CN111338596B - 一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统和方法 - Google Patents

一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于声卡信号采集技术领域，涉及一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统和方法。该系统用于提高声卡模拟到数字转换ADC采集的动态范围；包括：信号缩小模块，多个保护模块，多个ADC模块，多个加法器，用于对第2n+1个AD模块和第2n+2个AD模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；数据整合模块，用于整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号。本发明的数据采集系统和方法，作为音频声卡测试使用基本可以测试到20V的信号，系统动态范围达到134dB，同时电路复杂度降低，制造成本更具优势。

Description

一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统和方法
技术领域
本发明涉及声卡信号采集技术领域，尤其涉及一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统和方法，还涉及一种音频测试装置。
背景技术
通常，声卡模拟到数字转换芯片内都由于供电范围限制，接收信号的动态范围是有限的。以音频ADC芯片AK5385为例，芯片动态范围为114dB。模拟输入电压范围为+Vref到-Vref，由于供电最大值为5V，基本就是电路供电5V作为信号的上限值，最高幅度交流信号顶峰超出5V就会出现切削5V以上信号，导致信号还原丢失。有的音频ADC芯片还会出现信号超出这个范围以至于烧毁芯片。甚至需要采取保护电路进行限制幅度，超出5V 就会保护限制在5V以内。因此，有的测量无法得到准确的测量原始信号，测量的范围受到限制，进而影响到测量的准确性和有效性。
为了获得更大的动态范围，本领域现有的解决方法采用多个档位实现不同的接收范围，使得检测到输入模拟信号以后切换档位进入使用范围。但是这样的解决方法成本较高，而且电路比较复杂，容易带来系统故障率的增加，使得数据采集精度和可靠性无法得到保障。
发明内容
本发明公开一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统和方法，旨在解决现有技术中存在的技术问题。
本发明采用下述技术方案：
一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，用于提高声卡模拟到数字转换ADC采集的动态范围；包括：
信号缩小模块，用于将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/2N，N为大于等于2的整数，输出端分为2N路；
2N个保护模块，连接所述信号缩小模块的每一路输出，用于对ADC模块进行保护；第 2n+1个所述保护模块为正向保护模块，第2n+2个保护模块为反向保护模块，n为大于等于0小于等于N-1的整数；
2N个ADC模块，每个所述ADC模块分别连接对应的所述保护模块；
N个加法器，用于对第2n+1个AD模块和第2n+2个AD模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；
数据整合模块，用于整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号；所述数据整合模块包括选择器单元、数据切换组合单元和数据处理单元；所述选择器单元产生同步信号 LR，数据切换组合单元根据所述同步信号LR将数字信号DN进行组合，所述数据处理单元将组合而成的带有同步信号LR的高动态范围数据缓存和输出。
作为进一步优选的技术方案，当N＝2时，4个ADC模块分别产生4组16位二进制数字信号，2个加法器组合运算后输出D1和D2，所述数据切换组合单元根据同步信号LR将数字信号D1和D2组合；LR为低电平，D1数据放在新的64位数据组合的前32位；LR为高电平，D2数据放在新的64位数据组合的后32位。
其中，新的64位数据缓存到所述数据处理单元，输出带有同步信号LR的64位数据，其中所述同步信号LR用于标记输出数据来自于D1还是D2。
作为进一步优选的技术方案，当N＝4时，8个ADC模块分别产生8组16位二进制数字信号，4个加法器组合运算后输出D1、D2、D3和D4，所述数据切换组合单元根据同步信号LR将数字信号D1、D2、D3和D4组合；LR高低电平交替，D1、D2、D3和D4数据分别放在新的128位数据组合的第1-32位、33-64位、65-96位、97-128位。
其中，新的128位数据缓存到所述数据处理单元，输出带有同步信号LR的128位数据，其中所述同步信号LR用于标记输出数据来自于D1、D2、D3还是D4。
作为进一步优选的技术方案，所述数据整合模块为可编程的FPGA芯片或嵌入式CPU。
作为进一步优选的技术方案，每个所述保护模块前还包括滤波模块，用于滤除不必要的高频信号；且每个所述ADC模块的模拟脚位接收到完全相同的信号。
作为进一步优选的技术方案，所述加法器，将ADC模块输出的数字信号的数据高位作为组合添加作为新的高位，每个通道的数据都做组合添加作为新的位。
本发明还提供了一种音频测试装置，包括声卡以及以上任一的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，所述声卡输出的模拟信号输入所述高动态范围声卡模拟信号数据采集系统中，得到高动态范围的数字信号输出。
本发明还提供了一种高动态范围声卡模拟信号数据采集方法，用于提高声卡模拟到数字转换ADC采集的动态范围；包括：
第一步，将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/2N，N为大于等于2的整数，输出端分为2N路；
第二步，每路均输入对应的保护模块，第2n+1个所述保护模块为正向保护模块，第2n+2个保护模块为反向保护模块，n为大于等于0小于等于N-1的整数；每个保护模块后连接对应的ADC模块，由ADC模块输出2N个16位二进制数字信号；
第三步，第2n+1个AD模块和第2n+2个AD模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；
第四步，整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号。
作为进一步优选的技术方案，第四步中，提供一选择器单元产生同步信号LR，数据切换组合单元根据所述同步信号LR将数字信号DN进行组合，所述数据处理单元将组合而成的带有同步信号LR的高动态范围数据缓存和输出。
应理解，上述一种高动态范围声卡模拟信号数据采集方法可以不依赖于上述一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统而实施。
本发明采用的技术方案能够达到以下有益效果：
1.常规音频ADC芯片，动态范围为114dB，幅值范围小于5V；本发明在采用4个ADC的情况下，作为音频声卡测试使用基本可以测试到20V的信号，理想状态下动态范围提升20dB，系统动态范围达到134dB。该测试幅值范围和动态范围，完全满足目前音频使用范围。
2.本发明相比多档位检测切换技术，差别在于利用数字信号的数据组合提高信号动态范围，电路复杂度降低，且使用多个ADC并不会带来电路成本的显著提升，动态范围亦得到显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例公开的一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统的示意图。
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，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
为了解决现有技术中音频采集无法获得高动态范围的技术问题，本实施方式提供了一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，目的在于适当的提高声卡模拟到数字转换ADC 采集的动态范围，而且无需使用前端比较器然后切换进入适当多档位的方式。本实施例的系统采用提前缩小采集信号，然后多个模拟转换数字通道信号进行叠加，增加交流信号采集的动态范围，最后转换以后的数字信号进行合并。
高动态范围声卡模拟信号数据采集系统系统具体包括：
信号缩小模块，用于将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/2N，N为大于等于2的整数，输出端分为2N路；
2N个保护模块，连接所述信号缩小模块的每一路输出，用于对ADC模块进行保护；第 2n+1个所述保护模块为正向保护模块，第2n+2个保护模块为反向保护模块，n为大于等于0小于等于N-1的整数；这样设置的主要目的是使得系统兼容差分信号输入和单端信号输入两种方式。在差分信号输入的情况下，差分正输入正向保护ADC，差分负输入反向保护ADC。在单端信号输入的情况下，单端输入正向保护ADC，可选地，反向保护ADC接地处理。
2N个ADC模块，每个所述ADC模块分别连接对应的所述保护模块；
N个加法器，用于对第2n+1个ADC模块和第2n+2个ADC模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；
数据整合模块，用于整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号；所述数据整合模块包括选择器单元、数据切换组合单元和数据处理单元；所述选择器单元产生同步信号 LR，数据切换组合单元根据所述同步信号LR将数字信号DN进行组合，所述数据处理单元将组合而成的带有同步信号LR的高动态范围数据缓存和输出。
优选地，数据整合模块为可编程的FPGA芯片或嵌入式CPU。
优选地，每个所述保护模块前还包括滤波模块，用于滤除不必要的高频信号；且每个所述ADC模块的模拟脚位接收到完全相同的信号。
优选地，所述加法器，将ADC模块输出的数字信号的数据高位作为组合添加作为新的高位，每个通道的数据都做组合添加作为新的位。
实施例2：
本实施方式提供了一种典型地应用场景，即实施例1中N＝2的情形。在前端先做1/4 缩小，再进行多路组合，将通道信号叠加。
如图1所示，本实施例给出一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，包括：
信号缩小模块，用于将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/4，输出端分为4路；即声卡模拟信号输入后，通过保护、分配、调节和整合，分别连接到4个ADC芯片(ADC1- ADC4)。
4个保护模块，连接所述信号缩小模块的每一路输出，用于对ADC模块进行保护；第1个和第3个保护模块为正向保护模块，第2个和第4个保护模块为反向保护模块；
4个ADC模块，每个ADC模块分别连接对应的保护模块；4个ADC的模拟脚位接收到完全相同的信号，ADC芯片初始化以后进行信号的转化,逐次逼近的ADC就会将信号采点然后记录成为信号幅度，然后数字化以后的0101100010010001的信号,即16位二进制信号。
2个加法器，用于对ADC1和ADC2，以及ADC3和ADC4输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出D1和D2；加法器对叠加的信号进行重新排列组合，使得组合以后数据宽度填满32位精度范围。
数据整合模块，用于整合数字信号D1和D2得到提高动态范围的数字信号；
按照32位进行整合输出到串行数字接口上通过输出缓存区缓存以后发送。其中输出的4路信号采用数字组合累加，将4个通道的数据高位作为组合添加作为新的高位，每个通道的数据都做组合添加作为新的位。
所述数据整合模块包括选择器单元、数据切换组合单元和数据处理单元；所述选择器单元产生同步信号LR，数据切换组合单元根据所述同步信号LR将数字信号DN进行组合，所述数据处理单元将组合而成的带有同步信号LR的高动态范围数据缓存和输出。
4个ADC模块分别产生4组16位二进制数字信号，2个加法器组合运算后输出D1和D2，所述数据切换组合单元根据同步信号LR将数字信号D1和D2组合；LR为低电平，D1 数据放在新的64位数据组合的前32位；LR为高电平，D2数据放在新的64位数据组合的后32位。
优选地，新的64位数据缓存到所述数据处理单元，输出带有同步信号LR的64位数据，其中所述同步信号LR用于标记输出数据来自于D1还是D2。
实施例3：
作为进一步优选的技术方案，当N＝4时，8个ADC模块分别产生8组16位二进制数字信号，4个加法器组合运算后输出D1、D2、D3和D4，所述数据切换组合单元根据同步信号LR将数字信号D1、D2、D3和D4组合；LR高低电平交替，D1、D2、D3和D4数据分别放在新的128位数据组合的第1-32位、33-64位、65-96位、97-128位。
其中，新的128位数据缓存到所述数据处理单元，输出带有同步信号LR的128位数据，其中所述同步信号LR用于标记输出数据来自于D1、D2、D3还是D4。
实施例4：
本实施方式还提供了一种音频测试装置，包括声卡以及以上任一的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，所述声卡输出的模拟信号输入所述高动态范围声卡模拟信号数据采集系统中，得到高动态范围的数字信号输出。
实施例5：
本实施方式还提供了一种高动态范围声卡模拟信号数据采集方法，用于提高声卡模拟到数字转换ADC采集的动态范围；包括：
第一步，将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/2N，N为大于等于2的整数，输出端分为2N路；
第二步，每路均输入对应的保护模块，第2n+1个所述保护模块为正向保护模块，第2n+2个保护模块为反向保护模块，n为大于等于0小于等于N-1的整数；每个保护模块后连接对应的ADC模块，由ADC模块输出2N个16位二进制数字信号；
第三步，第2n+1个AD模块和第2n+2个AD模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；
第四步，整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号。优选地，该步骤中，提供一选择器单元产生同步信号LR，数据切换组合单元根据所述同步信号LR将数字信号DN进行组合，所述数据处理单元将组合而成的带有同步信号LR的高动态范围数据缓存和输出。
第五步，如有必要的话，最后还原的时候再根据同步信号LR进行拆分还原出来采集到的模拟信号。
应理解，上述一种高动态范围声卡模拟信号数据采集方法可以不依赖于上述一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统而实施。
本发明在采用4个ADC的情况下，作为音频声卡测试使用基本可以测试到20V的信号，理想状态下动态范围20dB，系统动态范围达到134dB。该测试幅值范围和动态范围，完全满足目前音频使用范围。根据需要，可以进一步采用8路缩小八分之一的方法，使用 8个ADC，可以实现40V的信号采集。
本发明相比多档位检测切换技术，差别在于利用数字信号的数据组合提高信号动态范围，电路复杂度降低，且使用多个ADC并不会带来电路成本的显著提升，动态范围亦得到显著提高。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，用于提高声卡模拟到数字转换ADC采集的动态范围；包括：
信号缩小模块，用于将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/2N，N为大于等于2的整数，输出端分为2N路；
2N个保护模块，连接所述信号缩小模块的每一路输出，用于对ADC模块进行保护；第2n+1个所述保护模块为正向保护模块，第2n+2个保护模块为反向保护模块，n为大于等于0小于等于N-1的整数；
2N个ADC模块，每个所述ADC模块分别连接对应的所述保护模块；
N个加法器，用于对第2n+1个ADC模块和第2n+2个ADC模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；
数据整合模块，用于整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号；所述数据整合模块包括选择器单元、数据切换组合单元和数据处理单元；所述选择器单元产生同步信号LR，数据切换组合单元根据所述同步信号LR将数字信号DN进行组合，所述数据处理单元将组合而成的带有同步信号LR的高动态范围数据缓存和输出。
2.根据权利要求1所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，当N＝2时，4个ADC模块分别产生4组16位二进制数字信号，2个加法器组合运算后输出D1和D2，所述数据切换组合单元根据同步信号LR将数字信号D1和D2组合；LR为低电平，D1数据放在新的64位数据组合的前32位；LR为高电平，D2数据放在新的64位数据组合的后32位。
3.根据权利要求2所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，新的64位数据缓存到所述数据处理单元，输出带有同步信号LR的64位数据，其中所述同步信号LR用于标记输出数据来自于D1还是D2。
4.根据权利要求1所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，当N＝4时，8个ADC模块分别产生8组16位二进制数字信号，4个加法器组合运算后输出D1、D2、D3和D4，所述数据切换组合单元根据同步信号LR将数字信号D1、D2、D3和D4组合；LR高低电平交替，D1、D2、D3和D4数据分别放在新的128位数据组合的第1-32位、33-64位、65-96位、97-128位。
5.根据权利要求4所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，新的128位数据缓存到所述数据处理单元，输出带有同步信号LR的128位数据，其中所述同步信号LR用于标记输出数据来自于D1、D2、D3还是D4。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，所述数据整合模块为可编程的FPGA芯片或嵌入式CPU。
7.根据权利要求1-5中任一项所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，每个所述保护模块前端还包括滤波模块，用于滤除不必要的高频信号；且每个所述ADC模块的模拟脚位接收到完全相同的信号。
8.根据权利要求1所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，其特征在于，所述加法器，将ADC模块输出的数字信号的数据高位作为组合添加作为新的高位，每个通道的数据都做组合添加作为新的位。
9.一种音频测试装置，其特征在于，包括声卡以及权利要求1-8中任一项所述的高动态范围声卡模拟信号数据采集系统，所述声卡输出的模拟信号输入所述高动态范围声卡模拟信号数据采集系统中，得到高动态范围的数字信号输出。
10.一种高动态范围声卡模拟信号数据采集方法，其特征在于，用于提高声卡模拟到数字转换ADC采集的动态范围；包括：
将声卡模拟信号的幅值输入缩小为1/2N，N为大于等于2的整数，输出端分为2N路；
每路均输入对应的保护模块，第2n+1个所述保护模块为正向保护模块，第2n+2个保护模块为反向保护模块，n为大于等于0小于等于N-1的整数；每个保护模块后连接对应的ADC模块，由ADC模块输出2N个16位二进制数字信号；
第2n+1个AD模块和第2n+2个AD模块输出的数字信号做数据组合运算，后进行数据输出DN；
整合数字信号DN得到提高动态范围的数字信号。
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