[发明专利]一种低成本高精度嵌入式信号采集分析系统和方法

说明书

一种信号采集分析系统及方法，包括：主控制器、数据转换器ADC、频率测量单元等。其中主控制器包括主控制单元、辅助控制单元、逻辑门阵列，逻辑门阵列负责驱动ADC、测量并计算被测信号频率，主控单元负责人机交互及与辅助控制单元、上位机通信。其特征在于：逻辑门阵列及前端电路能精确测量信号频率，在信号频率已知的情况下主控能较精确计算出信号幅值，辅助控制单元能扩展主控的其他低速需求。

技术领域

本发明涉及一种信号采集方法和系统，尤其涉及一种交流电信号的高精度采集方法和采集系统。

背景技术

各类通用性仪表的设计，尤其是高精度电学仪器设备的设计过程中，数据采集一直是不可或缺的一环，数据采集系统的指标直接影响了所设计的仪表、传感器的技术指标。目前在仪表的设计和通用信号的幅频特性测试过程中，其信号采集及显示一般采用示波器，而一般示波器的垂直分辨力为8位、内置计数器分辨力为6位，这就难以满足高精度仪表的设计需求，而垂直分辨力或频率指标较高的专用示波器的价格在普通示波器基础上会成几何量的增加，这就对低成本、高精度的信号采集方法提出了迫切的需求。

通常为了满足高精度的要求，需要采用更为高级的芯片和处理电路，这样就会使成本非常高昂。因此，如何采用低成本的硬件电路、配合高精度的采样算法，降低采样系统对硬件条件的需求、同时提高系统处理能力、加快处理速度是目前的一个急需的技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种信号采集分析系统，包括：主控制器、数据转换器ADC，其特征在于：还包括测频模块，其中主控制器包括主控制单元、辅助控制单元、逻辑门阵列，逻辑门阵列负责驱动ADC、测量并计算被测信号频率，主控单元负责人机交互及与辅助控制单元、上位机通信其中：逻辑门阵列及前端电路能精确测量信号频率，在信号频率已知的情况下主控制单元能精确计算出信号幅值，辅助控制单元能扩展主控制单元的其他低速需求，其中所述系统的工作过程包括：a)测频模块将被测信号进行处理，调整为逻辑门阵列的输入输出单元(IO)输入范围能的晶体管-晶体管逻辑(TTL)电平；由逻辑门阵列内部的等精度测频模块测量并计算出被测信号的精确频率值，并上传至主控制单元；作为快速傅里叶变换所得频谱计算幅值的参考频率；b)逻辑门阵列驱动数据转换器对测量数据进行数据转换，配合前端电路测量并计算出被测信号频率值，并将数据发送给主控制单元；c)主控制单元对被测信号的进行加窗、快速傅里叶变换计算进而得到该信号的频谱，计算出信号的幅度。

进一步地，其特征在于：所述步骤c)的具体实现如下，将频谱内最大的幅值所对应的频率标号乘以频率分辨率，可得到与被测信号频率差最小的分辨率频率值。通过比较测频模块所得频率值与FFT(快速傅里叶变换)计算得出的频率，可确定频谱上的被测信号频率在该分辨率频率的左旁瓣还是右旁瓣，同时与得到的次最大幅度值作为对比验证，在确定信号频谱的分辨率频率范围内后即可以通过内差法得到该频率点处的更精确的幅度值。

进一步地，其特征在于：所述系统还包括通信模块、外围扩展模块、触摸显示屏，主控制单元Core1通过通信模块可与远程终端连接，可与系统内的触控显示屏进行交互；辅助控制单元Core2可通过外围扩展模块与外围其他电路连接。

进一步地，其特征在于：逻辑门阵列内部具有IP，在所述a)步骤中，通过调用IP核生成抗混叠数字滤波器，滤掉2倍采样频率以上及FFT(快速傅里叶变换)窗配置过程中的无效旁瓣频率的无用信号。

进一步地，其特征在于：测频模块内的波形处理电路包括同向比例放大电路、限幅电路、滤波放大电路、施密特触发器；被测信号先经同向比例放大电路，随后经过限幅电路将1～12V的信号限制在0.7V以下，再经过后级滤波放大后输入迟滞比较器转换成方波，此时信号幅值范围满足可编程逻辑门阵列(FPGA)的IO输入范围。