟为：

Δt＝Δt₁-Δt₂ (4)

通过上述三个步骤，就能够实现模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准。

实现上述方法的装置，包括：

标准动态激励源，用于产生动态激励信号；

标准测量系统，用于标准物理量的溯源；

被校数字量输出传感器，是被校准的传感器；

模数转换器，用于采集标准测量系统输出的电压信号；

数字信号采集接口，用于采集被校数字量输出传感器的输出信号；

标准信号解调模块，用于解调标准信号；

被校传感器数字信号解调模块，用于解调被校传感器的输出；

数据分析软件，用于分析测量结果；

第一D/A转换器，输出单通道模拟电压信号，信号为方波；

第二D/A转换器，采用多通道模拟电压，仿真被校数字量输出传感器信号；

同步时间分析软件，用于计算测量通道2和测量通道1的同步时间差。

标准动态激励源产生激励信号，标准测量系统和被校数字量输出传感器同时感受标准动态激励源的同一激励信号。模数转换器采集标准测量系统输出的电压信号，数字信号采集接口采集被校数字量输出传感器的输出信号。通过软件发出指令同时启动模数转换器和数字信号采集接口进行采集和存储，它们采集的信号分别由标准信号解调软件和被校信号解调软件处理。上述信号解调结果由数据分析软件分析出测量结果。上述测量结果得到被校数字量传感器输出系列相对于标准测量系统输出信号在时域的时间差Δt₁。

D/A转换器1和D/A转换器2输出信号分别由模数转换器和数字信号接口采集。上述采集到的信号分别由标准信号解调软件和被校信号解调软件解调，解调结果由同步时间分析软件分析，得到测量通道2和测量通道1之间的同步时间差Δt₂。使用2组采用硬件同步输出的D/A转换器，D/A转换器1输出单通道模拟电压信号，多通道D/A转换器2仿真传感器数字信号采集接口信号，它们均输出M个占空比相同的方波，M为大于10的正整数，方波的频率是被校传感器输出的数字信号更新频率的1/N倍，N为根据校准准确度要求大于1000的正整数。模数转换器和数字信号采集接口相关的参数设置应与步骤一测量时完全相同。被校传感器输出信号相对于标准信号的实际时间延迟为Δt＝Δt₁-Δt₂。

有益效果

1.本发明的一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，在动态校准中可以方便地对模拟信号和数字信号进行同步采集；

2.本发明的一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，采用仿真的方法对模数转换器和数字信号采集接口采集信号的时间同步性进行校准，确保动态校准结果准确可靠，可以适应各种串行或并行数字量接口标准，如232、485、USB、CAN、GPIB等。

附图说明

图1是测试系统框图；

图2是同步时间校准框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

图1是本发明测试系统框图。选用单通道最高采样率10M/s的模数转换器采集标准测量系统输出的电压信号；被校数字量输出传感器采用GPIB标准接口输出数字信号，由计算机GPIB数字信号采集接口采集及存储。通过软件发出指令同时启动模数转换器和GPIB接口进行数据采集和存储，标准测量系统输出的数字电压信号系列由标准信号解调软件解调后获得标准物理量系列；被校传感器输出信号由被校传感器数字信号解调软件解调出系列。由此获得2个通道数字信号系列。标准动态激励源产生半正弦激励信号，由数据分析软件计算出两个信号系列在时域的时间差Δt₁。

为确定标准信号和被校信号地同步性，进行模拟信号和数字信号采集接口采集数字信号的同步性校准。使用2组采用硬件同步输出的D/A转换器，D/A转换器1输出单通道模拟电压信号，D/A转换器2输出多路D/A信号，仿真传感器GPIB接口信号标准，同步输出与单通道模拟电压信号D/A转换器1对应的数字信号。2组使用硬件同步输出的D/A转换器均输出20个占空比相同的方波，方波的频率是被校传感器输出的数字信号更新频率的1/1000。用模数转换器和数字信号采集接口进行采集；用标准信号解调软件和被校信号解调软件进行解调，要求相关的参数设置与测量时完全相同。同步时间分析软件分析上述解调结果，获得测量通道2和测量通道1之间的时间平均延迟Δt₂。

通过上述结果，可计算出模拟信号和数字信号同步采集时，被校传感器输出信号相对于标准信号的实际时间延迟为Δt＝Δt₁-Δt₂。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、模拟信号和数字信号同步采集

1)启动标准动态激励源产生动态激励信号,标准测量系统和被校数字量输出传感器同时感受标准动态激励源的激励信号；

2)将标准测量系统的输出接入模数转换器，被校数字量输出传感器的输出接入数字信号采集接口；同时启动模数转换器和数字信号采集接口进行数据采集和存储,模数转换器的采样频率为f_s；

3)步骤一2)所存储的数字量输出传感器输出信号由被校信号解调软件解调出被校数字量输出传感器输出系列D_c{m}以及数字信号的更新频率f_c；所存储的标准测量系统输出信号由标准信号解调软件解调出标准物理量系列D_s{n}；根据两个数字信号系列D_s{n}和D_c{m}，采用数据分析软件计算动态测量结果；所述被校数字量输出传感器输出系列相对于标准测量系统输出信号在时域的时间差为Δt₁；

步骤二、测量通道间的时间差校准

1)使用两组采用硬件触发同步输出的D/A转换器，第一D/A转换器输出单通道模拟电压信号，第二D/A转换器仿真被校数字量输出传感器信号；第一D/A转换器和第二D/A转换器同步输出相同的M个方波信号，M为大于10的正整数，方波的频率为步骤一数字信号的更新频率f_c的1/N倍，N是根据校准准确度要求选定的正整数；

2)第一D/A转换器输出电压信号由模数转换器采集，模数转换器的参数设置与步骤一相同，其采样频率为f_s，经标准信号解调软件解调出标准信号系列D_s{j}；从标准信号系列D_s{j}中筛选出从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号j_i，i＝1～M；由此计算测量通道1测得的标准信号从低电平跳变至高电平所对应的时刻s_i：

式中：j_i—标准信号系列从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号；

f_s—模数转换器的采样频率；

i—第i个低电平跳变至高电平点；

M—方波信号总个数；

3)第二D/A转换器输出仿真被校数字量输出传感器的信号，由数字信号采集接口采集；数字信号的更新频率f_c以及数字信号采集接口的参数设置与步骤一相同；被校信号解调软件解调出被校信号系列D_c{k}；从被校信号系列D_c{k}中筛选出从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号k_i，i＝1～M；由此计算出测量通道2测出的被校信号从低电平跳变至高电平所对应的时刻c_i：

式中：k_i—被校信号系列从低电平跳变至高电平所对应的数据系列序号；

f_c—数字信号的更新频率；

i—第i个低电平跳变至高电平点；

M—方波信号总个数；

4)根据计算得到的每个方波信号从低电平跳变至高电平所对应的标准信号跳变时刻s_i和被校信号跳变时刻c_i，计算出测量通道2和测量通道1的同步时间差为：

步骤三、同步时间差校准

由步骤一和步骤二的测量结果，计算出被校数字量输出传感器输出信号相对于标准信号的实际时间延迟为：

Δt＝Δt₁-Δt₂ (4)

通过上述三个步骤，就能够实现模拟信号和数字信号同步采集及同步时间差校准。

2.实现如权利要求1所述方法的装置，其特征在于：包括：

标准动态激励源，用于产生动态激励信号；

标准测量系统，用于标准物理量的溯源；

被校数字量输出传感器，是被校准的传感器；

模数转换器，用于采集标准测量系统输出的电压信号；

数字信号采集接口，用于采集被校数字量输出传感器的输出信号；

标准信号解调模块，用于解调标准信号；

被校数字量输出传感器数字信号解调模块，用于解调被校数字量输出传感器的输出；

数据分析软件，用于分析测量结果；

第一D/A转换器，输出单通道模拟电压信号，信号为方波；

第二D/A转换器，采用多通道模拟电压，仿真被校数字量输出传感器信号；

同步时间分析软件，用于计算测量通道2和测量通道1的同步时间差。

Images