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信号采集系统设计要点

信号采集系统设计要点

背景

ADC系统设计的要点,我想了一堆,感觉没逻辑,所以想着写一写。

一些说明

1、这个文章基本是我个人的思考,认真说来,每句话都应该找到出处不能乱说,但这样太累了,也不是能很快完成的,争取在以后补充完整。
2、如果有读者的话,希望你能批判着看待本文章的观点。
3、暂时只考虑中低频率信号的采样,因此在高速采样系统中有些说法不能沿用。

目录

(时隔数日继续写这篇文章,发现思路全无,有必要加一个目录)
1、系统整体的考虑:关注输入输出;
2、系统局部的考虑:ADC、运放等自身参数对采样系统的影响。

系统整体的考虑

一、信号源

对于一个信号采集系统而言,信号源有两个——信号输入参考电压(有参考电流的吗?)——这两者是同样重要的。作为设计者需要考虑这两个信号源的大小稳定性等。
1、大小
含义是比较信号输入参考电压、系统供电电压的大小,并进行合理的电压值选择、信号的放大与缩小等操作。进行这种比较源于两个方面考虑:一是ADC(模数转换器)的硬件需要,二是采样系统的一般特性。
一般而言,信号输入不能超过参考电压并且参考电压不能超过系统供电电压(ADC正常工作的要求),但也要追求尽量大。原因在于采样系统中包涵一部分“固有噪声”,如电阻热噪声、外部干扰噪声等,尽量大的信号源电压有利于抑制这部分噪声对模数转换的影响(采样系统的一般特性)。

举一个例子:使用STM32将一个0~20mV的信号采集下来,有些STM32支持VREF独立输入,有些为了减小封装尺寸使用VDDA作为VREF输入。STM32的外围电路中,VDDA与VDD使用同一个电源(3.3V),因此VREF不能超过3.3V,并且不能低于VDDA超过1.2V。如果系统采样精度要求不高(可以笼统的理解为不需要知道确切的采样值,只知道采样范围的场景),可以将VDDA经过LC滤波接到VREF管脚;系统采样精度要求高,则使用3.3V或者3V的电压基准源供电。
STM32规格书中对VREF的要求
假设VREF选择3V供电,就需要将输入信号的幅值范围由0~10mV放大到0 ~3V的范围,这时候就需要一个同相放大器将信号放大300倍。

2、稳定性
我这里所说的稳定性是一种通俗的概念,是我刚接触信号采集时直观感觉,它包括了“测量精度”、“温漂”、“信号带宽”这些概念。

1、精度
测量精度是一个测量系统的核心概念,是这个利益相关方最常询问的概念,特别是项目进展不顺利时,他们会从各个方面指点你如何提高精度。但作为设计者,你需要明白测量系统中各个参量之间是如何影响精度的,这里只讨论信号源对测量精度的影响。

AD转换中最重要的公式
D = ( V i n / V R E F ) ∗ 2 n D = (Vin/VREF)*2^n D=(Vin/VREF)2n
D为转换后的数字量,Vin为输入信号幅值,VREF为参考电压,n为转换位数,为ADC器件固有值,决定ADC的分辨率。理论上讲,Vin、VREF、n都将影响系统精度。

n决定系统的精度极限,采样系统的精度不可能低于系统分辨率;Vin对系统噪声的影响是xxxx(此处没有找到一个合适的词,多样的?复杂的?),是最难以优化的部分。我对VREF的认识就是选择基准源,系统要求高就选噪声小的。

其中涉及的计算以后详述。

2、温漂
系统是工作在工况环境的不是实验室环境,温漂需要考虑,这也是模拟系统误差的主要来源。凡是模拟信号链路中的器件都考虑就没有问题了,器件规格书中都会说明温漂的。

3、信号带宽
输入信号的带宽影响很多设计要点——ADC的速度、模拟前端的滤波参数、运放的增益等。

二、目标输出

对待输出,主要考察两个内容:输出信号的信噪比以及失真。

1、信噪比
一个信号的信噪比表示为:
S N R ( d B ) = 10 l g ( P s i g n a l / P n o i s e ) SNR(dB) = 10lg (Psignal/Pnoise) SNR(dB)=10lg(Psignal/Pnoise)
信号经过采样系统,有可能将信噪比改善,也有可能恶化。原因在于当一个采样系统确定以后,其自身对信号附加的噪声与滤除的噪声可以认为是固定的,关键就在于输入的信号是否与调理系统相匹配。

2、失真
输出信号波形相对于输入信号波形出现的畸变,即为失真。失真的具体现象非常多,主要有:顶部/底部失真、过冲/下冲、无法跟随、相位反转。

http://www.lryc.cn/news/2413543.html

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