[發明專利]一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置及方法

有效

• 申請號: 201611186850.0
• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106646287B
• 公開（公告）日: 2019-02-26
• 發明（設計）人: 伍俊;榮亮亮;邱隆清;蔣坤;裴易峰;謝曉明
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統與信息技術研究所
• 主分類號: G01R33/035
• 分類號: G01R33/035
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司 31002
• 代理人: 鄧琪;余中燕

本發明提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置及方法，該采集裝置包括：信號預處理器，其設置為接收一被測信號并對被測信號進行預處理；連接所述信號預處理器的趨勢電壓信號采集通道，其設置為采集預處理后的被測信號中的趨勢電壓信號；連接所述信號預處理器和所述趨勢電壓信號采集通道的剩余信號采集通道，其設置為采集預處理后的被測信號中除趨勢電壓信號以外的剩余信號；以及連接所述趨勢電壓信號采集通道和所述剩余信號采集通道的數字信號處理器，其設置為合成所述趨勢電壓信號和所述剩余信號以還原所述被測信號。本發明可以提高數據采集的精度，同時擴大數據采集的動態范圍，尤其是在低頻段存在大幅值趨勢電壓信號的情況下。

技術領域

本發明涉及數據采集領域，尤其涉及一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置及方法。

背景技術

超導量子干涉儀(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)是基于約瑟夫森結構構建的一種磁通電壓轉換器，也是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，在生物磁、地球物理和低場核磁共振等極微弱磁場探測領域已有眾多應用。

在SQUID應用領域，目前用于實現大動態范圍(大動態范圍指最大數與最小數的比值范圍大)磁探測的模數轉換器均采用分辨率為24位的Delta-Sigma ADC，但由于SQUID的極高靈敏度，使其在某些領域很難滿足測試信號的動態范圍要求，尤其在航空超導全張量磁梯度測量領域，因環境磁場引入的干擾要遠大于被測信號，而且其有效工作頻段為0.01Hz～10Hz，但受制濾波器的技術限制而無法有效分離干擾信號和被測信號，從而導致現有的數據采集方法無法滿足其動態范圍的測試需求。事實上，受制于目前的半導體工藝和器件，模擬信號的動態范圍要比數字信號高20dB左右，從而如何根據被測信號的特點找到間接的測量方法則是解決動態范圍的關鍵所在。

現有數據采集裝置通常由依次連接的前端運算放大器、抗混疊濾波器、模數轉換器以及數字信號處理器組成。其中前端運算放大器主要用于被測信號的放大；抗混疊濾波器則主要用于抑制被測信號在模數轉換時出現混疊現象，通常由低通濾波器來實現；模數轉換器，顧名思義，主要實現被測信號由模擬信號到數字信號的轉變；數字信號處理器則主要用于模數轉換器的控制以及數據的處理和保存。可是現有數據采集裝置因受制于目前模數轉換器的性能，其動態范圍在航空超導全張量磁梯度等測量領域，無法滿足被測對象的測試需求,尤其是那些動態范圍大，且無法單純利用濾波器有效分離大幅值和小幅值被測頻段的信號。

專利CN102761336B公布了一種超高精度模數轉換的數據采集站。如圖1所示，該數據采集站通過兩個不同增益的模數轉換單元ADU并行采集數據，然后利用數據疊加單元SU對低位轉換器和高位轉換器進行數據合成，從而解決現有勘探儀器動態范圍窄的問題。雖然該專利能提高采集的精度，但僅能解決分時出現的動態范圍問題，而對于多種被測信號同時存在的大動態范圍技術難題，通常會因為增益問題導致高位轉換器飽和，從而造成被測信號失真。比如待測信號中同時存在幅值為8V的緩變信號和0.1μV的正弦信號，如果對該待測信號按照可檢測到的不同增益直接放大進行模數轉換，則0.1μV的正弦信號在增益配置為20dB時，電壓為8V的緩變信號已經飽和，從而導致待測信號飽和而無法被檢測。

綜上所述，現有數據采集方法及裝置在SQUID應用領域，尤其是航空超導全張量磁梯度測量領域，無法滿足被測信號的動態范圍需求，極大地影響了超導磁傳感器在工業、科研和醫療領域的廣泛應用和推廣。

發明內容

為了解決現有數據采集方法在特定SQUID應用領域的局限性，本發明提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置方法，以提高數據采集的精度，同時擴大數據采集的動態范圍，尤其是在低頻段存在大幅值趨勢電壓信號的情況下。

為了實現上述目的，本發明一方面提供一種基于趨勢消除的大動態范圍數據采集裝置，包括：

信號預處理器，其設置為接收一被測信號并對被測信號進行預處理；