D超量程高精度数采仪研究【精品论文】 .pdf

2 6 8 测控技术2 0 0 7 年第2 6 卷增刊 基于f p g a 的多核2 4 位a e a d 超量程高精度 数采仪研究 应怀樵，沈松，刘进明，应明，杜峰，李毅民 ( 北京东方振动和噪声技术研究所，北京1 0 0 0 8 5 ) 摘要：提出了一种全新概念的数据采集仪器设计方法，称为多核采集仪。采集仪的每个通道都采用多个 2 4 位方式的模数转换( a d ) 设计，通过f p g a 实现。多核采集仪在具备2 4 位高精度特点的基础上， 还获取了超过3 0 0d b o c t 的抗混叠滤波衰减率，更重要的是实现了至少1 6 0d b 的单一量程范围，使得 在测量各种大小不同的信号时，不再需要进行量程切换。多核采集仪从根本上解决了数据采集中有关精 度、量程和抗混叠的3 个主要问题，目前东方所的i n v 3 0 1 8 e 双核采集仪产品已经面世，三核和四核采 集仪也将很快实现。 关键词：数据采集；a d 转换；多核 中图分类号：t p 2 7 3 + 5文献标识码：a 文章编号：1 0 0 0 8 8 2 9 ( 2 0 0 7 ) s 0 0 2 6 8 0 3 m u l t i - - c o r e2 4 - b i td e l t a - s i g m aa dd a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n tw i t h s u p e rr a n g ea n dh i g hp r e c i s eb a s e d o nf p g a y i n gh u a i q i a o ，s h e ns o n g ，l i uj i n m i n g ，y i n gm i n g ，d uf e n g ，l iy i m i n ( c h i n ao r i e n ti n s t i t u t eo f n o i s ea n dv i b r a t i o n ，b e i j i n g1 0 0 0 8 5 ，c h i n a ) a b s t r a c t ：an e w c o n c e p to fd a t aa c q u i s i t i o n ( d a q ) d e s i g nn a m e dm u l t i c o r ed a q i n s t r u m e n ti si n t r o d u c e d s e v e r a l2 4 b i ta n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t c r s ( a d c s ) a n df p g aa r eu s e df o re a c hc h a n n e li n t h i ss p e c i a l i n s t r u m e n t w i t ht h ed e l t a s i g m at y p ea d c sa n d8o r d e ra n a l o gf i l t e r , i t sa n t l a l i a s i n gf i l t e ra t t e n u a t i o nr a t i o u pt o3 0 0d b o c t w h a ti sm o r ei m p o r t a n t ，i th a s1 6 0d bw i d t hr a n g ea tl e a s ti no n ei n p u tr a n g e f o rd i f f e r e n t s i g n a l s ，i tn e e d sn o tt os w i t c hd i f f e r e n ti n p u tr a n g e t h em u l t i c o r ed a qi n s t r u m e n tn o to n l yr e s o l v e st h e p r o b l e mo fp r e c i s i o n i n p u t sr a n g ea n da n t i a l i a s i n g t h ed u a l c o r ed a q i n s t r u m e n ti sp u b l i s h e db yc o i n , a n dt h et r i c o r ea n dq u a d c o r ed a qi n s t r u m e n t sw i l lc o m el a u es o o n k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；d e l t a s i g m a ( a x ) ；a n a l o g t o d i g i t a lc o n v e r t e r ( a d c ) ；m u l t i c o r e 数据采集是指将模拟信号转换为数字信号( a d 转换) 并进行存储的过程，其转换精度非常依赖于 a d 转换器的分辨率。随着技术的不断发展，a d 精 度已经从最初的6 “ - 8 位发展到1 2 1 6 位，直到现在 的2 4 位。2 4 位如理论上具有1 4 4d b 的动态范围， 收稿日期：2 0 0 7 一0 5 2 5 作者简介：应怀樵( 1 9 4 1 一) ，男，教授，研究员，北大、清华、 中科力学所等博士合作导师，东方所所长，振噪控制学会理事 长，振动与信号处理专家，中国早期开拓者与奠基人。研究 领域：振噪控制、测控、信号处理、。研发完成d a s p v i 库。 和i n v 3 0 3 3 0 6 移动实验室。编著波谱分析与数据处理、现 代振动与噪声技术等书9 本，倒熵谱等文章百余篇 而2 4 位采集仪器的实际动态范围一般为1 0 0 1 2 0 d b 。一般的采集仪设计时，对每路信号的采集都直接 使用一个a d 转换器的输出结果作为采集后的数字信 号，因此在单一量程下的可测量范围总低于a d 的理 论动态范围。 本文介绍的多核采集仪则突破了这种思维的束 缚，对每路信号的采集同时使用多个2 4 位a d 转换器 进行转换，并在硬件中通过f p g a 对其进行重新组合。 多核采集仪不仅具有2 4 位分辨率，还具有至少1 6 0d b 的单一量程测量范围，超过了2 4 位a d 的1 4 4d b 理 论动态范围值，这样就可以有效避免由于量程设置不 当造成的过载、欠载和动态范围不足的情况。 基于f p g a 的多核2 4 位a 甲a d 超量程高精度数采仪研究 1 高精度2 4 位方式a d 转换 数据采集的核心是a d 转换器，随着芯片技术的 迅速发展，a d 转换器的精度也不断提高，最初的精度 只有6 8 位，而当前的主流a d 精度已经是2 4 位。 a d 位数的提高不仅提高a d 转换的分辨率，而且对提 高仪器的动态特性起着主导作用，表1 为几种常用a d 精度的理论动态范围以及仪器的动态范围比较，可见 基于2 4 位a d 的采集仪在分辨精度和动态范围两个方 面都远高于其他a d 采集仪。 表l 几种a d 采集仪的单一量程范围比较 一般2 4 位以下a d 多数使用逐次比较方式，但由 于逐次比较方式的效率较低，在中高采样速率下难以 实现2 4 位的精度，所以2 4 位a d 常常使用先进的基 于增量比较的方式，此方式下的a d 转换器每次采 样比较的是同前一点的增量，充分利用了以往数据的 信息，具有很高的效率，并且采用过采样的方式，以 速度换精度。通常方式a d 的过采样倍数在2 5 6 或1 2 8 倍，并进行数字滤波，然后重新抽取压缩波形， 以获得2 4 位的采样精度。 此外基于2 4 位a d 设计的采集仪采用了a e 方式 的a d 转换，实现了过采样、数字滤波和重采样的过 程( b d f 、7 旧s ) ，结合8 阶模拟滤波器，使得抗混叠滤 波衰减率超过3 0 0d b o c t ，衰减倍数超过9 0d b ，对可 能导致混叠的信号实现了有效的滤除。 2 多核采集方式的设计思路 通常设计采集仪器时，对每路信号的采样都直接 使用一个a d 转换器的输出结果作为采集后的数字信 号，多核采集仪则突破这种思维的束缚，对每路信号 都同时使用多个2 4 位a d 转换器进行采样，然后通过 f p g a 对两个信号进行重新累加组合，如图1 所示， 这样多核采集仪在具有2 4 位分辨率的同时又具备超量 程特性，即远远大于1 2 0d b 的单一量程测量范围，无 需切换量程，一档量程就可以实现各种大小信号的高 信噪比测量。 对于使用双2 4 位a d 设计的双核采集仪，其一挡 量程范围可以达到1 6 0d b ，而三核或四核采集仪则可 以获取更高的量程范围，分别为2 0 0 d b 和2 4 0 d b ，见 表2 。 c h1 c h2 c h 图1多核采集的实现框图 表2 几种多核采集仪的单一量程范围比较 目前双核采集仪的产品已经问世，例如北京东方 所生产的i n v 3 0 1 8 e 型数据采集仪，而三核或四核采 集仪的产品也将很快实现。 3 多核采集的超量程特性 多核采集仪除了具备2 4 位a d 采集仪的高精度低 噪声等特点外，还具备超宽量程范围的特性，以基于 双2 4 位设计的双核采集仪为例，就具有1 6 0d b 的单 一量程输入范围，理论上可以满足幅度变化达1 0 8 倍的 不同信号。需要注意的是，实际动态测试中，为保证 小信号也具有足够的信噪比，可测信号的范围应小于 仪器的动态范围。 因此具有1 6 0d b 量程范围时，测量不同信号就不 再需要进行不同量程的切换。以图2 为例可见，对于 1 6 位a d 采集仪，其一挡量程范围( 即动态范围) 仅 有8 0d b ，在1 6 0d b 的范围内，则需要设置6 个左右 的量程，若对于超过8 0d b 的大动态信号的测量则不 能实现；由于2 4 位a d 采集仪具有1 2 0 d b 左右的动 态范围，在1 6 0 d b 的范围内只需设置3 个量程，而双 核采集仪在一个量程内便可以满足1 6 0d b 的范围，三 核和四核采集仪更是可以实现2 0 0d b 和2 4 0d b 的范 围，既使测量更加简单，又保证更好的测量结果精度， 其优越性显而易见。 4 测试实例 ，选择3 种典型的采集仪，包括1 6 位、2 4 位和双核 采集仪，使用相同的量程，分别对不同大小幅度的信 号进行测量，结果如图3 “ - 5 所示。若使用三核或四核 采集仪，则具有更明显的优越性。 被测量信号从9 5v p 到约o 1m v p 的范围内变 2 7 0 测控技术2 0 0 7 年第2 6 卷增刊 化，为保证9 5v p 信号的测量，全部使用1 0 v 量程。 图3 为9 5v p 正弦信号的测量结果，均获得非常好的 效果。图4 为0 1m v p 的正弦信号测量结果，1 6 位采 集仪的结果中有明显的噪声成分，信噪比很差，2 4 位 采集仪的噪声明显变小，而双核采集仪的噪声极小。 图5 为使用8 9 1 一i i 型传感器测量普通地面的地脉动信 号，传感器使用2 档，输出约为0 1m v p ，此时信号的 电压已经小于1 6 位采集仪的本底噪声，导致测量失败， 2 4 位采集仪却可以测得信号波形，但噪声稍大，双核 采集仪不仅可以正确测量此信号，而且具有非常高的 信噪比。 -p 1 6 b i t a d2 4 k t a d藏辕三梭 四棱 ( 1 1 ) ( 1 2 0 d b )l t g 0 d b ( 2 0 0 r i b i 1 2 4 0 r i b ) 图2 、几种采集仪的量程比较 队厂、 0 一一一、， r _卜1 产卜。f 一谢。铲 i v 一u 一一v 一 、 卜a 、 r - -卜”7卜， 一忧一妙 _ v 一v 一v 一 弋厂、 j|f【卜肿 、 、 一v 沙 v 一v v 一 0 0 40 812l6 2 图3 测量9 5v p 正弦 1 6 位 很好 ( i ) 2 4 位 很好 ( ) 双核 很好 “) 5 结束语 多核采集仪基于先进的2 4 位a e 高精度a d 转换 器，采用每路多2 4 位a d 设计，通过f p g a 实现，获 取了2 4 位分辨率、至少1 6 0d b 量程范围和3 0 0r i b o c t 抗混叠滤波衰减率等高性能，从精度、量程和抗混叠 几个方面同时保证了测量的准确性和可靠性。多核采 集仪由于其独特的优点，使常规动态测试达到新的技 术层次，尤其在以下方面具有不可替代的优势： 不可重复的重要试验，必须一次成功； 未知试验，无法预知信号大小； 自动测量，没有人为干预的试验； 高效率测量，没有时间或机会进行预试验来确 定量程； 大型复杂试验，通道数多，信号类型多，工况 复杂的情况； 高动态测量，大动态范围的信号，如声学、启 停机、地震等； 傻瓜式测量，使用者是其他方面的专家，不必 为测量花费太多精力。 - - 毹黼碱饿矾 m m w 联八烈烈八 u v v “v 1 6 位 很差 b ) 2 4 位 较好 “) _ 硝烈厌廷八 蟛“v 姒v 图4 测量1m v p 正弦 “v ) 1 ：h 1 2 1 0 y 】 棚i 航i j - 硒tw 。j 旗r 舨 7 州7 i 。y 刈1i ”p 7j 一。 双核 很好 ( 1 ) 图5 测量0 1m v p 信号 ( 下转第2 7 3 页) 曼兰茎型篓墼堡苎皇塞墨：! ! ! ： 通，m i c 音频与电台音频连通。 臣西 亟 圃l j l j 区型 匿孙 画卧幢翊 匦亘一 医n 咂亟卜圈 匝到 图6m 信号电路、串口电龉和音频电路图 3 嵌入式软件设计 系统的流稚是在单片机的控制下完成的 片机的软件设计是实现系统功能的重要环节 主程序 【单“ 帆j 自自$ 口连接i 发牛电台由s s b 目a m e 【连接4 呼音颤与电白岢摘【 j 等待3s ，m 呼信目j 发避命奇q 告自a m e 捌s s b i 博l 口m “# 恋! 十* * 月 图8 嵌入式软件流程图 参考文献t 1 1 胡大可m s # s 0 系列f l a s h 型超低功耗1 6 位单片机【m 】北 京：北京航空航天大学出版社，2 0 0 1 【2 j 魏小龙m s # 3 0 系列单片机接口技术菔系统设计实例i r a 北京：北京航空航天太学出版社，2 0 0 2 因此单 口 其熏要 功能是控制继电器和通过发送串日命令控制电台，各 端口定义如图7 所示。p 】0 为输入端口用于榆测有 正选呼p t t 产生。p l2 、p l3 和p 14 为输出的继电器 控制端口，用来控制音频、串口和m 通路的选择。 i x d 和r x