基于软件的拓宽数据采集仪动态范围的应用

何先龙 赵立珍 杨学山

(中国地震局工程力学研究所1，黑龙江 哈尔滨 150080;防灾科技学院2，河北 三河 065201)

基于软件的拓宽数据采集仪动态范围的应用

何先龙1赵立珍2杨学山1

(中国地震局工程力学研究所1，黑龙江 哈尔滨 150080;防灾科技学院2，河北 三河 065201)

高采样率和宽动态范围是提高数据采集仪性能的关键指标。对拓宽采集仪的动态范围的方法进行了研究，提出了基于虚拟多核数据采集技术来拓宽低位A/D芯片的动态范围的方法。此方法通过软件对A/D转换的数据进行多次重采样，间接提高了采集仪的动态范围。基于此方法和16位A/D芯片开发出了虚拟3核数据采集仪。测试结果表明此采集仪具有高采样率和宽动态范围的性能，可用于实际测试。

数据采集仪 动态范围 采样率 多重采样 虚拟多核 A/D芯片

0 引言

数据采集系统的主要功能是对模拟信号进行采集、分析、存储和显示等［1］。由于被测信号的动态范围大［2］，如汶川地震所产生的最大加速度量大于2g(g为重力加速度)［3］，因此要求数据采集系统具有足够大的动态范围［4-5］。在工程实际测试中，经常遇到被测信号幅值变化大，且在频率上变化也大的情况［6-7］。因此，数据采集系统既要有较大的动态范围，也要有较高的采样率［8］，但是现实中这两个参数往往是矛盾的。低位A/D芯片具有较高的转换速度和多通道输入等特点，高位A/D芯片具有较高的分辨率和动态范围，但采样率较低且价格昂贵［9］。

如何保证数据采集系统具有高采样率、多通道、大动态范围和低成本等特点是一个值得研究的课题。对多通道幅度变化大的信号进行采样时，需要采集仪具有足够大的动态范围，采用瞬态浮点放大器和多核数据采集技术可提高采集仪动态范围［10］，但由于增加了大量硬件器件，使采集仪的噪声变大［11］。对此，本文结合虚拟数据采集技术和多核数据采集技术，提出一种通过软件来间接提高采集仪动态范围的新方法。相比通过硬件来提高采集仪动态范围的方法，软件改变更方便且不会增加仪器噪声。

1 软件重采样公式推导

虚拟多核数据采集技术的基本思路是通过软件来提高采集系统的动态范围，其单通道数据采集流程如图1所示。

图1 单通道数据采集流程Fig.1 Process of single channel data acquisition

传统的数据采集系统是通过调节放大器的放大倍数来改变整个系统的分辨率和信噪比，但不能改变系统的动态范围。系统的动态范围由数据采集仪的A/D位数决定。因此，可提高A/D芯片的位数来拓宽采集系统的动态范围。

基于虚拟多核数据采集技术开发的采集仪的各通道如图1所示。其放大倍数固定不变，通过软件，基于一定的原则来合理筛选有效数据，然后对筛选出的数字量进行第2次采集。假设A/D为16位，连续3通道扫描采样周期为0.02 s，扫描时间长度为78 s，输入量程为-9.8～9.8 V。

考虑到仪器噪声，可假设其1通道有效分辨率为5 mV、2通道(放大 100倍)为 10 mV、3通道(放大1 000倍)为20 mV。

令输入信号为X(t)，把A/D等电路的噪声折回到A/D转换前，则可令第1、2、3通道的噪声信号分别为 n1、n2、n3，则 n1＜ n2＜ n3。令各通道信号放大后输入到A/D的1、2、3通道的信号分别为 y1(t)、y2(t)、y3(t)，则有:

令A/D转换的数字量序列为Y0，则有:

式中:n＜3 900。

令 1、2、3 通道对应的数字量序列分别为 Y1、Y2、Y3，则有:

对Y1取位于(±9.8，±0.005)的子序列，可得矩阵Y'1;对Y2取位于(±9.8，±0.01)的子序列，并除以放大倍数100，可得矩阵Y'2;对Y3取位于(±9.8，±0.02)的子序列，并除以放大倍数1 000，可得矩阵Y'3。其中，n ＜1 300。则令:

式中:xn的值为a'n在式(2)中的位置，xn-1＜xn。

把Y'1、Y'2、Y'3按照A/D转换的先后顺序合并成一个新的矩阵，即:

式中:tn为数据yn转换时对应的时间;n＜3 900。

由于剔除了一些数据，数组{y}不再是等间隔转换序列。式(3)～式(4)可理解为对A/D转换的数字量进行重采样。

为了把非等间隔数字序列变成等间隔数字序列，可构建三次样条插值函数，设Δt=0.02 s，对矩阵Y'进行第2次重采样，得矩阵Y″，则:

则数组{y'}为等间隔数字序列，长度为3 900点。对X(t)以Δt=0.02 s进行抽样，抽样时间长度为78 s，得:

令N为三次采样形成的误差矩阵，则:

2 虚拟3核数据采集仪参数测试

基于以上思路，对原有数据采集仪G01NET-1进行简单的硬件修改后，开发出虚拟3核数据采集软件。将原来的5通道、输入量程为-9.8～9.8 V、16位A/D的同步采集仪，改进成5通道的虚拟3核同步数据采集仪。仪器改进前后的噪声测试结果如表1、图2和图3所示。

图2为改进前后采集仪以10 000 Hz进行采样时的噪声波形图，图3为改进前后采集仪直接连接同一个941 B传感器、以256 Hz进行采样时的地脉动波形图。

表1 G01NET-1采集仪改进前后的噪声对比Tab.1 Comparison of the noises of G01NET-1 before and after improvement

由表1和图2可知，G01NET-1采集仪改进成虚拟3核后，在不同采样率工作下的最大噪声均方根为0.003 7 mV、峰值为0.021 mV;未改进时的最大噪声均方根为0.239 mV、峰值为2.063 mV。G01NET-1改进成虚拟3核后，采集仪的噪声和信号最小分辨率由原来的几毫伏减小为几十微伏。

按照式(9)计算采集仪的动态范围，可得G01NET-1采集仪和改进成虚拟3核采集仪后的动态范围分别为89 dB、125 dB。

由图3可得，改进后的虚拟3核数据采集仪由于分辨率相比未改进前的采集仪明显提高，因此其采集到的地脉动信号具有较高的信噪比。

3 结束语

对虚拟多核数据采集技术理论进行了论述，间接地提高了采集仪的动态范围并减小了噪声。基于此方法和5个16位A/D芯片开发出具有5个模拟量输入通道的虚拟3核数据采集仪，其动态范围达125 dB，噪声均方根减小到0.003 7 mV，最高采样率达20 000 Hz。

［1］林君，朱宝龙.数据采集系统设计需要考虑的问题［J］.石油仪器，1995，9(4):25-31.

［2］孙娴，罗桂娥.一种高精度地震勘探数据采集系统的设计与实现［J］.计算机测量与控制学报，2008，16(5):52-58.

［3］卢寿德，李小军.汶川8级地震未校正加速度记录［M］.北京:地震出版社，2009:172-180.

［4］杨乐平，李海涛，赵勇，等.LABVIEW高级程序设计［M］.北京:清华大学出版社，2003:420-432.

［5］杨乐平.LabVIEW程序设计与应用［M］.2版.北京:电子工业出版社，2001:381-408.

［6］胡敦利，徐继宁，田红芳，等.基于虚拟仪器的数据采集系统系统［J］.微机算机信息，2007，23(8):35-40.

［7］胡金华，袁湘辉，张卫，等.LabVIEW 中数据采集系统的开发应用［J］.仪表技术，2008，21(7):25-29.

［8］周怡颋，凌志浩，吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨［J］.自动化仪表，2005，26(6):5-9.

［9］梁志国，周艳丽，沈文.数据采集系统通道采集速率评价中的几个问题［J］.航空计测技术，1996，16(3):52-56.

［10］林君.浮点数据采集原理与实现技术［J］.地学仪器，1996，12(2):26-29.

［11］罗福龙.地震数据采集系统综述和展望［J］.中国石油勘探，2007，18(2):27-32.

Application of the Software Method
to Broaden the Dynamic Range of Data Acquisition Instrument

High sampling rate and wide dynamic range are the key indexes in improving the performance of data acquisition instrument.The methods to broaden the dynamic range of data acquisition instrument are researched，and the method based on virtual multi-core data acquisition technology to broaden the dynamic range of low A/D chip is proposed.Software is used in this method to multisampling the data converted by A/D，and to indirectly increase the dynamic range of the instrument.Virtual 3-core data acquisition instrument is developed based on this method and 16 bit A/D chip.The test results show that the new instrument features high sampling rate and wide dynamic range，and is feasible in practical tests.

Date acquisition instrument Dynamic range Sampling rate Multisampling Virtual multi-core A/D chip

TP274

A

中国地震局教师科研基金资助项目(编号:20090106)。

修改稿收到日期:2011-08-23。

何先龙(1981-)，男，现为中国地震局工程力学研究所在读博士研究生;主要从事工程振动测试与信号处理方面的研究。