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如何实现对模拟信号的采集 AD位数是如何影响信号幅值的
发布时间： 2022/7/25 13:59:04 | 1078 次阅读
要实现对模拟信号的采集，要首先对其进行滤波、信号转换、分压限幅、信号放大等预处理，消除杂波干扰，增加信号的驱动能力和抗干扰能力满足A/D转换的输入条件，提高分辨率和测量精度；同时满足使用隔离、保护等电路避免输入信号可能发生的超压等现象对模块内部器件的损坏。
数据采集设备一个重要的指标就是AD位数，AD位数越高越好。
AD位数的实质是指模数转换数据时使用多少位（bit）表征数据电压幅值大小。
位数越高，存储小数点后面的位数也就越多，转换后的数据也就越，越接近实际值。包含一位符号位。
数据采集设备通过对AD进行量化，量化是指现实世界中的时域信号的连续赋值离散成若干个量化量级，实质是幅值转换精度。一个量化量级是指的量化电平大小（电平间隔）。AD位数越高，量化量级越小，转换后的数据幅值精度越高。虚线表示相应的量化电平，所有转换后的幅值只能位于这些虚线所表示的量化电平之上，其他位置没有任何量化电平。
通常数采设备的量程是一定的，通常为±10v，因而AD位数越高，量化量级越小，数据转换精度越高。AD位数对应的量化份数和量化量级如下表示：
如上，对于量程相同的情况下，AD的位数越高，量化量级越小。
假设AD位数为8，则来量化电平间隔为78.1mv，模数转换后的幅值电压只能是78.1的倍数，而24位AD转换后的幅值电压则为1.19uv的倍数。这就是为什么AD位数低于16位，包括16位AD数采设备在AD转换前要用放大器，要把AD转换前的信号放大之后再进行量化，减小量化误差。
下图中考虑将量程为±1.5V用4位和5位AD进行量化，来说明不同AD位数带来的差异。4位AD只能用4位来存储数据，因此满量程被划分为16份，而5位AD则可以划分为32位。从图中也可以看出，相同的量程高位AD对应的量化电平间隔越小，则测量相同的信号，高位AD精度越高。另外，4位AD对应的动态范围为24dB，5位AD对应的动态范围我30dB。
量化误差是模数转换过程中另一个重要的幅值误差，之前说过采样频带也会给幅值带来误差。在模数转换过程中，实际模拟量值与量化数字值之间的差异称为量化误差或量化失真。这个误差归咎于取整（只能是量化量级的倍数）或截断造成的，误差大小是随机的，在不同的采样点这个误差大小也不相同。在进行量化时，是将信号的电压幅值按四舍侮辱的方式量化到近的量化电平上。
在下面通过一个实例数据来说明量化误差是如何产生的。
假设考虑如下图所示的采样，黑色实现表示信号实际大小，采样间隔为时间T，考虑第7个采样点的幅值量化误差。X表示相邻两个量化电平的平均值，从图中可以看出，在采集第7个数据点时，信号的实际幅值大小位于量化电平m6和m7之间，但这个数据量化之后，幅值要么是m6要么是m7，将该幅值与m6和m7的平均值x6进行比较，发现幅值大于x6，因此四舍五入到近的量化电平m7上，m7与信号实际值之差就是量化误差。
当AD位数越高时，量化电平间隔会越小，因此量化误差会越小，转化精度越高。理想的模数转换器，量化误差俊宇分布于（-1/2量化级）~（+1/2量化级）之间。
对于理想的M位AD而言，信号与量化噪声之比（SQNR）（或称动态范围）由下式计算：
SQNR=20log10（2^M）=6.02M dB
从上式可以明白，1位AD，对应的动态范围为6.02dB。由于每一位只能存储0或1，对应的数字大小为20=1和21=2，相差2倍，线性2倍，对应6dB。因此，1位AD对应的动态范围为6dB。
除了用高位AD之外，还可以用一下两种方法可减少量化误差提高信噪比。
1.使用量程合适的传感器
使用量程合适的传感器是为了保证传感器输出的信号大小合适，既不至于过载，又不至于欠载。相对而言，信号幅值越大，信噪比越高，量化误差越小。一般而言，测量的信号幅值应在传感器满量程的80%是合适的。
2.使用合适的电压量程
当AD位数和传感器不能再改时，这时可以调节数采设备的电压量程来提高信噪比，减小量化误差。这个量化调节功能也就是所谓的自动量程或手动量程。自动量程是根据测量信号的大小，软件自动设置量程；手动量程是测试人员手动修改电压量程。测量大信号时，用大量程，测量小信号用小量程。
如果对大信号设置的电压量程过小，会导致消波的情况出现，超出量程的部分会被削掉。
比方说24位AD的动态范围理论上是144dB，但实际是110-120dB之间，也就是有效位在18-20位之间，因为数采设备都是电子元器件组成的，本身也会存在噪声，降低了AD的位数。这个噪声是所谓的本底噪声，即使不测量任何信号，设备也会有相应的电压输出，这部分电压就是本底噪声。
在信号进行采集时，为了减少误差，应尽量使用高位AD，量程合适的传感器和使用合适的电压量程。
A/D采集电路的基本结构中在接收电路之后，必须使用滤波电路滤去不必要的电信号。滤波电路的作用实质上就是“选频”，即允许某一部分频率的信号顺利通过，而使另一部分频率的信号被急剧的衰减。分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。滤波电路利用集成运放与RC电路放在一块，组成有源滤波器，和无源滤波器相比，能够提高带通电压放大倍数和带负载能力；差分放大器部分电路将滤波后的模拟信号进行转换，输出单端信号，同时将信号量化到设计范围之内，送到多路器前再进行有源二阶滤波，多路器根据不同地址来接收不同的模拟量信号送到A/D转换芯片。
AD位数是如何影响信号幅值的？数据采集设备一个重要的指标就是AD位数，AD位数越高越好。
AD位数的实质是指模数转换数据时使用多少位（bit）表征数据电压幅值大小。
位数越高，存储小数点后面的位数也就越多，转换后的数据也就越，越接近实际值。包含一位符号位。
数据采集设备通过对AD进行量化，量化是指现实世界中的时域信号的连续赋值离散成若干个量化量级，实质是幅值转换精度。一个量化量级是指的量化电平大小（电平间隔）。AD位数越高，量化量级越小，转换后的数据幅值精度越高。虚线表示相应的量化电平，所有转换后的幅值只能位于这些虚线所表示的量化电平之上，其他位置没有任何量化电平。
对于M位AD而言，假设为理想的模数转换器，则其对应的量化量级份数N为：N=2^M-1
对于电压满量程为±AV的数采设备而言，其量化量级大小Q为：Q=2A/2^M通常数采设备的量程是一定的，通常为±10v，因而AD位数越高，量化量级越小，数据转换精度越高。AD位数对应的量化份数和量化量级如下表示：
假设AD位数为8，则来量化电平间隔为78.1mv，模数转换后的幅值电压只能是78.1的倍数，而24位AD转换后的幅值电压则为1.19uv的倍数。这就是为什么AD位数低于16位，包括16位AD数采设备在AD转换前要用放大器，要把AD转换前的信号放大之后再进行量化，减小量化误差。
下图中考虑将量程为±1.5V用4位和5位AD进行量化，来说明不同AD位数带来的差异。4位AD只能用4位来存储数据，因此满量程被划分为16份，而5位AD则可以划分为32位。从图中也可以看出，相同的量程高位AD对应的量化电平间隔越小，则测量相同的信号，高位AD精度越高。另外，4位AD对应的动态范围为24dB，5位AD对应的动态范围我30dB。
在下面通过一个实例数据来说明量化误差是如何产生的。
假设考虑如下图所示的采样，黑色实现表示信号实际大小，采样间隔为时间T，考虑第7个采样点的幅值量化误差。X表示相邻两个量化电平的平均值，从图中可以看出，在采集第7个数据点时，信号的实际幅值大小位于量化电平m6和m7之间，但这个数据量化之后，幅值要么是m6要么是m7，将该幅值与m6和m7的平均值x6进行比较，发现幅值大于x6，因此四舍五入到近的量化电平m7上，m7与信号实际值之差就是量化误差。
对于理想的M位AD而言，信号与量化噪声之比（SQNR）（或称动态范围）由下式计算：
SQNR=20log10（2^M）=6.02M dB
从上式可以明白，1位AD，对应的动态范围为6.02dB。由于每一位只能存储0或1，对应的数字大小为20=1和21=2，相差2倍，线性2倍，对应6dB。因此，1位AD对应的动态范围为6dB。
除了用高位AD之外，还可以用一下两种方法可减少量化误差提高信噪比。
1.使用量程合适的传感器
使用量程合适的传感器是为了保证传感器输出的信号大小合适，既不至于过载，又不至于欠载。相对而言，信号幅值越大，信噪比越高，量化误差越小。一般而言，测量的信号幅值应在传感器满量程的80%是合适的。
2.使用合适的电压量程
当AD位数和传感器不能再改时，这时可以调节数采设备的电压量程来提高信噪比，减小量化误差。这个量化调节功能也就是所谓的自动量程或手动量程。自动量程是根据测量信号的大小，软件自动设置量程；手动量程是测试人员手动修改电压量程。测量大信号时，用大量程，测量小信号用小量程。
如果对大信号设置的电压量程过小，会导致消波的情况出现，超出量程的部分会被削掉。
比方说24位AD的动态范围理论上是144dB，但实际是110-120dB之间，也就是有效位在18-20位之间，因为数采设备都是电子元器件组成的，本身也会存在噪声，降低了AD的位数。这个噪声是所谓的本底噪声，即使不测量任何信号，设备也会有相应的电压输出，这部分电压就是本底噪声。
在信号进行采集时，为了减少误差，应尽量使用高位AD，量程合适的传感器和使用合适的电压量程。