数据采集系统中A_D转换器的正确选择_毕文辉

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《计量与测试技术》2009年第36卷第4期

数据采集系统中A/D转换器的正确选择

HowtoSelecttheA/DConverterCorrectlyinDAQ

毕文辉　严　楠　崔德邦　张　

(北京理工大学宇航科学技术学院爆炸灾害预防与控制国家重点实验室,北京100081)

(92493部队89分队,辽宁葫芦岛125000)

摘　要:A/D转换器是数据采集系统的核心器件,它的技术指标直接影响整个采集系统的精度。本文详细地介绍了A/D转换器的采样率、分辨率和精度三个技术指标,为用户正确选择A/转换器并建立数据采集系统提供参考。关键词:数据采集;A/D转换器;分辨率;采样率;精度

1　A/D转换器的技术指标

A/D转换器是数据采集系统的核心器件,它的技术指标有采样通道数目、输入范围、输入方式、采样率、分辨率、精度、编码宽度等,其中采样率、分辨率、精度是A/D转换器的3个重要技术指标,直接影响数据采集系统的精度。

2　采样率的选择

采样率是数据采集转换器的重要技术指标,它是指在单位时间内数据采集转换器对模拟信号的采集次数。一个高采样率可以在给定时间下采集更多数据,因此能更好地反映原始信号。但也并不是采样率越高越好,如果采样率太高,当然会得到完美的信号,但同时也会得到大量的无用数据—这将浪费宝贵的硬盘空间。但如果采样率低于信号频率虽然节省硬盘空间,将会得到一个无用的测试结果:波形信号看似正确,实际上是完全错误的。

下面通过几个例子来解释信号频率与采样率之间的关系。被测信号为幅值±4V、频率10Hz的正弦波,将采样率从高降到低。

首先,将采样率设为1000s/s,也就是每个周期100个采样点,得到的结果是一个非常完美、精确的正弦信号,但是需要足够的硬盘空间

。

不一定是在最大值,所以幅度信息完全丢失,也不能进行正确的时间和频率分析。

第四,采样率为10s/s,也就是每个周期1个采样点,得到的结果是取决于采样时间的一条条直线。

第五,采样率为3s/s,也就是每个周期0.33个采样点,得到的结果非常有趣:看似一个信号,但是频率远低于10Hz,这是明显的混淆现象。

上面的所有例子都是理想化的,在实际测试中不可能出现,但却能对正确理解信号频率与采样率之间的关系有帮助。在实际应用中,为了使采样后输出的离散时间序列信号能无失真地复现原输入信号,由采样定理可知,推荐采样率应为信号最高频率的(5—20)倍。3　分辨率的选择

分辨率是指A/D转换器所能分辨模拟输入信号的最小变化量,它代表了数字值上的最低有效位1(LSB),也常被称为编码宽度。分辨率是由A/D转换器的位数决定的,位数越大,分辨率就越高,信号范围被分割成的区间数目越多,输入信号的细分程度就越高,因此能探测到的电压变量就越小,这对于提高像FFT这样的数学分析计算非常重要,但同时也意味着更高的成本。A/D转

其次,将采样率设为100s/s,也就是每个周期10个采样点,得到的结果也是一个非常有用的正弦信号,需要中等的硬盘空间。

第三,采样率为40s/s,也就是每个周期4个采样点,

毕文辉等:数据采集系统中A/D转换器的正确选择

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有24位的。

最小分辨率

换器的位数通常有8位、12位、14位和16位的,甚至还

A/D转换器位数812141624

分割区间数2564096163846553616777216

输入范围:±1V

0.007812500V0.000488281V0.000122070V0.000030518V0.000000119V

7.8mV0.488mV0.122mV0.031mV0.119μV

表1　A/D转换器位数与分辨率在不同输入信号范围的关系

输入范围:±5V

0.039062500V0.002441408V0.000610352V0.000152588V0.000000596V

39.1mV2.441mV0.610mV0.153mV0.596μV

输入范围:±10V0.078125000V0.004882813V0.001220703V0.000305176V0.0000001192V

78.1mV4.883mV1.221mV0.305mV1.192μV

　　下面介绍分辨率的计算方法:首先计算不连续段的数量N:N=2位数

然后就可以算出输入分辨率

输入范围输入范围

不连续段的数量N

f:=f

数字存贮示波器具有相同的工作方式。

数据采集系统的采样速度可从每小时几次直至每秒几百万次采样。应考虑特定应用的实际需要,较高的速

度不一定就较好。较高速度的系统通常只有较低的精度,以及更高的价格和更高的噪声电平。(事实上,许多数据采集系统运行在比实际需要更高的速度上,简单地采集足够的采样数并进行平均即可克服噪声问题。)4　精度的选择

精度反映了测量值与实际信号值的接近程度,用%来表示。例如,一个具有0.1%系统精度的数据采集系统,测量一个“理想”的10V电压源。测量结果带有0.1%的误差,它可能显示高至10.01V或低至9.99V的测量值。显然,精度越高,数据质量也就越高,测量结果也就越加可信。

测量系统的每一部分都有自己的精度:比如A/D转换器、放大器、传感器,甚至传输电缆对系统的精度也有影响。对仪器使用者来说,并不是对所有的精度都感兴趣,只要知道所有精度的总和也就是系统的精度,才是最重要的。计算方法并不难:将测试系统连接到一个高精度的已知信号,从测试结果就能知道。它们之间的差别就是误差,可以在系统校准时直接修正掉。

5　分辨率与精度的关系

精度与分辨率是两个完全不同的指标,但许多人经常混淆它们。

或者直接计算:f2A/D转换器的位数越高,分辨率越高。下面来看一下8位、12位、16位的A/D转换器采集同一输入信号的情况。

三种A/D转换器(8位、12位、16位)的采样率均设置在1ks/s,对同一个信号进行采样,采样时间为512ms,信号每秒连续增加1000(假设是没有单位的理想信号)。16位A/D转换器每一个采样点都有不同的值,12位A/D转换器每16就有一个采样值,而8位A/D转换器每256才有一个采样值。下面三个图更详细地解释了分辨率。

图7图8位A/D转换器采样波形

。

但过高的分辨率也会带来其它的问题:为获得一个稳定的信号,A/D转换需要更多的采样时间。也就是说,分辨率越高,A/D采样越慢。

表2　A/D转换器在单通道工作方式时的采样时间

A/D转换器位数812141624

分割区间数2564096163846553616777216

最小采样时间

标准A/D板0.8μs1.25μs3μs0.17s

1.25Ms/s800ks/s333ks/s6s/s

1μs

1Ms/s

特殊A/D板2ns10ns

500Ms/s100Ms/s

精度是反映一个实际n位A/D转换器与一个理想

n位A/D转换器差距的重要指标之一,分为绝对精度和相对精度两种,通常以误差的形式来给出精度。但是精度和分辨率是两个不同的概念,精度是指转换后所得结果相对于实际值的一致程度;分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的最小变化值。对于同一n位分辨率的不同数据采集转换器,其精度可能是不同的,这就是精度和分辨率概念不同的所在。例如,一块具有12位A/D转换的数据采集转换器,它的最佳分辨率就是1/212=1/4096,也就是说,当输入电压范围为±10V(即Vp-p=20V)时,它能分辨的最小电压就是20V/4096=4.88mV。理论上,分辨率越高,分割信号的点就越密,从而还原出来的信号也就越真实、越平滑。而绝对精度的”,

　　标准的A/D转换器能够进行连续的测量,数据直接存盘,就像使用模拟记录设备一样。专门的A/D板是通常的瞬态记录板,板上具有单独的高速存贮内存,它们工作在按块存贮的方式,不能进行连续地测试,它与现代的

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在待测信号进入模数转换器之前,它还必须经过数据采集板转换器上的多路转换器(MUX),可编程增益放大器((Amplifier)等其他的器件。在这个过程中都可能引入随机噪声,并且随着时间、温度变化参考源所发生的漂移,以及增益前后引入的非线性误差等,都会对测量结果产生的影响,综合以上各种误差就是我们所说的绝对精度。6　结束语

A/D转换器是数据采集系统的核心器件,它的技术指标直接影响整个采集系统的精度。因此在组建数据采集系统选择A/D转换器时,除了考虑A/D转换器的采样通道数目、输入范围、输入方式外,还要考虑A/D转换器的采样率和分辨率,更重要的是要了解所选A/D转换器的绝对精度指标,以免所选的具有高分辨率的A/D转换器的精度不如一块具有低分辨率的A/D转换器的精度。

《计量与测试技术》2009年第36卷第4期

参考文献

[1]冯雪.数据采集转换器性能指标与应用[J].工业控制计算机,M2008,21(5):10-11.

[2]美国国家仪器有限公司.数据采集(DAQ)基础[J].国外电子测试技术,2005(3):28-34.

[3]盛威.数据采集系统的测量性能:多高足够?[J].现代电子技术,1997(3):50-52.

[4]梁志国,周艳丽,沈文.线性模拟量数据采集系统精度的两种评价方法[J].航空计测技术,1996(5):23-26.

[5]研华工控.第三讲:数据采集与控制转换器[J].测控技术,1995,14(6):40-42.

[6]杨延善.数据采集系统中模拟量测量精度指标的讨论[J].测控技术,1987(4):23-30.

作者简介:毕文辉,男,高级工程师。工作单位:北京理工大学宇航科学技术学院爆炸灾害预防与控制国家重点实验室;92493部队89分队。通讯地址:100081北京理工大学宇航科学技术学院49信箱。

严楠(通讯联系人),崔德邦,

张收稿时间:2008-12-12

,北京理工大学(北京100081)。

2009年会仪器行业市场需求分析报告

2009年4月9日,由中国仪器仪表行业协会、中国仪器仪表学会分析仪器分会、仪器信息网共同主办的“2009中国科学仪器发展年会”在北京顺利召开。会上,中国科学院理化技术研究所许祖彦院士、中国仪器仪表学会农业仪器应用技术学会蒋士强教授、中国检验检疫科学研究院首席专家邹明强研究员、中国仪器仪表行业协会副理事长朱明凯先生、中国环境监测总站原站长丁中元先生5位业内知名专家就检验检疫、环境监测等行业的科学仪器市场需求以及科学仪器行业整体发展状况做了精彩的大会报告。

中国科学院理化技术研究所许祖彦院士作题为“DUV-DPL”的大会特邀报告,DUV-DPL为全固态深紫外激光器。中科院全固态深紫外激光器研制的成功,使我国激光科技研究突破了200nm以短的深紫外壁垒,实现了实用化、精密化,并申请到了中国、日本、美国的专利,就目前情况而言,中科院的专利已垄断了深紫外全固态激光研究的全部领域。还极大推进了我国科研人员在激光科技研究领域继续深入,促进了我国前沿科学、光电子产业发展,为这一技术研究领域在国际上持续保持优势地位奠定了坚实的基础。深紫外激光器广泛应用于物理、化学、材料科学等领域。

中国仪器仪表学会农业仪器应用技术学会蒋士强教授作题为“在构建`国家食品安全保障体系'中急需发展科学仪器而建设科学仪器研发中心、产业化基地和产业联盟”的大会报告。报告从食品安全检测、检验、分析和监控中对科学仪器设备的需求;在构建我国食品安全保障体系中对科学仪器设备市场总需求的预测;我国科学仪器产业面临着外部的挤压及内部恶性斗争的严峻形式;建立我国科学仪器创新体系,加速我国科学仪器产业化水平的具体建议四个方面详细做了介绍。

中国检验检疫科学研究院首席专家邹明强研究员作题为“浅谈质检系统的装备需求及研发新进展”的大会报告。在简要介绍了2008年我国产品质量和食品安全时间频发的宏观背景之后,邹明强研究员对质检系统科学仪器的需求进行了分析:对实验室仪器仍有需求,但已呈现减缓的趋势;而对可现场使用、快速、针对性广、灵敏、准确的筛选分析方法与仪器有迫切的需求。最后结合质检系统的情况,介绍了拉曼光谱现场速测系统、PCR微流控芯片仪、增敏金标检测卡的研发新进展。

中国仪器仪表行业协会副理事长朱明凯先生作题为“2008中国科学仪器行业发展整体状况分析”的大会报告。朱明凯先生首先对2008年科学仪器行业发展状况进行了详细的分析:产销保持高速增长;进出口保持两位数增长;利润增幅急剧下降;分行业经济运行状况不平衡。目前国内市场对科学仪器的需求仍在不断增长,可以预见2009年我国科学测试仪器行业将具有较强发展态势。最后,殷切希望科学仪器行业的企业在提高认识、增强信心;强化管理,提高竞争力;坚持自主创新等方面继续努力。

中国环境监测总站原站长丁中元先生作题为“中国环境监测仪器市场需求分析及技术发展趋势展望”大会报告。报告中重点介绍了以下内容:一,环境保护对环境监测提出新要求,做好环境质量监测、应急监测工作将是今后工作重点。二,我国环境监测技术在时间、空间、数据可靠性等方面存在一些问题,我国环境监测能力与发达国家相比差距依然很大。环境监测技术发展的趋势,监测空间从城市向农村、郊区广域扩展,从地面向空中与地面立体发展;监测频次从定期向连续全天候监测发展;监测项目从无机污染物向有机有毒污染物发展;监测要素从单要素监测向多要素组合监测;监测方法从实验室向在线、自动、快速分析;监测技术不只化学法,更加重视光学、遥感和生物学发展。最后,分析了实验室化学分析仪器与设备、环境质量自动在线监测系统、污染源在线监督监测仪器、应急与反恐快速便携。