双核24位AD数据采集技术研究

2020-03-18 15:29:26 阅读次数:529

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摘要:本文介绍了一种全新概念的数据采集仪器设计方法,称为双核采集仪。采集仪的每个通道都采用独特的双24位ΔΣ方式的模数转换(AD)设计,采用FPGA实现。双核采集仪在具备24位高精度特点的基础上,还获取了超过300dB/Oct的抗混叠滤波衰减率,更重要的是实现了160dB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。双核采集仪不仅解决了数据采集中有关精度、量程和抗混叠的三个主要问题,还为多核采集仪的设计打开了思路。

关键词:超大量程;160dB;双核24位AD;数据采集;微震测试


引 言

数据采集是指将模拟信号转换为数字信号(AD转换)并进行存储的过程,其转换精度非常依赖于AD转换器的分辨率。随着技术的不断发展,AD精度已经从最初的4~8位发展到12~16位,直到现在的24位。24AD理论上具有144dB的动态范围,而24位采集仪器的实际动态范围一般为100~120dB。一般的采集仪设计时,对每路信号的采集都直接使用一个AD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AD的理论动态范围。

本文介绍的双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两个24AD转换器进行转换,并在硬件中通过FPGA对采样后的信号进行重新组合。双核采集仪不仅具有24位分辨率,还具有160dB的单一量程动态范围,超过了24AD144dB理论动态范围限值,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。

1、基于ΔΣ方式的24位AD转换

数据采集的核心是AD转换器,随着芯片技术的迅速发展,AD转换器的精度也不断提高,最初的精度只有4~8位,而当前的主流AD精度已经是24位。AD位数的提高不仅提高AD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AD的理论动态范围以及仪器的动态范围比较,可见基于24位AD的采集仪在分辨精度和动态范围两个方面都远高于其他AD位数的采集仪。

一般24位以下AD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24位的精度,所以24位AD常常使用先进的基于增量比较的ΔΣ方式,此方式下的AD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ΔΣ方式AD的过采样倍数在256或128倍,并进行数字滤波,然后重新抽取,以获得24位的采样精度。

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2、双核采集方式的实现

一般的采集仪设计时,对每路信号的采样都直接使用一个AD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AD的理论动态范围,即使对于24位AD采集仪,其动态范围也不过120dB。

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  双核采集仪则突破这种思维的束缚,对每路信号都同时使用两个24位AD转换器进行采样,然后通过FPGA对两个信号进行重新累加组合,如图1所示,这样双核采集仪在具有24位分辨率的同时又具备160dB的单一量程测量范围,满足目前的绝大多数传感器和信号调理仪器的输出范围,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。

此外双核采集仪采用了ΔΣ方式的AD转换,实现了过采样、数字滤波和重采样的过程(BDFWPS),结合8阶模拟滤波器,使得抗混叠滤波衰减率超过300dB/oct,对可能导致混叠的信号实现了有效的滤除。

3、双核采集的160dB输入量程范围

双核采集仪除了具备24位AD采集仪的高精度低噪声等特点外,还具备160dB的单一量程动态范围,理论上可以满足幅度变化达108倍的不同信号的测试。(注: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。)

因此当采集仪具有160dB动态范围时,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16位AD采集仪,其一档量程范围(即动态范围)仅有80dB,在160dB的范围内,则需要设置5个左右的量程,若输入信号的动态范围超过80dB则不能测量;由于24位AD采集仪具有120dB左右的动态范围,在160dB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160dB的动态范围,既使测量更加简单,又能保证更好的测量精度,其优越性显而易见。

4、实测比较

选择三种典型的采集仪,包括16位、24位和24位双核采集仪,使用相同的量程,分别对不同幅度大小的信号进行测量,结果如图3~5所示。由于篇幅有限,未给出频谱图,但仅从时域波形图上就可以明显看出三种采集仪的差异。

被测量信号从9.5Vp到约 0.1mVp的范围内变化,为保证9.5Vp信号的测量,全部使用10V量程。图3为9.5Vp正弦信号的测量结果,均获得非常好的效果。图4为1mVp的正弦信号测量结果,16位采集仪的结果中有明显的噪声成分,信噪比很差,24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891-II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0.1mVp,此时信号的电压已经小于16位采集仪的本底噪声,导致测量失败。24位AD理论上具有144dB动态范围,但实际仪器仅为100~120dB,虽然可以测得信号,但噪声偏大。双核采集仪不仅正确测量此信号,更保证噪声非常小。

  

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5、结束语

双核采集仪基于先进的24位ΔΣ高精度AD转换器,采用每路双24位AD设计,通过FPGA实现,获取了24位分辨率、一档160dB动态范围和300dB/oct抗混叠滤波衰减率等高性能指标,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。双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:

(1)不可重复的重要试验,必须一次成功

(2)未知试验,无法预知信号大小

(3)自动测量,没有人为干预的试验

(4)高效率测量,没有时间或机会进行预试验来确定量程

(5)大型复杂试验,通道数多,信号类型多,工况复杂的情况

(6)高动态测量,大动态范围的信号,如声学、启停机、地震等

(7)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

一个典型的应用例子是,在飞船或火箭起飞瞬间,需要测量振动、冲击、压力、温度、噪声、应变、等各种未知大小的信号,对于这么多种未知的信号合理设置量程一直是测试人员面临的难题,而双核采集仪则可以很好地解决由于精度、量程和混叠带来的诸多问题。

双核采集仪不仅提出了每路采用双24位AD合成获取高动态范围的思路,还为多核(如三核、四核)采集仪的设计奠定了基础。目前仅国外的B&K公司有类似使用双AD的采集方式,但由于缺少详细技术资料无法确定其实现方法,而本文提出的使用FPGA实现的双24位AD采集方式则是国内外的首创设计。