宋成軍，曾照洋，劉萌萌（中航工業(yè) 綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

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一種測(cè)試性試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集中轉(zhuǎn)換速率截止頻率擴(kuò)展方法

宋成軍，曾照洋，劉萌萌
（中航工業(yè) 綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

摘 要：運(yùn)算放大器已成為目前眾多數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心器件，在一些面向大信號(hào)的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，高壓型運(yùn)算放大器通常會(huì)受到轉(zhuǎn)換速率的限制，導(dǎo)致可以支持的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)截止頻率會(huì)大大下降。但是在這個(gè)截止頻率附近仍具有一定的線性特性。本文基于這種特點(diǎn)，提出了一種采用軟件校正的方法提高使用范圍。本方法不需要搭建復(fù)雜的電路系統(tǒng)，使用通用性器件即可實(shí)現(xiàn)較高的性能。且算法簡(jiǎn)單，易于操作。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)換速率；數(shù)據(jù)采集；線性擬合

0　引言

在航空產(chǎn)品的測(cè)試性試驗(yàn)中，需要大量的數(shù)據(jù)測(cè)量與采集工作.特別是故障注入成功判據(jù)，以及產(chǎn)品響應(yīng)的測(cè)量和采集.然而，目前大量的航空產(chǎn)品為了提高信號(hào)的抗干擾能力與傳輸能力，信號(hào)的幅度一般比較大.因此，在對(duì)這些信號(hào)的處理過(guò)程中，不可避免的使用到高壓運(yùn)算放大器，高壓型運(yùn)算放大器在滿足信號(hào)幅度要求的同時(shí)，存在一個(gè)弊端，就是信號(hào)轉(zhuǎn)換速率不足，導(dǎo)致實(shí)際帶寬不足，限制了其使用范圍。

1　 問(wèn)題提出

在某產(chǎn)品的數(shù)據(jù)采集時(shí)，使用電路了LM6172型運(yùn)算放大器，電路如如圖1所示，整個(gè)電路供電采用±12V電源.采用該電路對(duì)一些大信號(hào)（＞5V）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，輸入信號(hào)經(jīng)衰減后，通過(guò)運(yùn)算放大器跟隨輸出，該運(yùn)算放大器主要用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象與采集系統(tǒng)之間的阻抗匹配關(guān)系。

使用該電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，測(cè)得試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2所示，對(duì)峰峰值為8V的信號(hào)進(jìn)行掃頻時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輸入信號(hào)在30Hz～200kHz時(shí)有著比較穩(wěn)定的輸出.但是，從300kHz開(kāi)始輸出結(jié)果開(kāi)始出現(xiàn)明顯的衰減，并且在1MHz時(shí)，衰減量達(dá)到0.2V，產(chǎn)生了較大的誤差。

2　問(wèn)題分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，我們分析原因如下，在運(yùn)算放大器的眾多參數(shù)中，對(duì)與大信號(hào)來(lái)說(shuō)通常約束條件有三個(gè)，分別是供電電源（Vs），增益帶寬積（GBW），以及轉(zhuǎn)換速率（SR），這三個(gè)參數(shù)對(duì)信號(hào)的約束條件為：

這三個(gè)公式的物理意義分別為：

（1）輸入輸出信號(hào)受限于供電電源；（2）增益帶寬積為定值；（3）電壓識(shí)別受限于轉(zhuǎn)換速率。

結(jié)合本次數(shù)據(jù)采集任務(wù)，使用的LM6172參數(shù)如表1：

表1

在小信號(hào)的使用過(guò)程中，第二個(gè)公式積起主要作用，因?yàn)閷?duì)于小信號(hào)可能存在較大的放大倍數(shù)，導(dǎo)致帶寬急劇下降，例如小信號(hào)放大10倍，帶寬將減少10倍，但是由于信號(hào)峰值（Vp）較小，容易滿足轉(zhuǎn)換速率；在大信號(hào)使用過(guò)程中剛好相反，例如正負(fù)24V供電，輸入信號(hào)半峰值為5V時(shí)，最大放大倍數(shù)為24/5= 4.8倍，因此對(duì)帶寬衰減不大，但是由于轉(zhuǎn)換速率的限制，會(huì)大大降低信號(hào)的通頻帶，本例中圖2所示數(shù)據(jù)的原因主要就是受到轉(zhuǎn)換速率（SR）的限制而導(dǎo)致的，且該限制會(huì)使得通頻帶遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論帶寬。

3　 數(shù)據(jù)處理過(guò)程

雖然受到轉(zhuǎn)換速率的限制使得通頻帶下降，但是通過(guò)實(shí)際測(cè)試因一部發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)換速率截止頻率附近，信號(hào)的衰減會(huì)呈現(xiàn)一定的線性特性，我們對(duì)圖2中的信號(hào)截取300kHz～1.2MHz之間的曲線重新繪制如圖3所示。

圖中可以看出，在這個(gè)頻段內(nèi)只要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)處理，在結(jié)合30Hz～300Hz之間的數(shù)據(jù)記過(guò)就可得到完整的數(shù)據(jù)結(jié)果?？疾鞌?shù)據(jù)結(jié)果，用線性特性擬合這個(gè)頻段內(nèi)的數(shù)據(jù)，擬合過(guò)程可以采用matlab中工具箱的現(xiàn)有函數(shù)polyft（x，y，1），經(jīng)過(guò)擬合發(fā)現(xiàn)在300kHz～1MHz之間存在大約0.011V/100kHz的衰減量，因此在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，可以對(duì)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行修正.修正后的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過(guò)校正后，可以發(fā)現(xiàn)在300kHz～1MHz之間信號(hào)的輸出保持了較好的穩(wěn)定性，可以滿足要求。此外，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)果也可以看出，當(dāng)頻率遠(yuǎn)超過(guò)這個(gè)截止頻率時(shí)，此時(shí)采集系統(tǒng)的非線性明顯，無(wú)法再通過(guò)這種線性校正技術(shù)進(jìn)行擬合逼近。

4　 結(jié)論

本文以測(cè)試性試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)采集過(guò)程為基礎(chǔ)，面向現(xiàn)有的大信號(hào)高速數(shù)據(jù)采集技術(shù).考慮到在高壓高速型運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換速率截止頻率附近仍具有一定的線性特性，可以利用軟件上進(jìn)行數(shù)據(jù)校準(zhǔn)可以保持較強(qiáng)的精度.該方法成本低，簡(jiǎn)單易行，不需要再設(shè)計(jì)復(fù)雜的采集系統(tǒng)電路。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.193

作者簡(jiǎn)介：宋成軍（1988-），男，工程師，主要從事測(cè)試性分析驗(yàn)證、數(shù)據(jù)采集與測(cè)試技術(shù)等工作。