CN114036879A - 一种模拟信号采集电路设计方法、采集方法及装置 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种模拟信号采集电路设计方法、采集方法及装置，属于模拟信号采集领域，本专利提供的技术方案可以自定义量程、预设测量精度，在不更换高精度模拟信号板卡的条件下，满足不同设备输出的模拟信号的量程范围及这些设备对测量精度的不同需求，同时保证高精度的测量。本发明的主要技术方案为：设置至少一个量程档位；设置与所述量程档位对应的参考电压；利用所述参考电压自定义量程；利用所述参考电压预先设置待测模拟信号测量精度。将待测模拟信号切换至合适量程档位并匹配相应的参考电压；采集待测模拟信号并输出显示测量值。

Description

一种模拟信号采集电路设计方法、采集方法及装置

技术领域

本发明适用于模拟信号采集技术领域，具体涉及一种模拟信号设计方法、采集方法及装置。

背景技术

在现有的模拟信号采集中，普遍用分辨率和量程这两个通用指标来衡量采集系统的工作性能。

首先是分辨率，决定了采集系统的测量精度。模拟信号采集板卡会提供自身模数转换位数n，假设参考电压为Vref，在不考虑误码率等其他扰动参数的话，根据采集板卡的转换位数及参考电压值，就可以计算出该采集板卡的分辨率为

这种测量系统存在的问题是，当被测信号较小时，需要用运放来提升信号幅值，否则测量误差会非常高。比如，对于一级测量仪表而言，需要保证全测量范围内满足误差不超过0.1％的测量精度，10位的模拟信号采集板卡的分辨率满足了精度要求，假设被测信号为2.5V，当被测信号向上漂移0.1％时，即信号变为2.5025V时，一级表应分辨出来这种变化，但实际上，采集板卡的最小分辨率为5mV，无法辨别2.5mV的信号波动。这就导致，理论上可以实现0.1％精度的采集板卡，实际上分辨率是不够的。现阶段为了弥补这个缺点，通常采用的手段是使用更高转换位数的采集板卡，留出足够的分辨率裕量。但高转换位数的采集板卡价格昂贵，这种做会令成本大幅度提高，而导致这个问题的根本原因是，普通的模拟信号采集电路的参考电压均为定值，因此分辨率不会跟随待测量一起变化。

其次是量程，量程主要受到两个方面的条件制约：一个是采集板卡的参考电压输入到板卡内部后会被多级分压，模拟信号输入值与分压后的参考电压的值进行对比时，待测模拟信号的电压幅值不得高于参考电压。另一个是上述分辨率中提到的当输入电压幅值过小时，测量电路的准确级会下降，因此待测模拟信号的下限也受到了限制。通过上述两个条件，可以得到普通模拟信号采集电路的准确采样区间，这个区间就叫做量程。

现有技术中常见的采集模拟信号的调理电路，大多采用分压电路的方式，来满足测量量程的要求，或者是采用手动切换量程的方法，无法自定义量程，也不能控制测量精度，在对测量精度需求不同时则需要更换不同精度的模拟信号采集板卡，增加人力成本和高精度板卡的成本。

机载航电系统由多个功能单元组成，其中存在多种模拟量设备，这些设备的模拟信号输出值范围不同，对测量精度的需求也不同，因此在航电集成测试系统中需要采集不同范围和精度的模拟信号。模拟信号采集板卡存在一定的量程范围，一块模拟信号板卡只能满足一种测量精度，越高精度的模拟量板卡成本越高，所以需要一种模拟信号采集电路可以自定义量程、预设测量精度，在不更换高精度模拟信号板卡的条件下，满足不同模拟量设备的模拟信号输出值范围及这些设备对测量精度的不同需求，同时保证较高精度的测量。

发明内容

本发明提供一种模拟信号采集方法及装置，用于解决现有的模拟信号采集方法，存在分辨率是定值、量程受制约、使用高精度模拟信号采集板卡成本过高、分压电路效果不佳等问题。

本发明实施例提供了一种模拟信号采集电路设计方法，所述方法包括：

设置至少一个量程档位；

设置与所述量程档位对应的参考电压。

所述量程档位的设置因素包括设备输出的模拟信号历史测量值。

利用所述参考电压自定义量程。量程的改变是通过切换参考电压实现的，降低量程是通过提高参考电压实现的，当量程变小时，可达到更高精度的测量精度，可根据不同设备的测量精度需求设置相应的参考电压，获取需求的测量精度。

所述自定义量程的结果由待测模拟信号的合适量程档位减去合适量程档位对应的参考电压得出。

利用所述参考电压预先设置待测模拟信号测量精度。如上述，可根据不同设备的测量精度需求设置相应的参考电压，获取需求的测量精度。

根据如下公式计算预先设置的待测模拟信号测量精度：

其中V为待测模拟信号的合适量程档位；Vref为合适量程档位对应的参考电压；n为模拟信号采集板卡的精度。

所述相应的参考电压的设置因素包括设备的测量精度需求和/或设置的量程档位和/或模拟信号采集板卡精度。可设置满足不同设备测量精度需求的参考电压档位。

所述设备包括航空电子设备。航电系统中的不同设备输出的模拟信号对测量精度的需求不同，可将所述相应的参考电压Vref提高，设置为高精度档位，将待测模拟信号调理至相应的参考电压对应的量程V-Vref。

本发明的实施例提供一种模拟信号采集方法，所述方法包括：

将待测模拟信号切换至合适量程档位并匹配相应的参考电压；

采集待测模拟信号并输出显示测量值。

所述切换至合适量程档位，包括将量程档位以从大到小的顺序切换至输入的待测模拟信号合适的量程档位；所述合适量程档位保证采集电路的安全；所述合适量程档位减去相应的参考电压为自定义的量程；应用所述合适量程档位及其相应的参考电压采集的待测模拟信号及输出显示的测量值才能满足设备的测量精度需求。可见此采集方法既可以自定义量程，同时可以控制测量精度。

所述相应的参考电压与所述合适量程档位一一对应，切换至合适量程档位的同时匹配相应的参考电压。这一过程完成对模拟信号测量量程的确认，同时完成对输入的待测模拟信号的调理，采集板卡对输入的待测模拟信号进行采集，实现自定义量程可预设精度的高精度测量。

所述设备包括航空电子设备。航电系统中的不同设备输出的模拟信号对测量精度的需求不同，可将所述相应的参考电压Vref提高，设置为高精度档位，将待测模拟信号调理至相应的参考电压对应的量程V-Vref。

本发明的实施例提供一种模拟信号采集装置，包括：

待测模拟信号输入单元，用于输入待测模拟信号；

模拟信号调理单元，用于将待测模拟信号切换至合适量程档位并匹配相应的参考电压；

模拟信号采集单元，用于采集待测模拟信号；

输出显示单元，用于输出显示待测模拟信号的测量值。

所述测量值的精度根据如下公式获取：

其中V为待测模拟信号的合适量程档位；Vref为合适量程档位对应的参考电压；n为模拟信号采集板卡的精度。

所述模拟信号调理单元进一步用于：

将量程档位以从大到小的顺序切换至输入的待测模拟信号合适的量程档位；

利用所述相应的参考电压自定义量程调理待测模拟信号；

利用所述相应的参考电压预先设置待测模拟信号测量精度。

所述模拟信号采集单元，进一步用于：

利用模拟信号采集板卡采集待测模拟信号。

本发明的有益效果为：

本发明实施例提供的模拟信号采集电路设计方法可扩展，根据本发明提供的设计方法设计的模拟信号采集电路可适用于不同应用场景下的模拟量设备测量精度需求，例如模拟信号测量需要更高的测量精度时，可按照相同的原理，设置更高的参考电压，从而将参考电压进行更多通道设置。

本发明实施例提供的模拟信号采集方法，在模拟信号的采集测量中采取切换参考电压的调理方式，替代分压电路的调理方式，将不同范围内的待测模拟信号调理在模拟信号采集板卡的量程范围内，并且可以适应不同采集板卡的精度，降低由高精度需求带来的模拟量采集板卡成本。

本发明实施例采取切换参考电压的调理方式可以实现对不同精度需求的模拟信号进行测量，适应不同模拟信号范围和测量精度，提高不同量程下测量时的测量精度，实现高精度的测量。

本发明实施例提供的模拟信号采集电路设计方法可以根据不同设备对模拟信号测量精度需求不同设置不同的参考电压，本发明实施例提供的模拟信号采集方法可以根据不同设备对模拟信号测量精度需求不同切换不同的参考电压，获得需要的测量精度。

比如在航电系统中不同设备对模拟信号的测量精度要求不同，所以本发明实施例提供的模拟信号采集电路设计方法、采集方法及装置特别适用于航空电子领域，既能保证高精度测量，又能控制成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例中模拟信号采集方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1中模拟信号采集电路示意图；

图3是本发明实施例1中模拟电路采集方法的流程示意图；

图4是本发明一实施例中模拟信号采集装置的框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

本发明最关键的发明点在于，利用切换合适的量程档位匹配对应的参考电压，本质为切换参考电压，来实现自定义待测模拟信号的测量量程、预先设置待测模拟信号的测量精度。

图1是由本发明一个实施例的模拟信号采集方法的流程示意图，该实施例的采集方法包括：

输入待测模拟信号；

将待测模拟信号切换至合适量程档位；所述切换至合适量程档位，包括将量程档位以从大到小的顺序切换至输入的待测模拟信号合适的量程档位，应用所述合适量程档位采集的待测模拟信号及输出显示的测量值满足设备的测量精度需求；

匹配相应的参考电压；所述相应的参考电压与所述合适量程档位一一对应，切换至合适量程档位的同时匹配相应的参考电压；

采集待测模拟信号；

输出显示测量值。

图2是本发明实施例1中模拟信号采集电路示意图；图2同时展示了本发明实施例1中模拟信号采集电路设计方法的流程，实施例1的设计方法包括：

设置三个量程档位V1、V2、V3；所述三个量程档位V1<V2<V3；

设置与所述三个量程档位对应的三个参考电压Vref1、Vref2、Vref3；所述三个参考电压0<Vref1<Vref2<Vref3；

利用所述参考电压自定义量程；

所述自定义量程的结果由待测模拟信号的合适量程档位减去合适量程档位对应的参考电压得出；实施例1所述自定义量程的结果为V1-Vref1、V2-Vref2、V3-Vref3；

利用所述参考电压预先设置待测模拟信号测量精度；

根据如下公式计算预先设置的待测模拟信号测量精度：

其中V为待测模拟信号的合适量程档位；Vref为合适量程档位对应的参考电压；n为模拟信号采集板卡的精度；

实施例1的模拟信号采集板卡精度为8位，量程为V；

参考电压参考地为零时的测量精度为

参考电压为0时，采样精度为

参考电压为Vref1时，不更换8位模拟信号采集板卡的条件下，采样精度为

参考电压为Vref2时，不更换8位模拟信号采集板卡的条件下，采样精度为

参考电压为Vref3时，不更换8位模拟信号采集板卡的条件下，采样精度为

所以匹配相应的参考电压后的采样精度均高于

实施例1以设置的三个量程档位V1、V2、V3，三个量程档位对应的参考电压Vref1、Vref2、Vref3进行说明，设置具体的量程档位时可适应模拟信号的测量精度需求自行设置，相应的参考电压也可以根据模拟信号测量精度的需求自行设置，获得需求的测量精度，实现使用一种模拟信号采集板卡采集多种量程、多种测量精度的模拟信号。

此模拟信号采集电路设计方法提供了可扩展的模拟信号采集测量电路，可根据不同场景下的不同测量需求，设置不同的量程档位，设置不同的参考电压，调理模拟信号满足高测量精度的需求，例如需要更高精度的模拟信号测量值时，可按照相同的原理，设置更高的参考电压，获得需求的测量精度。

图3是本发明实施例1中模拟电路采集方法的流程示意图；

实施例1的模拟信号采集板卡的精度为8位、量程为V，待测模拟信号为U，

实施例1的采集方法包括：

输入待测模拟信号U，从大到小选择合适量程档位；

量程档位置于最大量程档位V3，V2≤U≤V3时，则选择V3量程档位，同时匹配Vref3为相应的参考电压，此时的测量精度为

此时电压值在模拟信号采集板卡的采集范围内，且得到了更高精度的测量值；

量程档位置于量程档位V2，V1≤U<V2时，则选择V2量程档位，同时匹配Vref2为相应的参考电压，此时的测量精度为

此时电压值在模拟信号采集板卡的采集范围内，且得到了更高精度的测量值；

量程档位置于量程档位V3，V0≤U<V1时，则选择V1量程档位，同时匹配Vref1为相应的参考电压，此时的测量精度为

此时电压值在模拟信号采集板卡采集的范围内，且得到了更高精度的测量值。

采用了从大到小的量程档位切换顺序，会从大量程开始依次与U进行比较，直到切换至合适的量程档位，匹配到相应的参考电压。自定义量程范围是通过切换量程档位的同时切换参考电压实现的，此过程完成了待测模拟信号的调理，通过此调理过程可以使输入的待测模拟信号适应模拟信号采集板卡的测量范围。由于切换的参考电压都要比传统方法中的参考地的零值大，所以相比较参考地，参考电压得到提高。缩小量程是通过提高参考电压实现的，当量程缩小时，可达到更高的测量精度。

本发明实施例提供的模拟信号采集电路设计方法及采集方法可适用于航空电子系统的模拟信号采集测量，航电系统中不同设备输出的模拟信号测量精度要求不同，因此针对不同的设备可设置满足其测量精度需求的量程档位和参考电压，在测量模拟信号时，通过将参考电压设置为高精度的档位，将被测模拟量调理至该参考电压自定义的量程范围内，输入待测模拟信号U，采取从大到小顺序将U与较大量程、较小量程、小量程档位依次进行比较，切换U至合适的量程档位，同时匹配相应的参考电压，调理U至自定义量程，模拟信号采集板卡对U进行采集，从而实现可变量程可变精度的高精度测量。

本发明实施例1提供的模拟信号采集方法采集的测量值与传统采集方法采集的测量值对比如下：

被测模拟量输入	切换参考电压	不切换参考电压
			0.2V	0.201V	0.201V
2.5V	2.503V	2.50V
			21.5V	21.513V	21.5V

由测量值结果可知，本发明实施例提供的模拟信号采集电路设计方法和采集方法通过切换量程档位匹配相应的参考电压的调理手段，可以实现自定义量程，从而预先设置模拟信号测量精度，实现高精度测量。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

在一实施例中，提供一种模拟信号采集装置，该模拟信号采集装置与上述实施例中模拟信号采集方法一一对应。

待测模拟信号输入单元将待测模拟信号U输入至本发明实施例提供的模拟信号采集装置，然后到达模拟信号调理单元，在此单元中将U以从大到小的顺序从大量程开始到小量程进行切换，切换至合适的量程档位，同时匹配相应的参考电压，完成自定义测量量程，同时完成了对待测模拟信号的调理。之后到达模拟量采集单元，完成对待测模拟信号的采集，最后到达输出显示单元，完成对待测模拟信号的测量值显示。

关于模拟信号采集装置的其他具体限定可以参见上文中对于模拟信号采集方法的限定，在此不再赘述。上述模拟信号采集装置中的各个单元可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种模拟信号采集电路设计方法，其特征在于，所述方法包括：

设置至少一个量程档位；

设置与所述量程档位对应的参考电压。

2.根据权利要求1所述的模拟信号采集电路设计方法，其特征在于，利用所述参考电压自定义量程。

3.根据权利要求2所述的模拟信号采集电路设计方法，其特征在于，所述自定义量程的结果由待测模拟信号的合适量程档位减去合适量程档位对应的参考电压得出。

4.根据权利要求1所述的模拟信号采集电路设计方法，其特征在于，利用所述参考电压预先设置待测模拟信号测量精度。

5.根据权利要求4所述的模拟信号采集电路设计方法，其特征在于，根据如下公式计算预先设置的待测模拟信号测量精度：

其中V为待测模拟信号的合适量程档位；Vref为合适量程档位对应的参考电压；n为模拟信号采集板卡的精度。

6.根据权利要求1所述的模拟信号采集电路设计方法，其特征在于，所述相应的参考电压的设置因素包括设备的测量精度需求和/或设置的量程档位和/或模拟信号采集板卡精度。

7.一种模拟信号采集方法，其特征在于，所述方法包括：

将待测模拟信号切换至合适量程档位并匹配相应的参考电压；

采集待测模拟信号并输出显示测量值。

8.根据权利要求7所述的模拟信号采集方法，其特征在于，所述切换至合适量程档位，包括将量程档位以从大到小的顺序切换至输入的待测模拟信号合适的量程档位。

9.根据权利要求7所述的模拟信号采集方法，其特征在于，所述相应的参考电压与所述合适量程档位一一对应，切换至合适量程档位的同时匹配相应的参考电压。

10.一种模拟信号采集装置，其特征在于，包括：

待测模拟信号输入单元，用于输入待测模拟信号；

模拟信号调理单元，用于将待测模拟信号切换至合适量程档位并匹配相应的参考电压；

模拟信号采集单元，用于采集待测模拟信号；

输出显示单元，用于输出显示待测模拟信号的测量值；

所述测量值的精度根据如下公式获取：

其中V为待测模拟信号的合适量程档位；Vref为合适量程档位对应的参考电压；n为模拟信号采集板卡的精度。

11.根据权利要求10所述的模拟信号采集装置，其特征在于，所述模拟信号调理单元，进一步用于：

将量程档位以从大到小的顺序切换至输入的待测模拟信号合适的量程档位；

利用所述相应的参考电压自定义量程调理待测模拟信号；

利用所述相应的参考电压预先设置待测模拟信号测量精度；

所述模拟信号采集单元，进一步用于：利用模拟信号采集板卡采集待测模拟信号。

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