提高多通道數據采集系統采集精度的新方法

甄國涌,王曉麗,李輝景

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.晉西工業集團有限責任公司,太原 030027)

提高多通道數據采集系統采集精度的新方法

甄國涌1*,王曉麗2,李輝景1

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室,太原 030051;2.晉西工業集團有限責任公司,太原 030027)

采集精度除了與ADC的實際轉換位數相關的量化誤差有關外,還會受到一些噪聲和通道間信號串擾的影響。為提高采集精度,提出通過FPGA控制ADC對輸入信號進行過采樣,然后在FPGA內部實現抽取濾波和求平均值算法提高ADC轉換分辨率。該方法用廉價的芯片實現了只有昂貴芯片才能得到的精度指標,并且易于實現。最后利用了直方圖分析法對不同工作方式下所采集的數據進行了分析比較,結果顯示該方法能夠有效的減小系統的測量誤差,提高了系統測量精度。

信號串擾;采集精度;過采樣;抽取濾波;求平均值;直方圖

如今,多通道數據采集系統被廣泛應用于航空航天系統測試、工業自動化、醫療衛生、通信等各個行業中。人們對采集系統的性能指標的要求越來越高,如高采樣率,高精度等。采集精度除了與ADC的實際轉換位數相關的量化誤差外,還受到一些噪聲因素和信號串擾的影響[1]。系統所需的分辨率一般取決于被測信號的動態范圍、信號最小變化和信噪比要求等方面。分辨率越高,測量精度越高,越能真實的還原實際的物理信號。因此在一些高精度的測量系統中,多使用高分辨率的片外ADC來實現高精度測量。目前,ADC器件發展迅速,其分辨率可以從8 bit達到24 bit,采樣率也能實現從10 sample/s到1 Gsample/s的范圍,使用高分辨率的ADC芯片必將提高成本[2]。

除此之外,我們可以采用過采樣的方法來提高采集精度,通過對信號進行多次采樣,在FPGA中對所產生的數據進行比較,找出最大值和最小值后,將剩下的數據進行求平均值。該方法無需增加額外的硬件器件,即可充分發揮測量系統的功能并獲取較高的信噪比。文中利用統計學原理,對采集的數據進行了噪聲直方圖分析,通過對幾種不同方式采集的數據進行比較分析,結果顯示該方法能顯著提高測量系統的性能。

1 多通道采集系統采集誤差來源

在一般的ADC電路應用中,系統的測量精度除了與ADC的實際轉換位數相關的量化誤差外,還將受到一些噪聲因素的影響,如熱噪聲、雜色噪聲、電源電壓變化、采樣時鐘抖動引起的相位噪聲等。這些噪聲充當著“擾動”信號,使得原始信號變化超過ADC的LSB(最低有效位)邊界,改變量化輸出值,產生量化的誤差[3]。除了上述的影響因素外,在多通道數據采集系統中還存在著通道間信號的串擾問題,如在數據采集電路中的運算放大器,我們常采用負反饋設計相關的信號處理電路,如圖1所示。

圖1 信號處理電路

模擬開關進行通道切換時將影響到運放的容性負載的變化,使得運放輸出異常,出現如振鈴、信號振蕩等現象[4]。開關切換速度越快受到的影響越大。圖2中所示的為兩路輸入信號和ADC輸入前信號的時域圖,其中1通道黃線為0 V輸入信號,2通道綠線為5 V輸入的直流信號,3通道藍線是通過模擬開關交替切換兩路信號而得到的進入ADC前的信號。

圖2 信號串擾

由圖2可以看到,當模擬開關以117.2 kHz的速度進行切換以后,AD輸入端信號出現不穩定現象,信號振蕩時間最長的大約為700 ns,引起的信號幅度變化大約有650 mV。假如ADC的采樣點在圖中的a、b、c點處,勢必會造成較大的測量誤差。

經多次測量發現,信號抖動的出現具有隨機性。圖3所示的是某次信號出現不穩定時被采樣的時序波形。圖中4通道波形顯示的是某ADC的轉換控制信號,當該信號為低時,ADC將輸入端信號保持并進行量化輸出。圖中信號在被采樣時恰好出現了不穩定,引起量化輸出值與實際信號的偏差較大,影響系統性能。信號的被采樣點應避免出現在串擾的位置。

圖3 信號采樣異常

2 方法實現

2.1 多通道采集系統

如圖4所示,多通道數據采集系統主要由信號調理電路、模擬開關、模數轉換器以及FPGA控制與數據處理單元組成。其基本工作原理為:多路輸入的模擬信號首先經過信號調理電路,使得信號滿足ADC轉換輸入的要求[5]。通過FPGA控制開關切換選通輸入信號進入模數轉換器進行模數轉換,并將轉換后的數據進行相應的數據處理后,輸出給后續處理單元,如數據存儲單元[6]。

圖4 多通道數據采集基本結構圖

在整個系統中,FPGA是其最重要的控制核心,模擬開關通道切換,ADC器件實現轉換功能以及轉換后的數據處理均在FPGA的控制下完成[7]。系統的采樣率是受到模數轉換器轉換速率的限制,所有通道信號采樣率的總和fs應該小于ADC器件的最快的轉換速率fm。如果在對信號進行N倍過采樣的時候,應滿足:N×fs≤fm。在利用模擬開關進行通道間切換,到信號穩定也需要一定的時間,信號的采樣點應該在通道切換后信號保持穩定以后,這也會降低系統的總采樣率。

2.2 過采樣原理

過采樣技術是使用比所需速率高得多的速率對模擬信號進行采樣,并與數字濾波和抽取結合來提高分辨率的技術。過采樣實現過程可分為兩個部分:(1)以高于奈奎斯特采樣頻率對輸入的模擬信號進行高速采樣;(2)數字抽取濾波器,實現低通濾波和降采樣。

假定以速率N·fs對原始信號進行采樣(N稱為過采樣率)。輸出信號中量化噪聲的功率并不隨采樣頻率的變化而改變,但隨著采樣速率的提高,噪聲功率譜的分布帶寬將增大,這必然導致噪聲的功率譜密度減小,如圖5所示。但此時的信號頻帶仍然保持不變。因此,過采樣率的提高與落在信號頻譜內的量化噪聲功率成反比變化[8]。

圖5 采用過采樣方法的噪聲功率譜

過采樣提高分辨率的基本原理是過采樣信號中的總量化噪聲與信號原始速率采樣相同,但是總的量化噪聲被分散在了更高的帶寬之中,通過數字濾波和抽取等方法來降低采樣率,減少量化噪聲,從而提高系統的信噪比(SNR),提高系統的分辨率。過采樣系數與系統分辨率的提高存在以下關系:fos=4wfs,w為希望增加的分辨率位數,fos為過采樣頻率,fs為原始的采樣頻率。

圖7 FPGA控制實現6倍過采樣時序

2.3 試驗平臺建立

圖6所示為一多通道數據采集系統組成圖。系統中ADC選用的ADI公司的AD7621,16 bit、3 Msample/s的逐次逼近型模數轉換器。模擬開關為16通道的多路選擇器ADG706,系統的控制部分全部由一片Spartan-IIIE系列的XC3S200E FPGA完成。其中FPGA控制模塊可以分成3個部分:控制電子開關切換單元、ADC采樣控制單元以及數據處理部分組成。圖7所示的是FPGA實現6倍過采樣的時序控制圖,其中“fosc”為系統時鐘,“convst”為ADC轉換控制信號,為低的時候ADC進行準換,“convst”的轉換時間受芯片本身所限制,AD7621完成一次轉換的時間最快需要0.33 μs時間,“byte”是高低位轉換輸出控制,實現16 bit采樣數據輸出。從圖中可以看到,每完成一個通道的數據采樣必須在512個系統時鐘內完成。信號選通以后需等待一定的時間完成信號的穩定,然后連續進行6次采樣,并將采樣后的數據緩存到FPGA內部中,在下個通道信號選通以后到信號穩定的這段時間內實現數據抽取,找出最大值和最小值,然后將剩下的4個數據進行求平均后輸出。

圖6 數據采集系統組成圖

FPGA中實現數據求和與求均值需要注意以下方面,在進行數據求和之前,需要先對數據進行位擴展,如兩個16 bit的二進制數相加的時候,需要先將其擴展成17 bit位的數據,同理4個16 bit的二進制數相加的時候,需要先將其擴展成18 bit的數據,在其高位補“0”,不然會出現數據溢出現象。由于二進制數據左移或右移即可實現乘二或除二的運算,將4個二進制數求和后的數據取前16 bit即為平均后的16 bit數據。

3 試驗測試

綜合上文中所述,利用2節7號干電池產生的穩定的直流信號源,采用了4種方法對其進行采樣,用來比較測量結果。

圖8所示的就是對兩節7號干電池串聯輸出的直流信號進行正常采樣,利用MATLAB對數據進行還原后的得到的時域波形圖,從圖中我們可以看到輸出的電壓值在圍繞在2.919 V上下波動,波動范圍大約是在2.917 V～2.922 V之間。

圖8 直流信號時域波形

圖9～圖11為分別在2倍過采樣、4倍過采樣和6倍過采樣情況下所獲取的樣本數據繪制的直方圖和高斯PDF曲線,通過MATLAB對樣本的均值、標準

差進行了計算,如表1所示。從圖中我們可以看到,隨著采樣率的提高,代碼分布的寬度變窄,且更滿足高斯分布。同時,采用比較判別以后使得輸出的效果更好。試驗結果表明,在滿足AD轉換速率的前提下,通過對采樣信號進行過采樣,隨后通過抽取和平均值濾波能夠有效提高信號的采集精度。

圖9 2倍采樣樣本直方圖

圖10 4倍采樣樣本直方圖

圖11 6倍采樣樣本直方圖

樣本總數最小值最大值平均值標準差正常采樣41568382353828738262.066.212倍過采樣41568382503828238265.042.944倍過采樣41568382443827438263.432.226倍過采樣(去掉最大、最小值)41568382573827038263.441.46

4 結論

文中針對多通道數據采集系統的結構特點,利用FPGA實現過采樣控制和數據求平均值算法。通過多次試驗表明,該方法簡單,易于硬件實現,對于多路信號采集精度的提高是一種行之有效的方法。不過文中提及的方法還是有些局限性,理論上,過采樣率越高,產生的效果越好,但在實際應用中會受到FPGA數據處理速度以及轉換芯片的轉換速度所限制,對于一個多通道的數據采集系統而言,應該選擇一個合適的過采樣系數。

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[3] 李君. 基于過采樣技術提高ADC分辨率探析[J]. 科學計算與信息處理,2010,6(3):160-162.

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AnOriginalMethodtoImprovetheAcquisitionPrecisionofMulti-ChannelDataAcquisitionSystem

ZHENGuoyong1*,WANGXiaoli2,LIHuijing1

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology ,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.JINXI Industries Group Co.,LTD,Taiyuan 030027,China)

Besides the related quantization error of ADC the actual conversion digit,the acquisition accuracy is also affected by the noise and channel signal crosstalk. In order to improve the acquisition system precision,oversampling the input signal by controlling ADC and realizing the extraction filtering and averaging algorithm for improving ADC conversion resolution within FPGA is proposed. The method is realized by using the cheap chip to achieve the precision index instead of the expensive chip,and the method is easy to implement. The histogram analysis was used to compare the collected data under different working modes. The results show that this method can reduce the measurement error of the system effectively and improve the measurement accuracy of the system.

channel signal crosstalk;acquisition precision;oversampling;extraction filtering;averaging algorithm;histogram analysis

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.029

2016-09-22修改日期2016-12-14

TN702

A

1005-9490(2017)06-1478-05

甄國涌(1971-),男,山西陽泉人,教授,碩士生導師,主要從事測試系統集成技術與應用軟件技術研究工作,zhen_gy 0124@163.com;

王曉麗(1992-),女,漢族,山西運城人,碩士研究生,主要研究領域為電路與系統,541303271@qq.com。