一种测试性试验数据采集中转换速率截止频率扩展方法

2016-06-29宋成军曾照洋刘萌萌中航工业综合技术研究所北京100028

山东工业技术 2016年13期

宋成军，曾照洋，刘萌萌（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

宋成军，曾照洋，刘萌萌
（中航工业综合技术研究所，北京 100028）

摘要：运算放大器已成为目前众多数据采集系统的核心器件，在一些面向大信号的高速数据采集系统中，高压型运算放大器通常会受到转换速率的限制，导致可以支持的数据采集系统截止频率会大大下降。但是在这个截止频率附近仍具有一定的线性特性。本文基于这种特点，提出了一种采用软件校正的方法提高使用范围。本方法不需要搭建复杂的电路系统，使用通用性器件即可实现较高的性能。且算法简单，易于操作。

关键词：转换速率；数据采集；线性拟合

0　引言

在航空产品的测试性试验中，需要大量的数据测量与采集工作.特别是故障注入成功判据，以及产品响应的测量和采集.然而，目前大量的航空产品为了提高信号的抗干扰能力与传输能力，信号的幅度一般比较大.因此，在对这些信号的处理过程中，不可避免的使用到高压运算放大器，高压型运算放大器在满足信号幅度要求的同时，存在一个弊端，就是信号转换速率不足，导致实际带宽不足，限制了其使用范围。

1　问题提出

在某产品的数据采集时，使用电路了LM6172型运算放大器，电路如如图1所示，整个电路供电采用±12V电源.采用该电路对一些大信号（＞5V）进行数据采集时，输入信号经衰减后，通过运算放大器跟随输出，该运算放大器主要用于实现被测对象与采集系统之间的阻抗匹配关系。

使用该电路进行数据采集时，测得试验数据如图2所示，对峰峰值为8V的信号进行扫频时发现，当输入信号在30Hz～200kHz时有着比较稳定的输出.但是，从300kHz开始输出结果开始出现明显的衰减，并且在1MHz时，衰减量达到0.2V，产生了较大的误差。

2　问题分析

根据上述试验结果，我们分析原因如下，在运算放大器的众多参数中，对与大信号来说通常约束条件有三个，分别是供电电源（Vs），增益带宽积（GBW），以及转换速率（SR），这三个参数对信号的约束条件为：

这三个公式的物理意义分别为：

（1）输入输出信号受限于供电电源；（2）增益带宽积为定值；（3）电压识别受限于转换速率。

结合本次数据采集任务，使用的LM6172参数如表1：

表1

在小信号的使用过程中，第二个公式积起主要作用，因为对于小信号可能存在较大的放大倍数，导致带宽急剧下降，例如小信号放大10倍，带宽将减少10倍，但是由于信号峰值（Vp）较小，容易满足转换速率；在大信号使用过程中刚好相反，例如正负24V供电，输入信号半峰值为5V时，最大放大倍数为24/5= 4.8倍，因此对带宽衰减不大，但是由于转换速率的限制，会大大降低信号的通频带，本例中图2所示数据的原因主要就是受到转换速率（SR）的限制而导致的，且该限制会使得通频带远远小于理论带宽。

3　数据处理过程

虽然受到转换速率的限制使得通频带下降，但是通过实际测试因一部发现，在转换速率截止频率附近，信号的衰减会呈现一定的线性特性，我们对图2中的信号截取300kHz～1.2MHz之间的曲线重新绘制如图3所示。

图中可以看出，在这个频段内只要对数据进行校准处理，在结合30Hz～300Hz之间的数据记过就可得到完整的数据结果。考察数据结果，用线性特性拟合这个频段内的数据，拟合过程可以采用matlab中工具箱的现有函数polyft（x，y，1），经过拟合发现在300kHz～1MHz之间存在大约0.011V/100kHz的衰减量，因此在实际测试过程中，可以对输出数据进行修正.修正后的数据结果如图4所示，经过校正后，可以发现在300kHz～1MHz之间信号的输出保持了较好的稳定性，可以满足要求。此外，通过数据结果也可以看出，当频率远超过这个截止频率时，此时采集系统的非线性明显，无法再通过这种线性校正技术进行拟合逼近。