多档位信号平滑切换方法与流程

本申请主要涉及信号测量，尤其涉及一种多档位信号平滑切换方法。

背景技术：

1、在堆芯功率测量、辐射探测、精密静电计等科学仪器和工业测量应用中，测量系统通常采用多档位测量架构，通过前端采集电路设置多个不同的增益档位来覆盖不同量程，并根据被测信号大小自动选择合适的档位。

2、然而，现有测量系统存在以下问题：当被测信号大小在给定阈值附近波动时，系统会在相邻档位间频繁往复切换，产生档位振荡；并且，在不同增益档位的切换瞬间容易出现输出信号产生剧烈跳变的情况，导致测量数据在切换期间失去参考价值。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种多档位信号平滑切换方法，可以有效减少档位振荡的切换前后信号的跳变。

2、第一方面，本申请提供一种多档位信号平滑切换方法，应用于多档位信号测量系统，所述多档位信号测量系统包括依次连接的前端采集电路、模数转换器和处理器单元，所述前端采集电路设置多个不同增益档位以覆盖不同量程，所述不同量程采用统一的被测物理量纲，每个增益档位对应唯一的增益系数，所述模数转换器用于控制所述前端采集电路输出的模拟信号转换为数字信号，所述处理器单元内部设置有唯一的数字低通滤波器，其中所述方法包括：对于相邻的两个增益档位，根据高增益档位的量程上限和低增益档位的量程下限，确定量程重叠区，其中所述量程上限高于所述量程下限；在所述量程重叠区内设定上切换阈值和下切换阈值，使所述上切换阈值与所述下切换阈值之差形成回差窗口，其中所述上切换阈值高于所述下切换阈值；获取所述模数转换器输出的原始采样值，按照当前档位的增益系数，将所述原始采样值换算为所述被测物理量纲的当前等效值，并通过所述数字低通滤波器对所述当前等效值进行滤波处理，将滤波后的所述当前等效值作为测量值；根据所述当前等效值与所述上切换阈值、所述下切换阈值的比较结果进行档位切换决策：对于所述当前等效值超过所述上切换阈值，控制所述当前档位由所述高增益档位切换至所述低增益档位，对于所述当前等效值低于所述下切换阈值，控制所述当前档位由所述低增益档位切换至所述高增益档位，对于所述当前等效值处于所述回差窗口内，保持所述当前档位不变。

3、在本申请的一实施例中，所述前端采集电路包括跨阻放大器，所述多个不同增益档位分别对应与所述跨阻放大器并联的多个反馈电阻，其中所述多个反馈电阻的阻值互不相同，每个反馈电阻与所述跨阻放大器之间设有模拟开关，所述处理器单元通过控制所述模拟开关选通对应的一个反馈电阻以实现档位切换。

4、在本申请的一实施例中，所述增益档位的数量为8个，分别对应阻值为10gω、1gω、100mω、10mω、1mω、100kω、10kω和1kω的反馈电阻。

5、在本申请的一实施例中，所述量纲为电流，所述增益系数与相应的一个反馈电阻的阻值成正比。

6、在本申请的一实施例中，所述数字低通滤波器为无限冲激响应滤波器或有限冲激响应滤波器。

7、在本申请的一实施例中，所述数字信号为电压信号，且所述数字信号的最大取值为2.5v。

8、在本申请的一实施例中，所述量程上限对应的电压不高于所述跨阻放大器的最大输出电压的80%，所述量程下限对应的电压不低于所述跨阻放大器的最大输出电压的4%。

9、在本申请的一实施例中，所述回差窗口的范围为所述量程重叠区的范围的50%至100%。

10、在本申请的一实施例中，根据所述当前等效值与所述上切换阈值、所述下切换阈值的比较结果进行档位切换决策之后，还包括：判断所述当前等效值超过所述上切换阈值或低于所述下切换阈值的状态是否持续达到预设数量，且距上一次档位切换的时长是否超出预设时长；若所述状态持续达到所述预设数量且距上一次档位切换的时长超出所述预设时长，则控制所述前端采集电路由所述当前档位切换至目标档位，其中，对于所述当前档位为所述高增益档位，所述目标档位为所述低增益档位，对于所述当前档位为所述低增益档位，所述目标档位为所述高增益档位；否则，不执行档位切换。

11、在本申请的一实施例中，所述处理器单元为微控制器、数字信号处理器和现场可编程门阵列芯片中的任意一种。

12、与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

13、本申请的技术方案通过回差窗口的设计使信号在阈值附近波动时系统保持当前档位不变，从根源上消除了相邻档位间的频繁往复切换问题；通过量纲统一换算机制将不同增益档位各自不同幅度的输出信号映射到同一物理量空间，切换前后等效值数值连续，不因增益差异而产生跳变；通过系统内仅设一个数字低通滤波器，切换后等效值继续输入同一滤波器，滤波器内部积累的历史状态变量自然延续，无需重新建立稳态，输出无过渡过程。此外，切换决策基于测量值而非原始信号，避免了噪声尖峰触发的误切换。如此，多档位信号测量系统在整个动态范围内可以输出连续、稳定、无扰的测量数据，且架构简洁，仅需一组数字滤波器，无需复杂硬件软切换电路。

14、应当理解， 技术实现要素： 部分不是用来标识本公开的实施例的关键或基本特征，也不是用来限制本公开的范围。通过下面的描述，本公开的其它特征将变得容易理解。

1.一种多档位信号平滑切换方法，其特征在于，应用于多档位信号测量系统，所述多档位信号测量系统包括依次连接的前端采集电路、模数转换器和处理器单元，所述前端采集电路设置多个不同增益档位以覆盖不同量程，所述不同量程采用统一的被测物理量纲，每个增益档位对应唯一的增益系数，所述模数转换器用于控制所述前端采集电路输出的模拟信号转换为数字信号，所述处理器单元内部设置有唯一的数字低通滤波器，其中所述方法包括：

2.如权利要求1所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述前端采集电路包括跨阻放大器，所述多个不同增益档位分别对应与所述跨阻放大器并联的多个反馈电阻，其中所述多个反馈电阻的阻值互不相同，每个反馈电阻与所述跨阻放大器之间设有模拟开关，所述处理器单元通过控制所述模拟开关选通对应的一个反馈电阻以实现档位切换。

3.如权利要求2所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述增益档位的数量为8个，分别对应阻值为10gω、1gω、100mω、10mω、1mω、100kω、10kω和1kω的反馈电阻。

4.如权利要求2所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述增益系数与相应的一个反馈电阻的阻值成正比。

5.如权利要求1所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述数字低通滤波器为无限冲激响应滤波器或有限冲激响应滤波器。

6.如权利要求3所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述数字信号为电压信号，且所述数字信号的最大取值为2.5v。

7.如权利要求6所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述量程上限对应的电压不高于所述跨阻放大器的最大输出电压的80%，所述量程下限对应的电压不低于所述跨阻放大器的最大输出电压的4%。

8.如权利要求1所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述回差窗口的范围为所述量程重叠区的范围的50%至100%。

9.如权利要求1所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，根据所述当前等效值与所述上切换阈值、所述下切换阈值的比较结果进行档位切换决策之后，还包括：

10.如权利要求1所述的多档位信号平滑切换方法，其特征在于，所述处理器单元为微控制器、数字信号处理器和现场可编程门阵列芯片中的任意一种。