CN108833790A - 一种模拟信号的采集电路、方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种模拟信号的采集电路，包括：用于接收并对模拟信号进行放大的放大电路；与放大电路的输出端相连的AD转换器；与AD转换器的输出端相连的控制器，用于判断数字信号的大小变化范围与AD转换器的总量程的比值是否低于预设比值，若是，则确定令比值不低于预设比值的放大电路的放大比例更新值，确定放大电路中元器件的参数更新值，向调节电路发送对应的调节信号；与控制器的输出端连接的调节电路，用于调节放大电路中元器件的参数，以便令放大比例变为放大比例更新值。本申请有效提高了红外信号的信噪比。本申请还公开了一种模拟信号的采集方法、装置及计算机可读存储介质，同样具有上述有益效果。

Description

一种模拟信号的采集电路、方法及装置

技术领域

本申请涉及信号采集技术领域，特别涉及一种模拟信号的采集电路、方法、装置及计算机可读存储介质。

背景技术

模拟信号采集电路在电子技术领域中得到了广泛的应用，特别是在红外成像技术中。

在红外成像过程中，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在焦平面探测器的焦平面上的感光元件，焦平面探测器将接受到的光信号转换为电信号并进行处理和传输，最终送达监视系统形成图像。其中，焦平面探测器一般输出的都是模拟信号，因此需要将其模拟信号进行放大并AD转换为数字信号。

然而，由于红外图像利用的是热辐射成像原理，又多用于夜视户外场景，夜视场景中的成像目标与环境背景的温差相对较小，使得红外图像相比于可见光图像具有较低的信噪比和对比度，其直方图分布较为集中，均匀度较差，甚至有时候一些环境背景成为了直方图中主峰所对应的灰度级，画面效果之差可想而知。

可见，如何设计一种信噪比较高的模拟信号的采集电路，以便有效提高红外成像的精确度和清晰度、改善画面效果，是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种信噪比较高的模拟信号的采集电路、方法、装置及计算机可读存储介质，以便有效提高红外成像的精确度和清晰度、改善画面效果。

为解决上述技术问题，本申请提供一种模拟信号的采集电路，包括：

用于接收并对所述模拟信号进行放大的放大电路；

与所述放大电路的输出端相连的AD转换器；用于输出AD转换后的数字信号；

与所述AD转换器的输出端相连的控制器；用于判断所述数字信号的大小变化范围与所述AD转换器的总量程的比值是否低于预设比值；若是，则确定令所述比值不低于所述预设比值的所述放大电路的放大比例更新值，根据所述放大比例更新值确定所述放大电路中元器件的参数更新值，并向调节电路发送对应的调节信号；

与所述控制器的输出端连接的所述调节电路；用于根据所述调节信号调节所述放大电路中元器件的参数，以便令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

可选地，所述放大电路为单端转差分运放放大电路，包括第一电阻、第二电阻、运算放大器、共模基准电压供电电路；

所述第一电阻的第一端作为所述放大电路的输入端；

所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端、所述运算放大器的正相输入端均相互连接；所述第二电阻的第二端与所述运算放大器的正相输出端连接；所述共模基准电压供电电路的输出端与所述运算放大器的反相输入端连接，用于提供共模基准电压；

所述运算放大器的所述正相输出端和反相输出端作为所述放大电路的输出端。

可选地，

所述控制器具体用于：

根据所述放大比例更新值确定所述第一电阻和/或所述第二电阻的阻值更新值，并向所述调节电路发送对应的阻值调节信号；

所述调节电路具体用于：

根据所述阻值调节信号调节所述第一电阻和/或所述第二电阻的阻值，以便令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

可选地，所述第一电阻和所述第二电阻均具体为数字电位器。

可选地，

所述控制器还用于：

判断所述数字信号的平均大小与所述AD转换器的半量程的差值是否高于预设差值，若是，则根据所述预设调整算法确定令所述差值不高于所述预设差值的共模基准电压更新值，并向所述调节电路发送对应的共模基准电压调节信号；

所述调节电路还用于：

根据所述共模基准电压调节信号将所述共模基准电压供电电路输出的所述共模基准电压调节至所述共模基准电压更新值。

可选地，所述控制器具体为FPGA。

本申请还提供了一种模拟信号的采集方法，应用于如上所述的任一种采集电路中的所述控制器；包括：

接收所述AD转换器所输出的所述数字信号；

判断所述数字信号的大小变化范围与所述AD转换器的总量程的比值是否低于所述预设比值；

若是，则确定令所述比值不低于所述预设比值的所述放大比例更新值，根据所述放大比例更新值确定所述放大电路中元器件的参数更新值，并向所述调节电路发送对应的所述调节信号，以便所述调节电路根据所述调节信号调节所述放大电路中元器件的参数，令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

可选地，在所述接收所述AD转换器所输出的所述数字信号之后，还包括：

判断所述数字信号的平均大小与所述AD转换器的半量程的差值是否高于预设差值；

若是，则确定令所述差值不高于所述预设差值的所述放大电路的共模基准电压更新值，并向所述调节电路发送对应的共模基准电压调节信号，以便所述调节电路根据所述共模基准电压调节信号，将所述放大电路中的共模基准电压调节至所述共模基准电压更新值。

本申请还提供了一种模拟信号的采集装置，包括：

存储器：用于存储计算机程序；

处理器：用于执行所述计算机程序以实现如上所述的任一种模拟信号的采集方法的步骤。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种模拟信号的采集方法的步骤。

本申请所提供的模拟信号的采集电路包括：用于接收并对所述模拟信号进行放大的放大电路；与所述放大电路的输出端相连的AD转换器，用于输出AD转换后的数字信号；与所述AD转换器的输出端相连的控制器，用于判断所述数字信号的大小变化范围与所述AD转换器的总量程的比值是否低于预设比值，若是，则确定令所述比值不低于所述预设比值的所述放大电路的放大比例更新值，根据所述放大比例更新值确定所述放大电路中元器件的参数更新值，并向调节电路发送对应的调节信号；与所述控制器的输出端连接的所述调节电路，用于根据所述调节信号调节所述放大电路中元器件的参数，以便令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

可见，相比于现有技术，本申请所提供的模拟信号的采集电路中，根据AD转换器输出的数字信号的动态变化范围大小而增大放大电路的放大比例，使得调整后的数字信号是充分利用了AD转换器的输入范围的而得到的高信噪比信号。由于放大电路的放大比例的增大，使得采集电路的信噪比得到有效提高，进而有效地提高了红外成像的精确度和清晰度，改善了画面质量和效果。本申请所提供的模拟信号的采集方法、装置及计算机可读存储介质同样具有上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明现有技术和本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和本申请实施例描述中需要使用的附图作简要的介绍。当然，下面有关本申请实施例的附图描述的仅仅是本申请中的一部分实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图，所获得的其他附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请所提供的一种模拟信号的采集电路的结构框图；

图2为本申请所提供的一种放大电路的电路结构图；

图3为本申请所提供的一种模拟信号的采集方法的流程图。

具体实施方式

本申请的核心在于提供一种信噪比较高的模拟信号的采集电路、方法、装置及计算机可读存储介质，以便有效提高红外成像的精确度和清晰度、改善画面效果。

为了对本申请实施例中的技术方案进行更加清楚、完整地描述，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行介绍。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

红外成像技术是一项前途广阔的高新技术，广泛应用于各种夜视、安防、过程控制、医疗设备、军队装备等红外热像领域。自然界中，一切物体都可以辐射红外线，因此利用探测仪测量目标本身与背景间的红外线差可以得到不同的热红外线形成的红外图像。

红外热像机芯是红外热像系统中的重要组件，而红外热像机芯中的非制冷焦平面探测器更是红外热成像系统中的核心器件。非制冷焦平面探测器是一种模拟输出器件，因此，在红外成像系统中一般都要利用模拟信号的采集电路对非制冷焦平面探测器输出的图像数据进行放大和模数转换处理，以便将采集到的数据输送给后续成像设备读取进而成像显示。

请参考图1，图1为本申请所提供的一种模拟信号的采集电路的结构框图；包括：

用于接收并对模拟信号进行放大的放大电路1；

与放大电路1的输出端相连的AD转换器2；用于输出AD转换后的数字信号；

与AD转换器2的输出端相连的控制器3；用于判断数字信号的大小变化范围与AD转换器2的总量程的比值是否低于预设比值；若是，则确定令比值不低于预设比值的放大电路的放大比例更新值，根据放大比例更新值确定放大电路中元器件的参数更新值，并向调节电路4发送对应的调节信号；

与控制器3的输出端连接的调节电路4；用于根据调节信号调节放大电路1中元器件的参数，以便令放大电路1的放大比例变为放大比例更新值。

具体地，由于红外热像技术的一个重要应用就是在低对比度场景下(特别是夜视环境下)对弱小目标的识别和发现，因此，有效改善红外热像系统中模拟信号采集电路的信噪比，进而提高成像质量是非常重要的。

由于电路中存在的干扰包括有电路底噪，而且电路底噪不会随着电路放大比例的增大而增大，因此，通过提高采集电路的放大比例，将图像的有效信号放大，便可以增大有效信号在总信号中的占比，降低电路底噪对图像的不良影响，从而改善热成像质量。此外，如果电路的放大比例较小，则图像数据将集中在AD转换器量程内的某一小段区间范围内，得到的图像必然分辨率较低，清晰度较差。综上所述，有效提高采集电路中的放大比例，对提高红外热成像的图像精度至关重要。

为此，本申请所提用的模拟信号的采集电路中，除了放大电路1、AD转换器2和控制器3以外，还包括有调节电路4。其中，调节电路4的作用正是通过调整放大电路1中的相关元器件的参数而实现调整放大比例的目的。

具体地，当与AD转换器2输出端连接的控制器3接收到AD转换器2输出的数字信号之后，控制器3便对该数字信号进行大小范围判断：若数字信号的大小变化范围较小，即相对于AD转换器2的总量程的比值低于了预设比值，则说明此时放大电路1的放大比例较小，并没有充分利用AD转换器2的输入范围。则此时控制器3可以通过计算确定出一个新的放大比例，即所说的放大比例更新值，使得在该新的放大比例的放大作用下所得到的数字信号可以更加有效地利用AD转换器2的输入范围。进而，控制器3便可以根据该放大比例更新值确定出放大电路1中相关元器件的参数更新值，以便向调节电路4发送对应的调节信号，由调节电路4根据调节信号将对应的元器件的参数进行调整，使得调整后的放大电路1的放大比例变为所说的放大比例更新值。

容易理解的是，放大电路1具体可以利用一些常用的电阻元器件等进行比例放大，则调节电路4具体可以通过调节相关电阻阻值来调节放大比例。本领域技术人员可以根据实际应用情况自行选择并设置，对此本申请并不进行限定。

可见，本申请所提供的模拟信号的采集电路中，根据AD转换器2输出的数字信号的动态变化范围大小而增大放大电路1的放大比例，使得调整后的数字信号是充分利用了AD转换器2的输入范围的而得到的高信噪比信号。由于放大电路1的放大比例的增大，使得采集电路的信噪比得到有效提高，进而有效地提高了红外成像的精确度和清晰度，改善了画面质量和效果。

本申请所提供的模拟信号的采集电路，在上述实施例的基础上：

请参考图2，图2为本申请所提供的一种放大电路的电路结构图。如图2所示，作为一种优选实施例，放大电路1为单端转差分运放放大电路，包括第一电阻R1、第二电阻R2、运算放大器A、共模基准电压供电电路11；

第一电阻R1的第一端作为放大电路1的输入端；

第一电阻R1的第二端、第二电阻R2的第一端、运算放大器A的正相输入端均相互连接；第二电阻R2的第二端与运算放大器A的正相输出端连接；共模基准电压供电电路11的输出端与运算放大器A的反相输入端连接，用于提供共模基准电压Vcm；

运算放大器A的正相输出端和反相输出端作为放大电路1的输出端。

具体地，由于差分传输有较强的抗共模干扰能力，因此，本申请所提供的放大电路1具体可以为单端转差分运放放大电路。并且，在现代高速模数变换电路中，几乎所有的高速AD转换器都支持模拟信号为差分输入，以进一步有效提高信噪比。

其中，单端输入是指输入端由一个参考端和一个信号端构成；差分是将单端信号进行差分变换，输出两个信号，一个和原信号同相，一个和原信号反相。信号传输到接收端后，可以再将差分信号转变为单端信号。

根据图2所示的放大电路1，其输出电压相对于输入电压的放大比例就是第二电阻R2与第一电阻R1的阻值之比，即R2/R1。则此时，调节电路4具体可以通过增大调节第二电阻R2阻值、或者减小调节第一电阻R1阻值的方式来实现提高放大比例的目的。

由此，作为一种优选实施例，控制器3具体用于：

根据放大比例更新值确定第一电阻R1和/或第二电阻R2的阻值更新值，并向调节电路4发送对应的阻值调节信号；

调节电路4具体用于：

根据阻值调节信号调节第一电阻R1和/或第二电阻R2的阻值，以便令放大电路1的放大比例变为放大比例更新值。

具体地，针对于图2所示的放大电路1，控制器3具体向调节电路4发送的调节信号便具体为针对于电阻的阻值调节信号。并且，容易理解的是，在进行阻值调节时，本领域技术人员既可以单独对第二电阻R2的阻值进行增大调节，也可以单独对第一电阻R1的阻值进行减小调节，还可以同时分别对第二电阻R2和第一电阻R1的阻值进行增大调节和减小调节，对此，本申请并不进行限定。

并且，具体地，作为一种优选实施例，第一电阻R1和第二电阻R2均具体可为数字电位器，即数字可编程电阻器，以方便进行阻值调节。

作为一种优选实施例，

控制器3还用于：

判断数字信号的平均大小与AD转换器2的半量程的差值是否高于预设差值，若是，则根据预设调整算法确定令差值不高于预设差值的共模基准电压更新值，并向调节电路4发送对应的共模基准电压调节信号；

调节电路4还用于：

根据共模基准电压调节信号将共模基准电压供电电路11输出的共模基准电压Vcm调节至共模基准电压更新值。

具体地，放大比例直接改变的输入至AD转换器2的模拟信号的动态变化范围大小，而放大电路1中的共模基准电压Vcm则可以影响到模拟信号的平均大小。若共模基准电压Vcm较小，则输入至AD转换器2的模拟信号就会集中在AD转换器2输入范围的下半段；而共模基准电压Vcm较大，则输入至AD转换器2的模拟信号就会集中在AD转换器2输入范围的上半段。在这两种情况下，单独地通过增大放大比例也很难充分利用起AD转换器2的输入范围，因此，可以进一步对放大电路1中的共模基准电压Vcm进行调节。

由此，若控制器3接收到的数字信号的平均大小与AD转换器2的半量程的差值较大，即该差值高于有预设差值时，控制器3便可以计算得到更为合适的共模基准电压更新值，并通过调节电路4将共模基准电压供电电路11输出的共模基准电压Vcm调节至所说的共模基准电压更新值，以便令调整后得到的数字信号基本位于AD转换器2输入范围的中心段。

例如，对于输入范围为0～16000的AD转换器，若得到的数字信号只集中在[2000，4000]的变化范围之内，则说明对AD转换器的利用率太低了，不仅只用到2000的动态变换范围，而且还偏离了半量程8000一定距离。因此，通过控制器3的计算处理，可同时对放大比例和共模基准电压Vcm进行调整，使得调整后得到的数字信号的范围为[1000，15000]。

作为一种优选实施例，控制器3具体为FPGA。

具体地，FPGA是一种以并行运算为主、以硬件描述语言来实现运算处理的可编程器件，具有处理速度高等优点。当然，本领域技术人员也可以采用其他类型器件作为所说的控制器3，对此本申请并不进行限定。

下面对本申请所提供的模拟信号的采集方法进行介绍。

请参阅图3，图3为本申请所提供的一种模拟信号的采集方法的流程图，应用于如上所述的任一种模拟信号采集电路中的控制器3；包括以下步骤：

步骤1：接收AD转换器2所输出的数字信号。

步骤2：判断数字信号的大小变化范围与AD转换器2的总量程的比值是否低于预设比值；若是，则进入步骤3。

步骤3：确定令比值不低于预设比值的放大比例更新值；进入步骤4。

步骤4：根据放大比例更新值确定放大电路1中元器件的参数更新值；进入步骤5。

步骤5：向调节电路4发送对应的调节信号，以便调节电路4根据调节信号调节放大电路1中元器件的参数，令放大电路1的放大比例变为放大比例更新值。

可见，本申请所提供的模拟信号的采集方法，根据AD转换器2输出的数字信号的动态变化范围大小而增大放大电路1的放大比例，使得调整后的数字信号是充分利用了AD转换器2的输入范围的而得到的高信噪比信号。由于放大电路1的放大比例的增大，使得采集电路的信噪比得到有效提高，进而有效地提高了红外成像的精确度和清晰度，改善了画面质量和效果。

本申请所提供的模拟信号的采集方法，在上述实施例的基础上：

作为一种优选实施例，在接收AD转换器2所输出的数字信号之后，还包括：

判断数字信号的平均大小与AD转换器2的半量程的差值是否高于预设差值；

若是，则确定令差值不高于预设差值的放大电路1的共模基准电压更新值，并向调节电路4发送对应的共模基准电压调节信号，以便调节电路4根据共模基准电压调节信号，将放大电路1中的共模基准电压调节至共模基准电压更新值。

本申请还提供了一种模拟信号的采集装置，包括：

存储器：用于存储计算机程序；

处理器：用于执行计算机程序以实现如上所述的任一种模拟信号的采集方法的步骤。

本申请还提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时用以实现如上所述的任一种模拟信号的采集方法的步骤。

本申请所提供的模拟信号的采集方法、装置和计算机可读存储介质的具体实施方式与上文所描述的模拟信号的采集电路可相互对应参照，这里就不再赘述。

本申请中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的计算机可读存储介质而言，由于其与实施例公开的电路相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见电路部分说明即可。

还需说明的是，在本申请文件中，诸如“第一”和“第二”之类的关系术语，仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或者操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或者操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。此外，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、电路、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、电路、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、电路、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的技术方案进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的电路及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种模拟信号的采集电路，其特征在于，包括：

用于接收并对所述模拟信号进行放大的放大电路；

与所述放大电路的输出端相连的AD转换器，用于输出AD转换后的数字信号；

与所述AD转换器的输出端相连的控制器，用于判断所述数字信号的大小变化范围与所述AD转换器的总量程的比值是否低于预设比值，若是，则确定令所述比值不低于所述预设比值的所述放大电路的放大比例更新值，根据所述放大比例更新值确定所述放大电路中元器件的参数更新值，并向调节电路发送对应的调节信号；

与所述控制器的输出端连接的所述调节电路，用于根据所述调节信号调节所述放大电路中元器件的参数，以便令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

2.根据权利要求1所述的采集电路，其特征在于，所述放大电路为单端转差分运放放大电路，包括第一电阻、第二电阻、运算放大器、共模基准电压供电电路；

所述第一电阻的第一端作为所述放大电路的输入端；

所述第一电阻的第二端、所述第二电阻的第一端、所述运算放大器的正相输入端均相互连接；所述第二电阻的第二端与所述运算放大器的正相输出端连接；所述共模基准电压供电电路的输出端与所述运算放大器的反相输入端连接，用于提供共模基准电压；

所述运算放大器的所述正相输出端和反相输出端作为所述放大电路的输出端。

3.根据权利要求2所述的采集电路，其特征在于，

所述控制器具体用于：

根据所述放大比例更新值确定所述第一电阻和/或所述第二电阻的阻值更新值，并向所述调节电路发送对应的阻值调节信号；

所述调节电路具体用于：

根据所述阻值调节信号调节所述第一电阻和/或所述第二电阻的阻值，以便令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

4.根据权利要求3所述的采集电路，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻均具体为数字电位器。

5.根据权利要求2所述的采集电路，其特征在于，

所述控制器还用于：

判断所述数字信号的平均大小与所述AD转换器的半量程的差值是否高于预设差值，若是，则根据所述预设调整算法确定令所述差值不高于所述预设差值的共模基准电压更新值，并向所述调节电路发送对应的共模基准电压调节信号；

所述调节电路还用于：

根据所述共模基准电压调节信号将所述共模基准电压供电电路输出的所述共模基准电压调节至所述共模基准电压更新值。

6.根据权利要求1至5任一项所述的采集电路，其特征在于，所述控制器具体为FPGA。

7.一种模拟信号的采集方法，应用于如权利要求1所述的采集电路中的所述控制器；其特征在于，包括：

接收所述AD转换器所输出的所述数字信号；

判断所述数字信号的大小变化范围与所述AD转换器的总量程的比值是否低于所述预设比值；

若是，则确定令所述比值不低于所述预设比值的所述放大比例更新值，根据所述放大比例更新值确定所述放大电路中元器件的参数更新值，并向所述调节电路发送对应的所述调节信号，以便所述调节电路根据所述调节信号调节所述放大电路中元器件的参数，令所述放大电路的放大比例变为所述放大比例更新值。

8.根据权利要求7所述的采集方法，其特征在于，在所述接收所述AD转换器所输出的所述数字信号之后，还包括：

判断所述数字信号的平均大小与所述AD转换器的半量程的差值是否高于预设差值；

若是，则确定令所述差值不高于所述预设差值的所述放大电路的共模基准电压更新值，并向所述调节电路发送对应的共模基准电压调节信号，以便所述调节电路根据所述共模基准电压调节信号，将所述放大电路中的共模基准电压调节至所述共模基准电压更新值。

9.一种模拟信号的采集装置，其特征在于，包括：

存储器：用于存储计算机程序；

处理器：用于执行所述计算机程序以实现如权利要求7或者8所述的模拟信号的采集方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时用以实现如权利要求7或者8所述的模拟信号的采集方法的步骤。