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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。24位AD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24位AD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24位AD144dB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。

 

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。

  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。

  

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。