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一、简介 

本技术是用于自动量程的数据采集技术，双核模式下，单一量程范围达到160dB，几乎无需进行任何量程的设置，解决各种与量程有关的数据采集问题。

本技术获得2012年度北京市科学技术奖三等奖。

二、背景技术

使用常规的具有多种量程的数据采集技术，将模拟信号转换为数字信号的过程中主要包括一个放大器和一个AD模数转换器两部分。其中AD模数转换器将经过放大器放大的模拟信号转换为数字信号，实现信号的采集过程。但是AD模数转换器的输入电压范围和精度是一定的，因此其动态量程范围是一定的，如表1所示。而被测量信号的大小则可能变化很大，为保证信号测量的精度（主要表现为信噪比），需要在不同量程下进行测量。放大器一般具有多种放大倍数，根据被测模拟信号的大小不同，设置合适的放大器放大倍数，可以实现不同量程的信号测量。量程与放大倍数的关系为：

量程 = AD输入电压范围 / 放大倍数。

因此对于较大的信号使用较小的放大倍数，获得较大的量程，保证信号不会过载；而对于较小的信号使用较大的放大倍数，获得较小的量程，保证信号不会欠载（即信噪比不足）。

表1 几种AD采集仪的单一量程范围比较

AD位数	12	16	24
分辨率	4096	65536	16777216
AD理论动态范围(dB)	72	96	144
仪器一档量程（dB）	50 ~ 60	60 ~ 80	110 ~ 120

目前的数据采集技术中放大器的放大倍数都需要人工进行调节，而不能自动根据信号大小切换到合适的放大倍数和量程。通常在设置之前需要根据经验、预实验、仿真计算等方法预知信号的大小，然后通过手动旋钮或软件程控等方式设置放大倍数。

即使通过软件程控方法，也无法实现自动量程，尤其对于快速变化的动态信号。因为放大器属于电子元器件，在改变参数之后都必须经过一段时间才能达到稳定。所以在连续实时测量过程，若改变放大器的放大倍数，则达到稳定之前的一段时间内，其测量数据是不可靠的。

三、要解决的技术问题

为了克服现有采集技术需要人工进行量程设置以及需要预知信号大小的不足，本项目提出一种可根据信号大小自动切换量程的数据采集技术，该技术根据输入信号的大小自动选择合适的量程，保证信号测量的精度，可实现无人值守的自动测量，尤其对于不可重复的未知试验可以保证信号被完整测量。

四、实现技术方案

本技术解决该问题所采用的方案是：打破原来一路信号只用一个AD模数转换器的思维束缚，而是每路信号使用多个AD模数转换器同步进行采样，并且每个AD模数转换器前使用不同但固定的放大倍数，这样就同时得到多个量程下进行测量的数字信号，最后增加可编程的FPGA芯片对多个数字信号进行整合。

整合的过程为：使用最大量程的测量数据初步确定信号的大小，然后选择能满足该信号大小的最小量程下测量的数据，作为最终的采集数据，其实现框图如图1所示。

 

图1 多核采集实现框图，以每路信号采用3个AD模数转换器为例

由于使用FPGA进行实时处理，并且是针对数字信号进行的计算，没有对模拟信号传输中的元器件进行任何参数更改，因此本技术可以在信号变化的过程中实时选择合适量程，实现自动量程的数据采集。

在本项技术的具体实现中，每路信号可以使用2、3或4个AD模数转换器进行采样。并且对AD的选择没有限制，但是选择较高位数的AD可以获得更大的自动量程范围。通常AD具有12、16和24位等类型，可测量动态信号的范围大约为60dB、80dB和120dB，相当于1E3倍、1E4倍和1E6倍的范围。因此选择24位AD可以比其他两种AD多获得1000倍和100倍的量程范围。

对于每路AD模数转换前的固定放大倍数，可以使用常规电子元器件进行搭建，第1个AD不进行放大，第2、3、4个AD分别使用1E2、1E4、1E6倍的固定放大。这样，若使用2、3和4个24位AD模数转换器的方案则可以分别获得160dB、200dB和240dB的自动量程范围，相当于1E8倍、1E10倍和1E12倍的范围，其比较如表2所示。

从原理上看，还可以设计每路5个及以上AD的方案，但是目前换能器可输出信号的变化范围尚没有超过240dB的，因此考虑电路板的复杂程度和实现成本等因素，实际应用中每路信号使用2~4个AD进行采样就足够了。

表2 几种多核采集仪的单一量程范围比较

	AD位数	一档量程范围(dB)
单核	24	120
双核	双24	160
三核	三24	200
四核	四24	240

五、技术特点

采用该技术的采集仪不再有量程设置，与常规方式的16位或24位AD的采集仪相比，完全简化了量程设置的问题，如图2为量程档位设置的比较。

 

图2 三种采集技术的量程设置

其主要特点是使得采集设备可以自动根据被测信号大小切换到合适的量程上，并且可以满足高达 160dB、200dB或240dB的信号动态变化范围。

在对动态变化尤其是变化范围很大的信号进行测量时，无需考虑信号大小和量程问题，就可保证信号测量的可靠度和精度。

图2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，若对于超过80dB的大动态信号的测量则不能实现；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。

以10V量程为例，图3～图5比较了16bit(国内厂家较多使用)、24bit（国外厂家最先进水平）和双核采集仪（本项目成果）对不同大小信号的测量结果，可明显看出双核采集仪的优势所在。

 

图3量程10V测量9.5Vp正弦信号的效果

 

图4量程10V测量1mVp正弦信号的效果

 

图5 量程10V测量约0.1mVp信号（实际为地震传感器输出信号）的效果

六、计量校准测试

2012年3月，在中航304所（国防科工委第一计量中心）对东方所生产的INV3018F型双核采集仪的量程范围进行计量测试，其测试结果为161dB。

七、专家评价

2012年3月25日，在中国振动工程学会振动与噪声控制分会召开的“INV超宽量程高精度双核数据采集分析系统成果评议会”上，由中国计量院、中航304所、清华大学等单位的专家组成的专家组认为“INV超宽量程高精度双核数据采集分析系统是具有民族自主知识产权的创新技术，具有多项重大突破，总体达到国际先进水平”。

八、应用优势和案例

8.1技术优势，至少在以下方面有具有一般采集技术不能达到的优势：

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，使用者是其它方面的专家，不必为测量花费太多精力。

8.2 火箭发射过程测量

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，而超宽量程高精度双核采集分析系统则可以很好地解决由于精度、量程和混叠带来的诸多问题。

                

8.3 声学测量

一般的声学测试仪器都具有若干个档位，需要在测量不同大小声音时进行合适的档位切换，否则可能造成信号过载或者信噪比不足。而采用双核技术的测量设备，一档量程范围达到160dB，覆盖常规声音测量的范围，因此日常各项测试中完全不用考虑设置仪器的档位，不仅保证每次测试结果的正确性，而且大大提高了测量效率。

8.4 地震测量

大地脉动的变化幅度是非常大的，地震与平时的振动比达到几百万倍，因此地震测量又常常分为微振测量和强震测量。使用双核采集仪，其一档量程达160dB（若采用INV3062W型4阶delta-sigma型ADC，甚至可达到170dB），足以覆盖平常的微振和地震时的强震范围。

目前最先进的地震测量传感器的动态范围大约为150dB，24位采集仪的动态范围仅仅120~130dB。唯有采用双核技术的160~170dB的采集仪才能完美地满足传感器的动态范围。