电子信息工程课程设计--数据采集系统动态有效位测试.doc

电子信息工程课程设计实验报告 电子信息工程课程设计实验报告 数据采集系统动态有效位测试 院系：电子信息与光电技术学院 专业：电子信息工程 姓名： 指导老师：刘明 2013年9月7日一、课程设计目的 将模拟信号转变为数字信号后再进行处理，是当前信号处理普遍使用的方法，模数转换器（ADC）就是将模拟信号转换为数字信号的器件。ADC有8位，10位，12位，16位等，理论上，转换位数越多，转换精度越高，但由于受到电路噪声干扰，以及采样频率等因素的影响，实际上所获得的转换精度（转换位数）要低于理论值。所以，计算ADC的有效转换位数对系统性能的评估就显得尤为重要。本课题就是利用DSP实验装置对模拟信号进行数字化，并存储到计算机中，利用matlab编程对信号进行处理，计算ADC的有效转换位数（ENOB）,通过调整信号幅度、信号频率、采样频率等参数，获得这些参数与ENOB的关系曲线，最终计算出最佳的ENOB值。二、课程设计内容1、接通信号发生器和示波器的电源，调整信号发生器的频率（小于5KHz），幅度（峰峰值小于1V），利用示波器测量确认后，通过连接电缆将信号发生器的输出连接到DSP实验箱的INPUT1端口。2、用USB连接电缆连接主机和DSP实验箱3、接通DSP实验箱电源，根据液晶显示屏显示的提示信息进行操作。1）上电后，首先选择 4 （AD），按ENTER键确认2）通过数字键选择采样频率（符合那奎斯特采样定理），按ENTER键确认3）选择“1”保存，通过主机上的采集软件，可将采集的数据通过USB线上传到主机。选则“2”不保存，可通过DSP试验箱的OUT3接口，通过示波器观察波形，若系统正常，应该能够看到跟信号发生器输出一致的波形，以此来验证电路系统的正确性。4）若在3）选择“1”保存后，主机会提示安装USB驱动，正确安装驱动后，打开主机上的数据采集软件，如图所示：若USB驱动安装正确，会出现 EZ-USB-SX2 提示信息。5）点击“start”,开始数据传输，若系统工作正常，Successed Transfers 后会显示“5”，表明收到5个数据包，若显示信息不是5，则将DSP试验箱断电，重新开始。6）若5）正常，则主机会产生一个数据文件 USB.DAT，这就是ADC采集的数据，共1024个采样点，每个采样点为12位有效数字，表示为2个字节，高8位在前（其中高4位为0），低8位在后。4、利用matlab编写程序，利用公式求出ENOB。三、实验要求 1）用matlab编写程序，绘制时域波形图、频谱图，计算ENOB2）通过改变信号频率、幅度以及采样频率，获取这些参数与ENOB的对应关系，绘制出对应曲线图。 3）设置最佳参数，求出最佳的ENOB，要求计算出的ENOB10 4）通过查找资料自己设计最佳的matlab程序算法 5）参考方法：对采样数据进行FFT，求出基波能量和谐波能量，计算出信噪比（SNR），利用公式求解ENOB 参考公式： ENOB = （SNR-1.79）/6.02 提示：注意采样频率、信号频率、FFT点数之间的最佳对应关系。四、 实验原理1、 动态有效位ENOB：用来衡量数据采集系统实际工作时有效的位数，它是用分辨率来衡量实际工作时ADC的噪声均方值与理想ADC标识分辨率情况下的量化噪声。ENOB是量化描述模数转换性能的一种方法，有效位数越大，表示模数转换中所记录的电压值越精确。2、 测试动态有效位的原因：对于理想的模数转换器，它具有完美的线性特性，仅对输入的信号进行简单的量化处理。量化过程会产生量化噪声，根据信号功率与噪声功率，可以计算出模数转换之后的信噪比SNR。若输入信号为纯正弦波，那么SNR就可以表示为：SNR=1.522B，B为数模转换器的位数，将上式表示为db,则B=（SNRdb-1.76）/6.02,其中1.76为理想ADC的量化噪声，6.02为将log2转化为log10的系数比。但是现实生活中理想的模数转换器并不存在，每种模数转换器都会给输入信号带来某种失真。典型的失真有噪声，非线性输入特性以及增益与失调误差。这些失真会直接恶化信噪比，所以12bit的模数转换器的ENOB可能仅为10.5，这意味着，虽然模数转换器的输出为12bit,但其达到的信噪比仅相当于理想的10.5bit模数转换器。所以，测试模数转换性能，即动态有效位十分必要。3、 原理公式：五、所需仪器设备 信号发生器、示波器、DSP实验箱、计算机、连接电缆6、 实验结果与分析 采样频率fs=8kHz 信号频率f=78.125Hz 信号幅度v=1v FFT点数N=1024 输出结果：SNR=38.2214 ENOB=6.0567分析：实验时，要注意“频谱泄漏这个概念. 对于频率为fs的正弦序列，它的频谱应该只是在fs处有离散谱。但是，在利用DFT求它的频谱做了截短，结果使信号的频谱不只是在fs处有离散谱，而是在以fs为中心的频带范围内都有谱线出现，它们可以理解为是从fs频率上“泄露”出去的，这种现象称 为频谱“泄露”。周期信号加窗后做DFT仍然有可能引起频谱泄露，设fs为采样频率，N为采样序列长度，分析频率为：f0=m*fs/N（m=0，1.)，以cos函数为例，设其频率为f0,如果 f0不=m*fs/N，就会引起除f0以外的其他m*fs/N点为非零值，即出现了泄露。在理解了频谱泄漏的概念后，为了达到ENOB6的实验要求，且采样频率fs10kHz的实验要求,我们选取了m=100，fs=8kHz，将N=1024代入，得到的正弦信号频率为f0=78.125Hz七、实验截图ENOB最大时所对应的时域波形图ENOB最大时所对应的频谱图附录：Matlab程序：clc;clear;close all；%load data.mat data%fid=fopen(E:project214SOCdataf2812sine-1.001khz-4096-73.6040hz.dat,r);% data,N = fscanf(fid,%x);% fclose(fid);FileName,PathName = uigetfile(*.dat,Select the *.dat file);f = fullfile(PathName,filesep,FileName);fid = fopen(f,r);data = fscanf(fid,%x);% data = fread(fid);fclose(fid);data = data(1:2:end)*256 + data(2:2:end);N = 1024;%datsgn = sub_unsign2sign(data,16)/24;datsgn = data;plot(datsgn); %时域波形datfft = fft(datsgn(1:N);%*4/N/212); %fftnordat = abs(datfft)/max(abs(datfft);figure,stem(abs(nordat); %谱线datfft(1) = 0;maxval,pos = max(abs(datfft(1:N);datfft_hf = nordat(1:N/2);sig_rms=(norm(datfft_hf(pos-5:pos+5); %/sqrt(