一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法
【专利摘要】本发明提供一种宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置及方法，所述装置包括：直流/交流信号选择电路、信号衰减与补偿电路、电压跟随电路、程控放大电路、电平搬移电路以及控制器；直流/交流信号选择电路的输出端与信号衰减与补偿电路连接；信号衰减与补偿电路的输出端与电压跟随电路连接；电压跟随电路的输出端与程控放大电路连接；程控放大电路的输出端与电平搬移电路连接；电平搬移电路将本宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置处理后的前端模拟信号输出至与其连接的多通道AD转换器进行采样处理。控制器的输出端通过输出控制信号控制各个模块的运行。本发明可以处理频率为直流到100Mhz、幅度为0到200V的模拟信号的调理。
【专利说明】一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力【技术领域】，尤其涉及一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法。
【背景技术】
[0002]对于光纤传感【技术领域】，比较重要的两种技术是光源技术与光信号采集技术。在光信号采集技术中，需要采集的光信号主要分为两种:光干涉信号与光散射信号，其中光干涉信号经过光电转换后，转换出的电信号频率较低，采用低速电路去处理即可；光散射信号经过光电转换后，转换出的电信号频率高，需要高速电路去处理。
[0003]由于现在模数(AD)采样的技术已经非常成熟，对于不同频率的信号特征，可以选用不同的AD转换器去处理。
[0004]但是现有技术的AD采样技术的难点在于对AD采样前端模拟信号的处理，也就是整个数据采集系统的前端模拟信号的处理，这直接决定了后级AD采样的数据的精确度。
[0005]现有技术中没有能对AD采样前端模拟信号进行高精度处理的技术。
【发明内容】
[0006]本发明要解决的技术问题在于，提供一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理技术，尤其是一种可以处理频率为直流到lOOMhz、幅度为O到200V的模拟信号的调理技术。
[0007]为解决上述技术问题，本发明所采用的方案是:
一种宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置，包括:直流/交流信号选择电路、信号衰减与补偿电路、电压跟随电路、程控放大电路、电平搬移电路以及控制器；
所述直流/交流信号选择电路的输出端与所述信号衰减与补偿电路连接；所述信号衰减与补偿电路的输出端与所述电压跟随电路连接；所述电压跟随电路的输出端与所述程控放大电路连接；所述程控放大电路的输出端与所述电平搬移电路连接；
所述电平搬移电路将本宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置处理后的前端模拟信号输出至与其连接的多通道AD转换器进行采样处理。
[0008]所述控制器的输出端与所述直流/交流信号选择电路、信号衰减与补偿电路、电压跟随电路、程控放大电路、电平搬移电路连接，通过输出控制信号控制其运行。
[0009]其中，所述直流/交流信号选择电路由电容Cl与继电器REl组成；继电器REl具有1-4号引脚，其中I号引脚为控制端，该I号引脚通过一个电阻R13与所述控制器的IO口相连接，连接点为CH1_A⑶C。
[0010]其中，所述信号衰减与补偿电路由并联的固定电容C2和可调电容C2*，以及并联的固定电容C3和可调电容C3*，以及电阻Rl、R2、R3、R4、和继电器TQ2-5V组成，所述继电器TQ2-5V的具有1-10号引脚，其中10号引脚为控制端，通过一 PNP型三极管Ql与所述控制器相连接，连接点为CH1_ATT。
[0011]其中，所述电压跟随电路采用高精度、高速、高输入阻抗的轨对轨运算放大器U5AD8065 ；
所述程控放大电路采用指程控放大器AD603 ；
所述电平搬移电路由运算放大器U7与连接它的阻容器件组成。
[0012]本发明另一方面提供一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其基于前述的宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置实现，包括:
接收前端模拟信号；
所述直流/交流信号选择电路在所述控制器的控制下对所述前端模拟信号进行耦合处理；
经所述直流/交流信号选择电路耦合的前端模拟信号进入所述信号衰减与补偿电路进行信号衰减处理和补偿处理，得到高内阻的衰减信号以满足所述电压跟随电路对于输入电压的要求；
所述高内阻的衰减信号输入至所述电压跟随电路，该电压跟随电路对输入的高内阻的衰减信号进行阻抗变换，输出小内阻的前端模拟信号至所述程控放大电路；
所述程控放大电路对输入其中的前端模拟信号进行放大处理后得到一双极性信号；所述电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号后输出至与所述宽带数据采集系统前端模拟信号处理连接的多通道AD转换器进行采样处理。
[0013]其中，所述直流/交流信号选择电路在所述控制器的控制下对所述前端模拟信号进行耦合处理的步骤，包括:
所述控制器发送一电平信号控制所述直流/交流信号选择电路的继电器REl的开合；所述继电器REl闭合时，所述直流/交流信号选择电路处于直流耦合方式并采用直流耦合方式对所述前端模拟信号进行耦合处理；
所述继电器REl打开时，所述直流/交流信号选择电路处于交流耦合方式并采用交流耦合方式对所述前端模拟信号进行耦合处理。
[0014]其中，经所述直流/交流信号选择电路耦合的前端模拟信号进入所述信号衰减与补偿电路进行信号衰减处理的步骤包括:
当将所述信号衰减与补偿电路的衰减倍数默认设置为衰减2倍；
所述进入信号衰减与补偿电路的前端模拟信号为N，当该前端模拟信号N为峰峰值小于IOV的信号时，默认其衰减2倍，衰减处理后的前端模拟信号为N* (R2+R3+R4) /(R1+R2+R3+R4) =1/2*N ;当该前端模拟信号N为峰峰值在10疒400V之间的信号时，默认其衰减50倍，衰减处理后的前端模拟信号为N*R4/ R1+R2+R3+R4=1/50*N。
[0015]其中，所述程控放大电路对输入其中的前端模拟信号进行放大处理后得到一双极性信号的步骤，包括:
通过一双路12位DA转换器产生一电压信号；
将该电压信号输入至在所述程控放大电路的输入端，以控制该程控放大电路以与该电压信号相应的放大倍数对所述前端模拟信号进行放大处理得到一双极性信号。
[0016]其中，所述电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号的步骤，包括: 通过所述双路12位DA转换器产生另一电压信号；
将该电压信号输入至在所述电平搬移电路的输入端，以控制该电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号。[0017]与现有技术相比，本发明的宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法具有以下有益效果:
本发明提供的宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法，可以处理频率为直流到lOOMhz、幅度为O到200V的前端模拟信号，为对前端模拟信号进行采样提供了保证，大幅度提高了对前端模拟信号进行采样的精度和准确性。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019]图1是本发明的宽带数据采集系统前端模拟信号的调理装置实施例一的结构示意图。
[0020]图2是本发明的宽带数据采集系统前端模拟信号的调理装置实施例二的结构示意图。
[0021]图3是本发明的宽带数据采集系统前端模拟信号的调理方法实施例一的流程示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了解决以上现有技术中存在的无法对前端模拟信号进行处理难题，本发明提出了一种宽带数据采集系统前端模拟信号的调理装置及方法，可以同时应用于干涉信号与散射信号的处理，还可以拓宽到其他信号采集【技术领域】相关模拟信号的处理。可以处理的模拟信号的频率从直流到lOOMhz、幅度为-200V到200V。
[0023]如图1所示，本发明提供的一种宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置，该装置用于对前端模拟信号进行调理后，输入至于其连接的多通道AD转换器进行AD采样处理，其具体包括:
直流/交流信号选择电路10、信号衰减与补偿电路11、电压跟随电路12、程控放大电路13、电平搬移电路14以及控制器15 ；
所述直流/交流信号选择电路10的输出端与所述信号衰减与补偿电路11连接；所述信号衰减与补偿电路11的输出端与所述电压跟随电路12连接；所述电压跟随电路12的输出端与所述程控放大电路13连接；所述程控放大电路13的输出端与所述电平搬移电路14连接；
所述电平搬移电路14将本宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置处理后的前端模拟信号输出至与其连接的多通道AD转换器2进行采样处理。
[0024]所述控制器15的输出端与所述直流/交流信号选择电路10、信号衰减与补偿电路
11、电压跟随电路12、程控放大电路13、电平搬移电路14连接，通过输出控制信号控制其运行。
[0025]具体实现中，如图2所示:
所述直流/交流信号选择电路由电容Cl与继电器REl组成；继电器REl具有1-4号引脚，其中I号引脚为控制端，该I号引脚通过一个电阻R13与所述控制器(图未示)的IO 口相连接，连接点为CH1_A⑶C。
[0026]而所述信号衰减与补偿电路由并联的固定电容C2和可调电容C2*，以及并联的固定电容C3和可调电容C3*，以及电阻Rl、R2、R3、R4、和继电器TQ2-5V组成，所述继电器TQ2-5V的具有1-10号引脚，其中10号引脚为控制端，通过一 PNP型三极管Ql与所述控制器(图未示)相连接，连接点为CH1_ATT。
[0027]其中，所述电压跟随电路采用高精度、高速、高输入阻抗的轨对轨运算放大器U5AD8065 ;所述程控放大电路采用指程控放大器AD603 ;所述电平搬移电路由运算放大器U7与连接它的阻容器件组成。
[0028]本发明另一方面提供一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其基于前述的宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置实现，如图3所示，其具体步骤包括:
步骤100，接收前端模拟信号；
步骤101，所述直流/交流信号选择电路在所述控制器的控制下对所述前端模拟信号进行耦合处理；
具体实现中，所述直流/交流信号选择电路在所述控制器的控制下对所述前端模拟信号进行耦合处理的步骤，包括:
所述控制器发送一电平信号控制所述直流/交流信号选择电路的继电器REl的开合；所述继电器REl闭合时，所述直流/交流信号选择电路处于直流耦合方式并采用直流耦合方式对所述前端模拟信号进行耦合处理；
所述继电器REl打开时，所述直流/交流信号选择电路处于交流耦合方式并采用交流耦合方式对所述前端模拟信号进行耦合处理。
[0029]步骤102，经所述直流/交流信号选择电路耦合的前端模拟信号进入所述信号衰减与补偿电路进行信号衰减处理和补偿处理，得到高内阻的衰减信号以满足所述电压跟随电路对于输入电压的要求；
具体实现中，该步骤包括:
当将所述信号衰减与补偿电路的衰减倍数默认设置为衰减2倍；
所述进入信号衰减与补偿电路的前端模拟信号为N，当该前端模拟信号N为峰峰值小于IOV的信号时，默认其衰减2倍，衰减处理后的前端模拟信号为N* (R2+R3+R4) /(R1+R2+R3+R4) =1/2*N ;当该前端模拟信号N为峰峰值在10疒400V之间的信号时，默认其衰减50倍，衰减处理后的前端模拟信号为N*R4/ R1+R2+R3+R4=1/50*N。
[0030]步骤103，所述高内阻的衰减信号输入至所述电压跟随电路，该电压跟随电路对输入的高内阻的衰减信号进行阻抗变换，输出小内阻的前端模拟信号至所述程控放大电路；
步骤104，所述程控放大电路对输入其中的前端模拟信号进行放大处理后得到一双极性信号；
具体实现中，该步骤包括:
通过一双路12位DA转换器产生一电压信号；
将该电压信号输入至在所述程控放大电路的输入端，以控制该程控放大电路以与该电压信号相应的放大倍数对所述前端模拟信号进行放大处理得到一双极性信号。
[0031]步骤105，所述电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号后输出至与所述宽带数据采集系统前端模拟信号处理连接的多通道AD转换器进行采样处理。
[0032]具体实现中，该步骤包括:
通过所述双路12位DA转换器产生另一电压信号；
将该电压信号输入至在所述电平搬移电路的输入端，以控制该电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号。
[0033]以下将结合图2详细说明本发明提供的宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置进行信号调理的方法实现过程。
[0034]首先，前端模拟信号通过BNC接头连接到宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置中，控制器(具体可为FPGA或者ARM处理器)通过连接端CH1_A⑶C发送一电平信号来控制继电器REl的开合。当继电器REl闭合时，则选了直流耦合方式；当继电器REl打开时，则选择了交流耦合方式。
[0035]随后，经耦合处理的前端模拟信号进入信号衰减与补偿电路，进入的前端模拟信号默认衰减2倍，记信号为N，则经过衰减与补偿网络的信号为N* (R2+R3+R4) /(R1+R2+R3+R4) =1/2*N。
[0036]当峰峰值小于IOV的信号进入的时候，按照默认的衰减2倍；当峰峰值在10疒400V之间的信号进来时则衰减约50倍，N*R4/ R1+R2+R3+R4=1/50*N。这样经过衰减处理的前端模拟信号则可满足下一级电压跟随电路对于输入电压的要求(具体幅值为-5V到+5V)。
[0037]同时由于信号的衰减作用使得高速输入的前端模拟信号，如方波信号的边沿变缓，所以信号衰减与补偿电路采用补偿的办法将R1、R2、R3做并联电容处理，同时为了达到最优化的效果，电容采用固定容值电容与可调电容并联的方式，如图中的C2与C2*、C3与C3*，这样方便调整信号的边沿，直至让方波信号边沿变的陡峭为止。
[0038]这样，高速的前端模拟信号通过衰减与补偿网络后，将前端模拟信号的损耗降到了最低。经过衰减与补偿网络的前端模拟信号进入电压跟随电路。该电压跟随电路由电压跟随器AD8065组成。电压跟随器AD8065为一种高精度、高速、高输入阻抗的轨对轨运算放大器，对输入的高内阻的衰减信号进行阻抗变换，经其I号引脚输出的信号内阻很小，然后进入到程控放大电路。
[0039]程控放大电路的主要核心器件为AD603，在其连接端CH1_VAMP输入一电压信号，可以控制输入信号的放大倍数，其中电压信号是通过一个双路12位DA转换器TLV5618产生，可以对电压信号进行精确、细微步进的控制，从而精确控制AD603对输入信号的放大倍数。具体实现中，放大倍数根据实际需要进行设定。
[0040]DA转换器TLV5618通过SPI接口与控制器连接，控制器内部将需要控制的电压做成一查找表的形式输出给AD转换器用以设定AD输出电压。
[0041]需要说明的是，经过程控放大的信号是一双极性信号，因为大部分的AD转换器需要单极性信号，因此需要叠加一个直流电平信号用以转换成单极性信号，将双极性信号转换成单极性信号的功能由电平搬移电路完成。
[0042]在电平搬移电路的连接端CH1_VP0S输入一电压信号，可以实现双极性信号与单极性信号的转换。这一电压信号同样由双路DA转换器TLV5618实现，实现原理同控制程控放大器的方法。[0043]经过电平搬移电路将双极性信号转换为单极性信号之后，对前端模拟信号调理完毕。调理完毕的信号通过AD_CH1端输出，供给多通道AD采样电路(图中未有标出)进行采样处理。
[0044]与现有技术相比，本发明的宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法具有以下有益效果:
本发明提供的宽带数据采集系统前端模拟信号调理装置及方法，可以处理频率为直流到lOOMhz、幅度为O到200V的前端模拟信号，为对前端模拟信号进行采样提供了保证，大幅度提高了对前端模拟信号进行采样的精度和准确性。
[0045]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置，其特征在于，包括:直流/交流信号选择电路、信号衰减与补偿电路、电压跟随电路、程控放大电路、电平搬移电路以及控制器； 所述直流/交流信号选择电路的输出端与所述信号衰减与补偿电路连接；所述信号衰减与补偿电路的输出端与所述电压跟随电路连接；所述电压跟随电路的输出端与所述程控放大电路连接；所述程控放大电路的输出端与所述电平搬移电路连接； 所述电平搬移电路将本宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置处理后的前端模拟信号输出至与其连接的多通道AD转换器进行采样处理； 所述控制器的输出端与所述直流/交流信号选择电路、信号衰减与补偿电路、电压跟随电路、程控放大电路、电平搬移电路连接，通过输出控制信号控制其运行。
2.如权利要求1所述的宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置，其特征在于，所述直流/交流信号选择电路由电容Cl与继电器REl组成；继电器REl具有1-4号引脚，其中I号引脚为控制端，该I号引脚通过一个电阻R13与所述控制器的IO 口相连接，连接点为 CH1_ACDC。
3.如权利要求1所述的宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置，其特征在于，所述信号衰减与补偿电路由并联的固定电容C2和可调电容C2*，以及并联的固定电容C3和可调电容C3*，以及电阻Rl、R2、R3、R4、和继电器TQ2-5V组成，所述继电器TQ2-5V的具有1-10号引脚，其中10号引脚为控制端，通过一 PNP型三极管Ql与所述控制器相连接，连接点为 CH1_ATT。
4.如权利要求1所述的宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置，其特征在于，所述电压跟随电路采用高精度、高速、高输入阻抗的轨对轨运算放大器U5 AD8065 ；· 所述程控放大电路采用指程控放大器AD603 ； 所述电平搬移电路由运算放大器U7与连接它的阻容器件组成。
5.一种宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其基于权利要求1至4中任一项所述的宽带数据采集系统前端模拟信号的处理装置实现，其特征在于，包括: 接收前端模拟信号； 所述直流/交流信号选择电路在所述控制器的控制下对所述前端模拟信号进行耦合处理； 经所述直流/交流信号选择电路耦合的前端模拟信号进入所述信号衰减与补偿电路进行信号衰减处理和补偿处理，得到高内阻的衰减信号以满足所述电压跟随电路对于输入电压的要求； 所述高内阻的衰减信号输入至所述电压跟随电路，该电压跟随电路对输入的高内阻的衰减信号进行阻抗变换，输出小内阻的前端模拟信号至所述程控放大电路； 所述程控放大电路对输入其中的前端模拟信号进行放大处理后得到一双极性信号； 所述电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号后输出至与所述宽带数据采集系统前端模拟信号处理连接的多通道AD转换器进行采样处理。
6.如权利要求5所述的宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其特征在于，所述直流/交流信号选择电路在所述控制器的控制下对所述前端模拟信号进行耦合处理的步骤，包括:所述控制器发送一电平信号控制所述直流/交流信号选择电路的继电器REl的开合； 所述继电器REl闭合时，所述直流/交流信号选择电路处于直流耦合方式并采用直流耦合方式对所述前端模拟信号进行耦合处理； 所述继电器REl打开时，所述直流/交流信号选择电路处于交流耦合方式并采用交流耦合方式对所述前端模拟信号进行耦合处理。
7.如权利要求5所述的宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其特征在于，经所述直流/交流信号选择电路耦合的前端模拟信号进入所述信号衰减与补偿电路进行信号衰减处理的步骤包括: 当将所述信号衰减与补偿电路的衰减倍数默认设置为衰减2倍； 所述进入信号衰减与补偿电路的前端模拟信号为N，当该前端模拟信号N为峰峰值小于IOV的信号时，默认其衰减2倍，衰减处理后的前端模拟信号为N* (R2+R3+R4)/(R1+R2+R3+R4) =1/2*N ;当该前端模拟信号N为峰峰值在10疒400V之间的信号时，默认其衰减50倍，衰减处理后的前端模拟信号为N*R4/ R1+R2+R3+R4=1/50*N。
8.如权利要求5所述的宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其特征在于，所述程控放大电路对输入其中的前端模拟信号进行放大处理后得到一双极性信号的步骤，包括: 通过一双路12位DA转换器产生一电压信号； 将该电压信号输入至在所述程控放大电路的输入端，以控制该程控放大电路以与该电压信号相应的放大倍数对所述前端模拟信号进行放大处理得到一双极性信号。
9.如权利要求5所述的宽带数据采集系统前端模拟信号调理方法，其特征在于，所述电平搬移电路将所述双极性信号转换成`单极性信号的步骤，包括: 通过所述双路12位DA转换器产生另一电压信号； 将该电压信号输入至在所述电平搬移电路的输入端，以控制该电平搬移电路将所述双极性信号转换成单极性信号。
【文档编号】H03M1/54GK103825617SQ201410070664
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年2月28日 优先权日:2014年2月28日
【发明者】田杰, 王同志, 余鹏, 姚森敬, 谭王坚, 巨林 申请人:深圳供电局有限公司, 上海华魏光纤传感技术有限公司