具有溫度補償的高精度同步數據采集

王 寬，李盤文，彭瑞元

(中國飛行試驗研究院， 西安 710089)

數據采集系統作為測試系統的核心的部分，已被廣泛用于航空、航天等工業生產及科研領域[1]。隨著飛機航電系統的發展，機載測試設備的使用環境越來越惡劣：電磁干擾越來越多、溫度變化越來越大，這些因素直接影響數據采集系統的測試精度；同時為了滿足不同系統之間數據融合分析的需求，必須實現同步采集。因而，設計一個具備溫度補償、抗干擾能力強的同步數據采集系統是有必要的。

采集系統中數據的精度主要與高頻干擾[2]、量化誤差[3]、噪聲誤差[4]、溫度[5-6]等因素有關。通常為了減少高頻信號的干擾，需設計相應的抗混疊電路[7]，但這種方法只能濾除高頻信號，無法減少信號采集過程中的量化誤差；文獻[8]提出了一種過采樣的滑動平均濾波算法，該方法有效降低了系統噪聲的功率譜密度，但滑動平均濾波增加了系統的計算量；文獻[9]對AD轉換后的采樣值進行增益校準，有效提高了系統的采集精度，但其只在常溫下進行校準，當環境溫度變化較大時，采集精度較差。

針對上述方法中采集精度差的問題，設計了一種帶溫度補償的高精度同步數據采集系統。該系統首先結合六階巴特沃斯(Butterworth)抗混疊濾波器設計了過采樣抽取濾波算法，避免了系統中的電磁干擾等因素對信號采集的影響，然后在不同溫度下，對系統的滿量程誤差進行測量，建立了滿量程誤差與溫度變化的模型，并結合系統的起始誤差和增益誤差，建立了帶溫度補償的增益誤差校準模型，有效減少了系統溫漂及量化誤差對采集精度的影響；接著提出了基于時鐘分相法的時間同步算法，實現了本地秒脈沖(1 pps)與外部秒脈沖的時鐘同步，滿足了不同測試系統之間數據融合分析的需求。最后利用直方圖分析法對采集數據進行分析，結果表明該方法能夠有效減小系統的測量誤差；同時通過同步性試驗表明該系統的同步精度優于150 ns，滿足了不同系統之間數據融合分析的要求。

1 系統總體方案設計

本系統的總體結構如圖1所示，系統主要由抗混疊濾波器，模數轉換模塊，FPGA模塊組成。系統的工作原理：首先設計了六階巴特沃茲抗混疊濾波器，濾除信號中的高頻分量；然后采用過采樣抽取濾波，降低系統中噪聲的功率譜密度；之后結合溫度補償校線，對采集數據進行溫度修正得到最終采樣數據，最后采用時鐘分相法與PID算法，實現本地 1 pps 與外部1 pps的時鐘同步。

圖1 系統總體結構框圖

2 過采樣抽取濾波

過采樣抽取濾波是一種數字濾波技術，能夠有效減少信號的噪聲，提高系統信噪比[10]。其關鍵技術包括兩方面：提高信號采樣率，以數十倍的奈奎斯特頻率進行采集，實現過采樣；以奈奎斯特頻率對采樣數據進行抽取，降低采樣率，實現數字濾波。

過采樣抽取濾波的原理為：由于信號中的噪聲功率譜一定，提高信號采樣率可減小噪聲的功率譜密度[11]，之后再通過抽取濾波降低采樣率，則抽取信號中所包含的噪聲將減小，從而提高系統的信噪比及信號的采樣精度[12]。過采樣抽取濾波過程如圖2所示。

如圖2所示，本系統使用6倍過采樣進行9采集，即將系統原始采樣頻率fs倍頻后形成6倍過采樣頻率fos，在一個原始采樣時鐘內采集并緩存6個采樣值，然后去除最大最小值，最后將剩余的4個采樣值求平均后得到最終碼值yfilter，完成過采樣抽取濾波過程。

圖2 過采樣抽取濾波過程框圖

3 溫度—增益補償校準模型

3.1 增益誤差校準模型

增益誤差校準模型如式(1)所示：

(1)

式(1)中：ycal為校準后的實際輸出值；yo為起始誤差；ys為滿量程誤差；yl為滿量程理論值；yfilter為抽取濾波器的輸出碼值。

式(1)中的yo、ys、yl均通過校準獲得，其獲取方法：將系統輸入引腳對地短接，測量AD轉換的輸出，經16次測量取平均值后，可得到系統的起始誤差yo；將高精度穩壓電源接入系統輸入端，并經16次測量取平均值后，可得滿量程誤差ys；該高精度穩壓電源經AD轉換后的理論值為yl。

3.2 溫度補償模型

由于電路中存在模擬器件，其易受溫度影響，在不同的溫度范圍下測量系統的滿量程偏差，并繪制成曲線如圖3所示，可見在30 ℃時，AD轉換輸出滿量程偏差為0；當溫度增加時，滿量程偏差值在減小；當溫度降低時，滿量程偏差值在增加。

圖3 滿量程偏差隨溫度變化曲線

由于系統工作的環境溫度范圍為[-40 ℃，70 ℃]，所以采樣分段線性量化的方法在這個溫度區間內建立滿量程偏差隨溫度變化的模型如式(2)所示：

(2)

由式(1)和式(2)可得，將增益誤差校準后的值減去隨溫度變化的滿量程偏差可實現溫度補償，得到系統的最終輸出yfinal，如式(3)所示：

(3)

4 時鐘同步

將一個周期時鐘信號做不同延時可得到不同相位的時鐘信號，時鐘分相法就是使用原時鐘信號和延時后的時鐘信號對時間差進行測量。如圖4所示，將CLK1信號分別延時90°、180°、270°，可得到CLK2、CLK3、CLK4時鐘信號。通過統計一段時間內4個時鐘信號的上升沿數量可實現對該時間差的測量，其時間差ΔT的計算如式(4)所示：

圖4 時鐘分相原理示意圖

(4)

式(4)中：fclk為時鐘信號的頻率；Nmax為時間差內4個時鐘的上升沿總數。

時鐘同步的具體步驟：分別獲取本地和外部1 pps時間值；按照式(4)計算本地與外部1 pps之間的時間差；對式(4)的計算結果采用差分PID控制算法，計算出本地1 pps的修正量；修正本地1 pps的時鐘計數值，實現時鐘信號的同步。

5 試驗結果分析

5.1 采集精度試驗

為了驗證本系統數據采集的優越性，將文獻[8-9]和本文方法進行對比試驗。具體過程為：在-40 ℃、常溫、70 ℃等不同環境下，分別使用以上3種方法的采集系統對同一個穩定的直流信號源進行采集，然后繪制對應的直方圖和高斯PDF曲線。為了節約篇幅只列出了常溫下的直方圖，如圖5、圖6、圖7所示。同時對不同溫度下樣本的最大值、最小值、均值和標準差進行計算，結果如表1所示。

表1 數據統計

由圖5、圖6、圖7可看出：常溫下圖7數據分布的寬度變窄，更滿足高斯分布，說明本文方法能夠有效濾除噪聲干擾，即采樣數據穩定性好，精度高。

圖5 文獻[8]采樣樣本直方圖

圖6 文獻[9]采樣樣本直方圖

圖7 本文采樣樣本直方圖

由表1可看出：常溫下3種方法的標準差都較小，即數據采集精度都較高，但隨著溫度變化文獻[8-9]的最大、最小值、標準差變化非常大，而本文的數據變化相對較小，說明本文的方法能夠補償溫度對采集數據的影響，提高數據的采集精度。。

5.2 同步采樣試驗

為了驗證本系統的同步特性，對板卡施加外部1 pps信號，并用示波器觀察外部1 pps信號與本地1 pps信號，看本地1 pps信號能否跟隨外部1 pps信號。通過觀察，在1 h內，本地1 pps始終能夠跟隨外部1 pps信號，其跟隨波形如圖8所示。

圖8 1 pps同步跟隨波形

由圖8可見：在1 h內本地1 pps能夠很好的同步跟隨外部1 pps信號，其同步精度優于150 ns，而實際試飛測試中要求不同系統之間的時間同步精度不大于1 ms，可見本系統滿足試飛測試的同步采集需求。

6 結論

1) 充分考慮數據采集過程中高頻干擾、量化誤差、噪聲誤差、溫度等因素對采集精度的影響，建立了帶溫度補償的增益誤差校準模型，設計了采樣抽取濾波算法；2) 提出了基于時鐘分相的時間同步算法，實現了本地與外部秒脈沖的同步，實現了信號的同步采集；3) 該數據采集系統能夠有效濾除系統噪聲，提高系統測試精度；4) 該系統能夠補償溫度對數據采集系統的影響，提高數據采集精度；5) 系統的同步精度優于150 ns，滿足了不同系統之間數據融合分析的要求。