CN102590732B - 一种多通道电路不对称性的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多通道电路不对称性的校准方法，它包括以下步骤：步骤S1，建立所述多通道电路的输入输出响应数学模型f(f，x，n)；步骤S2，拟合得到所述数学模型f(f，x，n)的系数因子(a_ijn，b_ijn)；步骤S3，将外围实际多路信号作为所述多通道电路的实际输入信号，采集该多通道电路的实际输出值，根据所述实际多路信号的幅值和频率选取相应的系数因子(a_ijn，b_ijn)，并根据该选取的系数因子(a_ijn，b_ijn)、所述实际输出值以及表达式(1)，计算得到校准输入信号的幅值，以修正所述实际输入信号的幅值，校准所述多通道电路的不对称性。本发明精度高、灵活性好，可有效修正多通道电路的不对称性，且不影响原始信号的数据带宽和噪声水平。

Description

一种多通道电路不对称性的校准方法

技术领域

本发明涉及一种用于多通道电路不对称的自动校准方法，尤其涉及一种用于加速器领域中数字束流位置监测处理器(DBPM)的多通道电路不对称性的校准方法。

背景技术

束流位置测量系统中位置探头输出为多通道信号，因此，相对应的需要在位置探头的输出端连接多通道射频前端处理电路。由于每一通道前端处理电路中的同型号的元器件的性能存在差异和非线性，如功率放大器、滤波器和模数转换芯片，因此，容易造成每个单一电路通道的输入输出响应不对称；而多通道的不对称性则会影响DBPM处理器的高精度测量性能，因此，需要对这种多通道电路不对称性进行有效的校准。

目前多通道电路不对称性修正方法为基于射频开关的多路平衡方法，主要内容为通过射频开关的实时切换，周期性的使用每个通道来处理信号，通过平均的方式来修正通道不对称性。由于该方法中使用了周期性切换的开关，因此由切换开关引入的周期性噪声将会影响处理器的噪声水平和数据带宽。为此，现在需要对这种多通道电路不对称性的修正方法进行改进。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种精度高、灵活性好的多通道电路不对称性的校准方法，以有效修正多通道电路的不对称性，且不影响原始信号的数据带宽和噪声水平。

本发明所述的一种多通道电路不对称性的校准方法，它包括以下步骤：

步骤S1，建立所述多通道电路的输入输出响应数学模型f(f，x，n)，该步骤S1包括：根据不同的输入频率范围和幅值范围将所述多通道电路的输入输出响应函数划分为多个一阶线性函数，所述多个一阶线性函数的表达式为：

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{11n}\·x+b_{11n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{12n}\·x+b_{12n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{13n}\·x+b_{13n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{1\mathrm{jn}}\·x+b_{1\mathrm{jn}},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_0\≤f\≤F_1$

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{21n}\·x+b_{21n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{22n}\·x+b_{22n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{23n}\·x+b_{23n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{2\mathrm{jn}}\·x+b_{2\mathrm{jn}},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_1\≤f\≤F_2$

…                                                (1)

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{(i-1)1n}\·x+b_{(i-1)1n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{(i-1)2n}\·x+b_{(i-1)2n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{(i-1)3n}\·x+b_{(i-1)3n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{(i-1)jn}\·x+b_{(i-1)jn},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_{i-2}\≤f\≤F_{i-1}$

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{i1n}\·x+b_{i1n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{i2n}\·x+b_{i2n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{i3n}\·x+b_{i3n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{\mathrm{ijn}}\·x+b_{\mathrm{ijn}},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_{i-1}\≤f\≤F_i$

其中，f为频率变量，x为幅值变量，n为通道数，且n≥1，F₀，F₁，…，F_i为频率界定点，i为频率划分的区间数，且i≥1，X₀，X₁，…，X_j为幅值界定点，j为幅值划分的区间数，且j≥1，(a_ijn，b_ijn)为系数因子；

步骤S2，拟合得到所述数学模型f(f，x，n)的系数因子(a_ijn，b_ijn)，该步骤S2包括：

步骤S21，将一标准信号源输出的n路信号作为所述多通道电路的n个通道的输入信号，且每个通道的输入信号的频率f_i相等，并定义每个通道的输入信号的幅值X_ij1＝X_ij2＝…＝X_ijn，所述n个通道的输出值分别为Y_ij1，Y_ij2，…，Y_ijn；

步骤S22，控制所述多通道电路的n个通道的输入信号的初始幅值X₁₀₁＝X₁₀₂＝…＝X_10n＝A₀初始频率f₁＝B₁，采集n个通道的初始输出值Y₁₀₁，Y₁₀₂，…，Y_10n；

步骤S23，控制所述多通道电路的n个通道的输入信号的频率不变，改变该输入信号的幅值，使X_1jn＝X_1(j-1)n+A_j，其中，n分别取为1、2、…、n，分别采集在频率为f₁的不同幅值的输入信号下的n个通道的输出值Y_1j1，Y_1j2，…，Y_1jn，其中，A_j为信号源幅度的递增值，j≥1；

步骤S24，将数据组(X_1(j-1)n，Y_1(j-1)n)和(X_1jn，Y_1jn)代入表达式(1)中，计算得到系数因子 $a_{1\mathrm{jn}}=\frac{Y_{1\mathrm{jn}}-Y_{1(j-1)n}}{X_{1\mathrm{jn}}-X_{1(j-1)n}},$ $b_{1\mathrm{jn}}=\frac{Y_{1\mathrm{jn}}\·X_{1(j-1)n}-Y_{1(j-1)n}\·X_{1\mathrm{jn}}}{X_{1(j-1)n}-X_{1\mathrm{jn}}},$ 其中，j≥1，n分别取为1、2、…、n；

步骤S25，改变所述多通道电路的n个通道的输入信号的频率，使f_i＝f_i-1+B_i，初始化当前输入信号的幅值，使X_i01＝X_i02＝…＝X_i0n＝A₀，采集当前n个通道的初始输出值Y_i01，Y_i02，…，Y_i0n，其中，B_i为信号源频率的递增值，i≥2；

步骤S26，重复步骤S23，得到在频率为f_i的不同幅值的输入信号下的n个通道的输出值Y_ij1，Y_ij2，…，Y_ijn，其中，i≥2，j≥1；

步骤S27，重复步骤S24，得到系数因子 其中，i≥2，j≥1，n分别取为1、2、…、n；

步骤S3，将外围实际多路信号作为所述多通道电路的实际输入信号，采集该多通道电路的实际输出值，根据所述实际多路信号的幅值和频率选取相应的系数因子(a_ijn，b_ijn)，并根据该选取的系数因子(a_ijn，b_ijn)、所述实际输出值以及表达式(1)，计算得到校准输入信号的幅值，以修正所述实际输入信号的幅值，校准所述多通道电路的不对称性。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述各个信号源幅度的递增值A_j均相同，其中，j≥1。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述各个信号源幅度的递增值A_j均不相同，其中，j≥1。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述各个信号源频率的递增值B_i均相同，i≥2。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述各个信号源频率的递增值B_i均不相同，i≥2。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述标准信号源输出的n路信号均为单频率正弦信号。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述步骤S2还包括：步骤S28，存储所述系数因子(a_ijn，b_ijn)，其中，i≥1，j≥1。

在上述的多通道电路不对称性的校准方法中，所述方法通过连接在所述多通道电路的输出端的FPGA、嵌入式控制器或计算机实现。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明通过建立待校准的多通道电路的输入输出响应数学模型，并使用标准信号源测定构建的数学模型的系数因子，最后在信号处理阶段时利用拟合得到的系数因子修正多个通道的不一致性。由于本发明的方法不需要实时切换射频开关，只需利用FPGA(现场可编程逻辑阵列)、嵌入式控制器或计算机实现即可，从而可以避免影响原始输入信号的数据带宽和噪声水平。

附图说明

图1是实现本发明一种多通道电路不对称性的校准方法的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，在本实施例中，本发明，即一种多通道电路不对称性的校准方法，以连接在待校准的多通道电路1的输出端的FPGA 2作为实现平台，多通道电路1为应用于加速器测量的4通道前端处理电路。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤S1，建立多通道电路1的输入输出响应数学模型f(f，x，n)，该步骤S1包括：根据不同的输入频率范围和幅值范围将多通道电路1的输入输出响应函数划分为多个一阶线性函数，该多个一阶线性函数的表达式为：

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{11n}\·x+b_{11n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{12n}\·x+b_{12n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{13n}\·x+b_{13n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{1\mathrm{jn}}\·x+b_{1\mathrm{jn}},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_0\≤f\≤F_1$

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{21n}\·x+b_{21n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{22n}\·x+b_{22n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{23n}\·x+b_{23n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{2\mathrm{jn}}\·x+b_{2\mathrm{jn}},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_1\≤f\≤F_2$

…                                                (1)

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{(i-1)1n}\·x+b_{(i-1)1n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{(i-1)2n}\·x+b_{(i-1)2n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{(i-1)3n}\·x+b_{(i-1)3n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{(i-1)jn}\·x+b_{(i-1)jn},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_{i-2}\≤f\≤F_{i-1}$

$f(f,x,n)=\left\{\begin{array}{cc}{a}_{i1n}\·x+b_{i1n},& X_0\≤x\≤X_1\\ a_{i2n}\·x+b_{i2n},& X_1\≤x\≤X_2\\ a_{i3n}\·x+b_{i3n},& X_2\≤x\≤X_3\\ ...,& ...\\ a_{\mathrm{ijn}}\·x+b_{\mathrm{ijn}},& X_{j-1}\≤x\≤X_j\end{array}\right\},F_{i-1}\≤f\≤F_i$

其中，f为频率变量，x为幅值变量，n为通道数，且n≥1，F₀，F₁，…，F_i为频率界定点，i为频率划分的区间数，且i≥1，X₀，X₁，…，X_j为幅值界定点，j为幅值划分的区间数，且j≥1，(a_ijn，b_ijn)为系数因子；

在本实施例中，n分别取为1、2、3和4，i＝10(即，将频率划分为10个区间)，j＝50(即，将幅值划分为50个区间)；

步骤S2，拟合得到数学模型f(f，x，n)的系数因子(a_ijn，b_ijn)；该步骤S2包括：

步骤S21，通过切换射频开关4将一标准信号源3输出的4路信号作为多通道电路1的4个通道的输入信号，且每个通道的输入信号的频率f_i相等，并定义每个通道的输入信号的幅值X_ij1＝X_ij2＝X_ij3＝X_ij4，所述n个通道的输出值分别为Y_ij1，Y_ij2，Y_ij3和Y_ij4；

步骤S22，FPGA 2控制多通道电路1的4个通道的输入信号的初始幅值X₁₀₁＝X₁₀₂＝X₁₀₃＝X₁₀₄＝A₀，初始频率f₁＝B₁，采集n个通道的初始输出值Y₁₀₁，Y₁₀₂，Y₁₀₃，Y₁₀₄；

步骤S23，FPGA2控制多通道电路1的4个通道的输入信号的频率不变，改变该输入信号的幅值，使X_1jn＝X_1(j-1)n+A_j，其中，n分别取为1、2、3和4，分别采集在频率为f₁的不同幅值的输入信号下的4个通道的输出值Y_1j1，Y_1j2，Y_1j3，Y_1j4，其中，A_j为信号源幅度的递增值，1≤j≤50；根据实际应用可选择各个信号源幅度的递增值A_j均相同，即A₁＝A₂＝…＝A_j，也可以选择各不相同的A_j，即A₁≠A₂…≠A_j，在本实施例中，采用相同的幅度递增值A_j；

步骤S24，通过FPGA 2将数据组(X_1(j-1)n，Y_1(j-1)n)和(X_1jn，Y_1jn)代入表达式(1)中，计算得到系数因子 $a_{1\mathrm{jn}}=\frac{Y_{1\mathrm{jn}}-Y_{1(j-1)n}}{X_{1\mathrm{jn}}-X_{1(j-1)n}},$ $b_{1\mathrm{jn}}=\frac{Y_{1\mathrm{jn}}\·X_{1(j-1)n}-Y_{1(j-1)n}\·X_{1\mathrm{jn}}}{X_{1(j-1)n}-X_{1\mathrm{jn}}},$ 其中，1≤j≤50，n分别取为1、2、3和4；

例如，当j＝1时，系数因子为：

$a_{111}=\frac{Y_{111}-Y_{101}}{X_{111}-X_{101}},$ $b_{111}=\frac{Y_{111}\·X_{101}-Y_{101}\·X_{111}}{X_{101}-X_{111}}$

$a_{112}=\frac{Y_{112}-Y_{102}}{X_{112}-X_{102}},$ $b_{112}=\frac{Y_{112}\·X_{102}-Y_{102}\·X_{112}}{X_{102}-X_{112}}$

$a_{113}=\frac{Y_{113}-Y_{103}}{X_{113}-X_{103}},$ $b_{111}=\frac{Y_{113}\·X_{103}-Y_{103}\·X_{113}}{X_{103}-X_{113}}$

$a_{114}=\frac{Y_{114}-Y_{104}}{X_{114}-X_{104}},$ $b_{111}=\frac{Y_{114}\·X_{104}-Y_{104}\·X_{114}}{X_{104}-X_{114}}$

步骤S25，FPGA 2改变多通道电路的4个通道的输入信号的频率，使f_i＝f_i-1+B_i，初始化当前输入信号的幅值，使X_i01＝X_i02＝X_i03＝X_i04＝A₀，采集当前4个通道的初始输出值Y_i01，Y_i02，Y_i03，Y_i04，其中，B_i为信号源频率的递增值，2≤i≤10；根据实际应用可选择各个信号源频率的递增值B_i均相同，即B₁＝B₂＝…＝B_i，也可以选择各不相同的B_i，即B₁≠B₂…≠B_i；

步骤S26，重复步骤S23，得到在频率为f_i的不同幅值的输入信号下的4个通道的输出值Y_ij1，Y_ij2，Y_ij3，Y_ij4，其中，2≤i≤10，1≤j≤50；

步骤S27，重复步骤S24，得到系数因子 其中，2≤i≤10，1≤j≤50，n分别取为1、2、3和4；

步骤S28，将系数因子(a_ijn，b_ijn)存储在FPGA 2的存储器21中，其中，1≤i≤10，1≤j≤50，n分别取为1、2、3和4

步骤S3，通过切换射频开关4将将外围实际多路信号(在本实施例中为探头信号)作为多通道电路1的实际输入信号，采集该多通道电路1的实际输出值，根据实际多路信号的幅值和频率在存储器21中选取相应的系数因子(a_ijn，b_ijn)，并根据该选取的系数因子(a_ijn，b_ijn)、实际输出值以及表达式(1)，计算得到校准输入信号的幅值，以修正实际输入信号的幅值，校准多通道电路1的不对称性。

在本实施例中，标准信号源采用的是基于锁相环的电路，其输出的4路信号均为单频率正弦信号，且信号的输出功率和频率均由FPGA 2控制。本发明的方法还可以通过连接在所述多通道电路的输出端的嵌入式控制器或计算机实现；多通道电路1还可以为应用于加速器测量的8通道或16通道的前端处理电路。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (7)

1.一种多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，建立所述多通道电路的输入输出响应数学模型f(f,x,n)，该步骤S1包括：根据不同的输入频率范围和幅值范围将所述多通道电路的输入输出响应函数划分为多个一阶线性函数，所述多个一阶线性函数的表达式为：

其中，f为频率变量，x为幅值变量，n为通道数，且n≥1，F₀,F₁,…,F_i为频率界定点，i为频率划分的区间数，且i≥1，X₀,X₁,…,X_j为幅值界定点，j为幅值划分的区间数，且j≥1，（a_ijn，b_ijn）为系数因子；

步骤S2，拟合得到所述数学模型f(f,x,n)的系数因子（a_ijn，b_ijn），该步骤S2包括：

步骤S21，将一标准信号源输出的n路信号作为所述多通道电路的n个通道的输入信号，所述标准信号源输出的n路信号均为单频率正弦信号，且每个通道的输入信号的频率f_i相等，并定义每个通道的输入信号的幅值X_ij1=X_ij2=…=X_ijn，所述n个通道的输出值分别为Y_ij1，Y_ij2，…，Y_ijn；

步骤S22，控制所述多通道电路的n个通道的输入信号的初始幅值X₁₀₁=X₁₀₂=…=X_10n=A₀初始频率f₁=B₁，采集n个通道的初始输出值Y₁₀₁，Y₁₀₂，…，Y_10n；

步骤S23，控制所述多通道电路的n个通道的输入信号的频率不变，改变该输入信号的幅值，使X_1jn=X_1(j-1)n+A_j，其中，n分别取为1、2、…、n，分别采集在频率为f₁的不同幅值的输入信号下的n个通道的输出值Y_1j1，Y_1j2，…，Y_1jn，其中，A_j为信号源幅度的递增值，j≥1；

步骤S24，将数据组（X_1(j-1)n，Y_1(j-1)n）和（X_1jn，Y_1jn）代入表达式（1）中，计算得到系数因子 $a_{1\mathrm{jn}}=\frac{Y_{1\mathrm{jn}}-Y_{1(j-1)n}}{X_{1\mathrm{jn}}-X_{1(j-1)n}},$ $b_{1\mathrm{jn}}=\frac{Y_{1\mathrm{jn}}\·X_{1(j-1)n}-Y_{1(j-1)n}\·X_{1\mathrm{jn}}}{X_{1(j-1)n}-X_{1\mathrm{jn}}},$ 其中，j≥1，n分别取为1、2、…、n；

步骤S25，改变所述多通道电路的n个通道的输入信号的频率，使f_i=f_i-1+B_i，初始化当前输入信号的幅值，使X_i01=X_i02=…=X_i0n=A₀，采集当前n个通道的初始输出值Y_i01，Y_i02，…，Y_i0n，其中，B_i为信号源频率的递增值，i≥2；

步骤S26，重复步骤S23，得到在频率为f_i的不同幅值的输入信号下的n个通道的输出值Y_ij1，Y_ij2，…，Y_ijn，其中，i≥2，j≥1；

步骤S27，重复步骤S24，得到系数因子 其中，i≥2，j≥1，n分别取为1、2、…、n；

步骤S3，将外围实际多路信号作为所述多通道电路的实际输入信号，采集该多通道电路的实际输出值，根据所述实际多路信号的幅值和频率选取相应的系数因子（a_ijn，b_ijn），并根据该选取的系数因子（a_ijn，b_ijn）、所述实际输出值以及表达式（1），计算得到校准输入信号的幅值，以修正所述实际输入信号的幅值，校准所述多通道电路的不对称性。

2.根据权利要求1所述的多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述各个信号源幅度的递增值A_j均相同，其中，j≥1。

3.根据权利要求1所述的多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述各个信号源幅度的递增值A_j均不相同，其中，j≥1。

4.根据权利要求1、2或3所述的多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述各个信号源频率的递增值B_i均相同，i≥2。

5.根据权利要求1、2或3所述的多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述各个信号源频率的递增值B_i均不相同，i≥2。

6.根据权利要求1所述的多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：步骤S28，存储所述系数因子（a_ijn，b_ijn），其中，i≥1，j≥1。

7.根据权利要求1所述的多通道电路不对称性的校准方法，其特征在于，所述方法通过连接在所述多通道电路的输出端的FPGA、嵌入式控制器或计算机实现。