數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換中的一些關鍵問題

數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式進行分析或傳輸。模擬信號輸入通常是由互感器和傳感器將壓力、溫度、應力或張力、流量等真實信號轉(zhuǎn)換為相應的電信號。系統(tǒng)保存信號準確性和完整性的能力是衡量系統(tǒng)的主要指標。如何設計一個高性能的數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)需要考慮多方面的因素，本文就其中的一些關鍵問題給出自己的討論。

數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本框架

模擬信號進行采集并轉(zhuǎn)換為相應數(shù)字形式所需的基本元素包括：模擬多路復用器和信號調(diào)節(jié)；放大器；模數(shù)轉(zhuǎn)換器；PC 或 MCU。

圖1 為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)典型框圖。目前的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換所需的所有元素，不過有時可能不包含模擬多路復用之前的輸入濾波與信號調(diào)節(jié)。模擬信號由模擬乘法器進行時間多路復用；多路復用器輸出信號通過放大器輸入A/D轉(zhuǎn)換器。我們可對采樣／保持進行編程，以便采集并保持經(jīng)各 A／D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成的數(shù)字多路數(shù)據(jù)采樣。轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)以并行或串行形式出現(xiàn)在 A／D 轉(zhuǎn)換器的輸出中，以備終端設備做進一步處理。

圖1

系統(tǒng)采樣率

被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的應用與最終使用決定了數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)所需的采樣率和轉(zhuǎn)換率。系統(tǒng)采樣率由最高帶寬通道、數(shù)據(jù)通道的數(shù)量以及每次循環(huán)的采樣數(shù)決定。

圖2

混疊誤差

根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在理想的采樣數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)帶寬的每次循環(huán)要求最少兩次采樣，這樣恢復被采樣信號才不會丟失信息。因此，確定系統(tǒng)采樣率時首先要考慮的就是混疊誤差，也就是由于在信號頻率的每次循環(huán)中采樣數(shù)量不足所造成的信息丟失。圖2 顯示了在數(shù)據(jù)帶寬的每次循環(huán)中采樣數(shù)量不足所造成的混疊誤差。

每次循環(huán)需要多少個采樣

這個問題的答案取決于允許的平均誤差容限、重建方法（如果存在）以及數(shù)據(jù)的最終使用。

采樣數(shù)據(jù)的平均精度可通過以下途徑加以改進：(1)增加每次循環(huán)的采樣數(shù)；(2) 多路復用前預采樣濾波，或 (3) 過濾 D／A 轉(zhuǎn)換器輸出。圖3顯示了采樣數(shù)據(jù)的重建，這里 fS= 2fMAX。

如圖 4所示，每次循環(huán)采樣數(shù)只要稍許增加，采樣數(shù)據(jù)的平均精度就會大幅上升。理論限制在于持續(xù)采樣時采集與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的吞吐量精度。對于數(shù)據(jù)的零階重建，從圖4 可以看出，重建采樣數(shù)據(jù)達到平均 90% 乃至更高的精度要求對數(shù)據(jù)帶寬的每次循環(huán)進行10次采樣。通常所用的范圍是每次循環(huán)7～10次采樣。

圖3

圖4

采樣誤差

采樣誤差的定義是：采樣過程中動態(tài)數(shù)據(jù)變化的不確定性所造成的采樣數(shù)據(jù)點的幅值與時間誤差。在數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，通過使用采樣／保持器或快速的A／D轉(zhuǎn)換器，就能減小采樣誤差或使之不顯著。對于正弦數(shù)據(jù)，最大采樣誤差出現(xiàn)在零交叉情況下，這時會出現(xiàn)最大的 dv／dt。

關于 A／D 轉(zhuǎn)換器的幾點說明

A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度和分辨率是最重要的兩個參數(shù)。下面簡單討論一下 A／D 轉(zhuǎn)換器術語將有助于讀者更好地了解系統(tǒng)分辨率與精度。

速度：主要由A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣時間及轉(zhuǎn)換時間構(gòu)成。A/D轉(zhuǎn)換器手冊均會在采樣動態(tài)參數(shù) （Sampling Dynamics）標出轉(zhuǎn)換速度。有時是數(shù)據(jù)吞吐率（Throughput Rate）。逐次逼近型AD轉(zhuǎn)換器采樣速率或數(shù)據(jù)吞吐率一般從幾十千次每秒到幾兆次每秒。

分辨率：A／D 轉(zhuǎn)換器的比特數(shù)決定著數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的分辨率。A／D 轉(zhuǎn)換器分辨率的定義如下：---1 LSB = VFSR/2n，

LSB = 最低有效位，VFSR =滿量程輸入電壓范圍，這里，n為A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。比特數(shù)決定著數(shù)字碼的數(shù)量，對A／D轉(zhuǎn)換器而言有2n個離散數(shù)字代碼。就本文的討論而言，我們將使用二進制逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換器。表1顯示了典型A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率和LSB的值。

表1

信噪比：理想AD轉(zhuǎn)換器的信噪比為SNRdB=6.02×n-1.76，表2 為AD 轉(zhuǎn)換器位數(shù)與信噪比的簡單對照表。

表2

精度：假定所有模擬值都位于 A／D轉(zhuǎn)換器輸入處。A／D 轉(zhuǎn)換器量化或編碼特定的模擬輸入值為相應的數(shù)字代碼作為一種輸出。上述數(shù)字代碼有著內(nèi)在的不確定性或 ±1／2LSB的量化誤差。這就是說，量化的數(shù)字代碼所代表的模擬電壓與相鄰數(shù)字代碼中間點的距離在 ±1／2LSB之內(nèi)。A／D轉(zhuǎn)換器的精度不會超過內(nèi)在的 ±1／2LSB 的量化誤差所允許的范疇。增益、偏移和線性誤差等模擬誤差也會影響 A／D轉(zhuǎn)換器的精度。增益和偏移通?？烧{(diào)節(jié)為零，但線性誤差是不可調(diào)的，因為它是由固定值的梯形電阻器網(wǎng)絡和網(wǎng)絡開關匹配造成的。大多數(shù)高質(zhì)量A／D轉(zhuǎn)換器的線性誤差都低于±1／2LSB。另一個需要重點考慮的誤差是微分線性誤差。在理想的A／D 轉(zhuǎn)換器中，相鄰過渡點間的步進大小為一個 LSB。微分線性誤差就是在實際 A／D 轉(zhuǎn)換器中相鄰過渡點與理想的 LSB步進差距。該誤差必須小于一個 LSB，這樣才能保證不會丟失代碼。線性誤差為 ±1／2LSB 的 A／D轉(zhuǎn)換器不一定意味著不會丟失代碼。圖5為微分線性、失調(diào)及增益誤差圖。

圖5

二進制代碼：二進制編碼的數(shù)據(jù)格式是數(shù)字計算機類型應用中最常見的，其處理通常以二進制形式進行。A／D 轉(zhuǎn)換器中最常用的二進制編碼為：

1. 單極標準二進制(USB)——用0～±10V等。

2. 雙極偏移二進制(BOB)——用于雙極模擬信號范圍，如 ±5V、±10V 等

3. 雙極雙組件(BTC)——用于許多數(shù)字計算機應用中的雙極模擬信號范圍。

在 A／D 轉(zhuǎn)換器中使用兩種 BCD編碼，單極 BCD 和符號數(shù)值 BCD (SMD)。