一种大动态范围信号采集装置的制作方法

本发明属于信号采集技术领域，更为具体地讲，涉及一种大动态范围信号采集装置。

背景技术：

近年来，在广泛的技术领域内，现代电子信号呈现出复杂化、多样性的特征，尤其是信号的频率范围不断拓宽，信号的瞬时性、复杂度不断增加，非平稳特性迅速增长。在科学研究和重大工程中经常测试诸多动态范围大、带宽高、波形特征丰富的电子信号，例如，为了评估大型爆轰试验的效果，必须对预定球面空间中持续时间极短、带宽极宽的瞬态信号进行精密的测量分析；再如，雷达等电子系统中，偶发的干扰往往是故障和失效的深层次原因。

实时大动态范围捕获是获取这些信号重要信息的前提，提高采集系统的采样率和动态范围是实现宽带复杂信号实时捕获的关键。然而，受集成电路制造工艺的限制，信号采集核心器件模数转换器(ADC)的分辨率和采样率始终是一对相互矛盾的指标，ADC难以同时达到较高的采样率和较大的动态范围，这是宽带时域分析技术在电子测量仪器中应用的一个主要瓶颈。

在商用芯片受限的背景下，提高采集系统采样率和动态范围(分辨率)的有效途径是从系统级设计入手。在现有的提升采集系统分辨率或动态范围的方法中，分级比较法(∑-△)、阶梯叠加法、过采样取平均法、加扰采样平均法、频谱感知滤波法等方法能够提高系统的有效分辨率，但是这些方法牺牲了采集系统的采样率。尽管多ADC分级放大并行采样法、多ADC并行采样求和法等同时兼顾了采样率和分辨率，但采集系统的电路规模与使用ADC的数量会呈指数增加。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有ADC无法兼顾采样率和分辨率以及并行采集的不足，从系统级进行创新，提出一种大动态范围信号采集装置，在兼顾系统采样率和动态范围的同时，极大的减小采集系统规模与ADC数量。

为实现上述发明目的，本发明大动态范围信号采集装置，其特征在于，包括：

一个功分电路，用于将待采集的输入信号分成相同的多路信号；

多路采集通道，每路采集通道由包括信号调理电路、限幅电路以及ADC，功分电路输出的多路信号分别输入到多路采集通道，经过信号调理电路调理、限幅电路限幅，ADC同步采样后得到多路采样数据；其中，信号调理电路的放大倍数α₁<α₂<,...,<α_n，n为采集通道的路数；限幅电路使得信号调理电路调理后的信号限定在ADC输入范围内；

数据重建模块，多路采样数据存储至各自的数据缓存中，按帧判断各路采集数据，选取不失真且对应通道放大倍数最大的一路采样数据进行还原即除以对应的放大倍数，将选取的各帧采样数据进行拼合，(重建)得到完整的、高动态范围的采集结果。

本发明的目的是这样实现的。

本发明大动态范围信号采集装置，在高速ADC动态范围有限的情况下，通过多个通道对同一信号进行不同增益的放大，并由多个ADC对信号进行同步采样，然后在多路采样数据中，按帧选取不失真且放大倍数最大的数据帧进行还原和拼合(重建)来提高信号采集的动态范围以及采样实时性，达到对高速大动态信号的采集，这样，在兼顾系统采样率和动态范围的同时，极大的减小采集系统规模与ADC数量。

附图说明

图1是本发明大动态范围信号采集装置一种具体实施方式原理框图；

图2是本发明大动态范围信号采集装置的信号采样原理示意图；

图3是本发明大动态范围信号采集装置一种工作流程图；

图4是现有按幅度等分采样的ADC使用数量示意图；

图5是本发明大动态范围信号采集装置的ADC使用数量示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明大动态范围信号采集装置一种具体实施方式原理框图。

在本实施例中，如图所示，本发明大动态范围信号采集装置包括一个功分电路1、三路采集通道2以及数据重建模块3。其中，采集通道2又包括包括信号调理电路201、限幅电路202以及ADC 203。

待采集的输入信号经过功分电路1分成相同的三路信号，分别输入到三路路采集通道2，经过三路不同增益的信号调理电路201调理、限幅电路202限幅，ADC 203同步采样后得到三路采样数据，其中，信号调理电路201的放大倍数α₁<α₂<α₃，限幅电路202使得信号调理电路201调理后的信号限定在ADC 203输入范围内。

数据重建模块3中多路采样数据存储至各自的数据缓存中，然后，对三路采样数据分别校正，删除采样中出现的明显误差数据，降低采样过程中随机误差对结果的影响，再按帧判断各路采集数据，选取不失真且对应通道放大倍数最大的一路采样数据进行还原即除以对应的放大倍数，将选取的各帧采样数据进行拼合，得到完整的、高动态范围的采集结果。

图2是本发明大动态范围信号采集装置的信号采样原理示意图。

在发明的工作原理如图2所示：将输入信号分成完全相同的三路信号，经过信号调理电路后分别放大α₁，α₂，α₃(α₁<α₂<α₃)倍。将第一路信号放大α₁倍，使输出信号与ADC量程匹配，确保采集到输入信号的全部信息；同时将第二路和第三路信号放大α₂，α₃倍，并通过限幅电路确保输出信号幅度在ADC量程范围内，第二通道将原信号放大到超过ADC最大量程，经过限幅电路后信号中幅度较大的部分丢失，但原信号中幅度较小的部分相对第一通道有更大的增益，从而使ADC对信号中较小幅度部分有更强的识别能力和更高的采样精度；同理，第三通道将信号进行更大增益的放大，则经过限幅电路后丢失更多大幅度信号信息，但同时ADC能够识别到幅度更小的信号。这样，三路ADC对输入信号进行同步采样，按帧判断各路采集数据，选取不失真且对应通道放大倍数最大的一路采样数据进行逆缩放(还原)即除以对应的放大倍数，得到完整的、高动态范围的采集结果。

本发明能够有效提高采样动态范围，若选用ADC的动态范围为：

其中，V_ref为ADC最大输入范围，V_Δ为ADC最小分辨幅度，则本发明整体动态范围为：

其中α₁，α₃为最小增益通道和最大增益通道的放大倍数，即采样动态范围提高了：

图3是本发明大动态范围信号采集装置一种工作流程图。

在本实施例中，如图3所示，本发明大动态范围信号采集装置工作流程如下：

1)、根据外部设置量程，调整信号调理电路增益α₁，α₂，α₃(α₁<α₂<α₃)；

2)、各ADC对采集通道进行同步采样，存储至各自的数据缓存中并进行数据校正；

3)、判断最大增益采集通道数据缓存中的每一帧数据是否失真，如果失真则丢弃该通道的这一帧数据，对剩余通道中最大增益通道进行失真判断，直到数据无失真或到最后一个通道为止，即所有采集通道的采样数据都失真，则选用放大倍数最小的采集通道的采样数据；

4)、将多帧采样数据还原与拼合，重建波形数据。

在本实施例中，使用了三个采集通道，实际使用中采集通道结构和数量可根据实际情况调整，各通道增益可根据要求自行设定。

优势总结

相对如图4所示的将信号按幅度等分采样的方法，由图5可以看出，本方法通过合理分配每个通道的增益可以实现同样动态范围的采样，这样使用更灵活的系统结构，更少的通道数即采集系统规模更小、ADC数量更少，

同时本发明中小增益通道的采样结果中包含较大增益通道采样信号的信息，较小增益通道中ADC对小幅度信号采样精度不够，但这部分信号与下一较大增益通道输出至ADC的信号相同，为下一通道中高精度数据的拼合提供参考，便于采样数据拼合与重建，减少了采样数据拼合出现的误差。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。