何先龍 趙立珍 楊學(xué)山

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所1，黑龍江 哈爾濱 150080;防災(zāi)科技學(xué)院2，河北 三河 065201)

基于軟件的拓寬數(shù)據(jù)采集儀動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用

何先龍1趙立珍2楊學(xué)山1

(中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所1，黑龍江 哈爾濱 150080;防災(zāi)科技學(xué)院2，河北 三河 065201)

高采樣率和寬動(dòng)態(tài)范圍是提高數(shù)據(jù)采集儀性能的關(guān)鍵指標(biāo)。對(duì)拓寬采集儀的動(dòng)態(tài)范圍的方法進(jìn)行了研究，提出了基于虛擬多核數(shù)據(jù)采集技術(shù)來(lái)拓寬低位A/D芯片的動(dòng)態(tài)范圍的方法。此方法通過(guò)軟件對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次重采樣，間接提高了采集儀的動(dòng)態(tài)范圍?；诖朔椒ê?6位A/D芯片開(kāi)發(fā)出了虛擬3核數(shù)據(jù)采集儀。測(cè)試結(jié)果表明此采集儀具有高采樣率和寬動(dòng)態(tài)范圍的性能，可用于實(shí)際測(cè)試。

數(shù)據(jù)采集儀 動(dòng)態(tài)范圍 采樣率 多重采樣 虛擬多核 A/D芯片

0 引言

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要功能是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集、分析、存儲(chǔ)和顯示等［1］。由于被測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍大［2］，如汶川地震所產(chǎn)生的最大加速度量大于2g(g為重力加速度)［3］，因此要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍［4-5］。在工程實(shí)際測(cè)試中，經(jīng)常遇到被測(cè)信號(hào)幅值變化大，且在頻率上變化也大的情況［6-7］。因此，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)既要有較大的動(dòng)態(tài)范圍，也要有較高的采樣率［8］，但是現(xiàn)實(shí)中這兩個(gè)參數(shù)往往是矛盾的。低位A/D芯片具有較高的轉(zhuǎn)換速度和多通道輸入等特點(diǎn)，高位A/D芯片具有較高的分辨率和動(dòng)態(tài)范圍，但采樣率較低且價(jià)格昂貴［9］。

如何保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有高采樣率、多通道、大動(dòng)態(tài)范圍和低成本等特點(diǎn)是一個(gè)值得研究的課題。對(duì)多通道幅度變化大的信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，需要采集儀具有足夠大的動(dòng)態(tài)范圍，采用瞬態(tài)浮點(diǎn)放大器和多核數(shù)據(jù)采集技術(shù)可提高采集儀動(dòng)態(tài)范圍［10］，但由于增加了大量硬件器件，使采集儀的噪聲變大［11］。對(duì)此，本文結(jié)合虛擬數(shù)據(jù)采集技術(shù)和多核數(shù)據(jù)采集技術(shù)，提出一種通過(guò)軟件來(lái)間接提高采集儀動(dòng)態(tài)范圍的新方法。相比通過(guò)硬件來(lái)提高采集儀動(dòng)態(tài)范圍的方法，軟件改變更方便且不會(huì)增加儀器噪聲。

1 軟件重采樣公式推導(dǎo)

虛擬多核數(shù)據(jù)采集技術(shù)的基本思路是通過(guò)軟件來(lái)提高采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，其單通道數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

圖1 單通道數(shù)據(jù)采集流程Fig.1 Process of single channel data acquisition

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)調(diào)節(jié)放大器的放大倍數(shù)來(lái)改變整個(gè)系統(tǒng)的分辨率和信噪比，但不能改變系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍由數(shù)據(jù)采集儀的A/D位數(shù)決定。因此，可提高A/D芯片的位數(shù)來(lái)拓寬采集系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍。

基于虛擬多核數(shù)據(jù)采集技術(shù)開(kāi)發(fā)的采集儀的各通道如圖1所示。其放大倍數(shù)固定不變，通過(guò)軟件，基于一定的原則來(lái)合理篩選有效數(shù)據(jù)，然后對(duì)篩選出的數(shù)字量進(jìn)行第2次采集。假設(shè)A/D為16位，連續(xù)3通道掃描采樣周期為0.02 s，掃描時(shí)間長(zhǎng)度為78 s，輸入量程為-9.8～9.8 V。

考慮到儀器噪聲，可假設(shè)其1通道有效分辨率為5 mV、2通道(放大 100倍)為 10 mV、3通道(放大1 000倍)為20 mV。

令輸入信號(hào)為X(t)，把A/D等電路的噪聲折回到A/D轉(zhuǎn)換前，則可令第1、2、3通道的噪聲信號(hào)分別為 n1、n2、n3，則 n1＜ n2＜ n3。令各通道信號(hào)放大后輸入到A/D的1、2、3通道的信號(hào)分別為 y1(t)、y2(t)、y3(t)，則有:

令A(yù)/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量序列為Y0，則有:

式中:n＜3 900。

令 1、2、3 通道對(duì)應(yīng)的數(shù)字量序列分別為 Y1、Y2、Y3，則有:

對(duì)Y1取位于(±9.8，±0.005)的子序列，可得矩陣Y'1;對(duì)Y2取位于(±9.8，±0.01)的子序列，并除以放大倍數(shù)100，可得矩陣Y'2;對(duì)Y3取位于(±9.8，±0.02)的子序列，并除以放大倍數(shù)1 000，可得矩陣Y'3。其中，n ＜1 300。則令:

式中:xn的值為a'n在式(2)中的位置，xn-1＜xn。

把Y'1、Y'2、Y'3按照A/D轉(zhuǎn)換的先后順序合并成一個(gè)新的矩陣，即:

式中:tn為數(shù)據(jù)yn轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間;n＜3 900。

由于剔除了一些數(shù)據(jù)，數(shù)組{y}不再是等間隔轉(zhuǎn)換序列。式(3)～式(4)可理解為對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量進(jìn)行重采樣。

為了把非等間隔數(shù)字序列變成等間隔數(shù)字序列，可構(gòu)建三次樣條插值函數(shù)，設(shè)Δt=0.02 s，對(duì)矩陣Y'進(jìn)行第2次重采樣，得矩陣Y″，則:

則數(shù)組{y'}為等間隔數(shù)字序列，長(zhǎng)度為3 900點(diǎn)。對(duì)X(t)以Δt=0.02 s進(jìn)行抽樣，抽樣時(shí)間長(zhǎng)度為78 s，得:

令N為三次采樣形成的誤差矩陣，則:

2 虛擬3核數(shù)據(jù)采集儀參數(shù)測(cè)試

基于以上思路，對(duì)原有數(shù)據(jù)采集儀G01NET-1進(jìn)行簡(jiǎn)單的硬件修改后，開(kāi)發(fā)出虛擬3核數(shù)據(jù)采集軟件。將原來(lái)的5通道、輸入量程為-9.8～9.8 V、16位A/D的同步采集儀，改進(jìn)成5通道的虛擬3核同步數(shù)據(jù)采集儀。儀器改進(jìn)前后的噪聲測(cè)試結(jié)果如表1、圖2和圖3所示。

圖2為改進(jìn)前后采集儀以10 000 Hz進(jìn)行采樣時(shí)的噪聲波形圖，圖3為改進(jìn)前后采集儀直接連接同一個(gè)941 B傳感器、以256 Hz進(jìn)行采樣時(shí)的地脈動(dòng)波形圖。

表1 G01NET-1采集儀改進(jìn)前后的噪聲對(duì)比Tab.1 Comparison of the noises of G01NET-1 before and after improvement

由表1和圖2可知，G01NET-1采集儀改進(jìn)成虛擬3核后，在不同采樣率工作下的最大噪聲均方根為0.003 7 mV、峰值為0.021 mV;未改進(jìn)時(shí)的最大噪聲均方根為0.239 mV、峰值為2.063 mV。G01NET-1改進(jìn)成虛擬3核后，采集儀的噪聲和信號(hào)最小分辨率由原來(lái)的幾毫伏減小為幾十微伏。

按照式(9)計(jì)算采集儀的動(dòng)態(tài)范圍，可得G01NET-1采集儀和改進(jìn)成虛擬3核采集儀后的動(dòng)態(tài)范圍分別為89 dB、125 dB。

由圖3可得，改進(jìn)后的虛擬3核數(shù)據(jù)采集儀由于分辨率相比未改進(jìn)前的采集儀明顯提高，因此其采集到的地脈動(dòng)信號(hào)具有較高的信噪比。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)虛擬多核數(shù)據(jù)采集技術(shù)理論進(jìn)行了論述，間接地提高了采集儀的動(dòng)態(tài)范圍并減小了噪聲。基于此方法和5個(gè)16位A/D芯片開(kāi)發(fā)出具有5個(gè)模擬量輸入通道的虛擬3核數(shù)據(jù)采集儀，其動(dòng)態(tài)范圍達(dá)125 dB，噪聲均方根減小到0.003 7 mV，最高采樣率達(dá)20 000 Hz。

［1］林君，朱寶龍.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的問(wèn)題［J］.石油儀器，1995，9(4):25-31.

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Application of the Software Method
to Broaden the Dynamic Range of Data Acquisition Instrument

High sampling rate and wide dynamic range are the key indexes in improving the performance of data acquisition instrument.The methods to broaden the dynamic range of data acquisition instrument are researched，and the method based on virtual multi-core data acquisition technology to broaden the dynamic range of low A/D chip is proposed.Software is used in this method to multisampling the data converted by A/D，and to indirectly increase the dynamic range of the instrument.Virtual 3-core data acquisition instrument is developed based on this method and 16 bit A/D chip.The test results show that the new instrument features high sampling rate and wide dynamic range，and is feasible in practical tests.

Date acquisition instrument Dynamic range Sampling rate Multisampling Virtual multi-core A/D chip

TP274

A

中國(guó)地震局教師科研基金資助項(xiàng)目(編號(hào):20090106)。

修改稿收到日期:2011-08-23。

何先龍(1981-)，男，現(xiàn)為中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所在讀博士研究生;主要從事工程振動(dòng)測(cè)試與信號(hào)處理方面的研究。