一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置及方法与流程

本发明涉及数据采集领域，尤其涉及一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置及方法。

背景技术：

超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)是基于约瑟夫森结构构建的一种磁通电压转换器，也是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在生物磁、地球物理和低场核磁共振等极微弱磁场探测领域已有众多应用。

在SQUID应用领域，目前用于实现大动态范围(大动态范围指最大数与最小数的比值范围大)磁探测的模数转换器均采用分辨率为24位的Delta-Sigma ADC，但由于SQUID的极高灵敏度，使其在某些领域很难满足测试信号的动态范围要求，尤其在航空超导全张量磁梯度测量领域，因环境磁场引入的干扰要远大于被测信号，而且其有效工作频段为0.01Hz～10Hz，但受制滤波器的技术限制而无法有效分离干扰信号和被测信号，从而导致现有的数据采集方法无法满足其动态范围的测试需求。事实上，受制于目前的半导体工艺和器件，模拟信号的动态范围要比数字信号高20dB左右，从而如何根据被测信号的特点找到间接的测量方法则是解决动态范围的关键所在。

现有数据采集装置通常由依次连接的前端运算放大器、抗混叠滤波器、模数转换器以及数字信号处理器组成。其中前端运算放大器主要用于被测信号的放大；抗混叠滤波器则主要用于抑制被测信号在模数转换时出现混叠现象，通常由低通滤波器来实现；模数转换器，顾名思义，主要实现被测信号由模拟信号到数字信号的转变；数字信号处理器则主要用于模数转换器的控制以及数据的处理和保存。可是现有数据采集装置因受制于目前模数转换器的性能，其动态范围在航空超导全张量磁梯度等测量领域，无法满足被测对象的测试需求,尤其是那些动态范围大，且无法单纯利用滤波器有效分离大幅值和小幅值被测频段的信号。

专利CN102761336B公布了一种超高精度模数转换的数据采集站。如图1所示，该数据采集站通过两个不同增益的模数转换单元ADU并行采集数据，然后利用数据叠加单元SU对低位转换器和高位转换器进行数据合成，从而解决现有勘探仪器动态范围窄的问题。虽然该专利能提高采集的精度，但仅能解决分时出现的动态范围问题，而对于多种被测信号同时存在的大动态范围技术难题，通常会因为增益问题导致高位转换器饱和，从而造成被测信号失真。比如待测信号中同时存在幅值为8V的缓变信号和0.1μV的正弦信号，如果对该待测信号按照可检测到的不同增益直接放大进行模数转换，则0.1μV的正弦信号在增益配置为20dB时，电压为8V的缓变信号已经饱和，从而导致待测信号饱和而无法被检测。

综上所述，现有数据采集方法及装置在SQUID应用领域，尤其是航空超导全张量磁梯度测量领域，无法满足被测信号的动态范围需求，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。

技术实现要素：

为了解决现有数据采集方法在特定SQUID应用领域的局限性，本发明提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置方法，以提高数据采集的精度，同时扩大数据采集的动态范围，尤其是在低频段存在大幅值趋势电压信号的情况下。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置，包括：

信号预处理器，其设置为接收一被测信号并对被测信号进行预处理；

连接所述信号预处理器的趋势电压信号采集通道，其设置为采集预处理后的被测信号中的趋势电压信号；

连接所述信号预处理器和所述趋势电压信号采集通道的剩余信号采集通道，其设置为采集预处理后的被测信号中除趋势电压信号以外的剩余信号；以及

连接所述趋势电压信号采集通道和所述剩余信号采集通道的数字信号处理器，其设置为合成所述趋势电压信号和所述剩余信号以还原所述被测信号。

进一步地，所述信号预处理器包括前端放大器和抗混叠滤波器。

进一步地，所述趋势电压信号采集通道包括趋势电压提取器。

进一步地，所述剩余信号采集通道包括依次串联在所述信号预处理器与所述数字信号处理器之间的加法器、第一增益调节和第一模数转换器，其中所述加法器还连接所述趋势电压提取器。

优选地，所述趋势电压提取器为低通窄带滤波器或参考电压选择器。

优选地，当所述趋势电压提取器为低通窄带滤波器时，所述趋势电压提取器与所述数字信号处理器之间依次串联有第二增益调整器和第二模数转换器。

优选地，所述参考电压选择器为模拟参考电压选择器或数模混合参考电压选择器。

进一步地，所述模拟参考电压选择器包括：

连接所述信号预处理器的比较器阵列，其设置为将经过预处理的被测信号的幅值与预设的若干幅值区间进行比较以获得被测信号所属的幅值区间；以及

连接所述比较器阵型列的第一模拟开关阵列，其设置为接收与所述若干幅值区间一一对应的若干参考电压，并输出一与被测信号所属的幅值区间对应的参考电压。

进一步地，所述数模混合参考电压选择器包括：

连接在所述信号预处理器与所述数字信号处理器之间的第三模数转换器，其设置为对经过预处理的被测信号进行模数转换后输出至所述数字信号处理器，以通过所述数字信号处理器将经过模数转换的被测信号的幅值与预设的若干幅值区间进行比较以获得被测信号所属的幅值区间；

连接所述数字信号处理器的第二模拟开关阵列，其设置为接收与所述若干幅值区间一一对应的若干参考电压，并输出一与被测信号所属的幅值区间对应的参考电压。

本发明另一方面提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集方法，包括以下步骤：

对被测信号进行预处理；

采集经过预处理的被测信号中的趋势电压信号；

采集经过预处理的被测信号中除所述除趋势电压信号以外的剩余信号；以及

合成所述趋势电压信号和所述剩余信号以还原所述被测信号。

通过采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明可以在实现对被测信号进行有效数据采集的同时，很方便地通过趋势消除方法在保证信号完整性的情况下提高数据采集的动态范围，并容易利用增益调节器提高数据采集的精度。此外，按本发明构建的数据采集装置实现简单、体积小、成本低，非常适合对数据采集动态范围要求苛刻的情况下应用。

附图说明

图1为现有技术一种超高精度模数转换的数据采集站的结构框图；

图2为本发明一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置的结构框图；

图3为本发明中的基于模拟参考电压选择器实现的趋势电压提取器的结构框图；

图4为本发明中的基于数模混合参考电压选择器实现的趋势电压提取器的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的基于趋势消除的大动态范围数据采集装置如图2所示，包括信号预处理器2和数字信号处理器10，还包括并联在信号预处理器2与数字信号处理器10之间的趋势电压信号采集通道和剩余信号采集通道。其中，趋势电压信号采集通道包括趋势电压提取器3；剩余信号采集通道包括依次串联在信号预处理器2与数字信号处理器10之间的加法器4、第一增益调节4和第一模数转换器6，其中加法器4还连接趋势电压提取器3。

在本发明中，信号预处理器2主要包括依次连接的前端放大器(未示出)和抗混叠滤波器(未示出)，用于对被测信号1依次进行前端放大和抗混叠滤波。

趋势电压提取器3主要用于提取被测信号1中的趋势电压信号，从而提供后续处理信号被放大的空间。考虑到趋势电压信号的噪声，趋势电压提取器3应采用纯模拟器件实现，而不应采用数模转换的方式实现。本发明的趋势电压提取器3主要是基于低通窄带滤波器或者高精度参考电压选择器来构建。其中，基于低通窄带滤波器构建的趋势电压提取器3的主要工作原理是利用模数转换器的动态范围随着其采样率降低而提高的特性，通过低通窄带滤波器将被测信号1中的低频段信号分离出来，该低频段信号即趋势电压信号5，从而方便后续以很低的采样率对其单独进行采集，当采用低通窄带滤波器提取趋势电压信号5时，趋势电压信号采集通道中还需设置第二增益调整器7和第二模数转换器9对滤波器输出的趋势电压信号5进行采集。基于高精度参考电压选择器构建的趋势电压提取器3的主要工作原理是根据被测信号1的幅值区间，选择对应区间的已标定高精度参考电压，从而方便通过模拟开关阵列(见图3中的第一模拟开关阵列15和图4中的第二模拟开关阵列16)将该高精度参考电压作为趋势电压信号5输出，选择此方案时，因选定的趋势电压信号5已标定，可省略后续的第二增益调节7器和第二模数转换器9，以节约成本。

加法器4是通过模拟电路中的极低噪声反向放大器实现，从而能在有效保证被测信号1的信号完整性的前提下完成趋势去除。加法器4主要用于在经过预处理的被测信号1中减去趋势电压信号5后得到剩余信号(未示出)。在受制滤波器的技术限制而无法有效分离干扰信号和被测信号的情况下，采用基于加法器4的趋势去除方法相对于传统基于分立滤波器的多频段放大方法，具有防止在滤波器过渡带和阻带范围内的有效频段信号出现混叠，即防止处于过渡带和阻带的被测信号重复被处理。

第一、第二增益调节器6、7主要是对从被测信号1中分离出来的小幅值剩余信号和大幅值趋势电压信号5进行增益调节，从而与后端的第一、第二模数转换器8、9进行匹配，使信号幅值处于模数转换器8、9的有效动态范围内。当采用基于滤波器构建趋势电压提取器3的方案时，第一、第二模数转换器8、9必须是同步的，方便数字信号处理器10对两路信号进行叠加，以还原被测信号；而当采用其于高精度参考电压选择器构建趋势电压提取器的方案时，如前所述，第二增益调节器7、第二模数转换器9省略。

数字信号处理器10则主要用于模数转换器8、9的控制以及数据的处理和保存，通常选用现场可编程门阵列(FPGA)或者微处理器来实现。通过数字信号处理器10可将数字化的两路分离信号进行合成，即可实现达大动态范围的数据采集。此外，因趋势电压信号是窄带信号，通过标定模数转换器还可达到提高数据采集精度的要求(模数转换器线性度很高，但测量精度不一定高，通过标定可以高供数据采集精度)。

下面结合图2详细介绍本发明的具体实现过程：

图2中被测信号1是指动态范围大、且无法单纯利用滤波器有效分离大幅值和小幅值被测频段的信号，尤其是在低频段存在大幅值趋势电压的信号。为保证被测信号1的信号完整性，在进行常规的信号处理前，被测信号1首先应经过信号预处理器2进行前端放大和抗混叠滤波，其中前端放大是为了匹配后续信号处理中模拟器件的本底噪声。完成信号预处理的被测信号1分成两路，其中一路进入趋势电压提取器3，另一路则进入加法器4。如前所述，本发明中的趋势电压提取器3有两种实现方法，其一是基于常规的低通窄带滤波器实现，比如在航空超导全张量磁梯度测量时，被测信号1经信号预处理器2后输出至一个截止频率为1Hz的低通窄带滤波器，该滤波器的输出即认为是趋势电压信号5；其二是基于高精度参考电压选择器实现，即由高精度参考电压选择器根据被测信号1经信号预处理器2的电压幅值从高精度参考电压中(如第一高精度参考电压12、第二高精度参考电压13、……或第N高精度参考电压14)选定一个作为趋势电压信号5，其中趋势电压提取器3根据高精度参考电压选择器的电路实现方式，可分为图3中的基于模拟高精度参考电压选择器实现的趋势电压提取器3和图4中的基于数模混合高精度参考电压选择器实现的趋势电压提取器3。在完成趋势电压信号5提取后，首先将趋势电压信号5和经过信号预处理的被测信号1同时输入到加法器4中，从而获得两者的代数差，即从经过信号预处理的被测信号1中减去大幅值的趋势电压信号5得到剩余信号；然后将加法器4输出的剩余信号经第一增益调节器6传输至第一模数转换器8，同时再将趋势电压信号5经第二增益调节器7传输至第二模数转换器9(当趋势电压提取器采用参考电压选择器时)，其中加法器4输出的剩余信号已基本不包含大幅值的趋势电压信号5，因此解决了大动态范围被测信号1在增益调节时容易出现饱和的问题，从而其可再次获得较高的增益调节，进而提升被测信号1中微弱信号的探测能力；最后再将第一模数转换器6和第二模数转换器9的输出信号传送至数字信号处理10，从而数字信号处理10可根据这两个通道数字化的结果和对应的增益计算出趋势电压信号5以及从经过信号预处理的被测信号1中减去趋势电压信号5的剩余信号，进而将两者相加即可获得需要测量的被测信号1。

在本发明中，当基于常规的滤波器实现趋势电压提取时，用于探测趋势电压信号5的第二模数转换器9和用于探测剩余信号的第一模数转换器8应采用不同的采样率，以充分利用模数转换器动态范围随采样率降低而提高的特性，比如用于探测趋势电压信号5的第二模数转换器9采用凌特公司的LTC2508-32，其采样率选择61sps，此时它的动态范围为145dB；而用于探测剩余信号的第一模数转换器8同样采用凌特公司的LTC2508-32，但其采样率选择796sps，此时它的动态范围则为136dB。当基于高精度参考电压选择器实现趋势电压提取时，因高精度参考电压已标定，从而根据高精度参考电压切入的序号即可获得趋势电压信号5，故用于探测趋势电压信号5的第二模数转换器9可根据实际情况省略，以降低设计难度和成本。此外，基于高精度参考电压选择器实现趋势电压提取器3时，第一增益调节器6的增益设置值与高精度参考电压选择器的可选择通道数正相关，即高精度参考电压选择器的可选择通道数越多，在高精度参考电压自身的本底噪声范围内，数据采集可达到的动态范围越大。

图3是基于模拟高精度参考电压选择器实现的趋势电压提取器3，其包括：连接信号预处理器2的比较器阵列11和连接比较器阵型列11的第一模拟开关阵列15，其中，比较器阵列11用于将经过预处理的被测信号的幅值与预设的若干幅值区间进行比较以获得被测信号所属的幅值区间；第一模拟开关阵列15用于接收与若干幅值区间一一对应的若干参考电压，并输出与被测信号所属的幅值区间对应的参考电压。在此，比较器阵列应设置回滞区间，以防止振荡。模拟高精度参考电压选择器在工作时，首先将完成信号预处理的被测信号1传输至具有回滞功能的第一比较器阵列11；然后由第一比较器阵列11根据输入信号的幅值得到其所属的幅值区间，而后第一模拟开关阵列15将该幅值区间对应的高精度参考电压(如第一参考电压12、第二参考电压13、……或第N参考电压14)作为趋势电压信号5输出，从而实现趋势电压信号的提取。

图4是基于数模混合高精度参考电压选择器实现的趋势电压提取器3，包括：连接在信号预处理器2与数字信号处理器10之间的低精度第三模数转换器17以及连接数字信号处理器10的第二模拟开关阵列16。其中，第三模数转换器17用于对信号预处理器2输出的被测信号1进行模数转换后输出至数字信号处理器10，而后通过数字信号处理器10将经过模数转换的被测信号1的幅值与预设的若干幅值区间进行比较以获得被测信号1所属的幅值区间；第二模拟开关阵列16用于接收与若干幅值区间一一对应的若干参考电压，并输出与被测信号所属的幅值区间对应的参考电压。数模混合高精度参考电压选择器在工作时，首先将完成信号预处理的被测信号1传输至低精度的第三模数转换器17，其中低精度的第三模数转换器17与数字信号处理器10相连，并由其控制；然后由数字信号处理器10根据低精度的模数转换器17的测量值，得到该测量值所属的幅值区间，而后第二模拟开关阵列16将该幅值区间对应的高精度参考电压(如第一参考电压12、第二参考电压13、……或第N参考电压14)作为趋势电压信号5输出，从而实现趋势电压信号的提取。本发明的第一模数转换器8和低精度的第三模数转换器17可分别选择TI公司的ADS1262和ADS1263来实现。

本发明还提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集方法，包括以下步骤：对被测信号进行预处理；采集经过预处理的被测信号中的趋势电压信号；采集经过预处理的被测信号中除趋势电压信号以外的剩余信号；以及合成趋势电压信号和剩余信号以还原被测信号。

以上所述的具体实施例，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例而已，并不用于限制本发明，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。