李鴻征，趙 鋒

(焦作大學(xué)機電工程學(xué)院，河南焦作 454000)

0 引言

次聲波是頻率小于20 Hz的聲波，其不易被水或空氣吸收、也不易衰減［1］。在長期的應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)次聲波和地震存在明顯的聯(lián)系，即次聲波異?？梢杂糜趯Φ卣疬M(jìn)行預(yù)測。為了更好地應(yīng)用于實踐中，首先要對信號特性進(jìn)行深入的分析［2］。故能夠完整地還原次聲傳感器的采樣輸出信號是次聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心任務(wù)，而其精度也決定了地震預(yù)報的準(zhǔn)確度。

目前，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采用先放大再濾波，最后采樣量化的方式，當(dāng)系統(tǒng)要求分辨率很高時，基于傳統(tǒng)的方法會遇到奈奎斯特抽樣速率的瓶頸問題，因為AD轉(zhuǎn)換器的速度往往限制了系統(tǒng)的速度［3－5］。過采樣技術(shù)則可以實現(xiàn)傳統(tǒng)ADC無法實現(xiàn)的精度，其已成為中低速、高精度AD轉(zhuǎn)換的常用技術(shù)，應(yīng)用于諸多領(lǐng)域［6］。但過采樣技術(shù)的使用是有一定要求的，即被采樣信號的振幅需要和ADC的輸入范圍接近，本文研究的次聲電信號為mV量級的低頻信號，幅值相對穩(wěn)定。由于直接使用過采樣技術(shù)是無法提高轉(zhuǎn)換精度的［7］，所以，首先對次聲信號中的微弱信號進(jìn)行放大，然后在完成采集過程。

本文利用STM32F103型單片機完成次聲信號的數(shù)據(jù)采集，通過過采樣技術(shù)以及可編程增益放大器AD8253動態(tài)調(diào)整增益的能力完成采樣，最終完成了次聲信號采集系統(tǒng)，從而克服了由于信號幅值過低而導(dǎo)致的過采樣失效問題，也提高了系統(tǒng)的采樣精度。

1 基本原理

1.1 過采樣技術(shù)原理及精度提高方法分析

根據(jù)奈奎斯特定理［8］，當(dāng)采樣頻率為fs時，可將fs一半以內(nèi)的有效信號重建。其中，小于fs/2的頻率的噪聲會被混疊在輸入信號中。采用數(shù)學(xué)手段，以白噪聲的數(shù)學(xué)模型近似地描述實際噪聲時，信號頻帶內(nèi)的噪聲能量譜密度有

式中:erms為噪聲的平均功率;fs為采樣頻率;E(f)為能量譜密度。

由于ADC會舍入到最近的量化水平或ADC碼值，所以兩個相鄰ADC碼值之間的距離反映了量化誤差的大小，故量化電平有

式中:N為AD轉(zhuǎn)換器的位深;Vref為參考電壓。

則對應(yīng)的量化誤差eq有

設(shè)噪聲近似看作為白噪聲，而噪聲的隨機變量在ADC碼值之間的分布為零均值。則方差就是平均噪聲的功率，有

采樣頻率和奈奎斯特頻率之間的關(guān)系可以通過過采樣率(OSR)來表示，有

式中fm為輸入信號的最高頻率。

系統(tǒng)輸出端對應(yīng)的白噪聲功率有

通過式(6)可知，增大OSR可減小系統(tǒng)中噪聲的功率。由于過采樣并不影響信號的功率，所以過采樣在減小噪聲功率且不影響信號功率的條件下實現(xiàn)了信噪比的提高。

在實際應(yīng)用過程中，在增加p位精度時，采樣頻率應(yīng)至少為

式中:fos為過采樣頻率;fs為初始采樣頻率。

通過4p過采樣率獲得的采樣值需求和、平均等處理后方能得到最后的結(jié)果。在采集過程中產(chǎn)生的干擾及在低頻段的熱噪聲等大部分是白噪聲，其均值約等于0，所以求和平均法具有較好的去噪效果，可以有效提高系統(tǒng)的信噪比。但當(dāng)將4p個采樣值相加后僅除以4p，那只能起到低通濾波的作用，R位的采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過平均后精度不變，并不能提高精度。所以，首先將4p個采樣值進(jìn)行相加，然后產(chǎn)生一個R+2p位的數(shù)值，將該數(shù)值進(jìn)行右移p位，又可得到一個R+p位的數(shù)值，至此，這個數(shù)值才能實現(xiàn)提高p位精度的效果。

1.2 微弱信號的直接過采樣技術(shù)

設(shè)系統(tǒng)的輸入信號為三角波，如圖1所示，AD傳感器的量化步長為LSB1，當(dāng)采用過采樣技術(shù)后的量化步長為LSB2。當(dāng)ADC對其進(jìn)行采樣時，由于ADC的量化步長LSB1超過了三角波信號的幅值，所以其采樣值均為0，故不能捕捉原信號的特征。當(dāng)ADC采用過采樣技術(shù)后，其采樣值分布發(fā)生了改變，對應(yīng)的量化步長變成LSB2，則其采樣值不再全是0，可以反映出原始信號的一定的特征。當(dāng)過采樣率足夠大時，ADC可以將原有信號可以被分辨。

圖1 微弱信號的直接過采樣分析

如果輸入信號值小于ADC的量化步長，則即使過采樣率再高，其采樣結(jié)果也全部為0，無法反映原始信號的特征。這樣屬于過采樣失效。所以，當(dāng)輸入次聲信號為微弱信號時，則要先對原始信號進(jìn)行放大，再進(jìn)行過采樣，最后通過過采樣數(shù)據(jù)實現(xiàn)對ADC分辨率的提高。

2 次聲信號采集系統(tǒng)設(shè)計

次聲電信號大都是低頻信號，并且振幅基本在mV量級上，而異常信號時最大振幅為10V，其采集范圍大且夾雜有環(huán)境噪聲。為了保證次聲信號的完整性，從而保證對地震預(yù)測的準(zhǔn)確性。針對被測次聲電信號的特點，設(shè)計了次聲信號采集系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 次聲信號采集系統(tǒng)設(shè)計框圖

系統(tǒng)采用AD8253(自動調(diào)節(jié)量程可編程增益儀表放大器)調(diào)制ADC前端的信號。經(jīng)過系統(tǒng)的處理，可以根據(jù)輸入信號自動地切換模擬輸入增益，而不會影響系統(tǒng)的總體性能，為了實時測量出次聲電信號的小、大信號的輸入，且不必等候系統(tǒng)的建立時間以及因延遲而產(chǎn)生的毛刺。

系統(tǒng)通過閥值來實現(xiàn)動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)增益的功能，閥值的選擇對最大化系統(tǒng)的模擬輸入范圍很重要，可確保在盡可能大的信號范圍內(nèi)使用G=100(G表示增益)模式，同時防止ADC輸入過驅(qū)。本系統(tǒng)選擇500和50000作為閥值。

在G=1時，使用0、500這兩個閥值，如果上次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果介于0～500之間，增益便切換到G=100模式，這樣可確保ADC的模擬輸入電壓盡可能最大化。

在G=100時，使用50 000、65 535這兩個閥值，如果上次ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果介于50 000～65 535之間，預(yù)測下次采樣結(jié)果，增益切換到G=1模式，以防止ADC超量程。所以，本系統(tǒng)在輸入信號在0～(3.3×500÷65535)=0.025 2 V 之間時，放大信號100倍后輸入到ADC。

本系統(tǒng)的過采樣部分軟件設(shè)計基本流程為:(1)AD7610以上位機軟件設(shè)定采樣頻率的256倍進(jìn)行采樣;(2)每采樣256個數(shù)據(jù)進(jìn)行一次求和，然后右移4位，作為最終的過采樣結(jié)果;(3)將過采樣結(jié)果通過串口上傳至上位機，上位機將接受到的數(shù)據(jù)處理后作為最終結(jié)果進(jìn)行顯示和存儲。

3 實驗

3.1 實驗條件

系統(tǒng)選用的ADC是一款16位電荷再分配逐次逼近型寄存器(SAR)架構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7610。采樣頻率是上位機軟件設(shè)定采樣頻率的256倍，按每提高4倍采樣頻率能提高一位分辨率來計算，ADC能提高4位分辨率，則最后能達(dá)到20位分辨率，完全滿足對于次聲信號1mV變化的檢測。輸入的次聲信號通過AD7610過采樣并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，得到的采樣值經(jīng)單片機處理后上傳到上位機。STM32作為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心微控制器，接收上位機關(guān)于采樣頻率的命令，對整體系統(tǒng)的時鐘進(jìn)行控制，主要包括對AD7610采樣時鐘的控制。

3.2 實驗結(jié)果分析

本文通過兩種方法檢測次聲信號來比較測量結(jié)果:方法1直接以1 Hz的速率采樣;方法2利用本系統(tǒng)以1 Hz的速率采樣。實驗結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3和圖4分別給出了兩種方法得到的次聲信號波形。相比直接采樣的信號而言，圖4中的信號細(xì)節(jié)部分更明顯，在原有的信號基礎(chǔ)上引入了0.1 V左右的細(xì)節(jié)信息。很明顯，使用本次聲信號采集系統(tǒng)采集到的次聲信號對細(xì)節(jié)的還原度更高，精度也更高。

圖3 利用方法1采集的次聲信號波形圖

圖4 利用方法2采集的次聲信號波形圖

4 結(jié)論

本文通過可編程放大器動態(tài)調(diào)節(jié)增益，克服了對于微弱次聲信號過采樣失效的缺點，采用ADC結(jié)合過采樣技術(shù)，成功地提高了系統(tǒng)分辨率，實現(xiàn)了對次聲電信號高精度的采集。由于過采樣算法簡單，可以通過系統(tǒng)的數(shù)字處理能力巧妙實現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的采集系統(tǒng)，本采集系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)可靠。在實際應(yīng)用中，本系統(tǒng)可以滿足目前對次聲信號研究的需求，具有很高的應(yīng)用前景。

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