基于軟件的拓寬數據采集儀動態范圍的應用

何先龍 趙立珍 楊學山

(中國地震局工程力學研究所1，黑龍江 哈爾濱 150080;防災科技學院2，河北 三河 065201)

基于軟件的拓寬數據采集儀動態范圍的應用

何先龍1趙立珍2楊學山1

(中國地震局工程力學研究所1，黑龍江 哈爾濱 150080;防災科技學院2，河北 三河 065201)

高采樣率和寬動態范圍是提高數據采集儀性能的關鍵指標。對拓寬采集儀的動態范圍的方法進行了研究，提出了基于虛擬多核數據采集技術來拓寬低位A/D芯片的動態范圍的方法。此方法通過軟件對A/D轉換的數據進行多次重采樣，間接提高了采集儀的動態范圍?；诖朔椒ê?6位A/D芯片開發出了虛擬3核數據采集儀。測試結果表明此采集儀具有高采樣率和寬動態范圍的性能，可用于實際測試。

數據采集儀 動態范圍 采樣率 多重采樣 虛擬多核 A/D芯片

0 引言

數據采集系統的主要功能是對模擬信號進行采集、分析、存儲和顯示等［1］。由于被測信號的動態范圍大［2］，如汶川地震所產生的最大加速度量大于2g(g為重力加速度)［3］，因此要求數據采集系統具有足夠大的動態范圍［4-5］。在工程實際測試中，經常遇到被測信號幅值變化大，且在頻率上變化也大的情況［6-7］。因此，數據采集系統既要有較大的動態范圍，也要有較高的采樣率［8］，但是現實中這兩個參數往往是矛盾的。低位A/D芯片具有較高的轉換速度和多通道輸入等特點，高位A/D芯片具有較高的分辨率和動態范圍，但采樣率較低且價格昂貴［9］。

如何保證數據采集系統具有高采樣率、多通道、大動態范圍和低成本等特點是一個值得研究的課題。對多通道幅度變化大的信號進行采樣時，需要采集儀具有足夠大的動態范圍，采用瞬態浮點放大器和多核數據采集技術可提高采集儀動態范圍［10］，但由于增加了大量硬件器件，使采集儀的噪聲變大［11］。對此，本文結合虛擬數據采集技術和多核數據采集技術，提出一種通過軟件來間接提高采集儀動態范圍的新方法。相比通過硬件來提高采集儀動態范圍的方法，軟件改變更方便且不會增加儀器噪聲。

1 軟件重采樣公式推導

虛擬多核數據采集技術的基本思路是通過軟件來提高采集系統的動態范圍，其單通道數據采集流程如圖1所示。

圖1 單通道數據采集流程Fig.1 Process of single channel data acquisition

傳統的數據采集系統是通過調節放大器的放大倍數來改變整個系統的分辨率和信噪比，但不能改變系統的動態范圍。系統的動態范圍由數據采集儀的A/D位數決定。因此，可提高A/D芯片的位數來拓寬采集系統的動態范圍。

基于虛擬多核數據采集技術開發的采集儀的各通道如圖1所示。其放大倍數固定不變，通過軟件，基于一定的原則來合理篩選有效數據，然后對篩選出的數字量進行第2次采集。假設A/D為16位，連續3通道掃描采樣周期為0.02 s，掃描時間長度為78 s，輸入量程為-9.8～9.8 V。

考慮到儀器噪聲，可假設其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。

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

令A/D轉換的數字量序列為Y0，則有:

式中:n＜3 900。

令 1、2、3 通道對應的數字量序列分別為 Y1、Y2、Y3，則有:

對Y1取位于(±9.8，±0.005)的子序列，可得矩陣Y'1;對Y2取位于(±9.8，±0.01)的子序列，并除以放大倍數100，可得矩陣Y'2;對Y3取位于(±9.8，±0.02)的子序列，并除以放大倍數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轉換的先后順序合并成一個新的矩陣，即:

式中:tn為數據yn轉換時對應的時間;n＜3 900。

由于剔除了一些數據，數組{y}不再是等間隔轉換序列。式(3)～式(4)可理解為對A/D轉換的數字量進行重采樣。

為了把非等間隔數字序列變成等間隔數字序列，可構建三次樣條插值函數，設Δt=0.02 s，對矩陣Y'進行第2次重采樣，得矩陣Y″，則:

則數組{y'}為等間隔數字序列，長度為3 900點。對X(t)以Δt=0.02 s進行抽樣，抽樣時間長度為78 s，得:

令N為三次采樣形成的誤差矩陣，則:

2 虛擬3核數據采集儀參數測試

基于以上思路，對原有數據采集儀G01NET-1進行簡單的硬件修改后，開發出虛擬3核數據采集軟件。將原來的5通道、輸入量程為-9.8～9.8 V、16位A/D的同步采集儀，改進成5通道的虛擬3核同步數據采集儀。儀器改進前后的噪聲測試結果如表1、圖2和圖3所示。

圖2為改進前后采集儀以10 000 Hz進行采樣時的噪聲波形圖，圖3為改進前后采集儀直接連接同一個941 B傳感器、以256 Hz進行采樣時的地脈動波形圖。

表1 G01NET-1采集儀改進前后的噪聲對比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;未改進時的最大噪聲均方根為0.239 mV、峰值為2.063 mV。G01NET-1改進成虛擬3核后，采集儀的噪聲和信號最小分辨率由原來的幾毫伏減小為幾十微伏。

按照式(9)計算采集儀的動態范圍，可得G01NET-1采集儀和改進成虛擬3核采集儀后的動態范圍分別為89 dB、125 dB。

由圖3可得，改進后的虛擬3核數據采集儀由于分辨率相比未改進前的采集儀明顯提高，因此其采集到的地脈動信號具有較高的信噪比。

3 結束語

對虛擬多核數據采集技術理論進行了論述，間接地提高了采集儀的動態范圍并減小了噪聲。基于此方法和5個16位A/D芯片開發出具有5個模擬量輸入通道的虛擬3核數據采集儀，其動態范圍達125 dB，噪聲均方根減小到0.003 7 mV，最高采樣率達20 000 Hz。

［1］林君，朱寶龍.數據采集系統設計需要考慮的問題［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

中國地震局教師科研基金資助項目(編號:20090106)。

修改稿收到日期:2011-08-23。

何先龍(1981-)，男，現為中國地震局工程力學研究所在讀博士研究生;主要從事工程振動測試與信號處理方面的研究。