一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置及方法與流程

本發明涉及數據采集領域，尤其涉及一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置及方法。

背景技術：

超導量子干涉儀(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)是基于約瑟夫森結構構建的一種磁通電壓轉換器，也是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，在生物磁、地球物理和低場核磁共振等極微弱磁場探測領域已有眾多應用。

在SQUID應用領域，目前用于實現大動態范圍(大動態范圍指最大數與最小數的比值范圍大)磁探測的模數轉換器均采用分辨率為24位的Delta-Sigma ADC，但由于SQUID的極高靈敏度，使其在某些領域很難滿足測試信號的動態范圍要求，尤其在航空超導全張量磁梯度測量領域，因環境磁場引入的干擾要遠大于被測信號，而且其有效工作頻段為0.01Hz～10Hz，但受制濾波器的技術限制而無法有效分離干擾信號和被測信號，從而導致現有的數據采集方法無法滿足其動態范圍的測試需求。事實上，受制于目前的半導體工藝和器件，模擬信號的動態范圍要比數字信號高20dB左右，從而如何根據被測信號的特點找到間接的測量方法則是解決動態范圍的關鍵所在。

現有數據采集裝置通常由依次連接的前端運算放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器以及數字信號處理器組成。其中前端運算放大器主要用于被測信號的放大；抗混疊濾波器則主要用于抑制被測信號在模數轉換時出現混疊現象，通常由低通濾波器來實現；模數轉換器，顧名思義，主要實現被測信號由模擬信號到數字信號的轉變；數字信號處理器則主要用于模數轉換器的控制以及數據的處理和保存。可是現有數據采集裝置因受制于目前模數轉換器的性能，其動態范圍在航空超導全張量磁梯度等測量領域，無法滿足被測對象的測試需求,尤其是那些動態范圍大，且無法單純利用濾波器有效分離大幅值和小幅值被測頻段的信號。

專利CN102761336B公布了一種超高精度模數轉換的數據采集站。如圖1所示，該數據采集站通過兩個不同增益的模數轉換單元ADU并行采集數據，然后利用數據疊加單元SU對低位轉換器和高位轉換器進行數據合成，從而解決現有勘探儀器動態范圍窄的問題。雖然該專利能提高采集的精度，但僅能解決分時出現的動態范圍問題，而對于多種被測信號同時存在的大動態范圍技術難題，通常會因為增益問題導致高位轉換器飽和，從而造成被測信號失真。比如待測信號中同時存在幅值為8V的緩變信號和0.1μV的正弦信號，如果對該待測信號按照可檢測到的不同增益直接放大進行模數轉換，則0.1μV的正弦信號在增益配置為20dB時，電壓為8V的緩變信號已經飽和，從而導致待測信號飽和而無法被檢測。

綜上所述，現有數據采集方法及裝置在SQUID應用領域，尤其是航空超導全張量磁梯度測量領域，無法滿足被測信號的動態范圍需求，極大地影響了超導磁傳感器在工業、科研和醫療領域的廣泛應用和推廣。

技術實現要素：

為了解決現有數據采集方法在特定SQUID應用領域的局限性，本發明提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置方法，以提高數據采集的精度，同時擴大數據采集的動態范圍，尤其是在低頻段存在大幅值趨勢電壓信號的情況下。

為了實現上述目的，本發明一方面提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置，包括：

信號預處理器，其設置為接收一被測信號并對被測信號進行預處理；

連接所述信號預處理器的趨勢電壓信號采集通道，其設置為采集預處理后的被測信號中的趨勢電壓信號；

連接所述信號預處理器和所述趨勢電壓信號采集通道的剩余信號采集通道，其設置為采集預處理后的被測信號中除趨勢電壓信號以外的剩余信號；以及

連接所述趨勢電壓信號采集通道和所述剩余信號采集通道的數字信號處理器，其設置為合成所述趨勢電壓信號和所述剩余信號以還原所述被測信號。

進一步地，所述信號預處理器包括前端放大器和抗混疊濾波器。

進一步地，所述趨勢電壓信號采集通道包括趨勢電壓提取器。

進一步地，所述剩余信號采集通道包括依次串聯在所述信號預處理器與所述數字信號處理器之間的加法器、第一增益調節和第一模數轉換器，其中所述加法器還連接所述趨勢電壓提取器。

優選地，所述趨勢電壓提取器為低通窄帶濾波器或參考電壓選擇器。

優選地，當所述趨勢電壓提取器為低通窄帶濾波器時，所述趨勢電壓提取器與所述數字信號處理器之間依次串聯有第二增益調整器和第二模數轉換器。

優選地，所述參考電壓選擇器為模擬參考電壓選擇器或數模混合參考電壓選擇器。

進一步地，所述模擬參考電壓選擇器包括：

連接所述信號預處理器的比較器陣列，其設置為將經過預處理的被測信號的幅值與預設的若干幅值區間進行比較以獲得被測信號所屬的幅值區間；以及

連接所述比較器陣型列的第一模擬開關陣列，其設置為接收與所述若干幅值區間一一對應的若干參考電壓，并輸出一與被測信號所屬的幅值區間對應的參考電壓。

進一步地，所述數模混合參考電壓選擇器包括：

連接在所述信號預處理器與所述數字信號處理器之間的第三模數轉換器，其設置為對經過預處理的被測信號進行模數轉換后輸出至所述數字信號處理器，以通過所述數字信號處理器將經過模數轉換的被測信號的幅值與預設的若干幅值區間進行比較以獲得被測信號所屬的幅值區間；

連接所述數字信號處理器的第二模擬開關陣列，其設置為接收與所述若干幅值區間一一對應的若干參考電壓，并輸出一與被測信號所屬的幅值區間對應的參考電壓。

本發明另一方面提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集方法，包括以下步驟：

對被測信號進行預處理；

采集經過預處理的被測信號中的趨勢電壓信號；

采集經過預處理的被測信號中除所述除趨勢電壓信號以外的剩余信號；以及

合成所述趨勢電壓信號和所述剩余信號以還原所述被測信號。

通過采用上述技術方案，本發明具有如下有益效果：

本發明可以在實現對被測信號進行有效數據采集的同時，很方便地通過趨勢消除方法在保證信號完整性的情況下提高數據采集的動態范圍，并容易利用增益調節器提高數據采集的精度。此外，按本發明構建的數據采集裝置實現簡單、體積小、成本低，非常適合對數據采集動態范圍要求苛刻的情況下應用。

附圖說明

圖1為現有技術一種超高精度模數轉換的數據采集站的結構框圖；

圖2為本發明一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置的結構框圖；

圖3為本發明中的基于模擬參考電壓選擇器實現的趨勢電壓提取器的結構框圖；

圖4為本發明中的基于數模混合參考電壓選擇器實現的趨勢電壓提取器的結構框圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、具體方案和優點更加清晰，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

本發明的基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置如圖2所示，包括信號預處理器2和數字信號處理器10，還包括并聯在信號預處理器2與數字信號處理器10之間的趨勢電壓信號采集通道和剩余信號采集通道。其中，趨勢電壓信號采集通道包括趨勢電壓提取器3；剩余信號采集通道包括依次串聯在信號預處理器2與數字信號處理器10之間的加法器4、第一增益調節4和第一模數轉換器6，其中加法器4還連接趨勢電壓提取器3。

在本發明中，信號預處理器2主要包括依次連接的前端放大器(未示出)和抗混疊濾波器(未示出)，用于對被測信號1依次進行前端放大和抗混疊濾波。

趨勢電壓提取器3主要用于提取被測信號1中的趨勢電壓信號，從而提供后續處理信號被放大的空間。考慮到趨勢電壓信號的噪聲，趨勢電壓提取器3應采用純模擬器件實現，而不應采用數模轉換的方式實現。本發明的趨勢電壓提取器3主要是基于低通窄帶濾波器或者高精度參考電壓選擇器來構建。其中，基于低通窄帶濾波器構建的趨勢電壓提取器3的主要工作原理是利用模數轉換器的動態范圍隨著其采樣率降低而提高的特性，通過低通窄帶濾波器將被測信號1中的低頻段信號分離出來，該低頻段信號即趨勢電壓信號5，從而方便后續以很低的采樣率對其單獨進行采集，當采用低通窄帶濾波器提取趨勢電壓信號5時，趨勢電壓信號采集通道中還需設置第二增益調整器7和第二模數轉換器9對濾波器輸出的趨勢電壓信號5進行采集。基于高精度參考電壓選擇器構建的趨勢電壓提取器3的主要工作原理是根據被測信號1的幅值區間，選擇對應區間的已標定高精度參考電壓，從而方便通過模擬開關陣列(見圖3中的第一模擬開關陣列15和圖4中的第二模擬開關陣列16)將該高精度參考電壓作為趨勢電壓信號5輸出，選擇此方案時，因選定的趨勢電壓信號5已標定，可省略后續的第二增益調節7器和第二模數轉換器9，以節約成本。

加法器4是通過模擬電路中的極低噪聲反向放大器實現，從而能在有效保證被測信號1的信號完整性的前提下完成趨勢去除。加法器4主要用于在經過預處理的被測信號1中減去趨勢電壓信號5后得到剩余信號(未示出)。在受制濾波器的技術限制而無法有效分離干擾信號和被測信號的情況下，采用基于加法器4的趨勢去除方法相對于傳統基于分立濾波器的多頻段放大方法，具有防止在濾波器過渡帶和阻帶范圍內的有效頻段信號出現混疊，即防止處于過渡帶和阻帶的被測信號重復被處理。

第一、第二增益調節器6、7主要是對從被測信號1中分離出來的小幅值剩余信號和大幅值趨勢電壓信號5進行增益調節，從而與后端的第一、第二模數轉換器8、9進行匹配，使信號幅值處于模數轉換器8、9的有效動態范圍內。當采用基于濾波器構建趨勢電壓提取器3的方案時，第一、第二模數轉換器8、9必須是同步的，方便數字信號處理器10對兩路信號進行疊加，以還原被測信號；而當采用其于高精度參考電壓選擇器構建趨勢電壓提取器的方案時，如前所述，第二增益調節器7、第二模數轉換器9省略。

數字信號處理器10則主要用于模數轉換器8、9的控制以及數據的處理和保存，通常選用現場可編程門陣列(FPGA)或者微處理器來實現。通過數字信號處理器10可將數字化的兩路分離信號進行合成，即可實現達大動態范圍的數據采集。此外，因趨勢電壓信號是窄帶信號，通過標定模數轉換器還可達到提高數據采集精度的要求(模數轉換器線性度很高，但測量精度不一定高，通過標定可以高供數據采集精度)。

下面結合圖2詳細介紹本發明的具體實現過程：

圖2中被測信號1是指動態范圍大、且無法單純利用濾波器有效分離大幅值和小幅值被測頻段的信號，尤其是在低頻段存在大幅值趨勢電壓的信號。為保證被測信號1的信號完整性，在進行常規的信號處理前，被測信號1首先應經過信號預處理器2進行前端放大和抗混疊濾波，其中前端放大是為了匹配后續信號處理中模擬器件的本底噪聲。完成信號預處理的被測信號1分成兩路，其中一路進入趨勢電壓提取器3，另一路則進入加法器4。如前所述，本發明中的趨勢電壓提取器3有兩種實現方法，其一是基于常規的低通窄帶濾波器實現，比如在航空超導全張量磁梯度測量時，被測信號1經信號預處理器2后輸出至一個截止頻率為1Hz的低通窄帶濾波器，該濾波器的輸出即認為是趨勢電壓信號5；其二是基于高精度參考電壓選擇器實現，即由高精度參考電壓選擇器根據被測信號1經信號預處理器2的電壓幅值從高精度參考電壓中(如第一高精度參考電壓12、第二高精度參考電壓13、……或第N高精度參考電壓14)選定一個作為趨勢電壓信號5，其中趨勢電壓提取器3根據高精度參考電壓選擇器的電路實現方式，可分為圖3中的基于模擬高精度參考電壓選擇器實現的趨勢電壓提取器3和圖4中的基于數模混合高精度參考電壓選擇器實現的趨勢電壓提取器3。在完成趨勢電壓信號5提取后，首先將趨勢電壓信號5和經過信號預處理的被測信號1同時輸入到加法器4中，從而獲得兩者的代數差，即從經過信號預處理的被測信號1中減去大幅值的趨勢電壓信號5得到剩余信號；然后將加法器4輸出的剩余信號經第一增益調節器6傳輸至第一模數轉換器8，同時再將趨勢電壓信號5經第二增益調節器7傳輸至第二模數轉換器9(當趨勢電壓提取器采用參考電壓選擇器時)，其中加法器4輸出的剩余信號已基本不包含大幅值的趨勢電壓信號5，因此解決了大動態范圍被測信號1在增益調節時容易出現飽和的問題，從而其可再次獲得較高的增益調節，進而提升被測信號1中微弱信號的探測能力；最后再將第一模數轉換器6和第二模數轉換器9的輸出信號傳送至數字信號處理10，從而數字信號處理10可根據這兩個通道數字化的結果和對應的增益計算出趨勢電壓信號5以及從經過信號預處理的被測信號1中減去趨勢電壓信號5的剩余信號，進而將兩者相加即可獲得需要測量的被測信號1。

在本發明中，當基于常規的濾波器實現趨勢電壓提取時，用于探測趨勢電壓信號5的第二模數轉換器9和用于探測剩余信號的第一模數轉換器8應采用不同的采樣率，以充分利用模數轉換器動態范圍隨采樣率降低而提高的特性，比如用于探測趨勢電壓信號5的第二模數轉換器9采用凌特公司的LTC2508-32，其采樣率選擇61sps，此時它的動態范圍為145dB；而用于探測剩余信號的第一模數轉換器8同樣采用凌特公司的LTC2508-32，但其采樣率選擇796sps，此時它的動態范圍則為136dB。當基于高精度參考電壓選擇器實現趨勢電壓提取時，因高精度參考電壓已標定，從而根據高精度參考電壓切入的序號即可獲得趨勢電壓信號5，故用于探測趨勢電壓信號5的第二模數轉換器9可根據實際情況省略，以降低設計難度和成本。此外，基于高精度參考電壓選擇器實現趨勢電壓提取器3時，第一增益調節器6的增益設置值與高精度參考電壓選擇器的可選擇通道數正相關，即高精度參考電壓選擇器的可選擇通道數越多，在高精度參考電壓自身的本底噪聲范圍內，數據采集可達到的動態范圍越大。

圖3是基于模擬高精度參考電壓選擇器實現的趨勢電壓提取器3，其包括：連接信號預處理器2的比較器陣列11和連接比較器陣型列11的第一模擬開關陣列15，其中，比較器陣列11用于將經過預處理的被測信號的幅值與預設的若干幅值區間進行比較以獲得被測信號所屬的幅值區間；第一模擬開關陣列15用于接收與若干幅值區間一一對應的若干參考電壓，并輸出與被測信號所屬的幅值區間對應的參考電壓。在此，比較器陣列應設置回滯區間，以防止振蕩。模擬高精度參考電壓選擇器在工作時，首先將完成信號預處理的被測信號1傳輸至具有回滯功能的第一比較器陣列11；然后由第一比較器陣列11根據輸入信號的幅值得到其所屬的幅值區間，而后第一模擬開關陣列15將該幅值區間對應的高精度參考電壓(如第一參考電壓12、第二參考電壓13、……或第N參考電壓14)作為趨勢電壓信號5輸出，從而實現趨勢電壓信號的提取。

圖4是基于數模混合高精度參考電壓選擇器實現的趨勢電壓提取器3，包括：連接在信號預處理器2與數字信號處理器10之間的低精度第三模數轉換器17以及連接數字信號處理器10的第二模擬開關陣列16。其中，第三模數轉換器17用于對信號預處理器2輸出的被測信號1進行模數轉換后輸出至數字信號處理器10，而后通過數字信號處理器10將經過模數轉換的被測信號1的幅值與預設的若干幅值區間進行比較以獲得被測信號1所屬的幅值區間；第二模擬開關陣列16用于接收與若干幅值區間一一對應的若干參考電壓，并輸出與被測信號所屬的幅值區間對應的參考電壓。數模混合高精度參考電壓選擇器在工作時，首先將完成信號預處理的被測信號1傳輸至低精度的第三模數轉換器17，其中低精度的第三模數轉換器17與數字信號處理器10相連，并由其控制；然后由數字信號處理器10根據低精度的模數轉換器17的測量值，得到該測量值所屬的幅值區間，而后第二模擬開關陣列16將該幅值區間對應的高精度參考電壓(如第一參考電壓12、第二參考電壓13、……或第N參考電壓14)作為趨勢電壓信號5輸出，從而實現趨勢電壓信號的提取。本發明的第一模數轉換器8和低精度的第三模數轉換器17可分別選擇TI公司的ADS1262和ADS1263來實現。

本發明還提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集方法，包括以下步驟：對被測信號進行預處理；采集經過預處理的被測信號中的趨勢電壓信號；采集經過預處理的被測信號中除趨勢電壓信號以外的剩余信號；以及合成趨勢電壓信號和剩余信號以還原被測信號。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。