ADC芯片類(lèi)型

模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADCs)將一個(gè)模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換至一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字（一系列的1和0）, 最終將其轉(zhuǎn)換至一個(gè)數(shù)值（十進(jìn)制數(shù)），以用來(lái)在儀表，監(jiān)視器或者圖表上進(jìn)行顯示。二進(jìn)制位的位數(shù)，也就是我們常說(shuō)的比特（bits）數(shù)代表了模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度。但是，轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)也僅僅是一個(gè)對(duì)真實(shí)電壓值的近似模擬，因?yàn)殡妷褐凳窃陔x散的步數(shù)下采集的。至于轉(zhuǎn)換后的數(shù)值和真實(shí)的模擬值之間的接近程度則取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的轉(zhuǎn)換精度。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)和理論精度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系如下：一個(gè)n位的ADC的分辨率是2n 。例如，一個(gè)12位的ADC具有的量化精度為212=4096個(gè)單位，因此，一個(gè)12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器如果輸入的最大電壓為10V的話(huà)。那可以將這個(gè)測(cè)量的最小電壓變化為10VDC/4096 = 0.00244VDC=2.44mV同樣的，對(duì)于0到10VDC的范圍，一個(gè)16 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度就是10/216=10/65536=0.153mV。分辨率通常是針對(duì)全范圍模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀數(shù)范圍而言的，并不是針對(duì)具體的任何特定的實(shí)例。

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）

一個(gè)逐次逼近型轉(zhuǎn)換器，如圖2.01所示，是由一個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC), 一個(gè)比較器和一些控制邏輯和寄存器構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)的模擬電壓出現(xiàn)在比較器的輸入端的時(shí)候，系統(tǒng)控制邏輯電路將會(huì)將所有的位數(shù)置為零。然后DAC的最高有效位（MSB）將會(huì)被置為１，這將使得DAC的輸出成為全量程的1/2 (如果全量程是10V的系統(tǒng)的話(huà)，那DAC的輸出就是5.0V)。比較器將比較DAC的模擬輸出信號(hào)和輸入端信號(hào)，如果DAC的輸出端信號(hào)小于輸入端信號(hào)(信號(hào)大于全范圍的1/2量程范圍），那么首位將保持在１. 如果DAC輸出高于輸入信號(hào)，那么首位將被重置到0。

接著，具有1/4 權(quán)重的第二個(gè)重要位打開(kāi)（設(shè)置為1）并且迫使DAC的輸出為3/4滿(mǎn)量程（如果重要位仍舊保持為1）或者1/4滿(mǎn)量程（如果重要位被重置為0）。比較器將進(jìn)一步比較DAC的輸出和輸入信號(hào)，如果DAC的輸出信號(hào)低于輸入信號(hào)，那么第二位仍舊保持打開(kāi)狀態(tài)（設(shè)置為1），如果DAC輸出信號(hào)高于輸入信號(hào)的話(huà)，則將設(shè)置為0。第三重要位將以同樣的方式和過(guò)程進(jìn)行比較直到最低有效位(LSB)。在這個(gè)過(guò)程的最后，輸出寄存器將包含代表模擬輸入信號(hào)的數(shù)字編碼。

逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器相對(duì)來(lái)說(shuō)工作速率較為緩慢，因?yàn)楸容^是串聯(lián)發(fā)生的，模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換在每一步都會(huì)被暫停以設(shè)置DAC并且等待它的輸出穩(wěn)定。即使如此，轉(zhuǎn)換速率也很容易就可以達(dá)到1MHz/S. 同樣，12和16位連逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換將相對(duì)便宜，適用于很多基于PC的數(shù)字采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

圖2.01 逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器

圖2.02 電壓頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器

電壓到頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）

電壓到頻率模數(shù)轉(zhuǎn)換器將一個(gè)模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換為一個(gè)脈沖隊(duì)列，該脈沖隊(duì)列的頻率正比于輸入信號(hào)的幅值（如圖 2.02所示）。在一個(gè)給定的周期內(nèi)，脈沖將會(huì)被計(jì)數(shù)以決定輸入信號(hào)的頻率，脈沖計(jì)數(shù)器依次輸出會(huì)用來(lái)表示數(shù)字電壓。

電壓到頻率的轉(zhuǎn)換將會(huì)具有一個(gè)高噪聲抵抗特性，因?yàn)檩斎胄盘?hào)將會(huì)在計(jì)數(shù)區(qū)間內(nèi)被有效的累積。電壓到頻率的變換通常被用來(lái)轉(zhuǎn)化緩變和噪聲信號(hào)。電壓到頻率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器經(jīng)常被用于在噪聲環(huán)境下的遠(yuǎn)程傳感。遠(yuǎn)端的輸入電壓將被轉(zhuǎn)換為一個(gè)頻率，數(shù)字沖擊序列將會(huì)通過(guò)一對(duì)線(xiàn)連接至計(jì)數(shù)器。這將會(huì)消除在傳輸一個(gè)較長(zhǎng)距離模擬信號(hào)過(guò)程中被引入的噪聲。

積分型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）：雙積分型

許多模數(shù)轉(zhuǎn)換器都是用積分技術(shù)，它們通過(guò)測(cè)量電容充放電所需的時(shí)間來(lái)采集輸入電壓。這種廣泛使用的技術(shù)，被稱(chēng)作雙斜率積分技術(shù)。如圖2.03顯示。它在一個(gè)固定時(shí)期內(nèi)使用正比于輸入電壓的電流對(duì)一個(gè)雙斜率電容進(jìn)行充電。接著，通過(guò)記錄對(duì)同一個(gè)電容下放電所需要的時(shí)間來(lái)決定輸入電壓。因?yàn)檫@個(gè)技術(shù)依賴(lài)于上升時(shí)間和下降時(shí)間的比率，而不依賴(lài)于會(huì)隨著溫度和時(shí)間變化的電容或其他組件，因此這種方式相對(duì)準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

當(dāng)一個(gè)模擬電路的積分時(shí)間和多個(gè)AC周期相匹配的時(shí)候，在一定的間隔內(nèi)積分模擬數(shù)字電路的輸入將會(huì)在模擬轉(zhuǎn)換線(xiàn)路上降低噪聲采集效應(yīng)。出于這個(gè)原因，這個(gè)技術(shù)經(jīng)常被使用在高精度的數(shù)字萬(wàn)用表和儀表板顯示上。對(duì)于這種ADC可以輕松實(shí)現(xiàn)20位精度，但它具有一個(gè)相對(duì)緩慢的轉(zhuǎn)換速率，例如最大60Hz, 當(dāng)整合多個(gè)斜率時(shí)，這個(gè)轉(zhuǎn)換速度還會(huì)被降低。

圖2.03 雙斜率積分模擬數(shù)字電路

Sigma-Delta型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADCs）

Sigma-Delta模擬數(shù)字電路是另一種類(lèi)型的積分模擬數(shù)字電路。它包含了一個(gè)積分器，一個(gè)DAC，一個(gè)比較器，一個(gè)累加節(jié)點(diǎn)。就像雙積分型模擬數(shù)字電路一樣，它經(jīng)常被用在數(shù)字萬(wàn)用表，儀表板和數(shù)據(jù)采集板卡上。由于只使用了一個(gè)單比特的DAC，Sigma-delta轉(zhuǎn)換器相對(duì)價(jià)格低廉，但是通過(guò)過(guò)采樣技術(shù)依然可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。盡管這種ADC在低帶寬的信號(hào)下表現(xiàn)最好，但是它明顯比其它類(lèi)型的ADC具有更好的抗噪性能，此外，用戶(hù)還可以設(shè)計(jì)積分時(shí)間。

Sigma–Dleta 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器通常需要一些外部組件。在很多情況下，它可以直接采集低電平信號(hào)而無(wú)需信號(hào)調(diào)理。由于DAC本身的架構(gòu)，他們并不需要調(diào)整或校準(zhǔn)組件。Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常帶有一個(gè)數(shù)字濾波器，使得他們可以在輸入端無(wú)需一個(gè)獨(dú)立的抗混疊濾波器就能工作在一個(gè)高過(guò)采樣率下。Sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有16至24位的精度，使得它們成為大多數(shù)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)方案。

圖2.04 Sigma-Delta 模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器

圖2.05 Sigma-Delta 具有數(shù)字濾波和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和抽取階段

從操作的原則可以從圖中了解到，輸入電壓Vin和 DAC的輸出電壓進(jìn)行算術(shù)相加，同時(shí)積分器將累加點(diǎn)輸出和之前存儲(chǔ)的數(shù)值相加。當(dāng)積分器輸出等于或者大于零時(shí)，比較器輸出切換至邏輯1，當(dāng)積分器輸出小于零的時(shí)候，比較器輸出為邏輯零。DAC模組具有反饋回路，它將連續(xù)調(diào)整比較器的輸出使其和模擬端輸入的數(shù)值相同并且保持積分器的輸出為零。數(shù)模轉(zhuǎn)換器的作用是保持積分器的輸出至參考電壓水平。

通過(guò)一系列迭代，輸出信號(hào)將變成一個(gè)一位的數(shù)據(jù)流（工作在高采樣率下）接至一個(gè)數(shù)字濾波器。數(shù)字濾波器將對(duì)其邏輯0和邏輯1取平均值從而決定帶寬和穩(wěn)定時(shí)間，最后輸出多位字節(jié)的數(shù)據(jù)。數(shù)字低通濾波器再接至一個(gè)降采樣濾波器，從而降低了多位數(shù)字流的采樣率，降低的比率每個(gè)級(jí)別為2。例如，一個(gè)七級(jí)的濾波器能夠提供一個(gè)采樣率的降低率為128。

提升的精度

如圖2.05所示的數(shù)字濾波器將以?xún)煞N方式提升模數(shù)轉(zhuǎn)換器的精度。首先，當(dāng)輸入信號(hào)變化時(shí)(正弦波輸入)系統(tǒng)將以數(shù)倍于奈奎斯特值的速率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，對(duì)于輸入信號(hào)，積分器將變成一個(gè)低通濾波器，對(duì)于量化噪聲，積分器則變成一個(gè)高通濾波器。數(shù)字濾波器的平均值將進(jìn)一步降低噪聲門(mén)限，通過(guò)結(jié)合降采樣濾波器的使用，輸出端的數(shù)據(jù)流頻率將會(huì)被降低。例如，調(diào)制頻率將會(huì)在MHz范圍，但是輸出數(shù)據(jù)將會(huì)在kHz范圍。其次，數(shù)字濾波器可以設(shè)置用于去除50/60Hz的工頻干擾。

從降采樣濾波器輸出的數(shù)據(jù)采樣率將低于內(nèi)部采樣率，但仍舊能夠通過(guò)保存確定的采樣并且消除其它的樣本來(lái)滿(mǎn)足奈奎斯特條件。只要輸出數(shù)據(jù)的頻率兩倍于信號(hào)的帶寬就可以了，降采樣參數(shù)M可以是任何整數(shù)的數(shù)值。例如，如果輸入以fs被采樣到的話(huà)，那么輸出數(shù)據(jù)的速率在不損失信息的情況下達(dá)到fs/M。這個(gè)技術(shù)能夠提供更多穩(wěn)定的讀數(shù)。（具體請(qǐng)參考表2.06）

圖2.06 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的屬性

精度和分辨率

當(dāng)您選擇一個(gè)ADC用于測(cè)試測(cè)量應(yīng)用時(shí)，精度是最關(guān)鍵的考量因素之一然而，它經(jīng)常會(huì)和分辨率混淆，盡管兩者相關(guān)，但它們兩者完全不同。在這一章，我們將詳細(xì)討論兩者與校準(zhǔn)，線(xiàn)性度，丟碼和噪聲之前的關(guān)系。

精度與分辨率比較

每一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換測(cè)量都會(huì)包含一系列無(wú)法避免，獨(dú)立的錯(cuò)誤。它們將會(huì)對(duì)精度產(chǎn)生影響。當(dāng)

代表了每個(gè)獨(dú)立的錯(cuò)誤, 那么總的錯(cuò)誤就可以表示如下:

以上的等式表示了一系列的傳感器異常引起的錯(cuò)誤，噪聲, 放大增益和偏移，ADC的量化誤差（分辨率錯(cuò)誤），以及其它一些因素。

量化誤差

在一個(gè)理論上完美的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路中,任何一個(gè)檢測(cè)到的模擬電壓信號(hào)應(yīng)該被一個(gè)單一的數(shù)字碼所表示，精確到無(wú)限位。但是在一個(gè)真實(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換器中，可被量化的信號(hào)與真實(shí)信號(hào)之前總存在一個(gè)“間隙”,這個(gè)“間隙”的大小取決于ADC電路最小可分辨量。以12位轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換一個(gè)10V直流信號(hào)為例, 間隔值為2.44mV，它被稱(chēng)之為最低有效位（LSB）。

換句話(huà)說(shuō)，模擬輸入電壓范圍被分割為離散的區(qū)間，只有大于這個(gè)間隔的電壓信號(hào)能夠被正常轉(zhuǎn)換，這就是ADC的分辨率對(duì)于12位的ADC, 誤差是±1.22mV(0.0122%)。因此表征ADC的錯(cuò)誤有以下三種方式：發(fā)生錯(cuò)誤的最低有效位(LSBs)；指定范圍內(nèi)的電壓偏移誤差；讀書(shū)誤差的百分比。大多模數(shù)轉(zhuǎn)換電路并不像他們所標(biāo)注的分辨率那樣的精確，然而，因?yàn)槠渌e(cuò)誤都將反應(yīng)到增益，線(xiàn)性度，丟碼，偏置等誤差指標(biāo)。然而,一個(gè)好的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度將接近于它所指定的精度。

圖2.07 通用模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤

ADC 精度 vs. 系統(tǒng)精度

校準(zhǔn)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器通常和硬件，軟件或者兩者的組合一起被校準(zhǔn)。在這種情況下，校準(zhǔn)意味著調(diào)整一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道的增益和偏置以獲得指定的輸入到輸出傳遞函數(shù)。在一個(gè)硬件配置例子中，例如，一個(gè)驅(qū)動(dòng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的儀器放大器有它自己的偏置和增益，它們可以通過(guò)電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)通過(guò)改變模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的參考電壓可以改變它的增益。在硬件/軟件校準(zhǔn)中，軟件將指導(dǎo)數(shù)模轉(zhuǎn)換器至零偏置并將電壓設(shè)置到滿(mǎn)量程。最后，在軟件校準(zhǔn)中，校準(zhǔn)系數(shù)將被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或者計(jì)算機(jī)的非易失性?xún)?nèi)存中。他們用來(lái)計(jì)算模數(shù)轉(zhuǎn)換器讀數(shù)相關(guān)的正確的數(shù)字值。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器在銷(xiāo)售給用戶(hù)之前都會(huì)在工廠(chǎng)內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，但是時(shí)間和操作溫度會(huì)將改變工廠(chǎng)校準(zhǔn)的結(jié)果。通常半年或者一年之后模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器都需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)，對(duì)于16位精度或者更高精度的ADC我們需要進(jìn)行更為頻繁的校準(zhǔn)。校準(zhǔn)的步驟各異，但通常都需要有一個(gè)穩(wěn)定的參考源并且有一個(gè)三倍于用于校準(zhǔn)設(shè)備精度的計(jì)量?jī)x。在沒(méi)有輸入的情況下，偏置通常被設(shè)置為0，增益被設(shè)成在當(dāng)前溫度下的最大量程，同時(shí)對(duì)輸入端施加滿(mǎn)量程電壓。

在很多的測(cè)量應(yīng)用中，輸入電壓僅僅代表了被測(cè)量的物理量。因此，只有當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)而不是部分系統(tǒng)被校準(zhǔn)的時(shí)候系統(tǒng)的精度將得到提高。例如，假設(shè)一個(gè)給定負(fù)載和激勵(lì)電壓的載荷傳感器。校準(zhǔn)單獨(dú)的部件意味著，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，載荷傳感器和激勵(lì)源的精度容差都將得到一個(gè)疊加效應(yīng)。用系統(tǒng)校準(zhǔn)方法，錯(cuò)誤源的每個(gè)部分將被疊加起來(lái)并產(chǎn)生一個(gè)總的錯(cuò)誤值，這個(gè)錯(cuò)誤值將大于在一個(gè)給定的精度負(fù)載下進(jìn)行校準(zhǔn)所產(chǎn)生的誤差。同時(shí)還將獲得一個(gè)輸入負(fù)載和輸出電壓之間的直接關(guān)系。

線(xiàn)性化

當(dāng)輸入電壓和模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出讀數(shù)偏離與對(duì)角線(xiàn)（代表了無(wú)限分辨率）多于如圖2.07所示的理想階梯函數(shù)的時(shí)候，那么模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器錯(cuò)誤將基本上無(wú)法通過(guò)校準(zhǔn)來(lái)消除。對(duì)角線(xiàn)代表了一種輸入和輸出之間理想的，無(wú)限分辨率的關(guān)系。這種模數(shù)轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤被稱(chēng)為非線(xiàn)性錯(cuò)誤。一個(gè)被校準(zhǔn)過(guò)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器所產(chǎn)生的最大非線(xiàn)性錯(cuò)誤應(yīng)該在靠近輸入范圍的中間部分。一般來(lái)說(shuō)，在一個(gè)好的模數(shù)轉(zhuǎn)換器中非線(xiàn)性應(yīng)該不超過(guò)一個(gè)最小二進(jìn)制位。

丟碼

一個(gè)高質(zhì)量的模數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)當(dāng)能夠在它分辨率以?xún)?nèi)的任何輸入電壓都能產(chǎn)生一個(gè)精確的輸出電壓，也就是，它應(yīng)當(dāng)能夠不會(huì)跳過(guò)任何連續(xù)的數(shù)字碼。但一些模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器并不能對(duì)一個(gè)指定的模擬輸入產(chǎn)生一個(gè)精確的數(shù)字輸出。如圖2.07D所示，例如，顯示了對(duì)于任何電壓輸入一個(gè)典型的3位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器并不能轉(zhuǎn)換代表了幅值4的輸出電壓。這種類(lèi)型的錯(cuò)誤通常同時(shí)會(huì)影響到模擬數(shù)字電路的精確度和分辨率。

噪聲

模數(shù)轉(zhuǎn)換器的成本通常和它的精度，位數(shù)和穩(wěn)定性成正比例。但即使是最昂貴的模數(shù)轉(zhuǎn)換器當(dāng)測(cè)量信號(hào)受到過(guò)量的電子噪聲干涉的時(shí)候它的精度也需要受到妥協(xié)，不管這個(gè)信號(hào)是毫伏級(jí)別或者更大。

例如，許多插在PC擴(kuò)展槽上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器都會(huì)遇到過(guò)量電子噪聲的問(wèn)題，它們將嚴(yán)重影響到設(shè)備的精度，可重用性，以及穩(wěn)定性。但是一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器并不一定必須直接連到電腦的內(nèi)部總線(xiàn)上.。一個(gè)安裝在外部閉合系統(tǒng)上的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊通常就能解決這個(gè)問(wèn)題。它能夠通過(guò)IEEE 488（GPIB）總線(xiàn)，以太網(wǎng)，串行接口以及并行接口和計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

如果必須要講一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器放置在計(jì)算機(jī)機(jī)身內(nèi)的話(huà),那我們必須檢查它的噪聲級(jí)別。

將一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端子連接至一個(gè)信號(hào)公共端將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)0V的輸出。如果當(dāng)它短接的時(shí)候仍舊讀取一個(gè)值，那么在電路板上產(chǎn)生的噪聲將會(huì)和所需的輸入信號(hào)產(chǎn)生干涉。當(dāng)使用一個(gè)外部的電源供電的時(shí)候，就需要做更多的診斷，因?yàn)楣╇婋娫春洼斎攵司赡墚a(chǎn)生噪聲。

數(shù)字濾波通常需要三個(gè)步驟。首先，數(shù)字信號(hào)受制于傅立葉變換。然后再頻域內(nèi)信號(hào)的振幅會(huì)和期望的頻率響應(yīng)相乘。最后變換后的信號(hào)通過(guò)反傅立葉變換在轉(zhuǎn)換回時(shí)域。圖3.15顯示了數(shù)字濾波用于在噪聲信號(hào)后的效果。圖中的實(shí)線(xiàn)代表了未濾波的信號(hào)，而兩條虛線(xiàn)則顯示了不同的數(shù)字濾波器的效果。數(shù)字濾波器具有可以剪裁至適合任意頻率響應(yīng)同時(shí)又不會(huì)引入相位誤差的效果。然后，數(shù)字濾波器的一個(gè)缺點(diǎn)是它不能用于抗擾動(dòng)。

噪聲降低和測(cè)量精度

一種用來(lái)降低噪聲并且保證測(cè)量精度的方法就是消除接地回路，也就是連接不同設(shè)備之間地流經(jīng)的電流。接地回路通常在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間發(fā)生，例如在一臺(tái)測(cè)量?jī)x器與一個(gè)傳感器之間，通常被連接至不同物理位置的地端。在每個(gè)接地點(diǎn)的實(shí)際電勢(shì)之間的輕微偏差將會(huì)產(chǎn)生從一個(gè)設(shè)備至另一個(gè)設(shè)備之間的電流流動(dòng)。

這個(gè)電流, 通常流經(jīng)一對(duì)測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)的低電勢(shì)端,將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓降,這個(gè)壓降通常會(huì)在信號(hào)調(diào)理設(shè)備處或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器端表現(xiàn)為一個(gè)噪聲或者測(cè)量誤差。當(dāng)至少一個(gè)設(shè)備可以隔離的時(shí)候,例如傳感器,若地端路徑被打開(kāi)的時(shí)候,沒(méi)有電流流過(guò),這時(shí)噪聲和誤差將會(huì)被消除. 信號(hào)調(diào)理或者模數(shù)轉(zhuǎn)換器部分附帶的光學(xué)隔離器,特殊變壓器以及差分輸入操作放大器將能提供這種隔離。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換噪聲直方圖

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)商經(jīng)常會(huì)通過(guò)代碼密測(cè)試來(lái)測(cè)試他們?cè)O(shè)備的準(zhǔn)確性(非線(xiàn)性效應(yīng)), 他們通常會(huì)向設(shè)備施加一個(gè)高精度的正弦波信號(hào)(具有精確的振幅和頻率), 并且使用直方圖進(jìn)行分析, 從而產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換器輸出的一個(gè)數(shù)字代碼分布.對(duì)于特點(diǎn)頻率的和振幅的信號(hào)，一個(gè)完美的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器通常能夠在直方圖顯示垂直的一條線(xiàn), 因?yàn)樗鼘?duì)于每個(gè)采樣僅僅有一個(gè)值。但由于模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路固有的非線(xiàn)性, 它會(huì)分布在該直線(xiàn)的兩邊的不同編碼位上。每個(gè)箱會(huì)被標(biāo)記一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字輸出代碼, 并且它們代表了計(jì)數(shù)的發(fā)生次數(shù)或者在輸出處顯示的代碼次數(shù)。每個(gè)編碼位代表一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果，通過(guò)多次的統(tǒng)計(jì)可以得到類(lèi)似圖2.08的統(tǒng)計(jì)正態(tài)分布圖。

如果n代表的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的位數(shù)分辨率的話(huà), 那么我們就需要2的n次方個(gè)編碼位。.每個(gè)編碼位的寬度應(yīng)該為

FSR表示的是模數(shù)轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)量程范圍. 概率密度函數(shù)就有這個(gè)數(shù)值決定。為了讓直方圖的測(cè)試有意義, 我們需要根據(jù)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率大小來(lái)采樣一大批的數(shù)據(jù)。模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器分辨率越高, 那么就需要越多的采樣, 最多可以達(dá)到500,000個(gè)采樣。

ENOB: 有效位數(shù)

盡管一個(gè)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的精度對(duì)于一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精確度來(lái)說(shuō)很重要, 但它并不是最關(guān)鍵的。一個(gè)被廣泛使用并被證明可行的決定總測(cè)量精度的方法被稱(chēng)之為有效位測(cè)試。有效位測(cè)試可以很有效的證明實(shí)際的系統(tǒng)測(cè)量精度小于模數(shù)轉(zhuǎn)換器的標(biāo)稱(chēng)精度。例如, 一個(gè)標(biāo)稱(chēng)16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 在實(shí)際測(cè)試中它的性能表現(xiàn)可能更接近于一個(gè)13位的系統(tǒng)。然而,對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō),13位也許已遠(yuǎn)遠(yuǎn)足夠了。

有效位數(shù)測(cè)試將所有從輸入端子到輸出端子的電路都考慮進(jìn)去了, 同時(shí)也包括了模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換, 多路復(fù)用以及可能影響測(cè)量精度的其他的模擬/數(shù)字電路。它同時(shí)還包括了信噪比以及從其它源頭引入系統(tǒng)的任何噪聲所產(chǎn)生的效應(yīng)。

ENOB測(cè)試

ENOB測(cè)試就是我們通過(guò)使用生產(chǎn)商推薦的線(xiàn)材, 連接頭以及連接部件來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在真實(shí)世界應(yīng)用中的表現(xiàn)進(jìn)行一個(gè)評(píng)估。它會(huì)考慮到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端: 模數(shù)轉(zhuǎn)換器, 多路復(fù)用器, 可編程增益放大器, 以及采樣和保持放大器。所有這些電路將會(huì)影響到數(shù)字化的輸出結(jié)果。所有前端設(shè)備引入的非線(xiàn)性, 噪聲, 失真以及其它反常現(xiàn)象都會(huì)降低系統(tǒng)的精確度。同時(shí), 對(duì)于多通道系統(tǒng), 光測(cè)試一個(gè)系統(tǒng)是不夠的。因?yàn)榛_的存在,一個(gè)通道上的錯(cuò)誤可能會(huì)影響到另一個(gè)通道。

為了進(jìn)行ENOB測(cè)試, 首先建立一個(gè)精確的正弦波信號(hào)發(fā)生器, 并將它的輸出接至一個(gè)模擬輸入通道的輸入端。信號(hào)發(fā)生器應(yīng)當(dāng)所產(chǎn)生信號(hào)應(yīng)該是低噪聲和失真的。設(shè)置信號(hào)發(fā)生器的輸出幅值到剛好在板卡指定的最大輸入范圍以下。設(shè)定測(cè)試頻率至板卡最大可采樣頻率以下。接著, 將相鄰?fù)ǖ赖妮斎?a target="_blank">端口接地。以最大的采樣速率運(yùn)行系統(tǒng)。對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行采樣后將輸入端接地。在每個(gè)輸入端口捕捉1024個(gè)樣本并將這些樣本通過(guò)一個(gè)FFT算法去計(jì)算它的有效位的位數(shù)。

這項(xiàng)測(cè)試測(cè)量不同通道之間的扭轉(zhuǎn)效應(yīng), 諧波失真, 模擬電路, 模數(shù)轉(zhuǎn)換精度, 噪聲拾音器, 通道互擾率, 積分和差分型的非線(xiàn)性和偏差。盡管ENOB提供了一個(gè)很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性的指標(biāo), 但它并不是一個(gè)特性值。它并不能作為信噪比和其它由廠(chǎng)商提供的錯(cuò)誤指標(biāo)的一個(gè)替代物。然而, 不同的系統(tǒng)當(dāng)在同樣的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試的時(shí)候,彼此之間還是可以通過(guò)ENOB測(cè)試來(lái)做比較的。

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸出平均增益

提高精度

有一種錯(cuò)誤的說(shuō)法是如果對(duì)積分型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行平均的話(huà), 那么測(cè)量系統(tǒng)理論上能夠?qū)τ趦?nèi)含噪聲的信號(hào)獲得更高的準(zhǔn)確率 這個(gè)理論的原理來(lái)自于這個(gè)信號(hào)時(shí)如何被數(shù)學(xué)平均的。例如, 對(duì)于一個(gè)單一的直流信號(hào)輸入, 對(duì)輸出進(jìn)行平均通常能夠獲得同樣的結(jié)果, 而且在準(zhǔn)確度上不會(huì)有很明顯的變化(不考慮校準(zhǔn)的影響)。但是對(duì)于一個(gè)可變的輸入信號(hào)，例如一個(gè)正弦波，大數(shù)據(jù)量的采樣將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高斯分布，就可以通過(guò)波峰進(jìn)行精確的定義。但是這些采樣不能夠聚集在采樣波形的一個(gè)指定的部分。為了得到一個(gè)真實(shí)的分布，模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須以一個(gè)比抖動(dòng)更低的采樣率進(jìn)行異步采樣。這種技術(shù)將會(huì)獲得一個(gè)總體均值，但不是一個(gè)局部均值。因此，在這種方式下，信號(hào)均值將會(huì)增加系統(tǒng)的測(cè)量分辨率。

更多穩(wěn)定的讀數(shù)

有時(shí)我們會(huì)對(duì)一個(gè)原本沒(méi)有噪聲的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器輸入添加一個(gè)隨機(jī)噪聲信號(hào)（抖動(dòng)信號(hào)），從而利用上面提到的平均值方法來(lái)提高準(zhǔn)確度和信號(hào)的穩(wěn)定度。這個(gè)技術(shù)可以使一個(gè)具有較少位的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器獲得更高的位數(shù)。但并不失去采樣準(zhǔn)確度。每次信號(hào)掃頻在時(shí)間上的每一點(diǎn)必須捕獲一個(gè)不同的隨機(jī)值。

因此，這個(gè)分布理論上的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換均值在一個(gè)足夠長(zhǎng)的采樣窗口上必須保持為零。例如，如果16個(gè)數(shù)值被平均了，那么相對(duì)于沒(méi)有平均的輸出它將具有16倍多的可能值。這個(gè)技術(shù)將會(huì)增加有效的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的分辨率至4個(gè)位。這就是通過(guò)引入噪聲實(shí)現(xiàn)的。