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AD位数是如何影响信号幅值的？

2019-1-24 13:49:45 4619

0 本帖最后由 MMCU5721167 于 2019-1-24 13:53 编辑来源电机控制设计加油站数据采集设备一个重要的指标就是AD位数，我们都知道AD位数越高越好。但这个“好”到底体现在哪些方面呢？AD位数到底对数据采集有哪些影响呢？ AD位数的实质是指模数转换数据时使用多少位（bit）来表征数据电压幅值大小。这个位（bit）也就是存储二进制数0或1的位数，8位为1个字节（byte）。位数越高，存储小数点后面的位数也就越多，因此，转换后的数据也就越精确，越接近实际值。现今的数据采集设备通常使用24位AD，表示可以用24个0或1来表示数据幅值大小。当然，有1位符号位。数采设备通过AD进行量化，量化是指现实世界中的时域信号的连续幅值离散成若干个量化量级，实质是幅值转换精度。一个量化量级是指最小的量化电平大小（电平间隔），类似于刻度尺的最小刻度，刻度尺的最小刻度是1mm，1mm之内的读数都是估读出来的，不精确。如果想将最小刻度再提高，这时可以用游标卡尺来测量尺寸，此时，测量的精度更高。AD位数与这个刻度相似，AD位数越高，量化量级（可理解为最小刻度）越小，转换后的数据幅值精度越高，所下图所示。虚线表示相应的量化电平（刻度），所有的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^MM-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^MM 通常数采设备的最大满量程是一定的，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所示。从上表可以看出，对于量程相同的情况下，AD位数越高，量化量级越小。假设AD位数为8，则量化电平间隔为78.1mV，模数转化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1.19μV的倍数。这就是为什么AD位数低于16位，包括16位AD的数采设备在AD转换之前需要用放大器，要把AD转换前的信号放大之后再进行量化，以减小量化误差。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份。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，因此，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对应的动态范围为30dB。关于这一点，将在下面进行说明。量化误差是模数转换过程中另一个重要的幅值误差源，之前已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五入的方式量化到最近的量化电平上。在这将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，黑色实线表示信号实际大小，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m77之间，但这个数据量化之后，幅值要么是m66，要么是m7。首先，将该幅值与m6和m77的平均值x6进行比较，发现幅值大于x66，因此，按四舍五入方式量化到最近的量化电平m77上，m77与信号实际值之差即是量化误差。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，量化误差均匀分布于（−1/2量化量级）~（+1/2量化量级）之间，如理想的24位AD，其量化误差分布于-0.6μV~+0.6μV之间。对于理想的M位AD而言，信号与量化噪声之比(SQNR) （或称为动态范围）可由下式计算 SQNR=20log10(2^MM)=6.02M dB 从上式可以明白，1位AD，对应的动态范围为6.02dB。可以这样理解：由于每一位只能存储0和1，对应的数字大小为1=20和2=21，相差2倍。我们知道，线性2倍，对应6dB。因此，1位AD对应的动态范围为6dB，常见AD位数，对应的SQNR如下表所示。现在我们已经明白了量化误差，除了用高位AD可减少量化误差之外，还有没有别的方法可以减小量化误差呢？除了用高位AD之外，还有以下两种方法可减小量化误差，提高信噪比。法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。那到底量程为多大时，使用的传感器是合适的呢？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。如测量位置的振动量级约为40g，则可以用满量程为50g的加速度传感器来测量。如果用量程为500g的传感器来测量，会有什么区别呢？量程为50g的加速度传感器，对应的灵敏度为100mv/g，则40g对应的电压输出为4V。而当用量程为500g的加速度传感器进行测量时，传感器的灵敏度为10mv/g，则40g对应的电压输出为0.4V。那么，不同量程的传感器测量同一位置的振动时，输出的电压大小是不同的，量程越小，灵敏度越高，输出电压越大，则量化时信噪比越高，量化误差越小。这就是为什么要用合适的传感器来测量的原因。法2.使用合适的电压量程当AD位数和传感器已不能更改时，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。还记得之前的量化量级计算公式Q=2A/2^MM吗？当AD位数确定之后，量化量级的份数也随之确定了，即分母确定了，但是分子为电压量程，可以减小分母，即电压量程，来提高量化量级。比方说，可以把1m划分1000等份，每1份为1mm；如果把0.1m也划分1000等份，则每1份为0.1mm。此时，测量精度会更高，当然，测量的最大距离将从1米变成了0.1m。因此，在测量大信号时用大量程，测量小信号时用小量程。这个量程可调节。这个量程调节功能也就是所谓的自动量程或手动量程（量程有很多档）。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，测量小信号时用小量程。设置合适的量程之后，大信号不会因量程不合适而过载，小信号也不会因量程不合适而欠载。如果对大信号设置的电压量程过小，会导致削波的情况出现，如下图所示。超出量程的部分会被削掉。对幅值大小为10mV的信号设置不合适的量程，采集到的信号如下图所示。设置合适的量程之后，采集到的信号如下图所示。对一个单频小信号如果AD和量程设置不合适，可能会如下图所示。从图中可以看出，当用16位AD，不自动量程，即满量程10V进行采集时，采集到的信号如下面顶部图所示，信号为三角波，且台阶明显，这就是量化误差造成的。当用24位AD也不自动量程时，得到的信号如下面中图所示。此时，信号较之前已有明显改善，但量程设置还不合适。当设置合适的量程（0.0625V）之后，单频的小信号信噪比已很高，信号很干净，这正是我们想要的信号。信号从带台阶状的三角波到含有杂波的信号，到最终的干净单频信号，量化误差在逐步减小，信噪比逐步提高，幅值精度越来越高。到此，我想您已明白AD位数对信号测量的影响了。但是有一点要注意的是，之前我们所说的一直在强调理想的AD，也就是所有的位数都是有效位，不受噪声影响。但现实情况是，不是所有的位数都是有效位。比方说24位AD的动态范围理论上是144dB，但实际的动态范围在110-120dB之间，也就是有效位在18-20位之间。这是因为数采设备都是电子元器件组成的，本身会存在噪声，降低了AD的位数。这个噪声也就是所谓的本底噪声，即使不测量任何信号，设备也有相应的电压输出，这部分电压就是本底噪声。因此，在信号进行采集时，为了减少误差，我们应尽量使用高位AD，量程合适的传感器和使用合适的电压量程。 0
2019-1-24 13:49:45　　评论淘帖0 举报相关推荐 • AD位数是如何影响信号幅值的？ 6 • 为什么AD位数越高越好AD位数是如何影响信号幅值的 23460 • 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 2439 • AD位数是如何影响信号幅值的看了就知道 2693 • 信号发生器如何调节幅值？ 1791 • 如何缩小信号的幅值 4191 • 信号发生器的使用方法信号发生器的幅值是有效值吗 2455 • 如何测量正弦信号幅值？ 5774 • 信号发生器如何设置频率幅值范围 3100 • 振动信号幅值处理的问题？ 3244