一种大动态范围信号放大及高分辨采集电路

本发明涉及信号放大调理与采集电路领域，特别是涉及一种大动态范围的信号放大及高分辨采集电路。

背景技术：

在工程领域，微信号的拾取与高分辨采集是制约仪器发展的关键技术之一。例如在水声、舰船、特种车辆等密闭空间、地下采矿环境等强噪声环境下对噪声和信号进行测量，在医学领域需对微弱生物电信号进行测量、光电微弱信号采集、大动态超声信号采集等操作，常遇到大动态范围信号的采集问题，此类信号特点是：信号非周期性、大动态范围瞬变、信号频率成分复杂且带宽范围宽。

在许多应用领域，对于此类信号的采集一方面要求瞬态大动态范围全信号线性放大，另一方面要求对其进行高分辨采集。一般放大器的放大倍数固定，难以满足大动态信号全信号放大，往往会出现小信号放大满足采集后，大信号会饱和，或大信号满足后小信号采样分辨率不够的矛盾。而若采用自动增益控制，会出现信号幅值与实际信号的不一致，不能保持信号幅值的线性，影响测量精度。此外，由于受模数转换器(adc)输入信号动态范围和量化位数分辨力的限制，很难达到既满足大的动态信号采集，又满足高量化分辨率的要求。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种大动态范围信号放大及高分辨采集电路。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种大动态范围信号放大及高分辨采集电路，包括：信号放大模块、信号分段编码模块、采集控制模块和数据合成模块；

所述信号放大模块分别与所述信号分段编码模块和所述采集控制模块连接；所述信号分段编码模块分别与所述采集控制模块和所述数据合成模块连接；所述采集控制模块和所述数据合成模块连接；

所述信号放大模块用于将接收到的信号进行放大；所述信号分段编码模块用于对放大后的信号进行分段和编码，并用于根据分段和编码后的信号生成控制逻辑信号；所述采集控制模块用于根据所述控制逻辑信号采集分段信号；所述数据合成模块用于将分段和编码后的信号以及采集的分段信号进行合成。

优选地，所述信号放大模块包括多个级联的放大器；

第一级放大器的输入端与信号源连接；

每级所述放大器的输出端均与所述信号分段编码模块和所述采集控制模块连接。

优选地，所述信号分段编码模块包括：锁存编码器和多个比较器；

所述比较器的第一输入端与所述放大器的输出端连接；所述比较器的第二输入端用于输入基准电压；所述比较器的输出端与所述锁存编码器的输入端连接；所述锁存编码器的输出端分别与所述采集控制模块和所述数据合成模块连接。

优选地，所述比较器的个数和所述放大器的个数相同。

优选地，所述采集控制模块包括：选通开关和ad采集器；

所述锁存编码器的第一输出端与所述选通开关的信号控制端连接；所述放大器的输出端与所述选通开关的第一输入端连接；所述选通开关的输出端与所述ad采集器的输入端连接；所述ad采集器的输出端与所述数据合成模块连接。

优选地，所述信号分段编码模块还包括判别器；

所述判别器的输入端与信号源连接；所述判别器的输出端与所述锁存编码器的第二输入端连接；

所述判别器用于判断信号是否超过基准电压值；

当信号超过基准电压值时接入衰减器，使所述衰减器的输入端与信号源连接，所述衰减器的输出端与所述选通开关的第二输入端连接。

优选地，所述数据合成模块包括：基本数据存储器、采集存储器和数据合成器；

所述基本数据存储器的输入端与所述锁存编码器的第二输出端连接；所述采集存储器的输入端与所述ad采集器的输出端连接；所述基本数据存储器的输出端和所述采集存储器的输出端均与所述数据合成器的输入端连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的大动态范围信号放大及高分辨采集电路，通过设置信号放大模块、信号分段编码模块、采集控制模块和数据合成模块，使得整个大动态范围信号放大及高分辨采集电路可以根据输入信号的动态范围和信号采集分辨力要求，将大动态信号进行实时幅值分段，分割为与采集设备输入动态范围相匹配的信号段，进行实时分段采集和实时数据拼接，从而达到大动态信号的高分辨采集。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明提供的大动态范围信号放大及高分辨采集电路的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的信号分段编码模块的结构示意图。

符号说明：

1-信号放大模块，2-信号分段编码模块，3-采集控制模块，4-数据合成模块，5-信号源，6-衰减器。

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，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种采用简单的运放电路结构将信号分段处理，使信号输出控制在较为恒定的范围内的信号放大及高分辨采集电路，以在具有简单易实现的数据恢复功能的同时，具有大动态范围、高分辨率、结构简单等特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的基本思想是根据adc(analog-to-digitalconverter，模/数转换器或者模拟/数字转换器)输入信号的动态范围和信号采集分辨力要求，将大动态信号进行实时幅值分段，分割为与adc输入动态范围相匹配的信号段，进行实时分段采集和实时数据拼接，从而达到大动态信号的高分辨采集。

基于此，如图1所示，本发明提供的大动态范围信号放大及高分辨采集电路，包括：信号放大模块1、信号分段编码模块2、采集控制模块3和数据合成模块4。

信号放大模块1分别与信号分段编码模块2和采集控制模块3连接。信号分段编码模块2分别与采集控制模块3和数据合成模块4连接。采集控制模块3和数据合成模块4连接。

信号放大模块1用于将接收到的信号进行放大。信号分段编码模块2用于对放大后的信号进行分段和编码，并用于根据分段和编码后的信号生成控制逻辑信号。采集控制模块3用于根据控制逻辑信号采集分段信号。数据合成模块4用于将分段和编码后的信号以及采集的分段信号进行合成。

其中，上述信号放大模块1包括多个级联的放大器。

第一级放大器的输入端与信号源5连接。

每级放大器的输出端均与信号分段编码模块2和采集控制模块3连接。

如图2所示，上述信号分段编码模块2包括：锁存编码器和多个比较器。

比较器的第一输入端与放大器的输出端连接。比较器的第二输入端用于输入基准电压。比较器的输出端与锁存编码器的第一输入端连接。锁存编码器的输出端分别与采集控制模块3和数据合成模块4连接。优选地比较器的个数和放大器的个数相同。

信号分段编码模块2具体工作原理为：经各分级放大器分段放大的信号输入到各比较器上，当该级信号超过基准比较信号后，比较器输出高电平，否则为低电平。在信号采样时，采样控制信号控制编码锁存器的输入逻辑信号，实现分段编码状态的记录，并经过译码作为数据合成器的控制逻辑。其中，信号分段数的确定方式为：假设被采集信号幅值为0-vmax，adc的输入电压范围为0-vad，则可将信号分为n段，其中，

基于上述提供的信号放大模块1和信号分段编码模块2的具体结构，其内部进行的具体操作为：

信号放大器完成信号放大，比较器完成信号的分段切割控制。为保证最小电压可被adc采集到，设计时将0-vmin最小电压放大至adc的输出vad可采集范围内，并作为最后一级放大器的输出，逆向推算，大信号先输出，小信号经过多级放大最后输出。由此，组成信号分段切割的编码电路。分段后的信号与比较器的基准vad相比较，当分段后的被测信号大于vad时，比较器输出高的逻辑电平。当小于vad时，adc采集该信号段信号，保证adc总是采集0-vad电压范围内的信号。

上述采集控制模块3包括：选通开关和ad采集器。

锁存编码器的第一输出端与选通开关的信号控制端连接。放大器的输出端与选通开关的第一输入端连接。选通开关的输出端与ad采集器的输入端连接。ad采集器的输出端与数据合成模块4连接。

比较器的输出编码控制选通开关的多路通道分别进行开通，以采集各分段的信号。开关的一端连接各级放大器输出端，另一端连接ad采集器，ad采集器每一次采集一路信号。

上述数据合成模块4包括：基本数据存储器、采集存储器和数据合成器。

基本数据存储器的输入端与锁存编码器的第二输出端连接。采集存储器的输入端与ad采集器的输出端连接。基本数据存储器的输出端和采集存储器的输出端均与数据合成器的输入端连接。

数据合成模块4的具体工作原理为：ad采集器每一次采集的信号均存放在ad存储器(即采集存储器)中。比较器的输出值存放在存储器最高数据位的下一位，从低位到高位依次存放，每饱和一个比较器便将对应位置1。假设ad采集器的位数为m，将信号分为了n段，即有n个比较器，则通过此系统采集后，数据位数变为m+n位，大大提高数据的分辨率。

数据合成时，依次读取对应地址的m+n位数据，并将低位m位数据位根据前n位编码进行恢复拼接，即可完成实时数据采集功能。

此外，在本发明提供的大动态范围信号放大及高分辨采集电路中的信号分段编码模块2还优选包括判别器。

判别器的输入端与信号源5连接。判别器的输出端与锁存编码器的第二输入端连接。

判别器用于判断信号是否超过基准电压值。

当信号超过基准电压值时接入衰减器6，使衰减器6的输入端与信号源5连接，衰减器6的输出端与选通开关的第二输入端连接。

下面以机场噪声测量为例对本发明提供的上述大动态范围信号放大及高分辨采集电路的优点进行说明。在具体应用过程中，还可以应用于其他类型的信号测量。

在本实施例中选用awa14423为声传感器，传感器采集范围为20db-140db，灵敏度为50mv/pa，声压级与输出电压的关系如下所示：

u＝p×s(2)

其中，p为声场中某点处的有效声压。p0定义为基本声压，其值为2×10^-5pa。s为传感器灵敏度。故由上式(1)和(2)可得，传声器的输出电压为10uv-10v。

拟采用mcu自带的adc采集传感器输出的信号，而adc的工作电压为0-3.3v，因此，使输出信号控制在可采集的量程范围内实现对跨度为120db信号的实时分段采集与数据拼接。

首先采用判别器将信号中高于可采集到的最高电压部分提取出来进行相应衰减后再采集。然后将剩余部分根据电压范围与需求设定放大器的级数与倍数以及比较器的基准电压，高电压在前级输出采集，低电压在后级输出采集。原始信号大小逐级递减但采集到的输出电压基本保持恒定范围不变。比较器的输出接入编码器，作为控制ad采集多路选通开关的使能。

设各级放大器的放大倍数为β1,β2,β3...βn，则根据上述原理可得到信号分段、采集电压范围与控制字如表1所示。

表1信号分段的采集与控制字

表1中，uy为信号段电压信号，uc为采集到的电压信号，uymin为信号段的最小电压信号，u为采集设备工作电压，即基准电压。

将比较器的输出编码控制字数值存储在内存中数据位的高位中，对应信号的放大倍数。采集数据存放在数据位中，每次读取对应地址的数据即可得到编码值数据与采集数据，根据编码值与倍数的对应关系逐一进行反向变换恢复，即可合成原始输出电压信号。

综上，本发明提供的大动态范围信号放大及高分辨采集电路具有如下优点：

1、本发明结构简单、易于实现，一定程度上克服了ad采集分辨率低的问题。

2、本发明采用以采集设备工作电压设定恒定基准电压的比较器的方法，将信号分为恒定幅值比的若干段，使电路具有统一性，可根据实际需求调整，便于调试。

3、本发明设计的电路具有更高的调理范围，可根据需要调节放大器倍数匹配更大的输入范围，且可实现实时采集与数据拼接，适用更多应用场景。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。