一种微伏级信号精密放大调理方法及系统与流程

本发明涉及精密模拟信号调理，更具体地说，它涉及一种微伏级信号精密放大调理方法及系统。

背景技术：

1、在多通道微伏级传感器信号采集场景中，通常采用模拟多路复用器共享一套精密放大器对各通道进行轮询采样，并在每个通道信号采样相之前执行失调采样相以获取基线漂移数据用于补偿。

2、现有技术中，对失调数据的处理通常采用空间主成分分析提取共模干扰，或按通道切换组合对失调序列执行指数衰减拟合以辨识瞬态偏移参数，两类处理相互独立进行。

3、然而，多路复用器通道切换时因源阻抗跳变引发放大器输入级电荷重分配，产生的切换瞬态偏移叠加在失调采样值中。当对含有切换瞬态的失调数据直接执行空间主成分分析时，瞬态偏移幅度的通道间差异被误判为空间独立噪声分量，公共瞬态衰减趋势被误判为空间公共分量混入共模估计；当对失调数据直接按切换组合分组拟合瞬态参数时，共模干扰的时变波动叠加在不同时刻采集的失调值上，使指数衰减拟合产生有偏估计。两类误差相互耦合，导致微伏级有效信号的补偿精度劣化。

技术实现思路

1、本发明提供一种微伏级信号精密放大调理方法及系统，解决相关技术中多通道轮询采样场景下空间相关共模干扰与通道切换瞬态偏移相互叠加、导致微伏级信号测量精度严重下降的技术问题。

2、本发明公开了一种微伏级信号精密放大调理方法，包括：

3、对多轮询周期积累的各通道失调采样值组成的失调空间向量集执行主成分分析，将最大特征值对应的特征向量作为空间公共方向，将各失调空间向量在所述空间公共方向上的投影值作为空间公共分量估计序列；

4、从各通道失调采样值中减去对应时刻的空间公共分量估计值，按前序通道标识与当前通道标识的切换组合分组，对每个切换组合内的失调序列执行指数衰减拟合，生成通道切换瞬态偏移参数表；

5、在信号采样时刻，根据当前通道切换组合从所述通道切换瞬态偏移参数表中查询参数，计算当前时刻的残余瞬态偏移值并从信号采样输出中减去，获取去除切换瞬态后的各通道微伏级信号测量值。

6、进一步地，所述指数衰减拟合的表达式为：

7、

8、其中，为切换后经历时间处的瞬态失调电压值，为从通道切换至通道时产生的初始瞬态偏移幅度，为对应的衰减时间常数，为切换后经历时间；所述通道切换瞬态偏移参数表包含全部切换组合各自对应的和。

9、进一步地，所述计算当前时刻的残余瞬态偏移值包括：根据当前通道切换组合中的前序通道地址和当前通道地址，从所述通道切换瞬态偏移参数表中查询对应的和；结合从通道切换完成到信号采样时刻的实际经历时间，按下式计算残余瞬态偏移值：

10、

11、其中，为当前时刻的残余瞬态偏移值，由系统时钟从通道切换动作完成时刻起计时至信号采样触发时刻止的累计值确定。

12、进一步地，在获取去除切换瞬态后的各通道微伏级信号测量值之后，还包括：对去除切换瞬态后的各通道微伏级信号测量值执行时间插值对齐至统一参考时刻，所述统一参考时刻取当前轮询周期中首个通道的采样时刻；对时间对齐后的多通道数据执行主成分分析，输出空间公共分量功率占比及各通道独立残差分量的等效输入噪声电压。

13、进一步地，所述时间插值对齐的计算方式为：

14、

15、其中，为第通道时间对齐后的微伏级信号测量值，为去除切换瞬态后第通道的微伏级信号测量值，为共模变化速率，为第通道采样时刻相对所述统一参考时刻的偏移量；所述共模变化速率通过相邻轮询周期的空间公共分量估计值的差分除以对应周期间隔获取。

16、进一步地，在输出空间公共分量功率占比及各通道独立残差分量的等效输入噪声电压之后，还包括：将所述空间公共分量功率占比、所述等效输入噪声电压及各通道增益变化引起的供电电流耦合传递系数输入协同约束优化求解器，以全部通道总输出信噪比最大化为目标函数，以各通道增益变化量之和引起的供电电流变化不超过电源轨道稳定裕度为约束条件，联合求解全部通道的增益分配系数。

17、进一步地，在求解全部通道的增益分配系数之后，还包括：按通道间供电耦合强度从弱到强的顺序对所述增益分配系数进行分组时序编排，生成分组更新时序表；按所述分组更新时序表依次对各组通道执行增益切换，每组切换完成后采集电源轨道电压纹波幅值，确认所述纹波幅值衰减至微伏级信号最小分辨量以下后触发下一组切换；其中，所述供电耦合强度通过各通道放大器至共用电源轨道节点之间的等效阻抗倒数表征。

18、进一步地，在全部组通道增益切换完成后，还包括：利用增益切换后新一轮轮询采集的失调数据重新执行空间主成分分析，更新所述空间公共分量估计序列；对更新后的去共模失调序列按切换组合重新执行指数衰减拟合，更新所述通道切换瞬态偏移参数表中与增益变化通道相关的切换组合对应的参数；输出经空间相关噪声分离与通道切换瞬态联合补偿后的各通道精密放大调理微伏级信号。

19、进一步地，所述失调空间向量的维数等于当前轮询周期内参与采样的通道总数，其中为通道总数，向量中各分量按通道物理编号排列；当共模干扰存在多个独立空间来源时，将前若干个特征值对应的特征向量共同作为空间公共子空间，将各失调空间向量在所述空间公共子空间上的投影作为共模干扰估计值。

20、本发明公开了一种微伏级信号精密放大调理系统，用于执行上述微伏级信号精密放大调理方法，包括：

21、空间公共分量提取模块，用于对多轮询周期积累的失调空间向量集执行主成分分析，输出各失调采样时刻对应的空间公共分量估计序列；

22、瞬态参数拟合模块，用于从各通道失调采样值中减去对应时刻的空间公共分量估计值，按前序通道标识与当前通道标识的切换组合分组后执行指数衰减拟合，输出通道切换瞬态偏移参数表；

23、切换瞬态补偿模块，用于在信号采样时刻根据当前通道切换组合从所述通道切换瞬态偏移参数表中查询参数，计算残余瞬态偏移值并从信号采样输出中减去，输出去除切换瞬态后的各通道微伏级信号测量值。

24、本发明具有以下有益效果。

25、在失调数据处理阶段，先执行空间主成分分解提取空间公共分量，再对去除共模污染的纯净失调序列按通道切换组合分组拟合瞬态参数，使共模干扰的时变波动不再叠加于指数衰减拟合的输入数据中，从而消除了共模波动对瞬态偏移参数估计造成有偏的因素。

26、在信号采样数据处理阶段，先利用通道切换瞬态偏移参数表补偿切换瞬态偏移，再对去瞬态后的各通道微伏级信号测量值执行时间对齐和空间协方差分解，使瞬态偏移幅度的通道间差异不再被空间主成分分解误判为独立噪声分量，空间公共分量的提取准确性因此得到保证。

27、两类误差源经有序分离后分别补偿，避免了相互耦合导致的补偿精度劣化。

28、在增益调整阶段，供电电流约束下的协同增益优化与分组时序更新方式，使各组增益切换引起的电源轨道扰动在前一组扰动已衰减后再叠加，避免了多通道同步调整引发的电源轨道反弹振荡对微伏级有效信号产生二次干扰。