數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置方式使ADC分辨率低于總線

每個(gè)人都同意更高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）更好，對(duì)吧？那么，為什么這么多最終用戶為一個(gè)用戶掏錢，然后卻沒有利用這一優(yōu)勢(shì)呢？我的意思是，當(dāng)我們從客戶那里收到數(shù)據(jù)文件時(shí)，我們經(jīng)常感到震驚，其中數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置方式使ADC分辨率低于總線。一個(gè)例子可能會(huì)有所幫助，這里只是眾多例子中的一個(gè)（客戶將永遠(yuǎn)保持無名）：

圖1 — 客戶通常查看的渠道數(shù)據(jù)看起來正常。

圖 1 是從WinDaq回放軟件查看的WinDaq獲取數(shù)據(jù)的屏幕截圖。波形是用14位ADC采集的?？雌饋磉€行吧？啊，但我讓你處于劣勢(shì)?？蛻舸怪笨s放了跟蹤，只提供一切良好的錯(cuò)覺。事實(shí)上，這個(gè)渠道是以我們親切地稱之為“在泥濘中”的方式獲得的。

利用名為“顯示動(dòng)態(tài)范圍”的WinDaq功能（見圖 2），我可以強(qiáng)制所選通道自動(dòng)縮放，以適應(yīng) ADC 測(cè)量范圍的上限和下限，以提供 ADC 在數(shù)字化通道數(shù)據(jù)時(shí)看到的直觀圖像。

圖 2 — 調(diào)用 WinDaq 的“顯示動(dòng)態(tài)范圍”函數(shù)講述真實(shí)情況

結(jié)果是圖3，走線幾乎消失，這意味著ADC沒有太多信號(hào)可以使用（即信號(hào)“在泥濘中”）。

圖 3 — 這是 ADC 看到的 WinDaq 的顯示動(dòng)態(tài)范圍功能所顯示的內(nèi)容。

那么，問題出在哪里呢？

您可以將在滿量程范圍如此小的百分比下采集數(shù)據(jù)視為ADC分辨率的有效降低，我們可以用數(shù)學(xué)方式描述這種降低，本質(zhì)上是反向工作以確定ADC的有效位分辨率。

我們可以首先定義一個(gè)方程，將ADC計(jì)數(shù)與ADC的分辨率（假設(shè)為雙極性范圍）以及滿量程信號(hào)和ADC范圍的比值（以工程單位表示）：

等式 1 其中：

C = 應(yīng)用于測(cè)量的 ADC 計(jì)數(shù)。

F S = 以工程單位表示的滿量程信號(hào)范圍 FA = 以工程單位

表示的滿量程 ADC 范圍 n= ADC 位分辨率

從公式（1）可以看出，如果信號(hào)的滿量程范圍（F S）小于ADC的滿量程范圍（F A），則應(yīng)用于測(cè)量的ADC計(jì)數(shù)將減少比率FS：FA。如果FS等于FA，則所有ADC計(jì)數(shù)都應(yīng)用于測(cè)量，這是理想情況。在這種情況下，公式（1）簡(jiǎn)化為：

等式2

接下來，我們可以代數(shù)操作方程（2）來求解n，因?yàn)槲覀儗?duì)ADC在FS

等式3

等式（3）基本上扭轉(zhuǎn)了分辨率問題。給定根據(jù)公式（1）計(jì)算出的信號(hào)，其偏移僅為C ADC計(jì)數(shù)，公式（3）描述了處理該信號(hào)所需的ADC的有效位分辨率。

將一切整合在一起

讓我們看看數(shù)學(xué)如何在客戶數(shù)據(jù)文件的上下文中進(jìn)行排序。我們將首先使用公式 （1） 計(jì)算 C。

從WinDaq回放軟件的統(tǒng)計(jì)功能中，我可以很容易地確定：FS= 0.171 mho

從圖 3 中，我可以看到WinDaq顯示的滿量程動(dòng)態(tài)范圍為：FA= 12.371 mho

我們還知道，測(cè)量是使用14位雙極性ADC進(jìn)行的?，F(xiàn)在我們有足夠的信息來確定使用公式（1）測(cè)量的總ADC計(jì)數(shù)：

現(xiàn)在，我?guī)缀蹩梢钥隙?，如果我們的客戶在購買ADC數(shù)據(jù)手冊(cè)之前查看了它，并看到其分辨率低于8位，他會(huì)立即轉(zhuǎn)向其他供應(yīng)商。然而，通過以他的方式獲取數(shù)據(jù)，這就是他對(duì)測(cè)量的所有分辨率。不要陷入陷阱，認(rèn)為他只遭受了44%的懲罰（14到7.84位）。請(qǐng)記住，ADC計(jì)數(shù)與位分辨率呈指數(shù)相關(guān)。事實(shí)上，我們的客戶遭受了超過 98% 的性能影響：2 14 到 27.82，或16384到 226 ADC 計(jì)數(shù)。哎喲！

獲得救援

那么如何解決這一困境呢？客戶以 1 的增益因子獲取了我們的示例數(shù)據(jù)文件，但他用于執(zhí)行此操作的儀器也允許應(yīng)用 10 和 100 的可編程增益因子。應(yīng)用大于 1 的增益因數(shù)會(huì)影響將 ADC 的滿量程范圍（公式 （1） 中的變量 F A降低等于增益因數(shù)的倒數(shù)乘以 FA。圖靈到我們的示例計(jì)算，如果客戶以10的增益獲取信號(hào)（增益為100太大，會(huì)使FS>FA），則應(yīng)用于測(cè)量的總ADC計(jì)數(shù)將為：

應(yīng)用10的增益因數(shù)可有效地將ADC位分辨率從7.82位提高到11.15位。就所有重要的ADC計(jì)數(shù)而言，這提高了近900%。

結(jié)論

本應(yīng)用筆記的重點(diǎn)并不是說在獲取數(shù)據(jù)之前需要瀏覽方程。提供這些只是為了強(qiáng)調(diào)以下論點(diǎn)：在ADC滿量程范圍的極低百分比下采集的信號(hào)在有效ADC位分辨率方面會(huì)受到嚴(yán)重的性能影響。您的經(jīng)驗(yàn)法則應(yīng)該是確保您希望獲取的信號(hào)的預(yù)期滿量程偏移至少消耗ADC滿量程范圍的一半。如果沒有，則利用大多數(shù)中到高性能數(shù)據(jù)采集硬件產(chǎn)品中內(nèi)置的增益功能。

最后，為了您的方便，我準(zhǔn)備了表（1），以便快速查看您在各種FS：FA比率下將遭受的性能影響（作為ADC分辨率的函數(shù)）。明智地使用它。

表 1 - 性能影響衡量可用 ADC 計(jì)數(shù)的減少與峰值信號(hào)與滿量程 ADC 范圍之比的函數(shù)關(guān)系。