CN111856152A - 一种脉冲信号采样方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脉冲信号采样方法及装置，涉及信号处理技术领域。所述脉冲信号采样方法包括获取采样信号；将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量；将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。这样，通过采用信号分离的方式独立控制各个分量，然后进行同步采集的方式同时获取多个信号分量的值，从而能够最大限度保留各个信号的有用成分，有利于后期数据处理和分析。

Description

一种脉冲信号采样方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体而言，涉及一种脉冲信号采样方法及装置。

背景技术

采样也称取样，指把时间域或空间域的连续量转化成离散量的过程，也指把模拟音频转成数字音频的过程。

常规的采样应用一般分为高速信号(即静态分量信号)和低速信号(即瞬态分量信号)两种，对于高速信号一般使用高频变压器耦合，用于获取高频信号波形，而不关心其直流分量(即低频分量)，在这些设计中，如通信、雷达等，其信号均为已知信号，全部调制在高频段，低频分量相对而言是无用信息。而对于低速信号(即瞬态分量信号)，一般采用直接耦合，获取的是整个信号的完整波形，但是由于其包含的直流分量如果数值太大，则会导致信号趋于饱和，因此需要衰减，但在衰减的过程中，高频成分也同时被衰减。对于微弱的瞬态分量信号而言，高频成分可能淹没在噪声中，无法获取到。

现有采集放大电路采用单路分档测量方式，对于静态分量信号和瞬态分量信号的采集存在饱和或者丢失数据分辨率的问题。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的采样对于静态分量和瞬态分量的采集存在饱和或者丢失数据分辨率的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种脉冲信号采样方法，包括：

获取采样信号；

将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量；

将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；

对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；

将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。

本发明先将采集到的采样信号进行信号分离，接着对分离出来的不同信号分别进行不同的增益调节，两路信号单独处理，然后进行同步采集的方式同时获取多个分量的值，从而能够最大限度保留各个信号的有用成分，利于后期数据处理和分析。本发明解决了现有技术中只能单路分档测量，从而带来的信号采集存在饱和或者丢失数据分辨率的问题。

可选地，所述将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量中，所述高频分量为所述采样信号中频率大于100KHZ的信号，所述低频分量为所述采样信号中频率小于1KHZ的信号。

可选地，所述将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节中，所述高频分量的所述增益调节方式为衰减调节，所述低频分量的所述增益调节方式为放大调节。

可选地，所述对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量，所述高频分量通过高采样率采集，获得所述静态分量，所述低频分量通过低采样率采集，获得所述瞬态分量，其中，所述高采样率至少是所述低采样率的100倍。

可选地，所述获取采样信号，包括：

将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号。

可选地，所述将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出，包括：

将获得的所述静态分量和所述瞬态分量经过叠加后输出。

本发明还公开了一种脉冲信号采样装置，包括：

获取单元，用于获取采样信号；

分离单元，用于将所述采样信号分离为高频分量和低频分量；

增益调节单元，用于将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；

采集单元，用于将经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量分别使用AD转换器进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；以及

输出单元，用于将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。

本方案采用变压器耦合、滤波器耦合方式进行高频成分和低频成分的分离，然后经过独立的程控衰减网络，将其调节到各自的量程，利用双通道的AD采集器对信号进行同步采样，从而能够最大限度保留各个信号的有用成分，利于后期数据处理和分析。

可选地，所述分离单元为滤波器，所述滤波器用于将所述采样信号分离为高频分量和低频分量。

可选地，所述增益调节单元包括衰减器和放大器，所述衰减器用于将所述高频分量进行衰减调节，所述放大器用于将所述低频分量进行放大调节。

可选地，所述采样单元包括转换器，用于将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号。

附图说明

图1为本发明实施例脉冲信号采样方法的流程示意图；

图2为本发明另一实施例脉冲信号采样方法的流程示意图；

图3为本发明实施例脉冲信号采样装置的结构示意图。

附图标记说明：

101-获取单元；1010-转换器；102-分离单元；103-增益调节单元；1030-衰减器；1031-放大器；104-采集单元；1040-高速AD采集器；1041-低速AD采集器；105-输出单元。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

常规的采样应用一般分为高速信号(即静态分量信号)和低速信号(即瞬态分量信号)两种，对于高速信号一般使用高频变压器耦合，用于获取高频信号波形，而不关心其直流分量(即低频分量)，在这些设计中，如通信、雷达等，其信号均为已知信号，全部调制在高频段，低频分量相对而言是无用信息。而对于低速信号(即瞬态分量信号)，一般采用直接耦合，获取的是整个信号的完整波形，但是由于其包含的直流分量如果数值太大，则会导致信号趋于饱和，因此需要衰减，但在衰减的过程中，高频成分也同时被衰减。对于微弱的瞬态信号而言，高频成分可能淹没在噪声中，无法获取到。

例如，在SiC(碳化硅)器件偏置电流瞬态脉冲测试时，SiC器件偏置电流约为10nA，而瞬态脉冲大约为10pA，且仅持续约10us，在这种情况下，需要对信号放大采样才能得到有用数据，但是，如果将10nA转换为2.5V进行采样，那么对应10pA转换为2.5mV，有用信息的分辨率太差；而如果将10pA转换为2.5V，则10nA理论上应对应为2.5KV，当时实际上是电路饱和钳位了，这样即使采集到了数据，也无法得到真实的偏置值，而且20pA信号叠加在10nA上也会一并被饱和钳位。即现有采集放大电路采用单路分档测量方式，对于高静态信号和微弱瞬态信号的采集存在饱和或者丢失数据分辨率的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1为本发明实施例脉冲信号采样方法的流程示意图，图2为本发明另一实施例脉冲信号采样方法的流程示意图，如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种脉冲信号采样方法，包括S1至S5：

S1，获取采样信号；

S2，将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量；

S3，将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；

S4，对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；

S5，将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。

相对于现有采集放大电路采用单路分档测量的方案来说，本发明先将采集到的采样信号进行信号分离，接着对分离出来的不同信号分别进行不同的增益调节，两路信号单独处理，然后进行同步采集的方式同时获取多个分量的值，从而能够最大限度保留各个信号的有用成分，利于后期数据处理和分析。解决了现有技术中只能单路分档测量，从而带来的信号采集存在饱和或者丢失数据分辨率的问题。

该方法针对的应用场合是在直流偏置未知的场景下进行高频分量的测量，需要同时获取到低频分量成分和高频分量成分，并通过对高频分量成分的捕获来获取信号。该方法的优势在于，采用变压器耦合、滤波器耦合方式进行高频成分和低频成分的分离，然后经过独立的程控衰减网络，将其调节到各自的量程，利用双通道的AD采集器对信号进行同步采样，在信号处理过程中，再将二者合并在一起，提高高频成分的精度，而且信号采样不受低频成分饱和的影响。

具体地，所述S1，获取采样信号，包括：

S11，将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号。

采样信号包括电流信号、磁场信号、光信号、声波信号等等，本方案将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号，采样信号中的非电压信号即不是电压信号的其他信号，这些信号主要通过不同的传感器转换为电压信号。具体地，电流信号一般通过电阻或者运算放大器，通过IV变换电路转换为电压信号。磁场信号一般通过感应线圈或者霍尔元件转变为电压信号；光信号一般通过光敏器件转换为电压信号；声波信号一般通过麦克风转换为电压信号。在得到的电压信号中，最小电压信号要大于uV级，由于uV级以下的信号受电噪声和环境噪声影响非常大，测试过程中信号完全淹没在噪声中，不利于调理电路提取，最好的方式就是在前级通过传感器和采样电路将其转换到uV级以上，以便于二次调理、信号处理和采样。这样做的好处是能够保证信号的完整性，并利于滤波处理，消除信号噪声，提高信号测量的精度和准确度。

对于S2步骤，具体地的，所述S2：将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量中，所述高频分量为所述采样信号中频率大于100KHZ的信号，所述低频分量为所述采样信号中频率小于1KHZ的信号。其中，所述高频分量的频率与所述低频分量的频率的界限相差100倍。

一般情况下，我们将两种信号相差100倍频率的信号进行分离，分别定义为高频分量和低频分量，具体的，本方案中的高频分量为所述采样信号中频率大于100KHZ的信号，所述低频分量为所述采样信号中频率小于1KHZ的信号，在这两个频率范围之间的信号不处理。本方案主要应用在有较强低频分量偏置的情况下采集微弱高频分量的场景，通过采用100倍的频率划分可以防止信号的叠加，这样有利于数字滤波器的设计，不会导致波形失真。

对于S3步骤，所述S3，将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节中，所述高频分量的所述增益调节方式为衰减调节，所述低频分量的所述增益调节方式为放大调节。

本方案中所述高频分量和所述低频分量使用不同的增益调节，具体的将高频分量经过衰减调节，将低频分量经过放大调节，即对信号大的进行衰减，而对信号小的进行放大。通过对分离出来的不同信号分别进行处理，这样就可以避免在提取高频分量时而无法获得低频分量，或者在高频分量淹没在噪声中的现象发生。本方案对这两部分信号同时处理，同时得到两种数据的有用成分。具体地，增益调节所使用型号为：高频可编程增益放大器：AD8375A；低频可编程增益放大器：PGA281。

对于S4步骤，所述S4，对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量中，所述高频分量通过高采样率采集，获得所述静态分量，所述低频分量通过低采样率采集，获得所述瞬态分量，其中，所述高采样率至少是所述低采样率的100倍。

本方案中的高速AD采集器和低速AD采集器的采样率不一样，对于高速AD是对高速信号采样，高速AD采集器的采样率比低速AD采集器的采样率高约100倍，因此其电路设计复杂度较高，数据输出吞吐率也很高，能够还原高速信号的波形。而低速AD采集器是对低速信号采样，采样率可以比较低，电路复杂度也很低，数据最终独立输出。通过不同频率的信号通过不同的AD转换器，输出信号的质量效果较好。AD转换器所使用的型号是AD9680，高速和低速分别使用其中1路。

对于S5步骤，具体地，所述S5，将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出，将输出的所述静态分量和所述瞬态分量可以直接使用，也可以经过处理后使用，具体地，将获得的所述静态分量和所述瞬态分量经过叠加后输出。

将分离出来的静态分量和瞬态分量可以根据实际需要，进行单独使用或者叠加之后再使用，这样都是可以的。将分离获得的静态分量和瞬态分量直接输入至控制器，这样可以根据需要是要获取静态分量还是瞬态分量直接输入至控制器，直接输入使得信号的损耗比较少，输入信号的效果最佳。获得的所述静态分量和瞬态分量通过插值的方式同步叠加输出，在信号处理过程中，再将二者合并在一起，提高高频成分的精度，而且信号采样不受低频成分饱和的影响。

为了进一步理解本发明的技术方案，我们将现有的技术方案和本申请的方案进行对比。我们常规对于瞬态信号(即低频信号)的测试都是通过变压器耦合或者电容耦合方式，这两种方式实际上已经将静态分量(即高频信号)已经滤除了，丢失了静态分量信息。而在我们瞬态信号捕获的应用中，需要通知获取静态分量(信号缓变趋势)和瞬态分量(信号突变趋势)，传统方法上，例如万用表和示波器，如果需要得到这样的信号，做法是将信号直流耦合，根据信号的最大值进行信号衰减或者放大，然后对信号进行采样。但是这样做的问题就是：如果信号的静态分量幅度很大，例如100V，而瞬态分量的幅度很小例如100mV，那么就需要做100倍衰减，瞬态分量也被衰减为1mV，在波形上几乎看不到，因此就丢失了这部分的瞬态分量信息。而本申请的采样方法，可以将100V静态分量采用100倍衰减，而瞬态分量采用10倍放大，因此两种信号均得到了保留，从而能够最大限度保留各个信号的有用成分，利于后期数据处理和分析。

图3为本发明实施例脉冲信号采样装置的结构示意图，如图3所示，本发明还公开了一种脉冲信号采样装置，包括：

获取单元101，用于获取采样信号；

分离单元102，用于将所述采样信号分离为高频分量和低频分量；

增益调节单元103，用于将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；

采集单元104，用于将经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量分别使用AD转换器进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；以及

输出单元105，用于将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。

该方法针对的应用场合是在直流偏置未知的场景下进行高频分量的测量，需要同时获取到低频分量成分和高频分量成分，并通过对高频分量成分的捕获来获取信号。该方法的优势在于，采用变压器耦合、滤波器耦合方式进行高频成分和低频成分的分离，然后经过独立的程控衰减网络，将其调节到各自的量程，利用双通道的AD采集器对信号进行同步采样，在信号处理过程中，再将二者合并在一起，提高高频成分的精度，而且信号采样不受低频成分饱和的影响，从而能够最大限度保留各个信号的有用成分，利于后期数据处理和分析。

具体地，所述分离单元为滤波器1020，所述滤波器1020用于将所述采样信号分离为高频分量和低频分量。其中，具体的滤波器的型号为TC1-1T+。通过设置滤波器，将采样信号的不同频率的信号进行分离。本方案将两种信号分离的好处是这两种信号可以独立增益控制，不会因为某一种信号幅度太大而导致另一种信号饱和或者失真，有利于后续对各个成分进行处理，从而获得各个信号的有效信号。

对于增益调节单元103，所述增益调节单元103具体包括衰减器1030和放大器1031，所述衰减器1030用于将所述高频分量进行衰减调节，所述放大器1031用于将所述低频分量进行放大调节。

本方案中增益调节单元包括衰减器和放大器，具体的将高频分量经过所述衰减器进行衰减调节，将低频分量经过所述放大器进行放大调节，即对信号大的进行衰减，而对信号小的进行放大，通过对分离出来的不同信号分别进行处理，这样就可以避免在提取高频分量时而无法获得低频分量，或者在高频分量淹没在噪声中的现象发生，对这两部分信号同时处理，同时得到两种数据的有用成分。

对于采集单元104包括高速AD采集器1040和低速AD采集器1041，所述高频分量通过所述高速AD采集器1040，获得所述静态分量，所述低频分量通过所述低速AD采集器1041，获得所述瞬态分量，其中，所述高速AD采集器1040的采样率至少是所述低速AD采集器1041的采样率的100倍。

本方案中的高速AD采集器和低速AD采集器的采样率不一样，对于高速AD是对高速信号采样，高速AD采集器的采样率比低速AD采集器的采样率高约100倍，因此其电路设计复杂度较高，数据输出吞吐率也很高，能够还原高速信号的波形。而低速AD采集器是对低速信号采样，采样率可以比较低，电路复杂度也很低，数据最终独立输出。通过不同频率的信号通过不同的AD转换器，输出信号的质量效果较好。AD转换器所使用的型号是AD9680，高速和低速分别使用其中1路。

具体地，所述采样单元101包括：转换器1010，所述转换器1010用于将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号。

采样信号中的非电压信号即不是电压信号的其他信号，主要包括电流信号、磁场信号、光信号、声波信号等等，这些信号主要通过不同的传感器转换为电压信号。具体地，电流信号一般通过电阻或者运算放大器，通过IV变换电路转换为电压信号。磁场信号一般通过感应线圈或者霍尔元件转变为电压信号；光信号一般通过光敏器件转换为电压信号；声波信号一般通过麦克风转换为电压信号。在得到的电压信号中，最小电压信号要大于uV级，由于uV级以下的信号受电噪声和环境噪声影响非常大，测试过程中信号完全淹没在噪声中，不利于调理电路提取，最好的方式就是在前级通过传感器和采样电路将其转换到uV级以上，以便于二次调理、信号处理和采样。这样做的好处是能够保证信号的完整性，并利于滤波处理，消除信号噪声，提高信号测量的精度和准确度。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种脉冲信号采样方法，其特征在于，包括：

获取采样信号；

将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量；

将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；

对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；

将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。

2.根据权利要求1所述的脉冲信号采样方法，其特征在于，所述将所述采样信号滤波，分离为高频分量和低频分量中，所述高频分量为所述采样信号中频率大于100KHZ的信号，所述低频分量为所述采样信号中频率小于1KHZ的信号。

3.根据权利要求1所述的脉冲信号采样方法，其特征在于，所述将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节中，所述高频分量的所述增益调节方式为衰减调节，所述低频分量的所述增益调节方式为放大调节。

4.根据权利要求1或3所述的脉冲信号采样方法，其特征在于，所述对经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量中，所述高频分量通过高采样率采集，获得所述静态分量，所述低频分量通过低采样率采集，获得所述瞬态分量，其中，所述高采样率至少是所述低采样率的100倍。

5.根据权利要求1所述的脉冲信号采样方法，其特征在于，所述获取采样信号，包括：

将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号。

6.根据权利要求1所述的脉冲信号采样方法，其特征在于，所述将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出，包括：

将获得的所述静态分量和所述瞬态分量经过叠加后输出。

7.一种脉冲信号采样装置，其特征在于，包括：

获取单元(101)，用于获取采样信号；

分离单元(102)，用于将所述采样信号分离为高频分量和低频分量；

增益调节单元(103)，用于将所述高频分量和所述低频分量分别进行增益调节；

采集单元(104)，用于将经过增益调节的所述高频分量和所述低频分量分别使用AD转换器进行数据采集，分别获得静态分量和瞬态分量；以及

输出单元(105)，用于将获得的所述静态分量和所述瞬态分量输出。

8.根据权利要求7所述的脉冲信号采样装置，其特征在于，所述分离单元(102)为滤波器，所述滤波器用于将所述采样信号分离为高频分量和低频分量。

9.根据权利要求7所述的脉冲信号采样装置，其特征在于，所述增益调节单元(103)包括衰减器(1030)和放大器(1031)，所述衰减器(1030)用于将所述高频分量进行衰减调节，所述放大器(1031)用于将所述低频分量进行放大调节。

10.根据权利要求7所述的脉冲信号采样装置，其特征在于，所述采样单元(101)包括：转换器(1010)，用于将获取到的所述采样信号的非电压信号转换为电压信号。

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