第7.1节 模数转换器的分辨率和采样速率
众所周知,计算机无法识别模拟世界的信号,所以计算机要想参与测量,必须将模拟世界的信号转换为计算机能够识别的数字信号,这个转换工作通常是由模数转换器来完成(ADC)。
模数转换的原理误差
在第5.4节我们谈到:取样-量化导致信息丢失。这主要来自两个方面的原因,其一:取样——使得我们用时间轴上的有限时间点来代替原模拟信号的无限连续时间点;其二:量化——使得我们用幅度轴上有限位数(模数转换器的有限位数)来代替模拟信号的无限位数。
这样两个因素导致我们无法获得真实模拟信号中的信息,或者说:破坏了模拟信号的完整性。同时要指出的是:这是一个原理性的误差源,若要想消除这个误差,只有提高采样速率,增加模数转换器的准确度(提高转换器的位数),当这两个参数达到极限时,我们就可以复现出模拟信号。然而,十分不幸的是:这两个参数在现实世界总是处在相互矛盾之中。就我们目前的技术而言,还无法和谐、统一的处理它们。
但是我们可以分用途来设计不同的产品,在NI可提供的产品中:
NI PXI-5154是目前采样速率最高的模数转换器,但分辨率只有8bits。
NI PXI-4071是目前测量分辨率最高的模块,26bits分辨率时,每秒7次读数。
NI PXI-5922则是高速度、高分辨率二者兼顾最好的模数转换器,24bits分辩率时500KHz采样速率;16bits分辨率时15MHz采样率。
模数转换器的位数越多越好吗?
为了消除模数转换器的原理误差,应该尽可能的提高采样速率和分辨率,这个概念是对的,但是模数转换器的分辨率越高就意味着测量准确度越高吗?
有人说:NI PXI-4461(NI USB-9233)都具备24bits的分辨率,所以测量精度就很高。这对吗?绝对不对!这是一个极其错误的概念,它将精密度与准确度(精度)混为一谈了,精密度高不等于精度高(正是由于避免混用的原因,精度这个词已经不建议使用了)。
可以说模数转换器的分辨率高,测量的精密度好,动态范围大。
以NI USB-9233为例:
从它的产品介绍来看:它的准确度在0-60度的环境温度范围内是:0.1dB。这个数值是比较差的,即便是与它的动态范围相比,其准确度也就在:正、负0 .1%。实际上,14bits以上的模数转换器都可以达到这样的技术性能。
但是要注意,它的稳定性很好,对比数据可以发现,它的稳定性指标要比准确度指标好100倍,所以适合做精密测试。
那干什么还要用24bits的模数转换器呢?
其实这来自于测量不同信号的需求,我们知道:声音和振动冲击信号的(瞬时值)变化范围比较大,比如:声音的最大变化范围可以是:0-140dB(通常最大为120dB)。为了测量这些信号需要再同一个量程下实现完整的测量,这就需要这种动态范围较大的模数转换器,而相对转换准确度的要求并不是很高,比如:工业声级计的测量准确度为:1dB。
所以这类模数转换器也被称为:DSA(动态信号采集卡)。
NI USB-9233等就是专为这些用途设计的,当然也包含了信号调理部分(IEPE激励源)。
顺便提一下NI USB-9233的替代产品NI USB-9234,它的技术性能要好很多,并且可以使用在AC或DC耦合方式下。但价格也要多2000元。
上图中左边是NI USB-9233的准确度指标,右边是 NI USB-9234准确度的技术指标,可以看出后者的技术性能要好的多。
NI还有许多24bits分辨率的数据采集卡,比如:NI 9217(温度)、NI 9219(多功能)、NI 9229(通用) 、NI9239(通用)、NI 9237(应变测量)等等以适应不同的测量用途。
NI PXI-5922
这是一块货真价实的模数转换器,其技术性能堪称一流,也难怪它一出现就被评为:2006年最佳测试仪器。
在0-15MHz频率范围内,即便是传统仪器中也难找到与之相抗衡的同类产品。
实际应用中该如何选择数据采集卡呢?下一单元将会介绍这部分内容。