一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统及其方法与流程

本发明涉及集成电路，具体涉及一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统以及应用该电路的方法。

背景技术：

1、目前，在测量领域，不同通道的增益配置是通过软件写入寄存器来直接设置各通道的放大倍数或者测量系统对输入信号进行数字后处理，处理完之后再反过来控制前级模拟放大电路的增益。现有技术存在的缺点包括：

2、1、通过软件写入寄存器来设置各通道的放大倍数，其主要缺点在于，在测量过程中，通道的放大倍数固定，从而限定了该通道信号的输入范围和测量精度，限制了应用场景。尤其对于信号输入范围和幅值不确定的场景，软件很难判断合适的增益档位，设置增益过大则输出有溢出风险，增益过小则会导致测量精度不够，控制不灵活；对于多通道测量系统，每个通道需单独配置增益档位，耗费较多的寄存器和代码资源；

3、2、通过数字电路后处理对前几笔测量数据进行分析，然后反过来控制前级模拟放大器的增益的方法，其主要缺点是至少需要两次采样转换后才能得到精确的数据，降低了采样率；同时数字后处理对于超出阈值的信号，需要多次反馈调整才能得到合适的增益，大大降低了测量速率。

4、在通用mcu(micro controller unit，微控制单元)测量领域，由于复杂的应用环境和丰富的测量需求，对测量系统的兼容性和鲁棒性提出更高要求。在通用测量系统中，为适应丰富的测量需求往往会有多达十几或者几十个信号通道共用一个adc(analogdigital converter，模数转换器)。为了满足兼容性和通用性需求，各通路信道需要具备对不同幅值、不同驱动能力、不同速度的信号的采集能力。其中为了适应不同幅值信号的测量，不同通路会通过运算放大器来配置不同的放大倍数，以达到较高的测量精度和适应较大的测量范围。针对于微弱信号，往往会配置较大的放大倍数以达到精确测量的目的，同时大信号往往会配置成信号衰减以保证运算放大器以及后级adc的正常工作。配置放大还是衰减以及档位的选择需要较好的策略以保证宽的应用范围都能得到精确的结果。

5、目前现有的技术方案有两个：一个是将不同通路的增益档位保存在寄存器模块中，通过软件直接去配置各通道的放大倍数。该种方案控制不灵活，需要先了解各通道的信号类别和大小，才能设置合适的增益档位，否则就会出现信号采集不到或者出现溢出现象。另外固定的放大倍数限制了输入信号的范围，从而限制了应用场景。

6、另一种方案是采用数字后处理agc(auto gain control，自动增益控制)技术。如图1所示，该方案先预设pga(programmable gain amplifier，可编程增益放大器)的增益档位，然后采集信号，通过sar(successive approximation register，逐次逼近寄存器)adc转换得到输出码值。通过比较输出码值和预设阈值的大小关系，根据结果反馈至pga来调整增益，然后再进行测量或者进一步判断。因此每次采集超出阈值的信号均需要先采样判断一次，调整增益后第二次采样的数据才是有效数据。该方案导致采集速率减半，影响了测量效率、降低了性能指标。此外，对于极小的信号，数字后处理的方法还需要判断增加放大倍数后是否溢出，若溢出则需要再调整一次，从而导致采样率更低。传统方案流程图如图2所示。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统及其方法，本发明结构具有成本低、应用灵活，检测和调整速度更快，采样率更高的优点。。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统，包括：

4、多路选择模块、pga模块、sar adc模块、数字模块、前馈式增益控制模块、时序控制模块，所述多路选择模块的输出端分别与所述pga模块、前馈式增益控制模块连接，用于在多个信号通道中选择其中一通道的信号进行输出；所述pga模块的输出端与所述sar adc模块连接，用于将所述多路选择模块的输出信号进行缩放，并输出一模拟信号至所述sar adc模块，所述sar adc模块用于对输入的模拟信号进行采样保持，然后将该信号与参考电压的各权重值从高位到低位依次进行比较，并输出一转换后的数字信号至所述数字模块，所述数字模块用于对所述sar adc模块输出的数字信号进行数字后处理；

5、其中，所述前馈式增益控制模块的输出端分别与所述pga模块、数字模块连接，用于检测所述多路选择模块的通道输入信号的范围，并将检测结果进行编码得到对应的增益档位，用来控制所述pga模块的放大倍数，同时将对应的增益档位信息传输给所述数字模块进行计算；

6、其中，所述时序控制模块分别与所述sar adc模块、数字模块、前馈式增益控制模块连接，用于调整所述前馈式增益控制模块的时序以及所述sar adc模块的采样和转换的相位，并提供转换结束的脉冲信号给所述数字模块。

7、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统，所述前馈式增益控制模块包括输入信号检测模块以及编码模块，所述输入信号检测模块用于将检测到的多路通道输入信号产生检测结果输出至所述编码模块，通过所述编码模块编码转换成所述pga模块的增益档位。

8、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统，所述输入信号检测模块包括电阻串分压模块、比较器模块以及触发器阵列，所述电阻串分压模块用于提供不同区间的参考电压，以对输入信号的幅值进行划分，所述电阻串分压模块的输出端与所述比较器模块的正向输入端连接，所述比较器模块的负向输入端为多通道测量系统的输入信号vin，通过所述比较器模块比较输入信号和二进制权重的参考电压来检测输入信号幅度范围，从而输出合理的放大倍数，所述比较器模块的输出端与所述触发器阵列连接，用于存储比较结果。

9、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统，所述电阻串分压模块包括电阻串阵列以及开关阵列，所述电阻串阵列按照二进制权重排布，其中，所述电阻串阵列包括多个依次串联的电阻，所述开关阵列包括多个开关，分别为开关s0～s3，每一个所述开关的第一端连接在两个串联电阻之间，每一个所述开关的第二端依次连接后与所述比较器模块的正向输入端连接，即所述参考电压通过开关连接到所述比较器模块的正向输入端。

10、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统，所述触发器阵列包括四级触发器阵列，分别为第一触发器、第二触发器、第三触发器以及第四触发器，所述第一触发器的d端与所述比较器模块的输出端连接，所述第一触发器、第二触发器、第三触发器以及第四触发器的clk端与非门的输出端连接，所述非门的输入端接clk_gain信号，所述第一触发器的q端与所述第二触发器的d端连接后与所述编码模块连接，所述第二触发器的q端与所述第三触发器的d端连接后与所述编码模块连接，所述第三触发器的q端与所述第四触发器的d端连接后与所述编码模块连接，所述第四触发器的q端与所述编码模块连接，所述编码模块输出对应的增益档位gain[k:0]。

11、一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统的应用方法，该方法应用于上述的采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统，其包括以下步骤：

12、通过多路选择模块选择某一通路的输入信号，将该输入信号经过前馈式增益控制模块进行检测、编码转换得到合适的增益档位，配置pga模块为所得的增益档位，通过pga模块进行模数转换过程，然后进行sar adc模块的采样过程，其中，通过pga模块将输入信号进行放大或者缩小，通过sar adc模块将放大或者缩小的信号进行采样，然后将该采样信号与参考电压的各权重值从高位到低位依次比较，并将每次的比较结果存入寄存器中，同时调整下一位的权重大小；其中，整个检测、采样、转换过程由时序控制模块控制；

13、在转换完成后，通过数字模块接收sar adc模块寄存器中保存的码值，同时接收前馈式增益控制模块的增益档位信息和时序控制模块中adc转化结束的标志位信号，进行数字后处理，最终得到准确的输出。

14、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统的应用方法，在进行前馈式增益控制时，先闭合开关s3，断开开关s0～s2，比较输入信号vin和1/2*vref的大小，若输入信号vin大于1/2*vref，则配置最终的放大倍数为1倍；

15、若输入信号vin小于1/2*vref，则继续判断；断开开关s3、s1、s0，闭合开关s2，比较输入信号vin和1/4*vref的大小，若输入信号vin大于1/4*vref，则配置最终的放大倍数为2倍。

16、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统的应用方法，若输入信号vin小于1/4*vref，则继续判断；断开开关s3、s2、s0，闭合开关s1，比较输入信号vin和1/8*vref的大小，若输入信号vin大于1/8*vref，则配置最终的放大倍数为4倍；

17、若输入信号vin小于1/8*vref，则继续判断；断开开关s3、s2、s1，闭合开关s0，比较输入信号vin和1/16*vref的大小，若输入信号vin大于1/16*vref，则配置最终的放大倍数为8倍；

18、若输入信号vin小于1/16*vref，则配置最终的放大倍数为16倍。

19、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统的应用方法，还执行：

20、设置clk_adc为adc的工作时钟，用于同步各信号；设置start_adc为开启转换的使能信号，为高时表示转换开始；开关s0～s3为所述前馈式增益控制模块的开关的控制时序，用于控制各开关开启的先后顺序，为高电平时表示开关闭合，所述前馈式增益控制模块在start_adc为高电平时开始检测，设置clk_gain为所述前馈式增益控制模块的比较结果存储时钟，下降沿触发存储；设置gain[k:0]为所述前馈式增益控制模块的编码模块输出的增益档位。

21、根据本发明提供的一种采用前馈式增益控制电路的多通道测量系统的应用方法，设置clk_samp为sar adc模块的采样相，为高电平时表示采样开始，为低电平时表示采样结束，在所述前馈式增益控制模块输出增益档位后开始采样；设置clk_conv为sar adc模块的比较转换相，在采样结束后进行比较；设置eoc_adc为sar adc模块送给数字模块的转换结束标志信号，为高电平表示转换完成可以提取数据；设置data_out为sar adc模块的最终输出数据。

22、由此可见，相比于现有技术，本发明采用前置增益控制技术，能快速检测信号的范围，自动配置放大器的增益，保证了测量精度和采集速度，同时又能适应宽信号摆幅，具有适应多个通道扩展而不增加寄存器消耗的特点，应用上更灵活。相比于软件配置的方式省略了寄存器和代码资源，应用范围更广，兼容性更强。相比于数字后处理的自动增益控制技术，具有更快的检测和调整速度，结构也更简单，采样率也更高。相比于传统架构，本发明提出的前馈式增益控制模块架构简单、控制简单、易于实现。

23、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。