第2章數(shù)據(jù)采集與模擬信號(hào)數(shù)字化(201304)1

第2章數(shù)據(jù)采集與模擬信號(hào)數(shù)字化采樣技術(shù)量化編碼孔徑時(shí)間數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換過(guò)程

2.1采樣技術(shù)采樣過(guò)程采樣定理采樣方式(1)采樣過(guò)程模擬信號(hào)采樣器離散的脈沖信號(hào)tX(t)X(t)tTs

數(shù)學(xué)描述（1.1.1)假設(shè)采樣脈沖為理想脈沖（1.1.2)只考慮正值時(shí)間(1.1.3)(2)采樣定理(Samplingtheory)離散信號(hào)x(nTs)連續(xù)信號(hào)

x(t)Nyquist（Shannon)采樣定理：要想采樣后不失真地還原原信號(hào)，采樣頻率必須大于原信號(hào)頻譜中最高頻率的兩倍，即推導(dǎo)過(guò)程采樣的脈沖序列頻域脈沖串采樣信號(hào)是原始信號(hào)x(t)與脈沖序列的乘積x(t)的頻譜：（1.1.4)脈沖序列的頻譜：(1.1.5)將（1.1.4)和(1.1.5)代入上式：采樣后的信號(hào)為其頻譜為比較可得原信號(hào)的頻譜為另一種證明方式：采樣后信號(hào)的頻譜

幾點(diǎn)說(shuō)明（1）頻譜的幅度受加權(quán)（2）頻譜產(chǎn)生了周期延拓，以為間隔重復(fù)t1高頻與低頻的混疊

(3)采樣方式實(shí)時(shí)采樣等效時(shí)間采樣實(shí)時(shí)采樣信號(hào)波形的第一個(gè)采樣點(diǎn)就被采入并數(shù)字化，然后，經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣間隔，再采入第二個(gè)樣本。這樣一直將整個(gè)信號(hào)波形數(shù)字化后存入波形存儲(chǔ)器。特點(diǎn)：信號(hào)波形一到就采入，適用于任何形式的信號(hào)波形，重復(fù)的或不重復(fù)的，單次的或連續(xù)的；所有采樣點(diǎn)是以時(shí)間為順序，易于實(shí)現(xiàn)波形的顯示；時(shí)間分辨率較差。每個(gè)采樣點(diǎn)的采入、量化、存儲(chǔ)，必須在小于采樣間隔的時(shí)間內(nèi)全部完成。對(duì)周期為T(mén)的重復(fù)信號(hào)采樣，采樣周期為T(mén)+Δt，每個(gè)周期只采樣1個(gè)瞬時(shí)值，且每次采樣的位置都較前一次延遲Δt。將采集到的樣本在時(shí)間軸上重組，可復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的1個(gè)周期。其結(jié)果與采樣周期為Δt的實(shí)時(shí)采樣等效。等效時(shí)間采樣相當(dāng)于將原信號(hào)在時(shí)間軸上放大(T+Δt)/Δt倍，然后進(jìn)行T+Δt的實(shí)時(shí)采樣。2.2量化量化量化電平量化誤差把采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量單位的一系列整倍數(shù)比較，以最接近于采樣信號(hào)幅值的最小數(shù)量單位倍數(shù)來(lái)代替該幅值。

“只舍不入”的量化過(guò)程

“只舍不入”的量化特性曲線與量化誤差“有舍有入”的量化過(guò)程

“有舍有入”的量化特性曲線與量化誤差2.3編碼A/D單極性直接二進(jìn)制編碼例：工作電壓0～10V，12位A/D=111111

111

111=(9.9976)10(V)=000000

000

000=(0.0000)10(V)引入適當(dāng)?shù)钠?，A/D在雙極性方式下工作多種二進(jìn)制編碼格式1.偏移二進(jìn)制碼2.反碼編碼3.2的補(bǔ)碼例如，－10V－＋10V，12位Vmax(正)＝0111,1111,1111+9.9951VV(中)＝0000,0000,00000VVmax(負(fù))＝1000,0000,0000-10.000V例如，AD1674，12位，10us實(shí)質(zhì)是20－0V偏移10VFFF0800

－10V000－800變補(bǔ)碼

10V7FF0000

－10V800注意：1.2.編碼方式見(jiàn)說(shuō)明書(shū)2.4孔徑時(shí)間正弦波信號(hào)

要求A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)的轉(zhuǎn)換誤差小于其最小分辨率的1/2S/HTa最大正弦頻率常見(jiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的性能比較

類型項(xiàng)目全并行兩步型插值折疊型流水線型逐次逼近型Σ-Δ型主要特點(diǎn)超高速高速高速高速中速中精度高精度分辨率6~10位8~12位8~12位8~16位8~16位16~24位轉(zhuǎn)化時(shí)間幾十ns幾百ns幾十至幾百ns幾百ns幾至幾十μs幾至幾十ms采樣率幾十MSPS幾MSPS幾至幾十MSPS幾MSPS幾十至幾百kSPS幾十kSPS功耗高中較高中低中主要用途超高速視頻處理視頻處理，通信雷達(dá)，數(shù)據(jù)傳輸視頻處理，通信數(shù)據(jù)采集，工業(yè)控制音頻處理，數(shù)字儀表Σ-Δ型ADC

由Σ-Δ調(diào)制器和數(shù)字濾波器組成

調(diào)制器包括1個(gè)積分器、1個(gè)比較器以及含有1個(gè)DAC的反饋環(huán)。它以遠(yuǎn)高于奈奎斯特(Nyquist)采樣率的頻率采集模擬信號(hào)，將量化噪聲推向高頻段，減小基帶范圍內(nèi)的噪聲功率，提高信噪比和轉(zhuǎn)換精度

經(jīng)過(guò)調(diào)制器輸出的是1位高速Σ-Δ數(shù)字流，包含大量的高頻噪聲，因此需要進(jìn)行數(shù)字濾波，降低抽樣頻率

ADS1255

24位ADC芯片內(nèi)部功能框圖

外圍支持電路與印制板設(shè)計(jì)芯片的“模擬地”與“數(shù)字地”用磁珠相連，降低公共阻抗；數(shù)字輸入端串聯(lián)一個(gè)小電阻(約100Ω)，控制傳輸線阻抗，避免數(shù)字輸入端出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象；ADC的輸入端，通常串入一級(jí)無(wú)源R-C濾波環(huán)節(jié)，隔離ADC輸入端的寄生電容，