數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換中的一些關(guān)鍵問題
數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換中的一些關(guān)鍵問題
數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的基本框架
---模擬信號進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)數(shù)字形式所需的基本元素包括：模擬多路復(fù)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(fù)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(jìn)行時間多路復(fù)用;多路復(fù)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(jìn)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(shè)備做進(jìn)一步處理。
系統(tǒng)采樣率
---被轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的應(yīng)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。
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(fù)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(jìn)：(1) 增加每次循環(huán)的采樣數(shù);(2) 多路復(fù)用前預(yù)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(dá)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(jìn)行10次采樣。通常所用的范圍是每次循環(huán)7～10 次采樣。
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(diǎn)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(guān)于 A／D 轉(zhuǎn)換器的幾點(diǎn)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(shù)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(biāo)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?cái)?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：
---1LSB= VFSR/2
