一种模拟信号采集系统与采集方法与流程

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种模拟信号采集系统与采集方法。

背景技术：

模拟信号是指信息参数在给定范围内表现为连续的信号，这种模拟信号的概念经常用于描述电子技术领域中的参数，例如：电压信号和电流信号等。现有技术中通过模拟信号采集系统来采集这种模拟信号，采集的一般过程为：模拟信号采集系统中的放大电路对模拟信号进行放大处理，被放大的模拟信号再经模数转换电路转换成数字信号，接着对数字信号进行相应计算以获得最终的目标数据，从而完成对模拟信号的采集。

由于在设计模拟信号采集系统中的放大电路时，需要预估所要采集的模拟信号的幅值范围，并基于预估的模拟信号幅值范围对放大电路的增益系数进行设计，因此在设计完成后放大电路的增益系数为固定值；在这种情况下，当所要采集的模拟信号的幅值偏小时，经放大电路放大后的模拟信号的幅值可能仍然较小，容易出现模拟信号采集系统信噪比过低的现象，而且模数转换电路的转换能力也无法得到充分利用，损失了模拟信号采集系统的采样精度；而当所要采集的模拟信号的幅值偏大时，经放大电路放大后的模拟信号可能会超出模数转换电路的最大转换范围，致使无法得到真实的采样结果，导致出现严重的测量错误。因此，现有的模拟信号采集系统中放大电路的增益系数不能够根据实际需要进行动态调整，使得对于幅值变化范围未知的模拟信号，现有的模拟信号采集系统还不能够对其进行准确的采集。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种模拟信号采集系统与采集方法，用于实现对幅值变化范围未知的模拟信号进行准确的采集。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明的第一方面提供一种模拟信号采集系统，包括：增益可调放大单元、模数转换单元和控制单元；其中，

所述增益可调放大单元与所述模数转换单元连接，且与所述控制单元连接，所述模数转换单元和所述控制单元连接；

所述增益可调放大单元用于将待测模拟信号放大并得到目标模拟信号；

所述模数转换单元用于将所述目标模拟信号转换为数字信号；

所述控制单元用于判断所述数字信号是否在预设目标范围内，当所述数字信号在所述预设目标范围内时，所述控制单元用于输出所述数字信号对应的目标数据；当所述数字信号不在所述预设目标范围内时，所述控制单元用于调节所述增益可调放大单元的增益系数，以获得在所述预设目标范围内的所述数字信号，再将在所述预设目标范围内的所述数字信号对应的目标数据输出。

基于上述模拟信号采集系统的技术方案，本发明的第二方面提供一种模拟信号采集方法，包括以下步骤：

步骤101，模拟信号采集系统中的增益可调放大单元对待测模拟信号进行放大得到目标模拟信号；

步骤102，模拟信号采集系统中的模数转换单元将所述目标模拟信号转换为数字信号；

步骤103，模拟信号采集系统中的控制单元判断所述数字信号是否在预设目标范围内，当所述数字信号在所述预设目标范围内时，所述控制单元输出所述数字信号对应的目标数据，完成对模拟信号的采集；当所述数字信号不在所述预设目标范围内时，执行步骤104；

步骤104，所述控制单元调节所述增益可调放大单元的增益系数，再重新执行所述步骤101至步骤103。

本发明提供的模拟信号采集系统中，增益可调放大单元能够将待测模拟信号放大，并得到目标模拟信号；模数转换单元能够将目标模拟信号转换为数字信号；控制单元能够判断由模数转换单元输出的数字信号是否在预设目标范围内，当数字信号在预设目标范围内时，控制单元直接将与数字信号对应的目标数据输出即可；当数字信号不在预设目标范围内时，控制单元能够对增益可调放大单元的增益系数进行调节，使增益可调放大单元将待测模拟信号放大合适的比例，从而保证了经模数转换单元转换后得到的数字信号在预设目标范围内，控制单元再将在预设目标范围内的数字信号对应的目标数据输出即可；因此，本发明提供的模拟信号采集系统能够根据数字信号是否在预设的目标范围内，来实时调节增益可调放大单元的增益系数，从而保证模拟信号采集系统以较高性能采集幅值连续变化且变化范围未知的信号；避免了当待测模拟信号的幅值偏小时，所出现的模拟信号采集系统信噪比过低，以及模数转换单元的转换能力无法得到充分利用的问题；同时也避免了当待测模拟信号的幅值偏大时，所出现的目标模拟信号超出模数转换单元的最大转换范围，致使无法得到真实的采样结果的问题；很好的保证了对幅值变化范围未知的模拟信号的准确采集。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的模拟信号采集系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的增益可调放大单元的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的模拟信号采集方法的流程图。

附图标记：

1-增益可调放大单元， 2-模数转换单元，

3-控制单元， 4-滤波单元，

5-数字电位计， 6-运算放大器，

7-数字通信接口， 8-可调电阻，

9-信号输入接口， 10-信号输出接口。

具体实施方式

为了进一步说明本发明实施例提供的模拟信号采集系统与采集方法，下面结合说明书附图进行详细描述。

请参阅图1，本发明实施例提供的模拟信号采集系统包括：包括：增益可调放大单元1、模数转换单元2和控制单元3；其中，增益可调放大单元1与模数转换单元2连接，且与控制单元3连接，模数转换单元2和控制单元3连接；增益可调放大单元1用于将待测模拟信号放大并得到目标模拟信号；模数转换单元2用于将目标模拟信号转换为数字信号；控制单元3用于判断数字信号是否在预设目标范围内，当数字信号在预设目标范围内时，控制单元3用于输出数字信号对应的目标数据；当数字信号不在预设目标范围内时，控制单元3用于调节增益可调放大单元1的增益系数，以获得在预设目标范围内的数字信号，再将在预设目标范围内的数字信号对应的目标数据输出。

模拟信号采集系统的工作过程为：首先为增益可调放大单元1设置初始增益系数(初始增益系数一般根据经验来设定)，增益可调放大单元1接收待测模拟信号，并根据初始增益系数对待测模拟信号进行放大，以获得目标模拟信号；然后目标模拟信号由增益可调放大单元1传输到模数转换单元2，模数转换单元2将目标模拟信号转换为数字信号；接着数字信号由模数转换单元2传输到控制单元3，控制单元3判断所接收到的数字信号是否在预设目标范围内，当数字信号在预设目标范围内时，控制单元3输出数字信号对应的目标数据，完成对模拟信号的采集；当数字信号不在预设目标范围内时，控制单元3调节增益可调放大单元1的增益系数，使得增益可调放大单元1能够将待测模拟信号放大合适的比例，并获得对应的目标模拟信号，目标模拟信号再经过模数转换单元2的转换，得到对应的数字信号，控制单元3再根据对数字信号的判断结果确定下一步所要执行的步骤，当经过增益调节后获得的数字信号在预设目标范围内时，控制单元3将与其对应的目标数据输出，即完成了对模拟信号的采样；当经过增益调节后获得的数字信号仍然不在预设目标范围内时，重复执行上述调节增益系数的过程，直到获得在预设目标范围内的数字信号为止。

根据上述模拟信号采集系统的具体结构和工作过程可知，本发明实施例提供的模拟信号采集系统能够根据数字信号是否在预设的目标范围内，来实时调节增益可调放大单元1的增益系数，以使得经模数转换单元2转换后得到的数字信号均在预设目标范围内，并输出与在预设目标范围内的数字信号对应的目标数据作为最终的采样结果；很好的保证了模拟信号采集系统以较高性能采集幅值连续变化且变化范围未知的信号，且模拟信号采集系统每次输出的目标数据都具有较高的信噪比和分辨率；避免了当待测模拟信号的幅值偏小时，所出现的模拟信号采集系统信噪比过低，以及模数转换单元2的转换能力无法得到充分利用的问题；同时也避免了当待测模拟信号的幅值偏大时，所出现的目标模拟信号超出模数转换单元2的最大转换范围，致使无法得到真实的采样结果的问题；很好的保证了对幅值变化范围未知的模拟信号的准确采集。

需要说明的是，控制单元3在输出目标数据之前，需要根据在预设目标范围内的数字信号，和与该数字信号对应的增益可调放大单元1的增益系数计算得到目标数据(待测模拟信号的测量值)，具体的计算过程为现有技术，在此不做赘述。此外，预设目标范围可以依据工作人员的经验设定，一般设定为模数转换单元2最大处理电平的75％～99％，在这个范围内的数字信号的幅值足够高，能够充分利用模数转换单元2的转换能力，保证模拟信号采集系统具有较高的信噪比，有利于提高模拟信号采集系统的采样精度；而且在这个范围内的数字信号不会超出模数转换单元2的最大转换范围，可以充分利用模数转换单元2的采样精度，使得最终的转换结果具有更高的分辨率；因而可以将在预设目标范围以外的采样结果均视为不理想的采样结果。

上述实施例提供的增益可调放大单元1可以有多种结构，下面给出一种具体的结构，来对增益可调放大单元1的工作过程进行详细说明，当然不仅限于给出的这种结构。请参阅图2，增益可调放大单元1包括相连接的数字电位计5和运算放大器6，即是由数字电位计5和运算放大器6组成的比例放大电路；其中数字电位计5与控制单元3连接，运算放大器6的第一输入端用于输入待测模拟信号，运算放大器6的输出端连接模数转换单元2。

具体的，运算放大器6的第一输入端连接信号输入接口9，运算放大器6的输出端连接信号输出接口10；在进行模拟信号的采样时，待测模拟信号通过信号输入接口9输入到运算放大器6的第一输入端，并经过第一输入端输入到运算放大器6中，运算放大器6根据增益系数对待测模拟信号进行放大并获得目标模拟信号，目标模拟信号由运算放大器6的输出端经信号输出接口10从运算放大器6输出到模数转换单元2，以供模数转换单元2进行模数转换。当控制单元3检测到由模数转换单元2输出的数字信号不在预设目标范围内时，控制单元3通过数字电位计5来调节运算放大器6的增益系数，以使运算放大器6能够以更合适的增益系数对待测模拟信号进行放大。

由于这种结构的增益可调放大单元1仅包括数字电位计5和运算放大器6，控制单元3通过数字电位计5就能够实现对运算放大器6的增益系数的调节，因此，增益可调放大单元1的结构简单，采用这种增益可调放大单元1的模拟信号采集系统制作成本低，系统的集成度高，而且增益可调放大单元1的增益系数可以随时调节，也增加了模拟信号采集系统的灵活性；此外，控制单元3通过数字电位计5调节运算放大器6的增益系数，能够对运算放大器6的增益系数进行多次调节，直至获得在预设目标范围内的数字信号为止，这样保证了模拟信号采集系统对于幅值变化范围未知的模拟信号也能够实现准确的采集。

更进一步的说，上述数字电位计5包括相连接的数字通信接口7和可调电阻8；其中，数字通信接口7与控制单元3连接，可调电阻8的游标引脚连接运算放大器6的第二输入端，可调电阻8的第一固定引脚连接运算放大器6的输出端，可调电阻8的第二固定引脚连接电源负极VSS。基于这种结构的数字电位计5，控制单元3能够通过数字通信接口7读取可调电阻8的游标引脚所在的位置，并能够通过数字通信接口7设置可调电阻8的游标引脚的位置来改变可调电阻8的阻值，从而实现对运算放大器6的增益系数的调节。

由于上述数字电位计5所包括的可调电阻8与运算放大器6连接，且通过调节可调电阻8的阻值就能够实现对运算放大器6的增益系数的调节；因此，在数字电位计5中不需要引入额外的电阻，保证了采用这种结构的数字电位计5的模拟信号采集系统的结构复杂程度低。

上述实施例提供的数字电位计5中，根据其内部所使用的数字通信接口7的种类不同，一般可以分为两类，一类是采用集成电路总线接口或串行外设接口的数字电位计5，另一类是采用脉冲式接口的数字电位计5。

当选用带有集成电路总线接口或串行外设接口的数字电位计5时，由控制单元3计算出运算放大器6所应调节的增益系数，并基于所应调节的增益系数，通过集成电路总线接口或串行外设接口来控制可调电阻8的阻值；在这种情况下，调节可调电阻8的阻值时，能够跨越式的设定可调电阻8的游标引脚的位置，即能够跨越式的调节运算放大器6的增益系数，而不会受到增益调节步长的限制，很好的提高了模拟信号采集系统的响应速率。

当选用带有脉冲式接口的数字电位计5时，由控制单元3计算出运算放大器6所应调节的增益系数，并基于所应调节的增益系数，通过脉冲式接口来控制可调电阻8的阻值；在这种情况下，使用脉冲信号来调节可调电阻8的游标引脚的位置，控制游标引脚和固定引脚之间的电阻连续变化，同样能够实现对运算放大器6的增益系数的调节。

值得注意的是，请参阅图2，运算放大器6在实际使用时，可以有多种连接方式，例如：运算放大器6的正相输入端作为第一输入端，运算放大器6的反相输入端作为第二输入端，且运算放大器6分别与电源正极VCC和电源负极VSS连接；当然不仅限于这一种连接方式，待测模拟信号通过信号输入接口9输入到运算放大器6中时，可以根据实际情况，从运算放大器6的正相输入端输入到运算放大器中，或从运算放大器6的反相输入端输入到运算放大器6中。

请继续参阅图1，上述实施例提供的模拟信号采集系统还包括滤波单元4，滤波单元4通过信号输入接口9与运算放大器6的第一输入端连接。这种滤波单元4用于对待测模拟信号进行滤波操作，即将待测模拟信号的噪声滤除，经过滤波单元4滤波后的待测模拟信号再输入到运算放大器6中，很好的避免了噪声对待测模拟信号的干扰，使最终的模拟信号采样结果更加准确。值得注意的是，滤波单元4中所包括的滤波电路的种类多种多样，例如：有源滤波电路和无源滤波电路，优选的，采用基于运算放大器6的有源滤波电路，由于有源滤波电路能够很好的滤出谐波，而且反应动作迅速，能够很好的补偿无功功率。此外，在选择滤波电路时，可以根据待测模拟信号的特点，选用与待测模拟信号相匹配的低通滤波电路、高通滤波电路或带通滤波电路等。

请参阅图3，本发明实施例还提供了一种模拟信号采集方法，由上述实施例提供的模拟信号采集系统实施，具体包括以下步骤：

步骤101，模拟信号采集系统中的增益可调放大单元1对待测模拟信号进行放大得到目标模拟信号。

步骤102，模拟信号采集系统中的模数转换单元2将目标模拟信号转换为数字信号；更详细的说，模数转换单元2对放大后的模拟信号进行采样，并将其转换成数字量(数字信号)后传输给控制单元3。

步骤103，模拟信号采集系统中的控制单元3判断数字信号是否在预设目标范围内，当数字信号在预设目标范围内时，控制单元3输出数字信号对应的目标数据，完成对模拟信号的采集；当数字信号不在预设目标范围内时，执行步骤104；更进一步的说：控制单元3读取由模数转换单元2转换得到的数字信号，并判断数字信号是否在预设目标范围内，并根据判断结果执行相应操作。控制单元3可以为微控制单元或现场可编程门阵列，但不仅限于此。

步骤104，控制单元3调节增益可调放大单元1的增益系数，再重新执行步骤101至步骤103。；具体的，当控制单元3判断数字信号不在预设目标范围内时，控制单元3调节增益可调放大单元1的增益系数，再重新执行步骤101至步骤103，在执行步骤103时，若经过增益系数调节后的增益可调放大单元1所输出的目标模拟信号，再经过模数转换单元2转换后所输出的数字信号在预设目标范围内，则控制单元3输出数字信号对应的目标数据，完成对模拟信号的采集；若经过增益系数调节后，由模数转换单元2输出的数字信号仍不在预设目标范围内，则再次对增益可调放大单元1的增益系数进行调节，直到模数转换单元2输出在预设目标范围内的数字信号为止，控制单元3再将与在预设目标范围内的数字信号对应的目标数据输出，即完成了对模拟信号的采集。

值得注意的是，在修改了一次增益系数后，若得到的数字信号仍不在预设目标范围内，可能是由于待测模拟信号发生变化等原因造成的，只需再次调节增益可调放大单元1的增益系数，并重新执行步骤101至步骤103，直到经模数转换单元转换得到的数字信号在目标范围内为止。

上述实施例提供的模拟信号采集方法能够根据数字信号是否在预设的目标范围内，来实时调节增益可调放大单元1的增益系数，以保证经模数转换单元2转换后得到的数字信号均在预设目标范围内，并输出与在预设目标范围内的数字信号对应的目标数据作为最终的采样结果；避免了当待测模拟信号的幅值偏小时，所出现的模拟信号采集系统信噪比过低，以及模数转换单元2的转换能力无法得到充分利用的问题；同时也避免了当待测模拟信号的幅值偏大时，所出现的目标模拟信号超出模数转换单元2的最大转换范围，致使无法得到真实的采样结果的问题；很好的保证了对幅值变化范围未知的模拟信号的准确采集。

具体的，当上述增益可调放大单元1包括相连接的数字电位计5和运算放大器6时，数字电位计5与控制单元3连接，运算放大器6的第一输入端用于输入待测模拟信号，运算放大器6的输出端连接模数转换单元2；在上述步骤104中，控制单元3通过数字电位计5调节运算放大器6的增益系数。

更进一步的，当数字电位计5包括相连接的数字通信接口7和可调电阻8时；其中，数字通信接口7与控制单元3连接，可调电阻8的游标引脚连接运算放大器6的第二输入端，可调电阻8的第一固定引脚连接运算放大器6的输出端，可调电阻8的第二固定引脚连接电源负极VSS；在上述步骤104中，控制单元3通过数字通信接口7控制可调电阻8的电阻值，以调节运算放大器6的增益系数。

上述控制单元3在对运算放大器6的增益系数进行调节时，需要计算出所要调节的增益系数的具体数值，即目标增益；而目标增益具体可以根据预设目标范围、数字信号、以及与数字信号对应的增益系数获得。而针对数字信号的具体情况不同，目标增益的计算方法不同，以下给出在单次周期内，不同情况下的目标增益的计算方法。

第一种情况，当数字信号的幅值小于预设目标范围的最小值时，目标增益K₁为：

$K_1=\frac{(A_1\×K_0)}{A_0}---\left(1\right)$

其中，K₀为与数字信号对应的增益系数(在单次采样周期内获得当前数字信号时，运算放大器6所对应的增益系数)，A₀为数字信号的幅值，A₁为目标信号的幅值，目标信号为在预设目标范围内的信号。

由于预设目标范围为模数转换单元2最大处理电平的75％～99％，因此目标信号的幅值应在模数转换单元2最大处理电平的75％～99％之间取值，优选的，取模数转换单元2最大处理电平的87％，即取预设目标范围的中间值，这样将目标信号的幅值带入到公式(1)进行计算时，对应得到的目标增益也相对居中，这样当待测模拟信号有微小变化时，对应输出的数字信号也能够在预设目标范围内，避免多次进行目标增益的计算，很好的提高了模拟信号采集系统的工作效率。

第二种情况，当数字信号的幅值大于预设目标范围的最大值时，目标增益K₁为：

K₁＝(0.4～0.6)K₀ (2)

需要说明的是，在公式(2)中目标增益K₁具体取多少倍的K₀，可以根据工作人员的经验来确定，一般取K₁＝0.5K₀，这样既能够快速的降低运算放大器6的增益系数，使最终获得的数字信号的幅值不超过预设目标范围的最大值，也保证了最终获得的数字信号的幅值不至于太小，尽量避免出现最终获得的数字信号的幅值小于预设目标范围的最小值的情况。

在获得目标增益后，控制单元3需要通过数字通信接口7控制可调电阻8的电阻值，来实现对运算放大器6的增益系数进行调节，而可调电阻8的电阻值与运算放大器6的增益系数之间的关系为：

$K=\frac{R_{WB}}{R_{AB}}---\left(3\right)$

其中，K为运算放大器6的增益系数；请参阅图2，将可调电阻8的第一固定引脚定义为A引脚，将可调电阻8的第二固定引脚定义为B引脚，将可调电阻8的游标引脚定义为W引脚，R_WB为W引脚与B引脚之间的电阻值，R_AB为A引脚与B引脚之间的电阻值(可调电阻8的总阻值)。

因此，当获得目标增益后，可以通过控制W引脚的位置调节出合适的R_WB和R_AB，以使R_WB和R_AB满足公式(4)。

$K_1=\frac{R_{WB}}{R_{AB}}---\left(4\right)$

需要说明的是，由于数字电位计5中的可调电阻8具有一定的电阻调节分辨率，在实际调节的过程中，可取得与目标增益K₁最接近的实际增益K₁′，通过控制W引脚的位置调节出合适的R_WB和R_AB，使得R_WB和R_AB满足公式(5)即可。

$K_1^{\′}=\frac{R_{WB}}{R_{AB}}---\left(5\right)$

在获得满足预设目标范围的数字信号后，最终控制单元3还需根据最后采用的实际增益K₁′对采样结果(满足预设目标范围的数字信号)进行归一化处理(即统一采样结果的单位)，再转化为对应的目标数据输出。

当上述实施例提供的模拟信号采集系统还包括滤波单元4时，滤波单元4与运算放大器6的第一输入端连接，滤波单元4对待测模拟信号进行滤波操作，并将经过滤波操作后的待测模拟信号输入到运算放大器6中。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。