专利名称：一种实现自动量程的数据采集设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及测量信号大小的数据采集技术，尤其涉及通过模数转换来对动态信号进行测量的数据采集设备。
背景技术：
现有的具有多种量程的数据采集设备一般包括一个放大器和一个模数转换器，其中放大器对测量信号进行放大，随后模数转换器将经过放大器放大的模拟信号转换为数字信号，以实现信号采集。由于模数转换器的输入电压范围和精度是一定的，而在实践中测量信号的大小则可能变化很大，为保证信号测量的精度(主要表现为信噪比)，需要在不同量程下进行测量。在数据采集设备中，为了适应测量信号的大小，一般会根据所测量信号的大小来设置合适的放大器放大倍数，从而可以实现不同量程的信号测量(量程=模数转换器输入电压范围/放大倍数)。因此在数据采集设备中，对于较大的信号，为放大器设置较小的放大倍数以获得较大的量程，从而保证信号不会过载；而对于较小的信号，则为放大器设置较大的放大倍数以获得较小的量程，从而保证信号不会欠载(即信噪比不足)。然而，在现有的数据采集设备中，通常需要人工地调节放大器的放大倍数而不能根据信号大小自动地切换到合适的放大倍数和量程。因此，在设置放大器的放大倍数之前， 通常需要根据经验、预实验、仿真计算等方法预知测量信号的大小，然后通过手动旋钮方式设置放大倍数。这种方式导致数据采集设备无法自动进行工作。另外，在现有的数据采集设备中采用了软件程序控制等方式来设置放大倍数。这种控制方式虽然减少了手动操作，但是仍然无法实现自动量程，对于快速变化的动态信号更是如此。这是因为放大器属于电子元器件，在改变参数之后都必须经过一段时间才能达到稳定。所以在连续实时测量过程中，若改变放大器的放大倍数，则达到稳定之前的一段时间内，其测量数据是不可靠的。因此该控制方式无法提供具有足够精度的信号采集结果。因此，所需要的是一种可以根据信号大小自动切换量程，并还可以保证信号测量精度的新数据采集设备。
实用新型内容鉴于上述问题，提出了本实用新型以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决或者减缓上述问题的数据采集设备。根据本实用新型的一个方面，提供了一种实现了自动量程的数据采集设备，包括输入端，用于接收测量信号；多个放大器，其中每个放大器具有不同的放大倍数并耦接到输入端来接收测量信号，每个放大器分别对所接收的测量信号进行放大以输出具有不同放大倍数的放大信号；多个模数转换器，每个模数转换器耦接到相应的放大器，以便对相应放大器输出的放大信号进行模数转换以获得经转换的数字放大信号；以及控制器，耦接到多个模数转换器中的每个模数转换器以接收来自相应放大器的数字放大信号，其中控制器根据
3测量信号的大小和相应模数转换器的输入电压范围来选择来自多个放大器之一的放大信号作为输出信号。可选地，在根据本实用新型的数据采集设备中，控制器在多个放大器当中选择具有最大的、不会导致测量信号的大小和放大倍数的乘积超出输入电压范围的放大倍数的放大器所输出并经由相应模数转换器转换的数字放大信号作为输出信号。可选地，在根据本实用新型的数据采集设备中，多个放大器包括不对测量信号进行放大的单倍放大器。可选地，在根据本实用新型的数据采集设备中，多个放大器包括2个放大器、3个放大器或者4个放大器，以及多个放大器还包括100倍放大器、10000倍放大器和1000000 倍放大器中的一个或者多个。可选地，在根据本实用新型的数据采集设备中，多个模数转换器为12位、16位或者M位模数转换器。根据本实用新型的数据采集设备打破原来对于一路测量信号只用一个AD模数转换器来采集的思维束缚，而是对每路测量信号使用多个AD模数转换器同步进行采样，并且在每个AD模数转换器前使用具有不同但固定的放大倍数的放大器进行放大，这样就同时得到了在多个量程下进行测量的数字信号。随后，控制器选择适合该测量信号大小的最大倍数的放大器输出的信号作为最终的采集信号。由于控制器仅仅涉及针对数字信号进行的处理，而没有对模拟信号传输中的元器件进行任何参数更改，因此本实用新型可以在信号变化时实时选择合适量程，实现自动量程的数据采集。
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本实用新型的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中图1示出了根据本实用新型一个实施例的数据采集设备的框图；以及图2示出了根据本实用新型一个实施例的数据采集设备中的控制器的框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体的实施方式对本实用新型作进一步的描述。图1示出了根据本实用新型一个实施例的数据采集设备100的框图。如图1所示，数据采集设备100包括输入端110，用于接收测量信号。测量信号通常为模拟信号。在图1所示的实施例中，示出了数据采集设备100仅接收一路测量信号，然而在实践中，该数据采集设备100可以接收多路测量信号。由于对于每路测量信号，数据采集设备100采用了类似的处理电路来进行处理，因此出于简洁起见，图1中仅仅示出了一路测量信号。但是本实用新型不局限于此，而是可以适用于同时处理多路测量信号。数据采集设备100还包括多个放大器120i，1202)…，1203。每个放大器都具有其自己的放大倍数，并且都与输入端110相连以便接收测量信号，并且以其相应的放大倍数对所接收的测量信号进行放大。数据采集设备100可以具有任意多条放大通路，即任意多个放大器120” 1202，…，1203来分别以不同的放大倍数来放大测量信号。然而，在实践中，由于所测量信号的范围不会非常大，所以可选地，数据采集设备100可以根据实际情况而包括2个、3个或者4个放大器。在下文中，以三个放大器为例来进行说明。另外，还应当注意的是，虽然在附图中示出了每条放大通路都包括相应的放大器来对测量信号进行放大，但是可选地，其中的某条放大通路可能不对测量信号进行放大，而是直接发送测量信号。在本实用新型中，我们认为该条放大通路上存在单倍放大器以便于以统一的方式来清楚描述本实用新型。实际上，单倍放大器可以是非常简单的电路结构，例如仅仅是一段常规的线路而已。根据本实用新型的实施方式，放大器可以包括单倍放大器、100倍放大器、10000倍放大器和1000000倍放大器中的一个或者多个。在图1中示出了，分别以单倍放大器、100倍放大器和10000倍放大器对测量的信号进行放大。由于输入端110所接收的信号通常为模拟信号，因此，数据采集设备100还包括多个模数转换器1301; 1302和1303。其中每个模数转换器都被布置在一条放大通路中，例如耦接在相应放大器120” 1202，…，1203和控制器140之间，以便对相应放大器输出的放大信号进行模数转换并将经转换后的数字放大信号发送给控制器140。一般来说所采用的多个模数转换器的类型相同，具有相同的输入电压范围。本实用新型并不受限于模数转换器的类型，但是选择具有较高位数的模数转换器可以获得较大的自动量程范围。通常模数转换器具有12、16和M位等类型，与这些类型相对应的可测量动态信号的范围分别大约为60dB、80dB和120dB，这分别相当于大约1E3 (1000)倍、1E4 (10000)倍和1E6 (1000000)倍的范围。因此选择M位模数转换器可以比其他两种模数转换器多获得1000倍和100倍的量程范围。控制器140接收每个放大器由模数转换器经过模数转换后的数字放大信号，并根据测量信号的大小和相应模数转换器的输入电压范围来选择多条放大通路中的一条放大通路的输出作为最终的输出信号。换言之，控制器140选择多个放大器之一输出并经由相应模数转换器转换的数字放大信号作为输出信号。具体而言，控制器140首先选择来自具有最小放大倍数的放大器的数字放大信号来初步确定测量信号的大小，然后在多个放大器当中选择具有最大的、不会导致测量信号的大小和放大倍数的乘积超出相应模数转换器的输入电压范围的放大倍数的放大器所输出并经由相应模数转换器转换的数字放大信号作为输出信号。如上所述，量程=模数转换器输入电压范围/放大倍数。由于每条放大通路上采用的模数转换器一般是相同的，而且模数转换器的输入电压范围也对应于数据采集设备 100的输出电压范围，因此，控制器140所进行的选择也可以是使用最大量程的放大信号来初步确定测量信号的大小，然后选择能满足测量信号大小的最小量程的放大信号作为输出信号，即作为最终的采集数据。图2示出了根据本实用新型一个实施例的数据采集设备100中的控制器140的框图。图2所示的控制器140适于在图1所示的数据采集设备100中使用。如图2所示，控制器140具有三路数字放大信号输入HlpHl2和1413，分别对应于单倍放大器、100倍放大器和10000倍放大器输出的放大信号。控制器140还包括分别耦接在三路输入HlpHl2 和1413和控制器输出144之间的选通电路143^14 禾口 1433o选通电路143^14 禾口 1433 由控制单元142所控制，具体而言，分别由来自控制单元142的选通信号145^14 和14 选通以便将相应的放大信号输入输出到控制器输出144。[0025]控制器140还具有控制单元142。控制单元142接收单倍放大器输出并经由模数转换器转换后的数字信号1411;然后由第一判断单元14 判断该数字信号Hl1是否小于与 10000倍放大器相对应的量程，如果是，则启用选通信号14 以使得选通电路14 被选通， 从而将来自10000倍放大器的经模数转换后的数字放大信号输出到输出端144。相反，如果数字信号Hl1大于与10000倍放大器相对应的量程，则接着由第二判断单元14 判断该数字信号Hl1是否小于与100倍放大器相对应的量程，如果是，则启用选通信号14 以使得选通电路14 被选通，从而将来自100倍放大器的经模数转换后的数字放大信号输出到输出端144。相反，如果数字信号Hl1大于与100倍放大器相对应的量程，则启用选通信号HS1 以使得选通电路143i被选通，从而将来自单倍放大器的经模数转换后的数字放大信号输出到输出端144。图2虽然以适于三个放大器的控制器140为例进行了说明，但是本领域技术人员根据图2所示的示例可以清楚地理解，可以对该控制器140进行修改以便适于不同数目和放大倍数的控制器而不会超出本实用新型的范围。具体而言，控制器140根据多个放大器的放大倍数从高到低的次序，依次判断测量信号的大小与该放大倍数的乘积是否超出相应模数转换器的输入电压范围，如果未超出，则选择来自与该放大倍数相对应的放大器并经由相应模数转换器转换的数字放大信号作为输出信号。根据本实用新型的数据采集设备可以自动根据被测信号的大小切换到合适的量程上，并且可以满足高达160dB、200dB或MOdB的信号动态变化范围。通过在对动态变化尤其是变化范围很大的信号进行测量时，无需考虑信号大小和量程问题，就可保证信号测量的可靠度和精度。应当注意的是，在本实用新型的控制器尤其是控制单元的各个部件中，根据其要实现的功能而对其中的部件进行了逻辑划分，但是，本实用新型不受限于此，可以根据需要对各个部件进行重新划分或者组合，例如，可以将一些部件组合为单个部件，或者可以将一些部件进一步分解为更多的子部件。本实用新型的各个控制器实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)或者FPGA来实现根据本实用新型实施例的控制器中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。应该注意的是上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制， 并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本实用新型可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
权利要求1.一种实现了自动量程的数据采集设备，其特征在于包括输入端，用于接收测量信号；多个放大器，其中每个放大器具有不同的放大倍数并耦接到输入端来接收测量信号， 每个放大器分别对所接收的测量信号进行放大以输出具有不同放大倍数的放大信号；多个模数转换器，每个模数转换器耦接到所述多个放大器中的相应放大器，以便对相应放大器输出的放大信号进行模数转换以获得经转换的数字放大信号；以及控制器，耦接到所述多个模数转换器中的每个模数转换器以接收来自相应放大器的数字放大信号，其中所述控制器根据所述测量信号的大小和相应模数转换器的输入电压范围来选择来自多个放大器之一并经相应模数转换器转换后的数字放大信号作为输出信号。
2.如权利要求1所述的数据采集设备，其特征在于，所述控制器在所述多个放大器当中选择具有最大的、不会导致所述测量信号的大小和放大倍数的乘积超出所述输入电压范围的放大倍数的放大器所输出并经由相应模数转换器转换的数字放大信号作为输出信号。
3.如权利要求2所述的数据采集设备，其特征在于，所述控制器根据所述多个放大器的放大倍数从高到低的次序，依次判断所述测量信号的大小与该放大倍数的乘积是否超出所述输入电压范围，如果未超出，则选择与该放大倍数相对应的放大器输出并经由相应模数转换器转换的数字放大信号作为输出信号。
4.如权利要求1-3中任一个所述的数据采集设备，其特征在于，所述多个放大器包括不对所述测量信号进行放大的单倍放大器。
5.如权利要求4所述的数据采集设备，其特征在于所述多个放大器包括2个放大器、3 个放大器和4个放大器。
6.如权利要求4所述的数据采集设备，其特征在于所述多个放大器还包括100倍放大器、10000倍放大器和1000000倍放大器中的一个或者多个。
7.如权利要求1-3中任一个所述的数据采集设备，其特征在于所述多个模数转换器为 12位、16位或者M位模数转换器。
8.如权利要求7所述的数据采集设备，其特征在于，所述多个模数转换器具有相同的类型。
专利摘要本实用新型公开了一种数据采集设备，包括输入端，用于接收测量信号；多个放大器，其中每个放大器具有不同的放大倍数并耦接到输入端；多个模数转换器，每个模数转换器耦接到相应的放大器，以便对放大器输出的放大信号进行模数转换以获得数字放大信号；以及控制器，耦接到每个模数转换器，并根据测量信号的大小和数据采集设备的输出电压范围来选择来自多个放大器之一的数字放大信号作为输出信号。根据本实用新型的数据采集设备可以根据信号大小自动切换量程，并还可以保证信号测量精度。
文档编号G01R15/09GK202196108SQ201120163078
公开日2012年4月18日 申请日期2011年5月20日 优先权日2011年5月20日
发明者刘进明, 应怀樵, 应明, 杜峰, 沈松 申请人:北京东方振动和噪声技术研究所