[发明专利]一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置及方法

说明书

本发明提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置及方法，该采集装置包括：信号预处理器，其设置为接收一被测信号并对被测信号进行预处理；连接所述信号预处理器的趋势电压信号采集通道，其设置为采集预处理后的被测信号中的趋势电压信号；连接所述信号预处理器和所述趋势电压信号采集通道的剩余信号采集通道，其设置为采集预处理后的被测信号中除趋势电压信号以外的剩余信号；以及连接所述趋势电压信号采集通道和所述剩余信号采集通道的数字信号处理器，其设置为合成所述趋势电压信号和所述剩余信号以还原所述被测信号。本发明可以提高数据采集的精度，同时扩大数据采集的动态范围，尤其是在低频段存在大幅值趋势电压信号的情况下。

技术领域

本发明涉及数据采集领域，尤其涉及一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置及方法。

背景技术

超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)是基于约瑟夫森结构构建的一种磁通电压转换器，也是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在生物磁、地球物理和低场核磁共振等极微弱磁场探测领域已有众多应用。

在SQUID应用领域，目前用于实现大动态范围(大动态范围指最大数与最小数的比值范围大)磁探测的模数转换器均采用分辨率为24位的Delta-Sigma ADC，但由于SQUID的极高灵敏度，使其在某些领域很难满足测试信号的动态范围要求，尤其在航空超导全张量磁梯度测量领域，因环境磁场引入的干扰要远大于被测信号，而且其有效工作频段为0.01Hz～10Hz，但受制滤波器的技术限制而无法有效分离干扰信号和被测信号，从而导致现有的数据采集方法无法满足其动态范围的测试需求。事实上，受制于目前的半导体工艺和器件，模拟信号的动态范围要比数字信号高20dB左右，从而如何根据被测信号的特点找到间接的测量方法则是解决动态范围的关键所在。

现有数据采集装置通常由依次连接的前端运算放大器、抗混叠滤波器、模数转换器以及数字信号处理器组成。其中前端运算放大器主要用于被测信号的放大；抗混叠滤波器则主要用于抑制被测信号在模数转换时出现混叠现象，通常由低通滤波器来实现；模数转换器，顾名思义，主要实现被测信号由模拟信号到数字信号的转变；数字信号处理器则主要用于模数转换器的控制以及数据的处理和保存。可是现有数据采集装置因受制于目前模数转换器的性能，其动态范围在航空超导全张量磁梯度等测量领域，无法满足被测对象的测试需求,尤其是那些动态范围大，且无法单纯利用滤波器有效分离大幅值和小幅值被测频段的信号。

专利CN102761336B公布了一种超高精度模数转换的数据采集站。如图1所示，该数据采集站通过两个不同增益的模数转换单元ADU并行采集数据，然后利用数据叠加单元SU对低位转换器和高位转换器进行数据合成，从而解决现有勘探仪器动态范围窄的问题。虽然该专利能提高采集的精度，但仅能解决分时出现的动态范围问题，而对于多种被测信号同时存在的大动态范围技术难题，通常会因为增益问题导致高位转换器饱和，从而造成被测信号失真。比如待测信号中同时存在幅值为8V的缓变信号和0.1μV的正弦信号，如果对该待测信号按照可检测到的不同增益直接放大进行模数转换，则0.1μV的正弦信号在增益配置为20dB时，电压为8V的缓变信号已经饱和，从而导致待测信号饱和而无法被检测。

综上所述，现有数据采集方法及装置在SQUID应用领域，尤其是航空超导全张量磁梯度测量领域，无法满足被测信号的动态范围需求，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。

发明内容

为了解决现有数据采集方法在特定SQUID应用领域的局限性，本发明提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置方法，以提高数据采集的精度，同时扩大数据采集的动态范围，尤其是在低频段存在大幅值趋势电压信号的情况下。

为了实现上述目的，本发明一方面提供一种基于趋势消除的大动态范围数据采集装置，包括：

信号预处理器，其设置为接收一被测信号并对被测信号进行预处理；