數據采集與轉換中的一些關鍵問題

數據采集與轉換系統用于將模擬信號轉換為數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、流量等真實信號轉換為相應的電信號。系統保存信號準確性和完整性的能力是衡量系統的主要指標。如何設計一個高性能的數據采集與轉換系統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。

數據采集轉換系統的基本框架

模擬信號進行采集并轉換為相應數字形式所需的基本元素包括：模擬多路復用器和信號調節；放大器；模數轉換器；PC 或 MCU。

圖1 為數據采集系統典型框圖。目前的數據采集系統通常包括數據采集與轉換所需的所有元素，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節。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轉換器。我們可對采樣／保持進行編程，以便采集并保持經各 A／D 轉換器轉換成的數字多路數據采樣。轉換后的數據以并行或串行形式出現在 A／D 轉換器的輸出中，以備終端設備做進一步處理。

圖1

系統采樣率

被轉換數據的應用與最終使用決定了數據采集與轉換系統所需的采樣率和轉換率。系統采樣率由最高帶寬通道、數據通道的數量以及每次循環的采樣數決定。

圖2

混疊誤差

根據奈奎斯特采樣定理，在理想的采樣數據系統中，數據帶寬的每次循環要求最少兩次采樣，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中采樣數量不足所造成的信息丟失。圖2 顯示了在數據帶寬的每次循環中采樣數量不足所造成的混疊誤差。

每次循環需要多少個采樣

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）以及數據的最終使用。

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

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

圖3

圖4

采樣誤差

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

關于 A／D 轉換器的幾點說明

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

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

分辨率：A／D 轉換器的比特數決定著數據采集系統的分辨率。A／D 轉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轉換器的分辨率。比特數決定著數字碼的數量，對A／D轉換器而言有2n個離散數字代碼。就本文的討論而言，我們將使用二進制逐次逼近A／D轉換器。表1顯示了典型A／D轉換器的分辨率和LSB的值。

表1

信噪比：理想AD轉換器的信噪比為SNRdB=6.02×n-1.76，表2 為AD 轉換器位數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轉換器輸入處。A／D 轉換器量化或編碼特定的模擬輸入值為相應的數字代碼作為一種輸出。上述數字代碼有著內在的不確定性或 ±1／2LSB的量化誤差。這就是說，量化的數字代碼所代表的模擬電壓與相鄰數字代碼中間點的距離在 ±1／2LSB之內。A／D轉換器的精度不會超過內在的 ±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轉換器的精度。增益和偏移通常可調節為零，但線性誤差是不可調的，因為它是由固定值的梯形電阻器網絡和網絡開關匹配造成的。大多數高質量A／D轉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轉換器不一定意味著不會丟失代碼。圖5為微分線性、失調及增益誤差圖。

圖5

二進制代碼：二進制編碼的數據格式是數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)——用于許多數字計算機應用中的雙極模擬信號范圍。

在 A／D 轉換器中使用兩種 BCD編碼，單極 BCD 和符號數值 BCD (SMD)。