[實用新型]高速高精度記錄儀

無效

• 申請號: 201020641842.2
• 申請日: 2010-11-30
• 公開（公告）號: CN201903917U
• 公開（公告）日: 2011-07-20
• 發明（設計）人: 黃忠;徐曉忻;丁程;周平;吳明光
• 申請（專利權）人: 浙江大學;丁程
• 主分類號: G07C3/00
• 分類號: G07C3/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 張法高

技術領域

本實用新型涉及信號采樣和存儲的記錄儀技術范疇，尤其涉及一種高速高精度記錄儀。

背景技術

通常采樣速率10KSPS(Kilo_Samples?Per?Second)以下的稱為低速數據采樣記錄儀；10KSPS～10MSPS為中速，10MSPS～100MSPS則為高速。高速數據采樣記錄儀廣泛應用在雷達、導彈、通信、聲納、遙感、地質勘探、振動工程、無損檢測、智能儀器、語音處理、激光多普勒測速、光時間域反射測量、物質光譜學與光譜測量、生物醫學工程等多個領域；研制和生產高速記錄儀的公司有：美國的SEAKR?ENGINEERING，Inc公司、Ray-theon，Inc公司、TEACAmerica，Inc.公司、法國的ALCATEL?SPACE公司、加拿大的Reach?Technologie等公司，以及國內的中電30所。高速記錄儀的設計思路主要有兩種：一種是直接采用滿足采樣速率技術指標的單片ADC(Analogue-to-DigitalConverters)芯片來實現，另一種是應用多片速率較低的ADC芯片、通過交替采樣再復合的途徑來實現。前者的優點是芯片數少、電路簡單；但高采樣速率下的高速數據在傳輸和存儲時受到記錄儀DSP(或MCU)、存儲器和其他器件速度的限制，以采樣速率100MSPS的ADC為例：相鄰采樣數據的時差僅10ns，即使采取代價不菲的技術措施，現有技術條件下記錄儀無法完全杜絕A/D數據的丟失；另一方面，高速數據因輻射產生干擾、高速變化的數字信號在傳輸過程中還帶來振鈴、反射、串擾等一系列問題，甚至布線中的小缺陷亦會降低系統的信噪比；因此單片ADC高速采樣方案有相當的技術難度，而且采購困難、價格昂貴的高速器件使記錄儀成本居高不下。后者即所謂的“時間交叉采樣模數轉換”(Black、Hedger，1980)--采用多片速率較低的ADC芯片、通過交替采樣再復合的途徑實現高速采樣，該方案是一種進行高速采樣非常有效的低成本成熟技術；缺點在于電路較復雜，多個ADC通道間的不匹配(失配)會導致采樣后的信號難以無失真的復合。“時間交叉采樣”的基本原理如下：采樣電路由M個ADC通道構成，主采樣時鐘頻率為fs/M，每個通道之間的時鐘信號有1/fs的時間延遲，這樣在一個主時鐘周期M/fs中M個通道共完成了M次采樣，系統的等效采樣速率為fs，為單通道采樣率的M倍。“時間交叉采樣”技術歷時三十年的發展，已在8bit分辨率精度的數據采樣記錄儀中獲得成功應用；因為動態范圍為50dB的8bit分辨率精度的數據采樣記錄儀，允許ADC通道之間有0.25％的增益失配和5Ps的時鐘偏移誤差，上述誤差指標在現有技術條件下不難實現。但在12/14bit精度的數據采樣記錄儀中，“時間交叉采樣”技術始終難有作為；主要障礙就在于ADC通道間的失配已超出記錄儀精度的允許范圍，而提高ADC通道間的匹配精度有賴于IC芯片材料、設計技術和制造工藝的突破。

多ADC通道間的失配包括增益失配、失調/零位(offset/zero)失配和時間失配等，目前業界的關注點是采樣數據的后處理技術--先進的濾波器組法AFB(Advanced?Filter?Bank，簡稱AFB)；AFB采用一組數字校準傳輸函數來處理每一路ADC的輸出數據，從而得到一組校準后的輸出；數字校準傳輸函數包括多種數字濾波方法(FIR、IIR等)，借助AFB可改善多ADC通道間的增益、相位和失調的匹配精度。圍繞AFB展開的探索是有益的，但存在相當的局限性：首先，AFB本質上是一種事后補救的方法，因為ADC通道間的失配造成了記錄儀采樣數據的失真，再由AFB對已失真數據進行濾波處理；其次，AFB是在某種假設條件下基于通道間失配的頻譜分布特性設計的，存在相當的局限性；最后，濾波器對失真數據的濾波是有代價的--損失采樣數據蘊含的有效信息(有時甚至是至關重要的細節信息)，AFB濾波器自然不能例外、獨善其身--濾除通道間失配所造成的失真的同時、或多或少要損失采樣數據蘊含的有效信息。因此，有必要研究一種消除ADC通道間失配負面效應的更有效的方法。迄今為止，“時間交叉采樣”的代表性研究成果如下：

1.發明專利“.計算機結構/外設互連總線高速超聲信號采樣卡”(專利號ZL00113719.0)，提出通過對進入采樣卡的時鐘信號進行移相控制，用多塊相同的采樣卡相互配合，在較低的時鐘頻率下，用高速模/數轉換芯片和存儲器在通用的計算機ISA/PCI總線上實現高速采樣。