摘 要： 為了在多通道數(shù)據(jù)采集中有更好的同步性，將頻分復(fù)用技術(shù)引入到采集卡設(shè)計中，設(shè)計了一種新型多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案。可以很好地解決傳統(tǒng)方法在數(shù)據(jù)采集上存在同步性不足和軟硬件資源的浪費問題，驗證了頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用于采集系統(tǒng)的可行性。
關(guān)鍵詞： 頻分復(fù)用；數(shù)據(jù)采集；濾波；調(diào)幅；解調(diào)
多通道數(shù)據(jù)采集方法可分為異步和同步兩種。使用模擬多路選擇器可以實現(xiàn)異步采集，由多個ADC組成的采集器則可以實現(xiàn)同步采集。通過模擬多路選擇器切換不同的通道對多通道信號輪流切換進(jìn)行采集時，以AD7501模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)為例，它的轉(zhuǎn)換速率為0.8 μs。若為8路數(shù)據(jù)則每路數(shù)據(jù)輪流切換至少需要6.4 μs，在數(shù)據(jù)采樣時總會引入誤差和延時。使用多個ADC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)多通道并行采集可提高信號同步性。但若過多使用ADC芯片則會導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，而且價格昂貴[1-4]。許多信號傳輸系統(tǒng)都可以提供一個比信號本身所要求的頻帶寬得多的帶寬。對于頻譜互相重疊的單個信號，利用正弦幅度調(diào)制將信號的頻譜在頻率上進(jìn)行搬移，使這些已調(diào)信號的頻譜不再重疊，使得在同一寬帶信道上同時傳輸這些信號成為可能。以采樣電路作為理想信道，將頻分復(fù)用技術(shù)應(yīng)用在多路數(shù)據(jù)采集中，就可以在不使用模擬多路選擇器和多個ADC芯片的情況下提高信號采集的同步性。本文以二通道信號為例，實現(xiàn)頻分復(fù)用技術(shù)在多路信號采集上的應(yīng)用。
1 系統(tǒng)設(shè)計
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
本文通過頻分復(fù)用技術(shù)，使二路信號合成為一個調(diào)幅信號，再對調(diào)制信號放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換及D/A轉(zhuǎn)換，最后對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)。系統(tǒng)電路由低通濾波器、帶通濾波器、正弦振蕩電路、乘法電路、加法電路、放大電路、A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路組成，如圖1所示。
1.2 電路設(shè)計
1.2.1 低通濾波器設(shè)計
對于信號的頻率具有選擇性的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號通過，而阻止其他頻率信號的通過。有源濾波電路是應(yīng)用廣泛的信號處理電路。本文采用二階壓控電壓源巴特沃斯低通濾波電路，如圖2所示。
1.2.3 加法電路設(shè)計
當(dāng)多個輸入信號同時作用于集成運放的同相輸入端時，就構(gòu)成同相求和運算電路，如圖6所示。輸出端電位：Uo=Ui1+Ui2[6-7]。
2 系統(tǒng)運行結(jié)果
本文采用幅值為2 V、頻率為2 MHz和3 MHz的正弦信號為調(diào)制信號。系統(tǒng)運行結(jié)果如圖7所示。第1通道為輸入的正弦波信號x1(t)，幅值為1 V，頻率為100 kHz，其相應(yīng)的輸出見第2通道波形所示。第3通道為輸入的正弦波信號x2(t)，幅值為1.5 V，頻率為120 kHz，其相應(yīng)的輸出見第4通道波形所示。本系統(tǒng)為慣性系統(tǒng)，從圖7中可以看出各輸出信號比各輸入信號滯后2.5 ?滋s左右，輸出信號有輕微失真。由于輸出沒有通過傳統(tǒng)的模擬多路選擇開關(guān)，不會存在切換延時現(xiàn)象，因此各輸出信號之間具有較好的同步性。
本文介紹了頻分復(fù)用技術(shù)在多通道同步數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用方法。通過這一技術(shù)的運用，使多通道同步數(shù)據(jù)采集的電路得以簡化，從而減少ADC芯片的使用量。實踐證明，這種設(shè)計方法具有較好的實用價值。
在計算機(jī)的快速發(fā)展應(yīng)用中，也可將多通道信號采集的數(shù)據(jù)直接上傳給計算機(jī)，然后由計算機(jī)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理，通過軟件方法設(shè)計帶通濾波器。這不僅可以節(jié)省硬件資源，而且可以得到近似理想的濾波器，從而可以避免濾波器在不同截止頻率處的信號增益變化，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
[1] OPPENHEIM A V，WILLSKY A S，NAWAB S H，著.信號與系統(tǒng)(第2版)[M].劉樹棠,譯.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003.
[2] 童軍，馬曉莉，南權(quán)，等.基于多路復(fù)用技術(shù)的多種信號 測量系統(tǒng)[J].微計算機(jī)信息，2008(1)：84-86.
[3] 劉華.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2012(6)：28-30.
[4] 章曉眉，馮彥君.基于CPLD的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2011(2)：80-83.
[5] 鄧福偉，劉振興，周恒.多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機(jī)信息，2008(25)：159-161.
[6] 吳恒玉，唐民麗.實現(xiàn)任意系數(shù)求和運算電路的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31(6)：4-5.
[7] 任駿原.任意比例系數(shù)的同相比例運算電路[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(1)：173-174.