一种多通道扫描采集动态校准系统
技术领域
本实用新型属于测试测量技术领域，尤其涉及一种多通道扫描采集动态校准系统。
背景技术
对调理电路选用低温漂电阻可以很好地保证电路的直流和低频段的增益性能，可以在一定程度上减小系统的增益温漂问题。然而对于多路模拟采集系统来说，虽然每个输入信号都是低频缓变信号(信号变化频率<10kHz)，但是经过多路选择器的高速切换，实际进入调理电路的信号频率远高于每个输入信号的频率。假设输入通道数目为N，每通道输入信号的最大频率为fmax，那么经过多路选择器后的实际信号频率为N*fmax。通道数量越多，该信号频率越高。对于常用的32通道采集系统，调理通道输入信号的频率将达到320kHz。此时，调理电路的中频段增益特性将会影响系统的温漂性能。在中频段时，调理电路的增益温漂将更多的受到滤波电路电容的影响。而对一般电容器件来说，其温漂性能一般在10％-20％左右，达不到电阻的温漂性能。因此，仅仅靠采用低温漂电阻的方式，很难保证调理电路在中频段的增益温漂性能。
对于根据环境温度变化进行外部重新校准的方式，虽然可以对环境温度变化导致的增益温漂重新校准，但是这种校准方法的实时性较差，当采集系统环境动态变化时，无法实时感知并完成校准。同时，如果要完成校准，还需要断开系统的信号输入，接入校准源，然后再完成校准，因此也会影响系统的连续工作。
实用新型内容
本实用新型提供一种多通道扫描采集动态校准系统，旨在解决当采集系统环境动态变化时，无法实时感知并完成校准。同时，如果要完成校准，还需要断开系统的信号输入，接入校准源，然后再完成校准，因此也会影响系统的连续工作问题。
本实用新型是这样实现的，一种多通道扫描采集动态校准系统，包括多路选择器、可编程增益放大器和低通滤波器，所述可编程增益放大器的输入端和输出端分别连接于所述多路选择器和低通滤波器，用于对模拟信号的切换、放大以及低通滤波，还包括电压信号源模块和处理模块，所述电压信号源模块连接于所述多路选择器的输入端，用于对所述电压信号源模块内部的两路信号的实施扫描和采集，所述处理模块连接于所述低通滤波器的输出端，用于对模拟信号的校准计算。
优选的，所述电压信号源模块包括参考电压模块和接地信号模块，所述参考电压模块和接地信号模块均连接于所述多路选择器的输入端。
优选的，所述处理模块包括模数转换器和FPGA，所述模数转换器分别与低通滤波器和所述FPGA相连接，用于对低通滤波后的模拟信号进行数字转换；所述FPGA用于信号的切换控制和模数转换器数据的读取。
优选的，处理模块还包括MCU，所述FPGA和MCU相连接，用于实时接收所述FPGA读取的转换数据。
优选的，还包括显示器和移动终端，所述显示器和移动终端均与所述MCU 相连接，用于处理后的信号数据发送以及工作人员的接收观看。
优选的，所述移动终端可为手机、笔记本电脑以及平板电脑。
优选的，所述MCU包括用于信号发送的信号发送模块，所述MCU通过信号发送模块与所述显示器和移动终端相连接。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型的一种多通道扫描采集动态校准系统，通过在多路选择器的输入端增加电压信号源模块，其电压信号源包括两路低温漂标准信号源，处理模块实时扫描并采集两路标准信号，然后将采集电压与标准信号源电压进行计算得到系统的温漂校准系数，将该校准系数实时应用于采集系统，从而完成采集系统的动态校准，该方法形式简单，比传统的定期校准法更加实时、经济和便捷。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图；
图中：1、电压信号源模块；11、参考电压模块；12、接地信号模块；2、多路选择器；3、可编程增益放大器；4、低通滤波器；5、模数转换器；6、FPGA； 7、MCU；71、信号发送模块；8、显示器；9、移动终端。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1，本实用新型提供一种技术方案：一种多通道扫描采集动态校准系统，包括多路选择器2、可编程增益放大器3和低通滤波器4，可编程增益放大器3的输入端和输出端分别连接于多路选择器2和低通滤波器4，用于对模拟信号的切换、放大以及低通滤波，还包括电压信号源模块1和处理模块，电压信号源模块1连接于多路选择器2的输入端，用于对电压信号源模块1内部的两路信号的实施扫描和采集，处理模块连接于低通滤波器4的输出端，用于对模拟信号的校准计算。
在本实施方式中，动态校准指的是在多路选择器2的输入端增加电压信号源模块1，且电压信号源模块1包括参考电压模块11和接地信号模块12，且参考电压模块11为低温漂参考电压源Vref，接地信号模块12为接地信号GND，低温漂参考电压源Vref和接地信号GND组成两种低温漂标准信号源，采集系统实时扫描并采集两路标准信号，然后将MCU7(型号为ARM9微处理器)读取到的采集电压与标准信号源电压进行计算得到系统的温漂校准系数，将该校准系数实时应用于采集系统，从而完成采集系统的动态校准，选用低温漂参考电压源作为Vref，选用接地(GND)作为零电压标准信号源。
下面描述多路模拟采集系统在接入两路标准信号源之后实现动态校准的工作流程：
采用高精度数字万用表在实验室环境下测量参考电压源Vref的电压值，记为Vr。由于该参考电压源为低温漂电压源，在环境温度变化时，该电压源的温漂误差很小(通常小于0.01％)，因此可以认为在环境温度变化时，该参考电压源的理论电压仍然为Vr。
另一个标准信号源为GND，即接地信号。因此，无论环境温度如何变化，该标准信号的理论电压始终为0V。
由于多路选择器2、可编程增益放大器3、低通滤波器4、模数转换器5均为线性器件，因此多通道扫描采集系统得到的采集电压Vout与输入模拟信号真实电压Vin之间满足线性关系，即：
Vout＝k*Vin+b (1)
由于所有通道共用一个调理电路及模数转换器5，因此k和b即为该扫描采集系统的校准系数。当采集系统读取到第n通道的电压值Vout_n时，由k 和b即可计算得到当前通道的真实输入电压；
Vin_n＝(Vout_n–b)/k (2)
在室温环境T0下，多通道输入模拟信号与两路标准信号源开始正常扫描采集，参考电压源Vr通道经过采集系统量化后得到电压为Vrt0；GND通道经过采集系统量化后得到电压为Vgt0，从而得到T0温度下采集系统的校准系数为：
k0＝(Vrt0-Vgt0)/Vr (3)
b0＝Vgt0 (4)
k0和b0即为室温环境T0下采集系统的校准系数，其余输入通道通的真实电压可以由k0和b0根据公式(2)实时计算得到。
当环境温度为T1时，多通道模拟采集系统工作流程同步骤3。参考电压源 Vr通道经过采集系统量化后得到电压为Vrt1；GND通道经过采集系统量化后得到电压为Vgt1，从而得到T1温度下采集系统的校准系数为k1＝(Vrt1-Vgt1)/Vr，b1＝Vgt1。k1和b1即为室温环境T1下采集系统的校准系数，其余输入通道通的真实电压可以由k1和b1根据公式(2)实时计算得到。
因为每次扫描采集过程中都会对两路标准信号源进行采集并转换，因此可以在MCU7中实时计算得到当前温度条件下该采集系统的校准系数，从而利用公式(2)可以计算得到经过温度补偿校准后所有输入通道的真实电压值。通过该过程即可完成对采集系统温度漂移的实时补偿，使得该系统在环境温度变化时仍然保证数据采集精度。
首先在室温环境25℃下，利用板载两路标准信号源完成采集系统的校准，得到25℃温度下的校准系数，输入测试信号位于第0通道，信号幅度为 3.1253V的直流信号，未校准时MCU7读取该通道电压为3.0783V，采用25 ℃的校准系数后，该通道电压为3.1247V，与输入信号误差为600uV。然后将环境温度升高至45℃，输入信号保持不变，测试MCU7读取未校准电压为 3.0731V，幅度减小约5mV，如果继续采用25℃时的校准系数，此时校准后该通道电压为3.1227V，与输入信号误差为2.6mV；如果采用45℃时的实时校准系数，该通道电压值为3.1245V，电压误差为800uV。可见相对于固定校准系数，测量精度提升1.8mV。将环境温度降低至5℃，输入电压保持不变，此时未校准电压变化更大，达到3.0932V。如果仍然采用25℃时的固定校准系数，则校准后电压值为3.1315V，电压误差仍然有6.2mV；如果改为5℃时的实时校准系数，则动态校准后电压值为3.1262V，电压误差降低至900uV。
由此可见，多通道扫描采集系统在环境温度发生变化时，其增益系数会发生明显的温度漂移，而且在不同温度段呈现非线性特性。如果采用固定校准系数，由于无法实时补偿温度变化对增益的影响，导致系统的残留误差仍然较大。如上述测试，在低温5℃时，采用固定校准系数的残留误差达到6.2mV，相对输入信号的比例达到0.2％。采用动态实时校准后，测量误差保持在1mV以内，相对输入信号比例约为0.05％。可见，采用动态校准方法，可以实时补偿环境温度的影响，使得采集系统在较大的温度范围内保持很好的测量精度。
进一步的，电压信号源模块1包括参考电压模块11和接地信号模块12，参考电压模块11和接地信号模块12均连接于多路选择器2的输入端。
在本实施方式中，在多路选择器2的输入端增加电压信号源模块1，且电压信号源模块1包括参考电压模块11和接地信号模块12，且参考电压模块11 为低温漂参考电压源Vref，接地信号模块12为接地信号GND，低温漂参考电压源Vref和接地信号GND组成两种低温漂标准信号源。
进一步的，处理模块包括模数转换器5和FPGA6，模数转换器5分别与低通滤波器4和FPGA6相连接，用于对低通滤波后的模拟信号进行数字转换； FPGA6用于信号的切换控制和模数转换器5数据的读取。处理模块还包括 MCU7，FPGA6和MCU7相连接，用于实时接收FPGA6读取的转换数据。
在本实施方式中，在使用的过程中，多路选择器2用于实现对多路模拟信号的扫描切换，切换信号由FPGA6产生，随后通过可编程增益放大器3用于对多路选择器2的输出信号进行放大，其增益可以根据输入信号的范围由FPGA6 产生相应的控制信号来实现，同时，在低通滤波器4的作用下对模拟信号进行低通滤波，滤波有效信号带宽之外的噪声，并随之将模拟信号发送至模数转换器5中，并对滤波后的模拟信号进行数字转换，从而得到采集数据，随后通过 FPGA6对数据进行读取，并发送至MCU7中。
进一步的，还包括显示器8和移动终端9，显示器8和移动终端9均与MCU7 相连接，用于处理后的信号数据发送以及工作人员的接收观看；移动终端9可为手机、笔记本电脑以及平板电脑；MCU7包括用于信号发送的信号发送模块 71，MCU7通过信号发送模块71与显示器8和移动终端9相连接。
在本实施方式中，在使用的过程中，经过MCU7处理和计算过的数据便可通过信号发送模块71发送至显示器8和移动终端9上，而对移动终端9的智能设备限定，能够顺利的适配工作人员的使用，使得MCU7发送出的信号能够顺利被工作人员所接收，并供工作人员的观看。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
