如何實現(xiàn)對模擬信號的采集 AD位數(shù)是如何影響信號幅值的

要實現(xiàn)對模擬信號的采集，要首先對其進行濾波、信號轉(zhuǎn)換、分壓限幅、信號放大等預(yù)處理，消除雜波干擾，增加信號的驅(qū)動能力和抗干擾能力滿足A/D轉(zhuǎn)換的輸入條件，提高分辨率和測量精度；同時滿足使用隔離、保護等電路避免輸入信號可能發(fā)生的超壓等現(xiàn)象對模塊內(nèi)部器件的損壞。

A/D采集電路的基本結(jié)構(gòu)中在接收電路之后，必須使用濾波電路濾去不必要的電信號。濾波電路的作用實質(zhì)上就是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號順利通過，而使另一部分頻率的信號被急劇的衰減。分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。濾波電路利用集成運放與RC電路放在一塊，組成有源濾波器，和無源濾波器相比，能夠提高帶通電壓放大倍數(shù)和帶負載能力；差分放大器部分電路將濾波后的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，輸出單端信號，同時將信號量化到設(shè)計范圍之內(nèi)，送到多路器前再進行有源二階濾波，多路器根據(jù)不同地址來接收不同的模擬量信號送到A/D轉(zhuǎn)換芯片。

AD位數(shù)是如何影響信號幅值的？

數(shù)據(jù)采集設(shè)備一個重要的指標就是AD位數(shù)，AD位數(shù)越高越好。

AD位數(shù)的實質(zhì)是指模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)時使用多少位（bit）表征數(shù)據(jù)電壓幅值大小。

位數(shù)越高，存儲小數(shù)點后面的位數(shù)也就越多，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)也就越精確，越接近實際值。包含一位符號位。

數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過對AD進行量化，量化是指現(xiàn)實世界中的時域信號的連續(xù)賦值離散成若干個量化量級，實質(zhì)是幅值轉(zhuǎn)換精度。一個量化量級是指最小的量化電平大?。娖介g隔）。AD位數(shù)越高，量化量級越小，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)幅值精度越高。虛線表示相應(yīng)的量化電平，所有轉(zhuǎn)換后的幅值只能位于這些虛線所表示的量化電平之上，其他位置沒有任何量化電平。

對于M位AD而言，假設(shè)為理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，則其對應(yīng)的量化量級份數(shù)N為：N=2^M-1

對于電壓滿量程為±AV的數(shù)采設(shè)備而言，其量化量級大小Q為：Q=2A/2^M

通常數(shù)采設(shè)備的最大量程是一定的，通常為±10v，因而AD位數(shù)越高，量化量級越小，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度越高。AD位數(shù)對應(yīng)的量化份數(shù)和量化量級如下表示：

如上，對于量程相同的情況下，AD的位數(shù)越高，量化量級越小。

假設(shè)AD位數(shù)為8，則來量化電平間隔為78.1mv，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的幅值電壓只能是78.1的倍數(shù)，而24位AD轉(zhuǎn)換后的幅值電壓則為1.19uv的倍數(shù)。這就是為什么AD位數(shù)低于16位，包括16位AD數(shù)采設(shè)備在AD轉(zhuǎn)換前要用放大器，要把AD轉(zhuǎn)換前的信號放大之后再進行量化，減小量化誤差。

下圖中考慮將量程為±1.5V用4位和5位AD進行量化，來說明不同AD位數(shù)帶來的差異。4位AD只能用4位來存儲數(shù)據(jù)，因此滿量程被劃分為16份，而5位AD則可以劃分為32位。從圖中也可以看出，相同的量程高位AD對應(yīng)的量化電平間隔越小，則測量相同的信號，高位AD精度越高。另外，4位AD對應(yīng)的動態(tài)范圍為24dB，5位AD對應(yīng)的動態(tài)范圍我30dB。

量化誤差是模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中另一個重要的幅值誤差來源，之前說過采樣頻帶也會給幅值帶來誤差。在模數(shù)轉(zhuǎn)換過程中，實際模擬量值與量化數(shù)字值之間的差異稱為量化誤差或量化失真。這個誤差歸咎于取整（只能是量化量級的倍數(shù)）或截斷造成的，誤差大小是隨機的，在不同的采樣點這個誤差大小也不相同。在進行量化時，是將信號的電壓幅值按四舍侮辱的方式量化到最近的量化電平上。

在下面通過一個實例數(shù)據(jù)來說明量化誤差是如何產(chǎn)生的。

假設(shè)考慮如下圖所示的采樣，黑色實現(xiàn)表示信號實際大小，采樣間隔為時間T，考慮第7個采樣點的幅值量化誤差。X表示相鄰兩個量化電平的平均值，從圖中可以看出，在采集第7個數(shù)據(jù)點時，信號的實際幅值大小位于量化電平m6和m7之間，但這個數(shù)據(jù)量化之后，幅值要么是m6要么是m7，將該幅值與m6和m7的平均值x6進行比較，發(fā)現(xiàn)幅值大于x6，因此四舍五入到最近的量化電平m7上，m7與信號實際值之差就是量化誤差。

當AD位數(shù)越高時，量化電平間隔會越小，因此量化誤差會越小，轉(zhuǎn)化精度越高。理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，量化誤差俊宇分布于（-1/2量化級）~（+1/2量化級）之間。

對于理想的M位AD而言，信號與量化噪聲之比（SQNR）（或稱動態(tài)范圍）由下式計算：

SQNR=20log10（2^M）=6.02M dB

從上式可以明白，1位AD，對應(yīng)的動態(tài)范圍為6.02dB。由于每一位只能存儲0或1，對應(yīng)的數(shù)字大小為20=1和21=2，相差2倍，線性2倍，對應(yīng)6dB。因此，1位AD對應(yīng)的動態(tài)范圍為6dB。

除了用高位AD之外，還可以用一下兩種方法可減少量化誤差提高信噪比。

1.使用量程合適的傳感器

使用量程合適的傳感器是為了保證傳感器輸出的信號大小合適，既不至于過載，又不至于欠載。相對而言，信號幅值越大，信噪比越高，量化誤差越小。一般而言，測量的信號幅值應(yīng)在傳感器滿量程的80%是合適的。

2.使用合適的電壓量程

當AD位數(shù)和傳感器不能再改時，這時可以調(diào)節(jié)數(shù)采設(shè)備的電壓量程來提高信噪比，減小量化誤差。這個量化調(diào)節(jié)功能也就是所謂的自動量程或手動量程。自動量程是根據(jù)測量信號的大小，軟件自動設(shè)置量程；手動量程是測試人員手動修改電壓量程。測量大信號時，用大量程，測量小信號用小量程。

如果對大信號設(shè)置的電壓量程過小，會導(dǎo)致消波的情況出現(xiàn)，超出量程的部分會被削掉。

比方說24位AD的動態(tài)范圍理論上是144dB，但實際是110-120dB之間，也就是有效位在18-20位之間，因為數(shù)采設(shè)備都是電子元器件組成的，本身也會存在噪聲，降低了AD的位數(shù)。這個噪聲是所謂的本底噪聲，即使不測量任何信號，設(shè)備也會有相應(yīng)的電壓輸出，這部分電壓就是本底噪聲。

在信號進行采集時，為了減少誤差，應(yīng)盡量使用高位AD，量程合適的傳感器和使用合適的電壓量程。

審核編輯：湯梓紅
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