CN116718987A - 一种256通道微弱信号采集处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种256通道微弱信号采集处理装置，涉及信号处理领域，该装置包括前端信号板、数字处理板以及可编程电压板；所述前端信号板用于完成太赫兹传感器的安装以及完成电压偏置的添加；所述数字处理板上设有模数转换模块，所述模数转换模块上设有采集通道；所述可编程电压板用于针对每一列像素点进行辅助的偏置电源精确调整，提高像素点精度。本发明用于将现有方案中传感器单元上用于获取偏置电压的偏置电感更换为偏置电阻，来作为偏压和阻断的作用，可以在满足传感器正常工作的情况下能够实现设备的小尺寸集成化，同时将传感器单元进行多组化设计能够避免偏置电源故障时导致整组传感器失效。

Description

一种256通道微弱信号采集处理装置

技术领域

本发明涉及信号处理领域，具体涉及一种256通道微弱信号采集处理装置。

背景技术

太赫兹（THz）波是指频率在0.1-10THz之间的电磁波，这个波段通常被称为“太赫兹间隙”，因为它位于微波和红外线之间。在太赫兹波段中，物体的分子振动和转动能级跃迁产生的吸收和散射特性与分子的结构和动力学性质密切相关。因此，太赫兹波在许多领域都具有重要的应用价值，如安全检查、生命科学、无线通信和成像技术等。太赫兹阵列成像可用于高速运动目标检测、分辨率高，常用于卫星和飞机等高速运动目标侦测。太赫兹阵列成像系统是由多个太赫兹传感器组成的阵列，通过接收物体的太赫兹波信号来获取物体的信息，并进行成像。在这个系统中有两个关键组件，一部分是传感器阵列，另一部分是信号采集处理。当前太赫兹阵列成像系统尚处于实验室研究阶段，在太赫兹成像领域的现有技术中，存在传感器的输出信号微弱，且因为传感器参数离散型大导致目标信号精确度不高的问题，缺少对微弱信号进行传输、放大、采集等集中处理。同时关于设备方面，现有的常用技术手段缺少成熟的信号采集处理装置可供使用，一方面主要通过分立组件来搭建太赫兹阵列成像系统，由于现有技术中为传感器提供偏置电压时主要使用体积较大的偏置电感来进行偏压阻断，导致实际装配时的各模块比较分散，难以实现小体积的集成化设计，使得现有的太赫兹阵列成像系统缺少高数量独立通道集成的设计，使得像素点可同时处理的数量偏少；另一方面，由于前端探头中多路传感器共用一路偏置电压，而探头存在损坏（表现为短路）的可能，一旦某一个探头损坏短路，就会导致共用探头那一组传感器偏置电源拉低到地，由于传感器正常工作的前置条件就是偏置电压正常，因此存在可能导致整组传感器不可用的风险。

发明内容

本发明提供一种256通道微弱信号采集处理装置，解决在太赫兹成像领域的现有技术中的太赫兹传感器设备难以进行多个数量集成化设计和传感器信号总强度偏弱、太赫兹成像的像素点精度不高的问题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种256通道微弱信号采集处理装置，该装置包括前端信号板、数字处理板以及可编程电压板；所述前端信号板用于完成太赫兹传感器的安装以及完成电压偏置的添加，为太赫兹传感器提供偏置电压并生成装置所需的太赫兹信号，并将信号传递至数字处理板；所述前端信号板设有多个信号源模块，每个信号源模块包括偏置电路和多个传感器单元，且每个信号源模块内的多个所述传感器单元共用偏置电路中的偏置电压；每个所述传感器单元上设有第一负载电阻RS2用以进行偏置电压传递；所述数字处理板上设有模数转换模块，所述模数转换模块上设有采集通道；所述数字处理板用于使用模数转换模块通过采集通道对信号进行接收后，将信号进行滤波放大的预处理以增强信号的检测强度，后通过模数转换对信号进行采样处理并进行信号分析以获取信号的频率构成和分布，并对信号进行像素点数据的生成和整理；所述可编程电压板用于生成高精度可调整电源电压用以给装置提供电压源，并对每一列传感器单独设置独立的偏置电压，用以提高传感器信号传输的抗干扰能力和线性度，同时针对每一列像素点进行偏置电源精确调整，提高像素点精度。现有技术中，存在传感器的输出信号微弱，且因为传感器参数离散型大导致目标信号精确度不高的问题，需要将微弱信号进行传输、放大、采集等处理。而现有的常用技术手段缺少成熟的信号采集处理装置可供使用，一方面主要通过分立组件来搭建太赫兹阵列成像系统，各模块比较分散，缺少集成化设计；另一方面现有的太赫兹阵列成像系统缺少高数量独立通道集成的设计，使得像素点可同时处理的数量偏少。对此，本发明提供一种256通道微弱信号采集处理装置，通过单个设备设置256通道的高度集成，并通过对偏置电压的精确调整和对信号的低噪声传输处理，解决在太赫兹成像领域的现有技术中存在的太赫兹传感器信号强度偏弱、太赫兹成像的像素点精度不高以及在太赫兹成像系统中缺少传感器与多个独立通道集成化设计的问题。

本信号采集处理装置主要包括三部分，分别是前端信号板、数字处理板以及可编程电压板。其中，前端信号板用于实现传感器探头的安装和偏置电压的初始化设置，数字处理板用于通过设置256通道实现微弱信号的放大采集和像素参数提取等工作，可编程电压板主要用于实现高精度可调整电压源。前端信号板上设置的传感器经过正确的偏置后，能够有效地检测反射的太赫兹信号，并转换成微弱仅有微伏级的电压信号，因此在具体运用中，前端信号板会有两组信号，一组信号和电压板相连后用于输入探头偏置电压，另一组信号和数字处理板相连用于输出微弱电压信号。可编程电压板输出的偏置电压需要通过用户控制来实行精确可调，因此前端信号板上有一组数字接口信号和处理板连接，数字处理板和可编程电压板上局有电源输入接口，用于给电路供电。

进一步地，所述前端信号板上设有16个信号源模块，每个信号源模块设有16个传感器单元，所述16个传感器单元共用一个偏置电路中的偏置电压。

进一步地，所述传感器单元上设置有至少一个交流电压源AC和一个输出电阻RS1；所述偏置电路设置有至少一个直流电源DC、一个滤波电容C1和一个隔直电容C2；所述采集通道上的电路设置有至少一个第二负载电阻RS3。

进一步地，所述数字处理板包括第一主控制器，所述第一主控制器上信号连接设置有信号收发器、第一连接器、电源连接器、模数转换模块、第一存储器和第二存储器；所述电源连接器上信号连接设置有电源模块；所述采集通道上信号连接设有USL连接器；所述信号收发器上还信号连接有第二连接器；所述第一连接器选用QSFP连接器，第二连接器选用RJ45连接器。

进一步地，所述模数转换模块内部设置有主信号链路，所述主信号链路包括顺次信号连接的信号衰减器、低噪放大器、滤波器、第一模数转换器和数字处理单元，所述信号衰减器的输入端用于接收信号，数字处理单元的输出端将信号输出。

进一步地，所述可编程电压板包括第二主控制器、直流变换器、低压稳压器、电流传感器和第三连接器，其中所述直流变换器、低压稳压器、电流传感器和第三连接器顺次信号连接；所述第二主控制器上信号连接设置有第一数模转换器、第二模数转换器、串口模块和数字IO接口模块，且第二主控制器用于开关控制的输出端、第一数模转换器用于电压控制的输出端均连接至低压稳压器的输入端；所述低压稳压器输出至电流传感器的输出端设有用于电压采集的第二支路，所述第二支路连接至第二模数转换器的输入端；所述电流传感器用于电流采集的输出端连接至第二模数转换器的输入端。

进一步地，所述低压稳压器与第一数模转换器之间还设有稳压电阻RT、转换电阻RDAC和接地电阻RB；所述低压稳压器上设有第一电压端V0端和反馈电压端，所述第一模数转换器设有第二电压端V0-DAC端，所述V0端与稳压电阻RT的一端连接，所述V0-DAC端与转换电阻RDAC的一端连接，所述接地电阻RB的接地端接地，所述稳压电阻RT的另一端、转换电阻RDAC的另一端、接地电阻RB的使能端以及反馈电压端连接至同一点；所述V0端、V0-DAC端、反馈电压端以及接地电阻RB的支流电流分别设为第一电流I_RT、第二电流I_DAC、第三电流I_FB和第四电流I_RB。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、将现有方案中传感器单元上用于获取偏置电压的偏置电感更换为偏置电阻，来作为偏压和阻断的作用，可以在满足传感器正常工作的情况下能够实现设备的小尺寸集成化，同时将传感器单元进行多组化设计能够避免偏置电源故障时导致整组传感器失效；

2、将太赫兹成像传感器发出的微弱信号按照初始化预设偏置电压、256多通道采样放大的工作模块分设为前端信号板、数字处理板以及可编程电压板三部分，并将其集中设置在装置内，以此可实现对单个信号采集处理装置多处理通道的高度集成，提升了太赫兹阵列成像的显示生成效率，提高了太赫兹阵列成像工作的便捷程度；

3、通过前端信号板和数字处理板的配合工作，在前端信号板有效抵御外部噪声的情况下，能够在数字处理板上组建的256通道内实现对太赫兹阵列传感器信号进行信号的增益放大，减少了太赫兹阵列成像生成过程中的信号薄弱问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明中采集处理装置结构的总示意图；

图2为本发明中前端信号板中单个传感器单元与采集通道的等效电路图；

图3为本发明中前端信号板中信号源模块中传感器单元连接形式的电路图；

图4为本发明中数字处理板的结构示意图；

图5为本发明中模数转换模块的结构示意图；

图6为本发明中可编程电压板的结构示意图；

图7为本发明中低压稳压器与第一数模转换器的连接结构示意图。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，一种256通道微弱信号采集处理装置，该装置包括前端信号板、数字处理板以及可编程电压板；所述前端信号板用于对电路参数进行初始化工作，完成太赫兹传感器的安装以及完成电压偏置的添加，为太赫兹传感器提供偏置电压并生成装置所需的太赫兹信号，并将信号传递至数字处理板；所述前端信号板设有多个信号源模块，每个信号源模块包括偏置电路和多个传感器单元，且每个信号源模块内的多个所述传感器单元共用偏置电路中的偏置电压；每个所述传感器单元上设有第一负载电阻RS2用以进行偏置电压传递；所述数字处理板上设有模数转换模块，所述模数转换模块上设有采集通道；所述数字处理板用于使用模数转换模块通过采集通道对信号进行接收后，将信号进行滤波放大的预处理以增强信号的检测强度，后通过模数转换对信号进行采样处理并进行信号分析以获取信号的频率构成和分布，并对信号进行像素点数据的生成和整理；所述可编程电压板用于生成高精度可调整电源电压用以给装置提供电压源，并对每一列传感器单独设置独立的偏置电压，用以提高传感器信号传输的抗干扰能力和线性度，同时针对每一列像素点进行偏置电源精确调整，提高像素点精度。

更多地，如图2所示，所述前端信号板上设有16个信号源模块，每个信号源模块设有16个传感器单元，所述16个传感器单元共用一个偏置电路中的偏置电压。所述传感器单元上设置有至少一个交流电压源AC和一个输出电阻RS1；所述偏置电路设置有至少一个直流电源DC、一个滤波电容C1和一个隔直电容C2；所述采集通道上的电路设置有至少一个第二负载电阻RS3。

本信号采集处理装置主要包括三部分，分别是前端信号板、数字处理板以及可编程电压板。其中，前端信号板用于实现传感器探头的安装和偏置电压的初始化设置，数字处理板用于通过设置256通道实现微弱信号的放大采集和像素参数提取等工作，可编程电压板主要用于实现高精度可调整电压源。所述传感器单元用于安装传感器阵列，检测和提供太赫兹波的空间信息并探测太赫兹波。在工作时，前端信号板将太赫兹阵列传感器输出的微弱信号经过对偏置电压的预处理后，将该信号传输至数字处理板的256通道内进行进一步的模数转换、增益放大和参数检测，并将信号进行数字化处理后，将数字信号重新排列以构建成二维或三维的太赫兹阵列图像，并对图像进行增强、去噪、平滑等处理，并借助可编程电压板对每一列像素点的偏置电压进行微调以提高图像的精确度，以此便能够在更加稳定的传感器信号强度下，获取到精度更高效果更好的太赫兹阵列成像。

本实施例中，如图3的连接方式所示，所述前端信号板上设有16个信号源模块，每个信号源模块设有16个传感器单元，即前端信号板有256个传感器单元。由于传感器信号都是非常微弱的，因此采用小封装的电阻RS2~RS2N就可以实现电阻偏压的传递，传递到传感器的偏置电压V=VDC*RS1/(RS1+RS2)。因此通过控制VDC就可以实现传感器偏置。另外，如果某一个传感器故障，假设传感器1故障，对地短路，此时第一偏置电阻RS2上的电流会变大些，但是不会像电感一样将VDC拉低到地，VDC仍旧可以为其他传感器提供正常的偏置电压。因为现有技术中的偏置电感体积太大，1mH的电感，尺寸可以在20mm*20mm*20mm以上，如果256个通道集成，体积乘以256，将会是非常大的一个设备，成本贵且无法小型化。由于本实施例将现有技术中常用的偏置电压电感更换成第一偏置电阻RS2，使得本实施例可以在100mm*100mm*20mm尺寸范围内实现256个通道的传感器安装，如果采用偏置电感方案，尺寸将达到5120mm*5120mm*20mm以上，因此本实施例在实现设备的小尺寸集成化具有非常明显的良好效果，以及将传感器单元进行多组化设计能够有效避免现有技术中采用偏置电感方案时，单个传感器单元受损导致整组传感器单元工作同时受影响的问题。此处需说明的是，在进行小尺寸化集成安装传感器单元时，不能选小型封装的电感，因为为了达到足够的噪声阻隔，要求电感的阻抗比较大，由电感阻抗计算公式可知，XL=jwL，而信号频率w较小时，就要求L非常大才行，而电感的尺寸和电感量L的大小正相关。

在该采集处理装置的工作过程中，所述可编程电压板除了用于对像素点进行偏置电压的精确调整，还用于对前端信号板、数字处理板提供稳定电压源。所述可编程电压板为前端信号板提供所需的偏置电压，所述前端信号板将传感器输出的模拟信号输送至数字处理板，数字处理板与可编程电压板之间通过双向输出的数字IO接口连接。前端信号板上设置的传感器经过正确的偏置后，能够有效地检测反射的太赫兹信号，并转换成微弱仅有微伏级的电压信号，因此在具体运用中，前端信号板会有两组信号，一组信号和电压板相连后用于输入探头偏置电压，另一组信号和数字处理板相连用于输出微弱电压信号。可编程电压板输出的偏置电压需要通过用户控制来实行精确可调，因此前端信号板上有一组数字接口信号和处理板连接，数字处理板和可编程电压板上局有电源输入接口，用于给电路供电。

前端信号板用于实现传感器探头的安装和偏置电压的初始化设置，所述传感器经过正确的偏置后，能够有效地检测反射的太赫兹信号，并转换成微弱仅有微伏级的电压信号。在具体工作中，所述直流电源DC、滤波电容C1和第一负载电阻RS2属于偏置电路，所述输出电阻RS1和交流电压源AC属于传感器单元，所述第二负载电阻RS3属于采集通道上的电路。所述交流电压源AC和输出电阻的电压负载由第二负载电阻RS3承担，所述第一负载电阻RS2和直流电源DC为传感器单元提供直流偏置电压。由于传感器探头为离散型，在具体运用时该探头的电压需要进行精确调整。在具体运用中，作为一种可行的实施方式，可在前端信号板上铺设专门的接地层，用于组成带状线传输结构，带状线传输结构可以有效抵御外部噪声干扰，适合微弱信号传输。

在本实施例中，前端信号板能够实现2个功能，分别是为传感器单元提供偏置电压，以及将传感器单元产生的交流信号传递给数字处理板，通过采集通道传输至模数转换模块。前端信号板给探头提供偏置电压时，前端信号板会提供了一组DC电压VDC，VDC通过RS2和探头内阻RS1形成分压关系，因此探头上的电压：VB=VDC*RS1/(RS1+RS2)。由于RS1和RS2是固定值，因此可以通过调整RS1和RS2实现探头偏置电压的调整。前端信号板如何将信号传递给ADC。探头产生的信号VAC通过RS1和RS2和隔直电容C2分流后，传递出去。由于对交流信号来说，隔直电容C2相当于短路，因此RS2和ADC的内阻R_负载的并联电阻就是传感器看到的外部电阻，令Rm为RS2和R_负载的并联电阻，其计算公式即为：Rm=(RS2*R_负载)/(RS2+R_负载)，对于传感器单元探头内阻和它看到的外部电阻Rm而言，可以使用分压公式计算传递到外部的电压，即该计算式即为：V_load=VAC*Rm/(RS1+Rm)，从上述公式，便得到了传感器单元探头传递给ADC的电压值。

进一步地，如图4所示，所述数字处理板包括第一主控制器，所述第一主控制器上信号连接设置有信号收发器、第一连接器、电源连接器、模数转换模块、第一存储器和第二存储器；所述电源连接器上信号连接设置有电源模块；所述采集通道上信号连接设有USL连接器；所述信号收发器上还信号连接有第二连接器；所述第一连接器选用QSFP连接器，第二连接器选用RJ45连接器。

其中，USL连接器是一种高频信号连接器，能够传输高频信号。它的结构特点使其能够适应高频信号的传输，具有低阻抗、低损耗、高稳定性等特点；同时USL连接器还能有效地防止电磁干扰，能够为采集通道中的传感器输出信号提供良好的屏蔽效果，同时USL连接器具有极细的结构，可以减少信号在传输过程中的损耗，且借助其结构特性可为信号提供良好的电气连续性，从而保证信号的稳定传输。模数转换模块对信号可实现至少46dB的可调增益放大和80MSPS采样率。所述第一存储器主要用于暂存和缓存数据，并且当信号通过模数转换模块转换输出为数字信号时，可用第一存储器存储和读写处理数字信号。在使用第一存储器对信号数据暂存或处理时，第二存储器可对信号的数据信息进行长期存储。

更多地，所述QSFP连接器是一种光学连接器，采用光纤作为传输介质，能够实现高速信号传输。相较于传统的电信号传输方式，光学连接器具有更高的传输速度和更低的信号损耗，能够满足高速数据传输的需求；其次光纤作为一种传输介质，具有很强的抗干扰能力，光信号在光纤中传输不易受到外界电磁干扰，能够保证信号的质量和稳定性；同时QSFP连接器是一种高度集成的连接器，能够同时传输多个通道的信号。相较于传统的连接器，QSFP连接器的集成度更高，能够提高系统的稳定性和可靠性，减少系统的复杂度和成本，复合本实施例中信号采集处理装置的高集成度要求。

进一步地，如图5所示，所述模数转换模块内部设置有主信号链路，所述主信号链路包括顺次信号连接的信号衰减器、低噪放大器、滤波器、第一模数转换器和数字处理单元，所述信号衰减器的输入端用于接收信号，数字处理单元的输出端将信号输出。作为一种具体运用，在本实施例中，信号衰减器上设置有分别用于正负电压输入的INP和INM两个输入端，且信号传输从信号衰减器至数字处理单元的信号输出方式均为按照正负电压进行双端输出。

设置电流输出通道的作用是，在模数转换过程中，可将输出电流视为数字信号的一种，可以用来表示模拟信号的幅度或者强度。通过将模拟信号转换为数字信号，可以更好地处理和传输信号，同时也可以提高信号的稳定性和可靠性。在模数转换模块中，输出电流的大小通常与模拟输入信号的幅度相关，它们呈现一定的线性关系。输出电流的幅度可以被放大或缩小，以便于后续的信号处理或传输。此外，输出电流也可以被转换为数字信号或其他信号类型，以便于不同的应用场景中使用。所述时钟信号模块用于提供工作时钟信号，所述相位发生器用于产生有序的数字信号，这些数字信号代表了模拟信号的相位信息。相位发生器输出的数字信号可以被用于控制A/D转换器的输出电流过程，从而实现对输出电流的精确控制和调节。所述环形振荡器用于将输出电流的过程进行反馈，以改变输出电流的波形，使得输出电流更加平滑和稳定。它对输出电流过程的作用是产生正反馈信号，以改变输出电流的波形，使得输出电流更加平滑和稳定。其效果是提高输出电流的质量，同时降低输出噪声。

在模数转换模块中，所述信号衰减器用于当输入信号较大时，将输入信号衰减到适合LNA低噪放大器工作的范围内。所述低噪声放大器用于当输入信号较弱时，将信号放大到适合ADC模数转换器采集的范围内。所述滤波器用于滤除信号链路传递过来的高频噪声，防止ADC模数转换器采集到其他奈奎斯特域信号折叠回第一奎斯特域，对主信号形成干扰。模数转换器用于进行模拟数字信号转换，因为在FPGA主控制器和PC中处理的数据都只能是数字形式，因此此处需要进行转换。数字处理单元用于进行数据抽取的预处理，将采样率降下去，方便后续FPGA程序设计。传感器输出的微弱信号同时从INP和INM两个端口进行输入并进入信号衰减器，所述信号衰减器将输入的信号按照预先设置的一定比例进行衰减，从而变成适合第一模数转换器的信号。经由滤波器滤波处理后的信号经由第一模数转换器、DSP放大模块的转换和放大后将信号传递至可编程电压板。作为一种可行的实施方式，在具体运用中，优选的，在模数转换模块内部设置有SPI串行外设接口，用于信号链路内各模块的配置管理工作；在模数转换器上还设置有参考电压单元，用于模数转换器量化的参考，因为ADC只能将输入模拟信号和参考电压进行比较，得出输入电压占基准电压的百分比，进而给出满码值的百分比作为量化结果。

进一步地，如图6所示，所述可编程电压板包括第二主控制器、直流变换器、低压稳压器、电流传感器和第三连接器，其中所述直流变换器、低压稳压器、电流传感器和第三连接器顺次信号连接；所述第二主控制器上信号连接设置有第一数模转换器、第二模数转换器、串口模块和数字IO接口模块，且第二主控制器用于开关控制的输出端、第一数模转换器用于电压控制的输出端均连接至低压稳压器的输入端；所述低压稳压器输出至电流传感器的输出端设有用于电压采集的第二支路，所述第二支路连接至第二模数转换器的输入端；所述电流传感器用于电流采集的输出端连接至第二模数转换器的输入端。

一方面，所述第一数模转换器、低压稳压器、第二模数转换器依次形成电压控制和电压采集的链路支路，作用是实现数字信号和模拟信号的相互转换。当输入一个数字信号时，数模转换器将其转换为模拟信号，然后通过低压稳压器稳定电压，最后由模数转换器将其转换为数字信号。这种连接方式可以实现数字信号和模拟信号的相互转换，同时也可以稳定模拟信号的电压。同时电流传感器对第二模数转换器进行电流采集。另一方面，关键链路在于从直流变换器顺次到低压稳压器、电流传感器、第三连接器组成的系统上。直流变换器用于将输入给板卡的总线电源转换成低压稳压器的初级电源，由于1个设备只有1个电源输入接口，同时需要从总线电源转换成电压较低的电源，因此需要使用直流变换器，它的特点是效率高，体积小。直流变换器的输出低压电源包含有较多噪声信号，因此使用低压稳压器将噪声信号抑制，仅将干净的无噪声直流电源传递出去（传感器探头是弱信号，要求噪声低，使用的偏置电源是无噪声的直流电源）。低压稳压器还具有2个控制接口，分别是VFB控制接口和EN通道开启接口。其中VFB接口用于精调输出电压，可以实现微伏级别的电压修正，EN用于控制是否给前端信号板供电。电流传感器采用1个采样电阻，该电阻利用欧姆定律将电流转换成电压，因此可以是使用1片ADC检测该电压，将该电压除以采样电阻值，得到该通道的电流。另外，电流传感器前面的电压采集可以监控端口电压，判断前端信号板是否工作正常。所述第三连接器用于将电压板产生的电压信号传递给前端信号板。

需说明的是，直流变换器用于初级电源变换，低压稳压器用于衰减直流变换器的输出噪声，同时可以稳定输出电压和保护设备器件，由于电源电压的波动或负载变化，直流变换器的输出电压可能会随之变化，而低压稳压器可以将其稳定在预定的电压值。之后输出一个超低噪声的电源，电流传感器用于监测电路中的输出电流，从而保证电路的安全。低压稳压器输出端连接到电流传感器可以将其输出电流限制在一个安全的范围内，从而保护电路。第三连接器用于将电压传递到前端信号板。

作为一种可行的实施方式，在具体运用中，前端信号板和数字处理板之间传输的是微弱信号，很容易被噪声干扰，降低设备的检测分辨率。为了解决此难题，方案选择同轴连接器和同轴线缆作为信号传输方案。由于本设备的通道密度高，常规同轴线缆的尺寸和成本无法实现，因此方案选择微型同轴线缆作为信号传输通道，此线缆每根信号外部都有屏蔽层，且间距0.4mm，可以实现很高的集成度和噪声屏蔽。

进一步地，如图7所示，所述低压稳压器与第一数模转换器之间还设有稳压电阻RT、转换电阻RDAC和接地电阻RB；所述低压稳压器上设有第一电压端V0端和反馈电压端，所述第一模数转换器设有第二电压端V0-DAC端，所述V0端与稳压电阻RT的一端连接，所述V0-DAC端与转换电阻RDAC的一端连接，所述接地电阻RB的接地端接地，所述稳压电阻RT的另一端、转换电阻RDAC的另一端、接地电阻RB的使能端以及反馈电压端连接至同一点；所述V0端、V0-DAC端、反馈电压端以及接地电阻RB的支流电流分别设为第一电流I_RT、第二电流I_DAC、第三电流I_FB和第四电流I_RB。

可编程电压板用处在于输出电源电压可以精确调整，调整精度100μV，且由用户控制。低压稳压器的输出电压V0和反馈电压V_FB成正比，因此可以通过精确控制V_FB的电压来控制输出电压V0。由基尔霍夫电流定律可知：

I_FB+I_RT+I_RB+I_DAC=0。

由于低压稳压器的反馈电压输入电流I_FB为0，I_RT电流为(V_FB-V0)/RT，I_RB电流为V_FB/RB，I_DAC电流为（V_FB-V0_DAC）/RDAC。因此低压稳压器输出电压可以使用下述公式表示：

V0=-（R_T）/（R_DAC）*V0_DAC+(R_T/R_DAC+R_T/R_B+1)*V_FB。

由上式可知，通过调节DAC输出电压V0_DAC可以调整低压稳压器的输出电压V0，其中第一数模转换器输出电压的调节精度很高，因此低压稳压器的输出电压调整精度也可以达到很高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、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方式而已，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 (7)

1.一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，该装置包括前端信号板、数字处理板以及可编程电压板；

所述前端信号板用于完成太赫兹传感器的安装以及完成电压偏置的添加，为太赫兹传感器提供偏置电压并生成装置所需的太赫兹信号，并将信号传递至数字处理板；所述前端信号板设有多个信号源模块，每个信号源模块包括偏置电路和多个传感器单元，且每个信号源模块内的多个所述传感器单元共用偏置电路中的偏置电压；每个所述传感器单元上设有第一负载电阻RS2用以进行偏置电压传递；

所述数字处理板上设有模数转换模块，所述模数转换模块上设有采集通道；所述数字处理板用于使用模数转换模块通过采集通道对信号进行接收后，将信号进行滤波放大的预处理以增强信号的检测强度，后通过模数转换对信号进行采样处理并进行信号分析以获取信号的频率构成和分布，并对信号进行像素点数据的生成和整理；

所述可编程电压板用于生成高精度可调整电源电压用以给装置提供电压源，并对每一列传感器单独设置独立的偏置电压，用以提高传感器信号传输的抗干扰能力和线性度，同时针对每一列像素点进行偏置电源精确调整，提高像素点精度。

2.根据权利要求1所述的一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，所述前端信号板上设有16个信号源模块，每个信号源模块设有16个传感器单元，所述16个传感器单元共用一个偏置电路中的偏置电压。

3.根据权利要求1所述的一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，所述传感器单元上设置有至少一个交流电压源AC和一个输出电阻RS1；所述偏置电路设置有至少一个直流电源DC、一个滤波电容C1和一个隔直电容C2；所述采集通道上的电路设置有至少一个第二负载电阻RS3。

4.根据权利要求1所述的一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，所述数字处理板包括第一主控制器，所述第一主控制器上信号连接设置有信号收发器、第一连接器、电源连接器、模数转换模块、第一存储器和第二存储器；所述电源连接器上信号连接设置有电源模块；所述采集通道上信号连接设有USL连接器；所述信号收发器上还信号连接有第二连接器；所述第一连接器选用QSFP连接器，第二连接器选用RJ45连接器。

5.根据权利要求4所述的一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，所述模数转换模块内部设置有主信号链路，所述主信号链路包括顺次信号连接的信号衰减器、低噪放大器、滤波器、第一模数转换器和数字处理单元，所述信号衰减器的输入端用于接收信号，数字处理单元的输出端将信号输出。

6.根据权利要求1所述的一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，所述可编程电压板包括第二主控制器、直流变换器、低压稳压器、电流传感器和第三连接器，其中所述直流变换器、低压稳压器、电流传感器和第三连接器顺次信号连接；所述第二主控制器上信号连接设置有第一数模转换器、第二模数转换器、串口模块和数字IO接口模块，且第二主控制器用于开关控制的输出端、第一数模转换器用于电压控制的输出端均连接至低压稳压器的输入端；所述低压稳压器输出至电流传感器的输出端设有用于电压采集的第二支路，所述第二支路连接至第二模数转换器的输入端；所述电流传感器用于电流采集的输出端连接至第二模数转换器的输入端。

7.根据权利要求7所述的一种256通道微弱信号采集处理装置，其特征在于，所述低压稳压器与第一数模转换器之间还设有稳压电阻RT、转换电阻RDAC和接地电阻RB；所述低压稳压器上设有第一电压端V0端和反馈电压端，所述第一模数转换器设有第二电压端V0-DAC端，所述V0端与稳压电阻RT的一端连接，所述V0-DAC端与转换电阻RDAC的一端连接，所述接地电阻RB的接地端接地，所述稳压电阻RT的另一端、转换电阻RDAC的另一端、接地电阻RB的使能端以及反馈电压端连接至同一点；所述V0端、V0-DAC端、反馈电压端以及接地电阻RB的支流电流分别设为第一电流I_RT、第二电流I_DAC、第三电流I_FB和第四电流I_RB。