测量仪表设计关键之数据采集（一）

3显示了采样数据的重建，这里 fS= 2fMAX。

　　如图 4 所示，每次循环采样数只要稍许增加，采样数据的平均精度就会大幅上升。理论限制在于持续采样时采集与转换系统的吞吐量精度。对于数据的零阶重建，从图 4 可以看出，重建采样数据达到平均 90% 乃至更高的精度要求对数据带宽的每次循环进行10次采样。通常所用的范围是每次循环7～10 次采样。

　　图3

　　图4

　　采样误差

　　采样误差的定义是：采样过程中动态数据变化的不确定性所造成的采样数据点的幅值与时间误差。在数据采集和转换系统中，通过使用采样/保持器或快速的 A/D转换器，就能减小采样误差或使之不显著。对于正弦数据，最大采样误差出现在零交叉情况下，这时会出现最大的 dv/dt。

　　关于 A/D 转换器的几点说明

　　A/D转换器的转换速度和分辨率是最重要的两个参数。下面简单讨论一下 A/D 转换器术语将有助于读者更好地了解系统分辨率与精度。

　　速度：主要由A/D 转换器的采样时间及转换时间构成。A/D转换器手册均会在采样动态参数 （Sampling Dynamics）标出转换速度。有时是数据吞吐率（Throughput Rate）。逐次逼近型AD转换器采样速率或数据吞吐率一般从几十千次每秒到几兆次每秒。

　　分辨率：A/D 转换器的比特数决定着数据采集系统的分辨率。A/D 转换器分辨率的定义如下：---1 LSB = VFSR/2n，

　　LSB = 最低有效位，VFSR =满量程输入电压范围，这里，n为A/D转换器的分辨率。比特数决定着数字码的数量，对A/D转换器而言有2n个离散数字代码。就本文的讨论而言，我们将使用二进制逐次逼近A/D转换器。表1显示了典型A/D转换器的分辨率和 LSB的值。

　　表1

　　信噪比：理想AD转换器的信噪比为 SNRdB=6.02×n-1.76，表2 为AD 转换器位数与信噪比的简单对照表。

　　表2

　　精度：假定所有模拟值都位于 A/D 转换器输入处。A/D 转换器量化或编码特定的模拟输入值为相应的数字代码作为一种输出。上述数字代码有着内在的不确定性或 ±1/2LSB 的量化误差。这就是说，量化的数字代码所代表的模拟电压与相邻数字代码中间点的距离在 ±1/2LSB 之内。A/D转换器的精度不会超过内在的 ±1/2LSB 的量化误差所允许的范畴。增益、偏移和线性误差等模拟误差也会影响 A/D 转换器的精度。增益和偏移通常可调节为零，但线性误差是不可调的，因为它是由固定值的梯形电阻器网络和网络开关匹配造成的。大多数高质量A/D转换器的线性误差都低于±1/2LSB。另一个需要重点考虑的误差是微分线性误差。在理想的 A/D 转换器中，相邻过渡点间的步进大小为一个 LSB。微分线性误差就是在实际 A/D 转换器中相邻过渡点与理想的 LSB 步进差距。该误差必须小于一个 LSB，这样才能保证不会丢失代码。线性误差为 ±1/2LSB 的 A/D 转换器不一定意味着不会丢失代码。图5为微分线性、失调及增益误差图。

　　图5

　　二进制代码：二进制编码的数据格式是数字计算机类型应用中最常见的，其处理通常以二进制形式进行。A/D 转换器中最常用的二进制编码为：

　　1. 单极标准二进制 （USB）——用0～±10V等。

　　2. 双极偏移二进制 （BOB）——用于双极模拟信号范围，如 ±5V、±10V 等

　　3. 双极双组件 （BTC）——用于许多数字计算机应用中的双极模拟信号范围。

　　在 A/D 转换器中使用两种 BCD 编码，单极 BCD 和符号数值 BCD （SMD）。

　　表3

　　三、数据采集测量结果改善的常用校正方法

　　改善测量结果需要进行配置、校准以及优秀的软件开发技术。本文旨在使您了解优化测量结果的软、硬件技巧，内容包括：选择并配置数据采集设备、补偿测量误差以及采用优秀的软件技术。

　　当您将电子信号连接到数据采集设备时，您总是希望读数能匹配输入信号的电气数值。但我们知道没有一种测量硬件是完美的，所以为了改善测量结果我们必须采用最佳的硬件配置。

　　根据应用需求，您必须首先要明确数据采集卡所需的模拟输入、输出通道以及数字I/O线的最少数目。其次还要考虑的重要因素有：采样率、输入范围、输入方式和精度。

　　第一个要考虑的问题是现场接线，根据您要采集的信号源类型，您可以使用差分、非参考单端、参考单端三种输入方式来配置数据采集卡。

总的说来，差分测量系统较为可取，因为它能消除接地环路感应误差并能在一定程度上削弱由环境引起的噪声。而另一方面，单端输入方式提供两倍数据采集通道数，可是仅适用于引入误差比数据所需精度小的情况。表1为选择