專利名稱：雙通道模數(shù)聯(lián)合型可變增益數(shù)據(jù)采集的增益預(yù)置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用模擬電路和數(shù)字電路聯(lián)合的方法對雙通道數(shù)據(jù)采集電路的 增益進(jìn)行預(yù)置的方法，屬于數(shù)據(jù)采集技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工業(yè)控制和智能測量系統(tǒng)中，有些信號的變化幅度很大，如果放大電路的增益 不合適，則微弱信號經(jīng)放大后其幅值仍然可能很小，而大信號放大后又有可能超出A/D轉(zhuǎn) 換的量程，這樣，往往使A/D轉(zhuǎn)換器的精度不能最大限度的利用，造成很大的測量誤差，甚 至損壞A/D器件。為了獲得較高的測量精度和一致性，必然要求信號處理電路能夠隨著測 控對象狀態(tài)的變化相應(yīng)地改變增益，使被測模擬量與A/D轉(zhuǎn)換器相匹配?，F(xiàn)有的改變增益的方法，是先測量被測信號，然后根據(jù)測量值的大小再來改變增 益。往往是超出增益范圍之后才進(jìn)行糾正，造成有效信號的丟失，而且放大電路增益的改變 也需要一個操作過程和響應(yīng)時間，因此，就需要一段等待時間，等建立穩(wěn)定的增益后，再進(jìn) 行數(shù)據(jù)的采集，這就影響了數(shù)據(jù)采集的速度，不能滿足對高頻信號進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集的需 要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種雙通道模數(shù)聯(lián)合型可變增益數(shù)據(jù)采集的增益預(yù)置方法， 以解決一般增益改變過程中所存在的有效數(shù)據(jù)丟失、等待增益電路穩(wěn)定等缺陷，以及由此 所帶來的對數(shù)據(jù)采集速度、精度、數(shù)據(jù)一致性和帶寬等方面的不利影響，從而實現(xiàn)高速度、 高精度的數(shù)據(jù)采集。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的雙通道模數(shù)聯(lián)合型可變增益數(shù)據(jù)采集的增益預(yù)置方法 步驟如下
(1)被測信號輸入初級放大調(diào)理電路進(jìn)行初步的放大和調(diào)理；
(2)經(jīng)初步放大、調(diào)理后的信號被同時送入兩路并行放大電路，經(jīng)兩不同放大倍數(shù)的程 控放大器放大后的信號分別送入A/D轉(zhuǎn)換模塊中相對應(yīng)的通道中；
(3)A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸入的兩通道模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并將數(shù)字量送入數(shù)字控制模
塊；
(4)數(shù)字控制模塊讀取、保存占用通道的數(shù)據(jù)并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，預(yù)估信號的變化 趨勢，并根據(jù)預(yù)估的信號變化趨勢，對另一空閑通道所對應(yīng)程控放大器的增益進(jìn)行預(yù)置。進(jìn)一步的，所述步驟(3)中A/D的轉(zhuǎn)換是由數(shù)字控制模塊的DSP采取定時中斷的 方式來實現(xiàn)，在每個中斷周期，DSP采集并保存一個通道的被測量。進(jìn)一步的，所述步驟(4)中占用通道是指數(shù)字控制電路所讀取并保存數(shù)據(jù)的通道， 占用通道的首次選定是根據(jù)輸入信號預(yù)先設(shè)定或隨意選擇的，占用通道的后續(xù)選定是通過 數(shù)字控制模塊根據(jù)信號的變化趨勢來自動選擇已預(yù)置合適增益的通道；空閑通道是占用通 道所對應(yīng)的一路程控放大器外的另一路程控放大器所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊中的一通道。
進(jìn)一步的，所述步驟(4)中增益的預(yù)置原則是如果被測信號處于增大的趨勢， 則減小空閑通道的增益，以使被測信號經(jīng)空閑通道放大后仍處于A/D轉(zhuǎn)換器的最佳量程范 圍內(nèi)；如果被測信號處于減小的趨勢，則增大空閑通道的增益，以使信號處于A/D轉(zhuǎn)換器的
最佳量程范圍。進(jìn)一步的，所述步驟(4)中當(dāng)信號的變化在設(shè)定的占用通道閾值上下限范圍內(nèi)時， 繼續(xù)采用目前的占用通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并保持此通道的增益不變，只預(yù)置空閑通道的增 益；當(dāng)信號變化達(dá)到設(shè)定的占用通道閾值時，則切換到已預(yù)置了合適增益的另一通道進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集，而此前被占用的通道成為空閑通道，其增益隨著信號的變化而不斷進(jìn)行預(yù)置。本發(fā)明的雙通道模數(shù)聯(lián)合型可變增益數(shù)據(jù)采集的增益預(yù)置方法，利用雙通道對 被測信號進(jìn)行采集，數(shù)字控制模塊DSP采取定時中斷的方式實現(xiàn)A/D的轉(zhuǎn)換，采集并保存占 用通道的被測信號值，根據(jù)歷史記錄的數(shù)值對信號的變化趨勢進(jìn)行預(yù)估并相應(yīng)地預(yù)置另一 通道的增益，需要時就從已預(yù)置增益的通道采集數(shù)據(jù)，確保信號處于最佳量程范圍內(nèi)，這樣 就保證了采樣的高速度，兼顧了微弱信號和大量程信號的采樣精度，提高了被測信號的動 態(tài)范圍。根據(jù)信號的變化趨勢，下次采集時自動選擇已預(yù)置了合適增益的通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集，從而消除了傳統(tǒng)增益自動調(diào)整所必需的電路建立時間，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，特別適 合于對未知大小且變化范圍比較大的模擬量進(jìn)行超寬增益的高速數(shù)據(jù)采集。


圖1是本發(fā)明實施例的原理框圖； 圖2是本發(fā)明實施例的數(shù)據(jù)采集流程圖； 圖3是本發(fā)明實施例的被測信號曲線圖。
具體實施例方式本發(fā)明實施例的原理框圖如圖1所示，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括初級放大調(diào)理電路、兩 路并行放大電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字控制模塊。本發(fā)明的增益預(yù)置方法具體步驟如下
(1)被測信號輸入初級放大調(diào)理電路進(jìn)行初步的放大和調(diào)理；
(2)經(jīng)初步放大、調(diào)理后的信號被同時送入兩路并行放大電路，經(jīng)兩不同放大倍數(shù)的程 控放大器放大后的信號分別送入A/D轉(zhuǎn)換模塊中相對應(yīng)的通道中；
(3)A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸入的兩通道模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并將數(shù)字量送入數(shù)字控制模 塊；A/D的轉(zhuǎn)換是由數(shù)字控制模塊的DSP采取定時中斷的方式來實現(xiàn)，在每個中斷周期，DSP 采集并保存一個通道的被測量；
(4)數(shù)字控制模塊讀取、保存占用通道的數(shù)據(jù)并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，預(yù)估信號的 變化趨勢，并根據(jù)預(yù)估的信號變化趨勢，對另一空閑通道所對應(yīng)程控放大器的增益進(jìn)行預(yù) 置。
占用通道是指數(shù)字控制電路所讀取并保存數(shù)據(jù)的通道，占用通道的首次選定是根 據(jù)輸入信號預(yù)先設(shè)定或隨意選擇的，占用通道的后續(xù)選定是通過數(shù)字控制模塊根據(jù)信號的 變化趨勢來自動選擇已預(yù)置合適增益的通道；空閑通道是占用通道所對應(yīng)的一路程控放大 器外的另一路程控放大器所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊中的一通道。
增益的預(yù)置原則是如果被測信號處于增大的趨勢，則減小空閑通道的增益，以使 被測信號經(jīng)空閑通道放大后仍處于A/D轉(zhuǎn)換器的最佳量程范圍內(nèi)；如果被測信號處于減小 的趨勢，則增大空閑通道的增益，以使信號處于A/D轉(zhuǎn)換器的最佳量程范圍。被測信號經(jīng)初級放大調(diào)理電路進(jìn)行初步的放大和調(diào)理，然后并行送入兩路并行放 大電路。兩路程控放大器的增益分別由數(shù)字控制電路單獨進(jìn)行控制，根據(jù)需要進(jìn)行改變。通 過對程控放大器的增益進(jìn)行調(diào)整后，被測信號被調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的輸入范圍內(nèi)， 并連接到A/D轉(zhuǎn)換模塊不同的通道上。A/D轉(zhuǎn)換模塊采用高速度高精度的轉(zhuǎn)換芯片，數(shù)字 控制模塊由具有數(shù)字處理能力的DSP芯片組成。在DSP的控制下，經(jīng)過某一個程控放大器 放大后的信號通過A/D轉(zhuǎn)換器中與其相對應(yīng)的一個通道轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并被保存。DSP對這 些保存的信息進(jìn)行對比和處理，預(yù)估出信號的變化趨勢，并據(jù)此對另一路空閑的程控放大 器的增益進(jìn)行預(yù)置。當(dāng)信號的變化不超過設(shè)定的閾值時，不變換通道，仍將目前所占用通道 的轉(zhuǎn)換值作為被測信號的采樣值；當(dāng)信號變化達(dá)到設(shè)定閾值時，則切換到另一通道，將該通 道的轉(zhuǎn)換值作為被測信號的采樣值。因該通道的增益已根據(jù)信號的變化趨勢預(yù)先設(shè)置好， 這樣既保證了被測信號在A/D轉(zhuǎn)換器合適的量程范圍內(nèi)，有效信息不會丟失，又消除了傳 統(tǒng)采集方法中臨時更改增益所需要的電路建立時間，實現(xiàn)了對被測信號的高速高精數(shù)據(jù)采 集。同樣，此時被閑置通道的增益相應(yīng)地要根據(jù)當(dāng)前被占用通道所采集數(shù)據(jù)的變化趨勢進(jìn) 行增益預(yù)置，為下一次通道切換作好準(zhǔn)備。該發(fā)明的實質(zhì)就是在硬件布局上設(shè)置并行雙通 道對一路被測信號進(jìn)行處理，利用這種硬件的冗余來換取數(shù)據(jù)采集的高速度和高精度。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖2所示，具體的工作過程為數(shù)字控制電路DSP采用定 時中斷方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在每個中斷周期，DSP對占用通道進(jìn)行采集并保存被測量。該信 息與此前已經(jīng)采集的信息進(jìn)行對比，預(yù)估信號變化的趨勢。如果被測信號處于增大的趨勢， 則降低空閑通道的增益；如果被測信號處于減小的趨勢，則加大空閑通道的增益。當(dāng)信號超 出預(yù)先設(shè)定的上限或下限閾值時(閾值可根據(jù)實際信號的性質(zhì)及變化特點設(shè)定，通常上限 閾值取通道量程的五分之四，下限閾值取通道量程的五分之一)，則更改通道占用標(biāo)志，將 當(dāng)前空閑通道設(shè)置為占用通道，保證下個周期讀取該通道的采樣值。當(dāng)一個通道被占用實 現(xiàn)數(shù)據(jù)采集時，空閑通道的增益就根據(jù)信號變化趨勢而不斷進(jìn)行調(diào)整。隨著被測信號的不 同變化，兩個通道輪流使用，確保微弱信號和大量程信號都能同A/D轉(zhuǎn)換器相匹配，從而實 現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的高速度和高精度。不失一般性，假設(shè)被測交變信號按如圖3所示曲線變化。在tl時刻，信號的幅值 為vl，即圖3中的A點。假定此時采用通道1對被測信號進(jìn)行采集。通道1的增益已預(yù)先 設(shè)置好，可以將幅值Vl放大到A/D轉(zhuǎn)換器的合適量程范圍內(nèi)。在tl之后，信號處于增大的 趨勢，在每個采樣周期，根據(jù)信號的幅值對通道2的增益進(jìn)行預(yù)置，使其與信號幅值的變化 相匹配。由于信號的變化并沒有超出通道1預(yù)設(shè)的閾值，所以通道1的增益保持不變，可以 連續(xù)占用該通道實現(xiàn)對被測信號的采集。在t2時刻，信號的幅值為v2，已達(dá)到通道1量程 的閾值上限，則切換通道，采用通道2對信號進(jìn)行采集，而通道2已預(yù)置了合適的增益，能夠 保證信號的采集精度。所以，在B點之后，利用通道2完成對信號的采集。由于信號仍然處 于增大的趨勢，因此在每個采樣周期，改變通道1的增益，以保證信號經(jīng)過其放大后處于A/ D轉(zhuǎn)換器的合適量程范圍內(nèi)。因通道2成為占用通道，其增益保持不變。在t3時刻，信號 的幅值為v3，達(dá)到了通道2預(yù)設(shè)的閾值上限，則切換到通道1實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。因此，在C點之后，利用通道1來完成對信號的采集，并保持其增益不變，而通道2的增益則根據(jù)信號不 斷增大的趨勢而減小。在t4時刻，信號到達(dá)最大點D，其幅值為v4。由于最大幅值v4沒有 超出通道1經(jīng)過放大后的量程閾值上限，所以D點之后，仍然采用通道1實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集且其 增益保持不變，但通道2的增益則根據(jù)信號不斷減小的趨勢而增大。在t5時刻，信號到達(dá) E點，其幅值為v3，達(dá)到了通道1預(yù)設(shè)閾值的下限，則切換到通道2繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而通 道1的增益則根據(jù)信號減小的趨勢而不斷進(jìn)行調(diào)整，為通道切換做好準(zhǔn)備。這樣，根據(jù)信號 的變化情況，數(shù)據(jù)采集在兩個通道之間進(jìn)行切換，保證了數(shù)據(jù)采集的精度和速度。
總之，本發(fā)明用增加通道的方式滿足大范圍變化信號的高速數(shù)據(jù)采集需求，一個 通道用來采集，另一個通道的增益則隨著信號的變化而不斷改變，當(dāng)信號變化超出設(shè)定范 圍時，自動從已預(yù)置了合適增益的通道讀取數(shù)據(jù)，始終保證信號處于A/D轉(zhuǎn)換器的最佳量 程范圍內(nèi)，擴(kuò)大了對信號進(jìn)行動態(tài)測量的范圍，消除了一般測量方法中增益變化的所需要 的電路建立時間，不影響系統(tǒng)的采樣速率和帶寬，可實現(xiàn)高速、高精度的數(shù)據(jù)采集。
權(quán)利要求
一種增益預(yù)置方法，其特征在于，該方法的步驟如下(1)被測信號輸入初級放大調(diào)理電路進(jìn)行初步的放大和調(diào)理；(2)經(jīng)初步放大、調(diào)理后的信號被同時送入兩路并行放大電路，經(jīng)兩不同放大倍數(shù)的程控放大器放大后的信號分別送入A/D轉(zhuǎn)換模塊中相對應(yīng)的通道中；(3)A/D轉(zhuǎn)換模塊將輸入的兩通道模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并將數(shù)字量送入數(shù)字控制模塊；(4)數(shù)字控制模塊讀取、保存占用通道的數(shù)據(jù)并與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，預(yù)估信號的變化趨勢，并根據(jù)預(yù)估的信號變化趨勢，對另一空閑通道所對應(yīng)程控放大器的增益進(jìn)行預(yù)置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的增益預(yù)置方法，其特征在于所述步驟(3)中A/D的轉(zhuǎn)換是由 數(shù)字控制模塊的DSP采取定時中斷的方式來實現(xiàn)，在每個中斷周期，DSP采集并保存一個通 道的被測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增益預(yù)置方法，其特征在于所述步驟(4)中占用通道是指數(shù) 字控制電路所讀取并保存數(shù)據(jù)的通道，占用通道的首次選定是根據(jù)輸入信號預(yù)先設(shè)定或隨 意選擇的，占用通道的后續(xù)選定是通過數(shù)字控制模塊根據(jù)信號的變化趨勢來自動選擇已預(yù) 置合適增益的通道；空閑通道是占用通道所對應(yīng)的一路程控放大器外的另一路程控放大器 所對應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換模塊中的一通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的增益預(yù)置方法，其特征在于，所述步驟(4)中增益的預(yù)置原 則是如果被測信號處于增大的趨勢，則減小空閑通道的增益，以使被測信號經(jīng)空閑通道放 大后仍處于A/D轉(zhuǎn)換器的最佳量程范圍內(nèi)；如果被測信號處于減小的趨勢，則增大空閑通 道的增益，以使信號處于A/D轉(zhuǎn)換器的最佳量程范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一項所述的增益預(yù)置方法，其特征在于所述步驟(4)中當(dāng)信 號的變化在設(shè)定的占用通道閾值上下限范圍內(nèi)時，繼續(xù)采用目前的占用通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 并保持此通道的增益不變，只預(yù)置空閑通道的增益；當(dāng)信號變化達(dá)到設(shè)定的占用通道閾值 時，則切換到已預(yù)置了合適增益的另一通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而此前被占用的通道成為空閑 通道，其增益隨著信號的變化而不斷進(jìn)行預(yù)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及雙通道模數(shù)聯(lián)合型可變增益數(shù)據(jù)采集的增益預(yù)置方法；本方法的被測信號經(jīng)初級放大調(diào)理電路進(jìn)行初步的放大和調(diào)理后，被同時送入兩路并行設(shè)置的程控放大器放大后送入A/D轉(zhuǎn)換器的相應(yīng)通道，數(shù)字控制模塊讀取、保存一個通道的A/D轉(zhuǎn)換值，DSP將此采集數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，預(yù)估信號的變化趨勢，并對另一路空閑的程控放大器的增益進(jìn)行預(yù)置，當(dāng)信號變化超出設(shè)定閾值時，就采用已預(yù)置相應(yīng)增益的另一通道的采樣值，這樣就消除了傳統(tǒng)采集方法中臨時改變增益所必需的電路建立時間，不會造成有效信息的丟失，保證了被測量處于最佳量程范圍內(nèi)，從而滿足了對信號高速度及高精度的數(shù)據(jù)采集要求。
文檔編號H03G3/20GK101895267SQ20101025646
公開日2010年11月24日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者劉永綱, 庫祥臣, 李倫, 段明德, 韓紅彪, 馬偉 申請人:河南科技大學(xué)