一种多通道模拟量采集系统及其信号串扰抑制方法与流程

1.本发明属于信号采集技术领域，尤其涉及一种多通道模拟量采集系统及其信号串扰抑制方法。


背景技术：

2.弹(机)载计算机作为现代武器系统的核心部件，常常需要对多路不同连续变化的模拟量信号进行实时采集、传输与处理，从而获取当前系统的工作状态。因此，系统对模拟量的采集路数、采集速度、采集精度、数据稳定性要求也越来越高。
3.多通道模拟量采集系统由于能够同时测量多个通道的模拟信号数据，广泛用于航空航天测试领域。目前，为了节省资源，对于多通道模拟量采集系统的设计，最常用的方法是采用模拟开关通过分时复用的原则实现，系统各模拟信号连接到模拟开关各个通道，弹(机)载计算机通过发送采样地址选通相应的模拟开关通道，进而控制模数转换器adc对该通道的模拟信号进行采集。由于模拟量数量较大，模拟开关设计时多采用级联形式；同时，为了提高采集速度，有的采集系统会采用双模数转换器adc交替采集，以满足高速采集的需求。
4.现有技术中，由于采集信号输入电压范围较高，模拟开关在通道切换时，模拟开关引脚漏电容上的电压不能及时泄放干净，导致前置通道会对后置通道产生串扰，如图1所示。其中第一路信号为0v至5v周期变化信号，第二路信号保持为0v，在实际采集测试中发现第二路信号跟随第一路信号周期性变化，最大幅值为0.3v左右，0.3v电压即为第一路信号对第二路信号的串扰。
5.多通道模拟量采集系统对模拟量的采集路数、采集速度、采集精度、数据稳定性要求较高。目前多通道模拟量采集系统的方案存在以下缺陷：
6.1、多通道模拟信号高速采集时，通道间存在串扰问题。模拟开关的输入和输出管脚存在漏电容，模拟开关工作时，输入端的模拟量信号会向该电容充电。如果模拟开关在通道切换后，且在adc采样转换前，漏电容上的电压不能及时泄放干净，就会影响到切换后的通道，即存在串扰。特别是当输入信号电压范围较大，而电容时间放电时间较长时，串扰值更大，严重影响数据采集精度；
7.2、模拟开关的漏电容是器件的固有参数，不能消除，因此不能简单从更换器件角度根本解决串扰问题；
8.3、降低模拟开关切换频率，即降低系统采集速度，延长电容的放电时间，有助于减小串扰。但是该方法牺牲了采样速度，不满足高速采集要求；
9.4、通过调理电路降低信号的输入范围，也可以减小串扰，但是为了保证采集精度，匹配选用的adc芯片的输入范围通常会比较小，这样更容易产生噪声风险，同样会影响采集精度。


技术实现要素：

10.本发明提出了一种多通道模拟量采集系统，包括由k+1个16选1的多路模拟开关构成的两级多路模拟开关、运算放大器、2个具备采样保持功能的模数转换器adc1和模数转换器adc2，以及控制器，1≤k≤15，所述两级多路模拟开关包括k个第一级多路模拟开关和1个第二级多路模拟开关，每一片多路模拟开关均预留一个通道接地，输入模拟量信号按顺序编号为signal_1～signal_n+15，n＝15*(k-1),k为第一级多路模拟开关的个数，输入模拟量信号分别接至第一级多路模拟开关的每一个通道，每一个第一级多路模拟开关的输出接至第二级多路模拟开关的输入，控制器通过对两级多路模拟开关进行地址选择和选通控制，能够控制在某一时刻只有一个通道的模拟信号传输到两级多路模拟开关的后端，信号经过两级多路模拟开关选通之后，再经过由运算放大器构成的跟随电路，提高驱动能力后，送至后级的具备采样保持功能的模数转换器adc1和模数转换器adc2进行采集。
11.进一步地，多路模拟开关的型号为gf506sz，运算放大器的型号为sx712md，模数转换器的型号为b7892，控制器的型号为hwd2v1000。
12.此外，本发明提出了一种多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法，目的是解决多通道模拟信号在高速采集时通道间存在的串扰问题，同时保证系统的采集速度和精度，提高系统的稳定性和可靠性，其包括，
13.第一步：控制器控制两级多路模拟开关切换第n个模拟量采集通道，准备采集该通道的信号电压；
14.第二步：控制器等待950ns，控制器开始读取模数转换器adc1中对n-2通道的采集结果；
15.第三步：再经过320ns，控制器控制模数转换器adc1启动n通道模拟量采集转换；
16.第四步：控制器控制两级多路模拟开关切换至第n个模拟量所在多路模拟开关的接地通道进行接地放电；
17.第五步：控制器控制两级多路模拟开关切换第n+1个模拟量采集通道，准备采集该通道的信号电压；
18.第六步：控制器等待950ns，控制器开始读取模数转换器adc2中对n-1通道的采集结果；
19.第七步：再经过320ns，控制器控制模数转换器adc2启动n+1通道模拟量采集转换；
20.第八步：控制器控制两级多路模拟开关切换至第n+1个模拟量所在多路模拟开关的接地通道进行接地放电。
21.进一步地，控制器控制两片模数转换器adc芯片，重复第一步到第八步，使两片模数转换器adc芯片工作在交替并行采集的工作状态之下。
22.进一步地，多路模拟开关的导通关断时间为400ns。
23.本发明在硬件电路设计上增加了切地通道。模拟信号通道切换时，提前控制模拟开关进行一次切地操作，通过将漏电容对地放电，消除了串扰；模拟开关的导通和关断需要时间，本发明中选择的模拟开关的导通关断时间为400ns。在控制时序的设计上，应确保adc进入保持状态后到模拟开关切换到下一模拟信号通道的时间能够满足模拟开关进行一次切地操作；当系统工作进行切地时，应选择切地前被采集模拟信号所在模拟开关的接地通道，这样电容放电最彻底，才能取得最好的串扰抑制效果。本发明还具有采集路数多、速度
快、噪声小、精度高的优点。
附图说明
24.图1为现有技术中的串扰测试结果示意图；
25.图2为多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法硬件功能框图；
26.图3多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法时序原理图；
27.图4为本发明的串扰测试结果示意图。
具体实施方式
28.为了更好地了解本发明的目的、技术方案及功能，下面结合附图1-4，对本发明一种多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法做进一步详细的描述，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
29.本发明通过改进硬件电路，在此基础上优化软件工作时序实现多通道模拟量采集的信号串扰抑制。本发明的硬件功能框图如图2所示。
30.本发明一种多通道模拟量采集系统包括由k+1个16选1的多路模拟开关构成的两级多路模拟开关、运算放大器(
④
)、2个具备采样保持功能的模数转换器adc1(
⑤
)和模数转换器adc2(
⑥
)，以及控制器(
⑦
)。
31.两级多路模拟开关(
①②③
)由k+1个16选1的多路模拟开关构成，1≤k≤15，其中
①②
为第一级多路模拟开关(第一级多路模拟开关有k个，图中以省略号表示)，
③
为第二级多路模拟开关，为1个。每一片多路模拟开关均预留一个通道接地，图2中用箭头进行了标识。输入模拟量信号按顺序编号为signal_1～signal_n+15，n＝15*(k-1),k为第一级多路模拟开关的个数，输入模拟量信号分别接至第一级多路模拟开关的每一个通道，每一个第一级多路模拟开关的输出接至第二级多路模拟开关，控制器(
⑦
)通过对两级多路模拟开关进行地址选择和选通控制，可以控制在某一时刻只有一个通道的模拟信号可以传输到两级多路模拟开关的后端。信号经过两级多路模拟开关选通之后，再经过由运算放大器(
④
)构成的跟随电路，提高驱动能力后，送至后级的具备采样保持功能的模数转换器adc1(
⑤
)和模数转换器adc2(
⑥
)进行采集。控制器(
⑦
)控制adc模数转换器的工作的启停，并读取adc的转换结果。多路模拟开关选用七四九厂的gf506sz，运算放大器选用中电24所的sx712md,adc模数转换器选用772所的b7892，控制器选用成都华微的hwd2v1000。
32.本发明利用了adc的采样保持功能，在adc开始对上一个通道的模拟信号进行数据转换时，先将多路模拟开关的通道切换至接地通道，使多路模拟开关的漏电容对地进行放电，然后再切换至下一个要采集的通道，从而消除了上一通道对下一通道的串扰影响。软件控制时序原理图见图3。
33.本发明一种多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法的工作原理如下：
34.第一步：控制器控制两级多路模拟开关切换第n个模拟量采集通道，准备采集该通道的信号电压；
35.第二步：控制器等待950ns，控制器开始读取adc1中对n-2通道的采集结果；n的取
值范围为1≤n≤n+15，特别地，当n取1时，n-2取n+14,n-1取n+15；当n取2时，n-2取n+15,n-1取1；
36.举例说明：
37.1)如：当只有1个一级模拟开关时，n取值为范围为1≤n≤15；
38.当n取1时，n-2取14，n-1取15；
39.当n取2时，n-2取15，n-1取为1；
40.2)又如：当有2个一级模拟开关时，n取值为范围为1≤n≤30；
41.当n取1时，n-2取29，n-1取30；
42.当n取2时，n-2取30，n-1取为1。
43.第三步：再经过320ns，控制器控制adc1启动n通道模拟量采集转换；
44.第四步：控制器控制两级多路模拟开关切换至第n个模拟量所在模拟开关的接地通道进行接地放电。
45.系统选用的adc为b7892，具备采样保持功能。当adc1开始进行数据转换时，adc1已经完成了采样保持，无需多路模拟开关继续保持在该通道，此时可以把多路模拟开关的通道切换至地，使漏电容对地进行放电。系统采集周期为1.95μs,当先将多路模拟开关切地进行放电，此时距离切换到下一个需要采集的模拟量通道还剩下680ns(1.95μs-950ns-320ns)，多路模拟开关切换时间最长为400ns，因此多路模拟开关由280ns的时间对地进行直接放电；
46.第五步：控制器控制两级多路模拟开关切换第n+1个模拟量采集通道，准备采集该通道的信号电压；
47.第六步：控制器等待950ns，控制器开始读取adc2中对n-1通道的采集结果；
48.第七步：再经过320ns，控制器控制adc2启动n+1通道模拟量采集转换；
49.第八步：控制器控制两级多路模拟开关切换至第n+1个模拟量所在多路模拟开关的接地通道进行接地放电。
50.控制器控制两片adc芯片，重复第一步到第八步中的动作过程，使两片adc芯片工作在交替并行采集的工作状态之下。
51.通过本发明设计的一种多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法有效解决了多通道模拟信号高速采集时通道间存在的串扰问题，如图4所示。同时，保证了模拟信号的采集精度，提高了数据采集的可靠性和稳定性。本发明可以拓展应用于其他需要对多路模拟信号进行高速采集的领域。

技术特征：
1.一种多通道模拟量采集系统，包括由k+1个16选1的多路模拟开关构成的两级多路模拟开关、运算放大器、2个具备采样保持功能的模数转换器adc1和模数转换器adc2，以及控制器，1≤k≤15，其特征在于，所述两级多路模拟开关包括k个第一级多路模拟开关和1个第二级多路模拟开关，每一片多路模拟开关均预留一个通道接地，输入模拟量信号按顺序编号为signal_1～signal_n+15，n＝15*(k-1),k为第一级多路模拟开关的个数，输入模拟量信号分别接至第一级多路模拟开关的每一个通道，每一个第一级多路模拟开关的输出接至第二级多路模拟开关的输入，控制器通过对两级多路模拟开关进行地址选择和选通控制，能够控制在某一时刻只有一个通道的模拟信号传输到两级多路模拟开关的后端，信号经过两级多路模拟开关选通之后，再经过由运算放大器构成的跟随电路，提高驱动能力后，送至后级的具备采样保持功能的模数转换器adc1和模数转换器adc2进行采集。2.根据权利要求1所述的一种多通道模拟量采集系统，其特征在于：多路模拟开关的型号为gf506sz，运算放大器的型号为sx712md，模数转换器的型号为b7892，控制器的型号为hwd2v1000。3.一种基于权利要求1所述的一种多通道模拟量采集系统的信号串扰抑制方法，其特征在于：第一步：控制器控制两级多路模拟开关切换第n个模拟量采集通道，准备采集该通道的信号电压；第二步：控制器等待950ns，控制器开始读取模数转换器adc1中对n-2通道的采集结果；第三步：再经过320ns，控制器控制模数转换器adc1启动n通道模拟量采集转换；第四步：控制器控制两级多路模拟开关切换至第n个模拟量所在多路模拟开关的接地通道进行接地放电；第五步：控制器控制两级多路模拟开关切换第n+1个模拟量采集通道，准备采集该通道的信号电压；第六步：控制器等待950ns，控制器开始读取模数转换器adc2中对n-1通道的采集结果；第七步：再经过320ns，控制器控制模数转换器adc2启动n+1通道模拟量采集转换；第八步：控制器控制两级多路模拟开关切换至第n+1个模拟量所在多路模拟开关的接地通道进行接地放电。4.根据权利要求3所述的一种多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法，其特征在于：控制器控制两片模数转换器adc芯片，重复第一步到第八步，使两片模数转换器adc芯片工作在交替并行采集的工作状态之下。5.根据权利要求3所述的一种多通道模拟量采集的信号串扰抑制方法，其特征在于：多路模拟开关的导通关断时间为400ns。

技术总结
本发明公开了一种多通道模拟量采集系统及其信号串扰抑制方法，包括由多个16选1的多路模拟开关构成的两级多路模拟开关、运算放大器、2个具备采样保持功能的模数转换器，以及控制器，每一片模拟开关均预留一个通道接地，模拟量信号分别接至两级多路模拟开关的每一个通道，控制器通过对两级多路模拟开关进行地址选择和选通控制，能够控制在某一时刻只有一个通道的模拟信号传输到两级多路模拟开关的后端，信号经过两级多路模拟开关选通之后，再经过由运算放大器构成的跟随电路，送至后级的具备采样保持功能的模数转换器进行采集。本发明解决了多通道模拟信号在高速采集时通道间存在的串扰问题，同时保证系统的采集速度和精度，提高系统的稳定性和可靠性。提高系统的稳定性和可靠性。提高系统的稳定性和可靠性。


技术研发人员：孙雪飞 秦勇 云天奇 马科研 刘敏霞 王亚凯 郑昊
受保护的技术使用者：北京计算机技术及应用研究所
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/11