一種測試性試驗數據采集中轉換速率截止頻率擴展方法

宋成軍，曾照洋，劉萌萌（中航工業 綜合技術研究所，北京 100028）

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一種測試性試驗數據采集中轉換速率截止頻率擴展方法

宋成軍，曾照洋，劉萌萌
（中航工業 綜合技術研究所，北京 100028）

摘 要：運算放大器已成為目前眾多數據采集系統的核心器件，在一些面向大信號的高速數據采集系統中，高壓型運算放大器通常會受到轉換速率的限制，導致可以支持的數據采集系統截止頻率會大大下降。但是在這個截止頻率附近仍具有一定的線性特性。本文基于這種特點，提出了一種采用軟件校正的方法提高使用范圍。本方法不需要搭建復雜的電路系統，使用通用性器件即可實現較高的性能。且算法簡單，易于操作。

關鍵詞：轉換速率；數據采集；線性擬合

0　引言

在航空產品的測試性試驗中，需要大量的數據測量與采集工作.特別是故障注入成功判據，以及產品響應的測量和采集.然而，目前大量的航空產品為了提高信號的抗干擾能力與傳輸能力，信號的幅度一般比較大.因此，在對這些信號的處理過程中，不可避免的使用到高壓運算放大器，高壓型運算放大器在滿足信號幅度要求的同時，存在一個弊端，就是信號轉換速率不足，導致實際帶寬不足，限制了其使用范圍。

1　 問題提出

在某產品的數據采集時，使用電路了LM6172型運算放大器，電路如如圖1所示，整個電路供電采用±12V電源.采用該電路對一些大信號（＞5V）進行數據采集時，輸入信號經衰減后，通過運算放大器跟隨輸出，該運算放大器主要用于實現被測對象與采集系統之間的阻抗匹配關系。

使用該電路進行數據采集時，測得試驗數據如圖2所示，對峰峰值為8V的信號進行掃頻時發現，當輸入信號在30Hz～200kHz時有著比較穩定的輸出.但是，從300kHz開始輸出結果開始出現明顯的衰減，并且在1MHz時，衰減量達到0.2V，產生了較大的誤差。

2　問題分析

根據上述試驗結果，我們分析原因如下，在運算放大器的眾多參數中，對與大信號來說通常約束條件有三個，分別是供電電源（Vs），增益帶寬積（GBW），以及轉換速率（SR），這三個參數對信號的約束條件為：

這三個公式的物理意義分別為：

（1）輸入輸出信號受限于供電電源；（2）增益帶寬積為定值；（3）電壓識別受限于轉換速率。

結合本次數據采集任務，使用的LM6172參數如表1：

表1

在小信號的使用過程中，第二個公式積起主要作用，因為對于小信號可能存在較大的放大倍數，導致帶寬急劇下降，例如小信號放大10倍，帶寬將減少10倍，但是由于信號峰值（Vp）較小，容易滿足轉換速率；在大信號使用過程中剛好相反，例如正負24V供電，輸入信號半峰值為5V時，最大放大倍數為24/5= 4.8倍，因此對帶寬衰減不大，但是由于轉換速率的限制，會大大降低信號的通頻帶，本例中圖2所示數據的原因主要就是受到轉換速率（SR）的限制而導致的，且該限制會使得通頻帶遠遠小于理論帶寬。

3　 數據處理過程

雖然受到轉換速率的限制使得通頻帶下降，但是通過實際測試因一部發現，在轉換速率截止頻率附近，信號的衰減會呈現一定的線性特性，我們對圖2中的信號截取300kHz～1.2MHz之間的曲線重新繪制如圖3所示。

圖中可以看出，在這個頻段內只要對數據進行校準處理，在結合30Hz～300Hz之間的數據記過就可得到完整的數據結果。考察數據結果，用線性特性擬合這個頻段內的數據，擬合過程可以采用matlab中工具箱的現有函數polyft（x，y，1），經過擬合發現在300kHz～1MHz之間存在大約0.011V/100kHz的衰減量，因此在實際測試過程中，可以對輸出數據進行修正.修正后的數據結果如圖4所示，經過校正后，可以發現在300kHz～1MHz之間信號的輸出保持了較好的穩定性，可以滿足要求。此外，通過數據結果也可以看出，當頻率遠超過這個截止頻率時，此時采集系統的非線性明顯，無法再通過這種線性校正技術進行擬合逼近。

4　 結論

本文以測試性試驗過程中的數據采集過程為基礎，面向現有的大信號高速數據采集技術.考慮到在高壓高速型運算放大器轉換速率截止頻率附近仍具有一定的線性特性，可以利用軟件上進行數據校準可以保持較強的精度.該方法成本低，簡單易行，不需要再設計復雜的采集系統電路。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.193

作者簡介：宋成軍（1988-），男，工程師，主要從事測試性分析驗證、數據采集與測試技術等工作。