（物理电子学专业论文）高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计.pdf

中国科学技术大学硕士论文 致谢 首先，我要感谢我的导师宋克柱副教授、王砚方教授，这篇论文是在两位老 师的悉心指导与关怀下完成的。我在快电子学实验室学习和工作的三年里，两位 老师渊博的知识，严谨的作风和严格的要求，使我在这个专业方向上，理论和实 践均有了长足进步，而且在生活上也给予我极大的支持与关心，鼓励我坚强的去 面对生活中的困难与挫折。正是这两位老师的帮助与指导，才使我在学术上和生 活上逐渐成长，逐渐成熟。 在整个系统的设计和调试过程中，杨俊峰博士和陆增援博士给予了我许多帮 助、指导，吴义华博士在补偿方法上给与了理论上的帮助，何正淼博士和王超博 士在采集板上的配合，汤家骏老师在信号源设计上的指导，使得系统的设计能圆 满成功，获得了验收方的好评，再次表示衷心的谢意。 另外，感谢实验室的安琪教授、阮福明、唐世悦、曹平、程敬原、曾翔、陈 佳、马灵等同学及快电子学实验室的程伊敏女士，他们在我的工作上曾给予热情 的帮助和支持，感谢他们为我创造了良好的工作环境和气氛。 感谢中国科技大学和快电子学实验室，给予了我良好的学术氛围和学习工作 环境，否则就没有我成长的今天。 最后，我要感谢我的父母，他们对我始终如一的爱是我最坚强的后盾。 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 摘要： 石油被誉为现代工业化的血液，是宝贵的不可再生资源。随着我国经济的高 速发展，石油消耗越来越大，缺口也越来越大。2 0 0 4 年我国石油需求2 7 亿吨， 进口总量达到了1 2 亿吨，缺口高达4 4 ，已成为制约我国经济发展的一个重要 因数。陆地上的石油勘探工作已经在过去的几十年中基本完成，而中国有着广阔 的海域，估计石油存储量为2 7 5 亿吨，目前石油的发现率仅为1 8 5 ，极具开发 潜力。虽然向海洋要石油的工作早在5 0 年代就开始了，但是，由于以前的不重 视和技术发展的落后，我国海洋石油勘探设备一直都是从国外进口，价格昂贵， 维修很不方便。为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高科技研究计划就立项开始研究具 有自主知识产权的海上油藏勘探设备，我们实验室承担了资源与环境领域，渤海 大油田勘探开发关键技术主题重大专项海上时移地震油藏监测技术课题“时 移地震采集关键设备研制”子课题“时移地震数据采集与记录系统”的研究开 发任务。其中重要的组成部分一一高精度数据采集板，它的动态范围很大，而 谐波畸变非常小，以现有的手段、方法已经很难得到其性能参数。并且采集板需 求数量很多，装各一条勘探船就需要数以干计。因此，怎样才能更好地衡量它的 性能，加快调试速度，保证其可靠，损坏后方便维修等问题都迫需解决。 本文就是以解决这些问题为出发点，包括了作者在快电子学实验室的几年来 的主要工作和学习，涉及到高精度模数转换，计算机局部总线接口设计和数字信 号处理与分析等方面。 主要内容有： 绪论，介绍了项目的背景和选题的意义、内容。 第1 章，介绍了数据采集的基本原理，对数据采集涉及到的概念做了较为详 细的介绍，同时也介绍了a d c 相应的技术指标。 第2 章，介绍了“性能分析与测试系统”总体方案和设计，并简单介绍了 数字包采集板的基本蹶理结构。 第3 章，介绍了系统组成模块“p c i 通讯卡”的设计与实现，并简单介绍了 一下p c i 总线的原理。 第4 章，介绍了系统组成模块“基于d a c 的高谱纯度低频差分信号源”的 设计与实现，讨论了一模一数转换器的原理和特点，并对信号源的补偿方法 作了介绍。 第5 章，介绍了系统软件的设计和编程。 第6 章，介绍了系统的应用，制定了测试项目及其实现的手段，并给出最终 的测试结果。 结束语，介绍了本系统的创新点，及系统的使用情况，并对以后的改进提出 了建议。 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 a b s t r a c t o i l a sak i n do fv a l u a b l en o n r e n e w a b l er e s o u r c e ，i sh o n o r e dt h eb l o o do f m o d e mi n d u s t r y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n e s ee c o n o m y , t h er e q u i r e m e n to f o i la l s oi n c r e a s e ss h a r p l y , a n dt h eg a pb e t w e e no i lr e q u i r e m e n ta n dp r o d u c t i o ng r o w s b i g g e ra n db i g g e r i n2 0 0 4 ，t h et o t a lo i lr e q u i r e m e n ti s2 7 0 m i l l i o nt o n ，4 4p e r c e n to f w h i c hi si m p o r t e d n eg a po f 1 2 0m i l l i o nt o ni m p a c t sg r e a t l yo nc h i n e s ee c o n o m y t h e1 a n do i le x p l o i t a t i o nw e r kh a sa l r e a d yb e e nc a r r i e do u ti nt h e1 a s tf e wd e c a d e s h o w e v e r , c h i n ao w n sb r o a ds e aa r e a s ；t h ee s t i m a t e do i lr e s o u r c ei s 曲o u t 2 7 5b i l l i o n t o n ，o n l y1 8 5 o f w h i c h h a sb e e n c u r r e n t l ye x p l o i t e d t l l i sm e a n s ag r e a tp e t e n t i a l i t y f o re x p l o i t a t i o ni nt h ef u t u r e a l t h o u 曲血ew e r ko fs o c a l l e da s kt h es e ef o ro i lh a s a l r e a d yb e e nb e g u ni n 血el9 5 0 s ，h o w e v e r , d u et o t h eb e l i t t l e m e n ta n dl a c ko f t e c h n o l o g y , t h eo f f s h o r eo i le x p l o r a t i o nd e v i c e s u s e dt ob ei m p o r t e d ，w h i c ha r eb o t h e x p e n s i v ei np r i c oa n dh a r di nr e p a r a t i o n t os o l v et h i sp r o b l e m ，8 6 3 ，t h en a t i o n a l h i t e c hr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a m , b e g a ni n2 0 0 1ap r o j e c to fr e s e a r c ho n d e v e l o p m e n to fo f f s h o r e o i lr e s o u r c e e x p l o r a t i o ne q u i p m e n t s ，w i t h s e l f - o w n e d i n t e l l e c t u a la u t h o f i t y o u r1 a bi sm s p o n s i b l ef o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h e t i m e l a p s em a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o na n dr e c o r d i n gs y s t e m ( t m s d a r s ) ， w h i c h b e l o n g s t ot h er e s o u r c ea n de n v i r o n m e n tf i e l d ，t o p i co ft h ek e y t e c h n o l o g y o f e x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o no f t h e b o h a io f f s h o r eo i lf i e l d ，s u b - t o p i co f t h e t i m e - l a p s e m a r i n es e i s m i ct e c h n o l o g yf o rt h ee x p l o r a t i o no fo i ls t o r a g e t a s ko f d e v e l o p m e n to f p i v o t a ld e v i c eo fm a r i n es e i s m i cd a t aa c q u i s i t i o n o n eo ft h em o s ti m p o r t a n t s u b - s y s t e m si st h eh i 曲r e s o l u t i o n m a r i n ea c q u i s i t i o ns y s t e m , w h i c hd e m a n d sa 研d c d y n a m i cr a i l g e a n da 蛐a l lh a r m o n i cd i s t o r t i o n s oi ti sd i 伍c u l tt o a c q u i r et h e p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r st t n o u g hc u r r e n t l ye x i s t e dm e t h o d sa n de q u i p m e n t s 缔量a f s m o r e ，t h e r ei sad e m a n df o rl a r g eq u a n t i t yo f t h ea c q u i s i t i o nb o a r d s ，t h o u s a n d so ft h e b o a r d sa r en e e d e dj u s tt oe q u i po n es h i p d u et ot h e s er e a s o n s i t su r g e n tt om e a s u r e t h eb o a r d sp e r f o r m a n c em o r e p r e c i s e l y , t op e r f o r mt h et e s tm u c hq u i c k e r , t oe n s u r e i t sc r e d i b i l i t y , a n dt oe a s yt h e r e p a i r i n gm e t h o d s 啦st h e s i si sh a s e do nt h er e s e a r c ht os o l v et h c s ep r o b l e m s s u m i n i n gu pt h e m a i nw o r ka n dr e s e a r c ho f 也ea u t h o ri nr e c e n ty e a r si nf a s te l e c t r o n i c sl a b ， i n c l u d i n gh i 曲p r e c i s i o na - dc o n v e r t i n g ，l o c a l b u s d e s i g n i n ga n dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g a n d a n a l y z i n g t l 】i st h e s i si sc o m p o s e da sf o l l o w s ： e x o r d i u m ：i n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do ft h ep r o j e c tc o n c e r n e d ，t h em a i n p o i n t s a n d s i g n i f i c a n c eo f t h i ss u b j e c t c h a p t e rl ：i n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e so nd a t aa c q u i s i t i o n i n c h i d i n gd e t a i l e d d e s c r i p t i o n s o nt h e c o n c e p t i o n s o fd a t a a c q u i s i t i o n , a n d t h e c o r r e s p o n d e n t q u a f f f i c a _ c i o n so f a d c c h a p t e r2 ：i n t r o d u c e s t h eo v e r a l lp l a na n dp r a c t i c a l d e s i g n o fp e r f 0 1 t l l a n c e a n a l y z i n ga n dm e a s u r i n gs y s t e m ( p a m s ) ，t h e ni n t r o d u c e sb r i e f l yt h es e h e m a t i c d i a g r a mo ft h ed a t aa c q u i s i t i o nb o a r d ，w h i c hi s ap a r to ft h em a r i n ea c q u i s i t i o n s y s t e r n c h a p t e r3 ：i n t r e d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no f o n cp a r to fp a m s t h ep c i 2 中国科学技术大学硕士论文 高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 c o m m u n i c a t i o n b o a r d ，t o g e t h e r w i t hab r i e f d e s c r i p t i o no np c i b u sd e s i g np r i n c i p l e s c h a p t e r 4 ：i n t r o d u c e st h eo t h e r p a r to f p a m s h i g h p e r f o r m a n c el o wf r e q u e n c y d i f 传r e n t i a ls i g n a lg e n e r a t o rb a s e do nd a c ，d i s c u s s e st h et h e o r i e sa n dc h a r a c t e r so f 一d a c a n dd e d u c e st h ec o m p e n s a t i n gm e t h o do f s i g n a lg e n e r a t o r c h a p t e r5 ：i n t r o d u c e sf r a m i n ga n dc o d i n go f t h es y s t e ms o f t w a r e c h a p t e r6 ：i n t r o d u c e st h ea p p l i c a t i o no fp a m s ，e s t a b l i s h e st h ei t e m st h a ts h o u l d b et e s t e da n dt h ew a y t ot e s tt h e m t h ef i n a lr e s u l t sa r el i s t e do u t t a g ：t h ei n n o v a t i v ep o i n t so ft h i ss y s t e ma r es u m m e du p ，t h ep r a c t i c a l i t y i s s h o w n ，a n ds u g g e s t i o n st of u r t h e ri m p r o v e m e n t a r e b r o u g h t f o r w a r d 3 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 绪论项目背景和选题意义 石油是现代化工业的基石，我国经济的高速增长，带动着我国石油需求的高 速增长，2 0 0 4 年我国石油需求2 7 亿吨，进口总量达到了1 2 亿吨，成为第二 大石油进口国，进口比重高达4 4 ，已经威胁到了我国国家能源战略安全。陆地 上的石油勘探工作已经在过去的几十年中基本完成，而中国有着广阔的海域，估 计石油存储量为2 7 5 亿吨，目前石油的发现率仅为1 8 5 ，极具开发潜力，向海 洋进军大有可为。虽然向海洋要石油的工作早在5 0 年代就开始了，但是，由于 以前的不重视和技术发展的落后，我国海洋石油勘探设备一直都是从国外进口， 价格昂贵，维修很不方便。为此，2 0 0 1 年，“8 6 3 ”国家高科技研究计划就立项 开始研究具有自主知识产权的海上油藏勘探设备，我们实验室承担了资源与环境 领域，渤海大油田勘探开发关键技术主题重大专项海上时移地震油藏监测技术 课题“时移地震采集关键设备研制”子课题“时移地震数据采集与记录系统” 的研究开发任务。而其中重要的组成部分一高精度数据采集板，决定着整个 系统的性能水平，它的设计目标为： $ 动态范围：1 1 5d b 木前放增益：0 ，6 ，1 2 ，2 4d b 十输入短路噪音：2 5u vr m s 十谐波畸变： 0 0 0 0 5 女串音抑制：l o o d b 木道间增益精度：1 木共模抑制比：l o o d b $ 采样时间：i m s 感兴趣信号频宽：2 - 4 1 2h z 对于如此大的动态范围大，如此小的谐波畸变，以现有的手段、方法已经很 难得到其性能参数。并且采集板需求数量很多，计划中要做4 条6 千米的试验缆， 每i 0 0 米需要8 个采集板，还要l 条备用缆，共需要2 4 0 0 块采集板，故要求： 1 采集板应该要能进行单独调试，提高调试速度，节约时间，并保证性能可 靠，指标合格。 2 应该能对采集板进行独立的检测，快速筛选判断采集板是否合格，并方便 的对不合格板进行维修。 3 对采集板进行性能分析，计算各种性能参数，得出采集与记录系统的性能 指标。 而目前国内还没有一种成熟的手段能满足上述所有要求，这主要是因为： 1 海洋地震数据采集设备有其特殊性，美国勘探地球物理家协会( s o c i e t yo f e x p l o r a t i o ng e o p h y s i c i s t s ) 的规范上有对设备的性能和测试手段作出的一些 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 规定和建议，但因为我国以前的设备都是进口的，还没有人对这些内容有足够的 重视和研究。 2 采集板的日常维修需要用到高谱纯度低频差分信号源，而现在市面上一般 的信号源都是单端的，并且谐波失真只在一7 0 d b 左右，远远达不到一1 0 5 d b 的要求。 为此，确立了子项目“高精度数据采集板性能分析与测试系统”研究与开发， 以满足上述需要。主要的内容包括有： 1 和数据采集板通讯，模拟工作站发控制命令，并采集、记录数据； 2 开发高谱纯度的低频正弦波差分信号源，使其的谐波失真好于一1 0 5 d b ； 3 完成系统软件，编写可视化窗口，以及性能参数的算法，使软件能在线 分析主要参数，方便采集板的调试； 4 参照s e 6 的规范，制定一个可行的、完整的单板指标测试方案，并编写 离线分析算法，对采集板做一次完整的性能检测，得出采集板的各项指 标。 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 第一章数据采集的基本原理 “性能分析与测试系统”是为数据采集系统服务的，这里首先介绍一下数据 采集的基本原理。 从观察到的信号里面提取出有用的信息，是我们对世界观察并加以研究的一 个基本手段。而且随着计算机和数字电路的高度发展，我们对信息的处理越来越 趋向于数字化处理。一般来说，数据采集系统都有3 个部分：第一部分是对模拟 信号的预处理，主要是对信号进行滤波、放大等等：第二部分是模拟数字转换， 使信号转变为易于处理的数字信号；第三部分是数字信号的存储和处理。 数字信号处理技术和相应的各种算法，被广泛地应用于通讯、雷达、探测， 遥感、图像处理和识别、语音处理和核物理等各领域，正在不断更新和替代以往 的模拟系统。数字信号处理技术的关键环节之一是模拟信号与数字信号之间的相 互转换，出现了多种转换技术，其中过采样一模数和数模转换是近年来出现 的一种新型转换技术。在高分辨率、高保真度、大动态范围的数据采集处理系统 中表现出了非凡的优越性。 1 1 采样过程 一般自然界的信号都是模拟信号，模拟信号是定义在连续区间上的信息。对 模拟信号进行了采样后，才可以通过数字电路进行处理。采样是通过采样脉冲对 模拟信号进行抽取的过程，所得到的数据称为采样数据。设模拟信号为w ( t ) ，采 样脉冲为p ( t ) ，采样数据为w s ( t ) ，下图即为一简单的采样示意图。 w ( t ) p ( t ) w s ( t ) 图卜1 采样示意图 w s ( t ) = w ( t ) 尸( f ) 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集扳性能分析与测试系统的研究与设计 当采样脉冲的频率大于2 倍的信号频率时，可以从采样数据w s ( t ) 还原出 原信号，这称为采样定理，也叫奈奎斯特定理。 采样后的信号，还要经过量化、编码才能转换成有效的数字信号。 1 2 均匀量化及量化噪声 时间上的离散化叫做采样，在满足采样定理的前提下，采样过程不会改变原 来信号的频谱，即可以从数字信号不失真地恢复原模拟信号。编码只是将已量化 好的数字信号，用某种格式的数字代码来表示，也不会产生失真。量化是对采样 信号进行幅度上的离散化，它必定会产生失真，引入量化误差。通常也把采样， 量化结合的过程就叫做模数转换( a d ) 。进行a d 变换的电路叫做模数转换器a d c 。 对于均匀量化，就是把信号幅度的动态范围 一a ，+ a 等分为n 份，用 x 。x 。 表示各个区间。当模拟信号幅度x ( k ) 在区间 x 。x 。1 中时，用x 。表述这个间隔内 的所有幅度，称x 。为量化电平，一般直接用数字k 来表述量化电平。数字输出量 采用二进制表示，其格式为2 “，n 为二进制数字的位数。用n 表示模数变换的有 效位，也就是a d c 的位数，所以有 n = 2 。 ( 1 2 ) 设输入模拟信号的幅度为 一a ，+ a ，a d c 的位数为n ，量化电平用表示， 对于均匀量化则有： = 2 彰。 ( 1 3 ) - 显然，a d c 的位数n 越大，量化电平的数值就越小。用近似的量化值来表 示输入值时的误差就越小，这两者之间的误差称为量化误差，有 e ( k ) = 测量值一真实值= x ( 后) 一x ( 七) ( 1 4 ) 量化的方法基本上可分为两种方法，舍入法和截断法。 1 ) 舍入法：采用最靠近实际采样值的量化值来近似采样值。 2 ) 截断法：采用不大于实际采样值的最大量化值来近似采样值。 截断法和舍入法两种量化方法的差异如图卜2 所示。 9 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 t ll i 0 1 0 i 1 0 0 o l | 0 1 0 0 0 l 0 0 0 t 图1 - 2 截断法和舍入法量化模拟信号时的比较 考虑输入信号v ( t ) 中的a 和b 两点。对于截断法，a 、b 两点量化后取值均 为0 1 1 ，误差的范围为：( 一a 0 ) ；对于舍入法，a 点的取值为0 1 1 ，误差范 围为( 一2 o ) ，b 点的取值为1 0 0 ，误差范围为( o a 2 ) 。 图1 3 ( a ) 和( b ) 分别给出了两种量化方法模数变换器的输入输出特性曲 线。以表示输入的模拟信号，犯表示输出的数字信号。注意，这里输入输出 特性曲线都是非线性曲线。从这个意义上讲，模数交换必然存在着误差。从图 卜4 的量化误差与输入信号之间的关系曲线可以看出，两者的量化误差的平均 值不同，但均方值是一样的。下面的计算也能证明这一点。 炙。 。】l 0 1 0 ，4 0 0 1 一 ( d o，1 - 3 a - 2 a - 5 ， 她3 4 7 芦 i 爱。 o l l 广 们o 刊 0 0 1 一 0 0 0 一 。 讹七 2 3 4 7 r 7 _ j 斗 ( a ) 截断法输入，输出特性曲线c o ) 舍入法输入，输出特性曲线 图i 一3 两种量化方式的特性曲线 ( a ) 截断法量化误差特性曲线( b ) 舍入法量化误差特性曲线 图1 4 量化误差与输入信号的关系蓝线 如 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 对量化器而言，输入信号的幅度在它的动态范围内可以是任意的数值，出现 各种幅度的概率是随机的，并且是均等的。由于这种误差是在一定数值范围内随 机出现的，类似于电噪声的概率特性。因此这种量化误差通常被称为量化噪声 ( q u a n t i f i c a t i o nn o i s e ) 。 类似于噪声，我们关心它的均值m 。和方差仃，因为i i l e 实际上代表了噪声的 直流分量，而盯；则代表了除去直流分量后噪声的平均功率。 计算量化噪声的平均值公式为 聊e = e p ( 七) ) = e 印( 8 ) 出 ( 1 5 ) 计算量化噪声的均方差值公式为： 2 = e 【p ( 七) 一m s 】2 ) ：( e m 。) 2 p ( e ) d e ( 1 - 6 ) 由图卜4 可知，量化噪声大小随模拟信号的大小呈周期性变化，在每一个周 期内，产生不同大小的量化噪声的几率是均等的。图卜5 给出了两种量化方法每 个周期内量化噪声的概率分布。 尸( e )p ( e ) - 1 l ( a ) 截断法 ( b ) 舍入法 图1 5 量化噪声的概率分布 因此量化噪声的概率密度有： 一a e o 截断法1 刖2 五 一2 。 2 献法 ( 1 7 ) 所以，可以得到误差的平均值为： 州c = e p ( | j ) ) = 篮印( e ) 出= 五1 p 2 | 芝 = 五1 e 2j 笠；：= o 舍入法 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 或者 = 去e 2 厶一会 截断法 由于舍入法的量化误差是正负完全对称，因此其误差平均值自然等于零。而 截断法的量化误差都是负值，所以其平均值也是一个负值。事实上，从噪声的统 计性质出发，我们应该更关注量化噪声的均方差值，其计算如下。 对于舍入法，有： 盯；= 嚣 一聊。) 2 p ( p = 五ie 左e 2 如= 五e 3l 笃：= 鲁 ( 1 8 ) 对于截断法，按照以上的计算方法同样可得：仃；= 篙 这就表明，即使模拟信号k 本身是一个无噪声的信号，但经过量化后，相 当于在输入信号的频率范围内，也就是在奈奎斯特频率( l 1 2 ) 内，数字信号五 引入了一个量化噪声，将量化电平的定义带入上式，有： 班篙= 1 ( 2 a r 2 “) 2：乓 ( 19 ) = 一 tlqj 3 2 知 一 说明量化噪声只与a d c 位数n 有关，而与输入信号频率无关。可以认为量化 噪声是均匀分布在奈奎斯特频率( f , 2 ) 范围内，如图卜6 所示。 图卜6 量化噪声分布 1 3 均匀量化时量化器的信噪比 信噪比指信号幅度的均方根值与其它频谱成分的均方根值( 不计谐波和直流 成分) 的比值，也就是信号的功率与噪声的功率的比值，以d b ( 分贝) 表示为： s n r 划，g 篇蓑， ( 1 、l o ) 1 2 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 在测量时通常用正弦输入信号来判断量化器的量化信噪比，假设输入一个满 幅度的正弦信号： f f f ) = a s i nc o t 其平均功率为： f 2 ( f ) = 圭f a 2 s i n 2 ( c of ) d ( of ) = 等 z 7 ：i 二 因此，信噪比为： 鼢锄，g 。 r 删m s s 础i g , , , 。a 。l 圳l g 字 _ 1o l g 高 ( 1 6 0 2 n + 1 7 6f 招) 由上式可见，量化器编码位数每增加l 位，则量化级值减少1 2 ，因而使信 噪比提高了6 d b 。 这里给出的是理想情况下的信噪比，对于一个实际的量化器，误差来源不仅 是量化误差，还包括采样时钟的晃动，电源的波动及a d c 的非线形误差等引起的 误差，因此实际上的信噪比( s n r ) 肯定要小于6 0 2 n + 1 7 6 。 1 4 量化噪声的功率谱密度函数 功率谱密度函数是用来描述随机信号统计特性的一个重要参量。所谓功率谱 密度函数是这样一个函数：( 1 ) 它描述了信号在各个不同频率分量上功率分布的 情况，( 2 ) 当在整个频率范围内对它进行积分后，其结果就给出了随机信号总的平 均功率。功率谱密度函数常简称为功率谱密度或功率谱。若分别用盯：和风( u ) 表示信号的平均功率和功率谱密度函数，则有： 仃。2 = e x 2 ( n ) 2 去巳p x ( ) 妇 n - 1 2 前面讨论的量化噪声e ( k ) 是均值为0 的白噪声，其平均功率为口2 ，由于其 功率在 一1 i ， 上均匀分布，为常数，故有： p 。( c o ) = 仃； 如果x ( k ) 为采样信号，采样频率为盎，将式1 1 2 用模拟频率来表示，因为 国：堕代入式子有 士l s 盯。2 = 吲s f 。22 峄其中以( 舻以删。：型 j js 实际上由于 - f s 2 ，0 的频率不存在，并且且( 6 0 ) 是( | ) 的偶函数，故有 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 仃；：2 驴垃粤吻：2 p x ( f ) d f ( 1 1 3 ) 其中p ，( 厂) ：丝婴 ( 1 js 同样，由式( 1 1 4 ) 可以得到用模拟频率表示的采样信号的量化噪声功率谱 密度， 枷2 半l 粤= 等翊盯； 其中t = l f 。为采样间隔。式( 1 1 5 ) 的物理意义为：对于模拟信号而言，白噪 声应该均匀分布在 0 ，+ c o ) 的范围，但对于采样信号，所有高于f 。2 频率的信号 分量经采样后都要折合到 0 ，f s 2 的频率范围内，因此用模拟频率来表示量化 噪声的功率谱时，就得到了( 1 1 5 ) 式。 如果实际上有用的信号通带不到 o ，f , 2 ，如信号通带o f f ，( f 。 f s l 2 ) ， 理论上的奈奎斯特频率f s = 2 ，定义过采样比为实际采样率与奈奎斯特采样率 之比凡l _ 只，那么落在信号通带内的量化噪声的功率为： ，z ；= 2 衔；。厶2 薏2 代入式1 1 0 ，有 snr：20lg1胧ssignalj_602以+176+lolgros(db)(117)rms 一 o 妇。 由上式可知，提高过采样能减少通带内的量化噪声，提高信曝比。 1 5 模数转换器的技术指标 模数转换器是数字化过程的关键部件，本节介绍它的一些常用技术指标。 1 5 1 静态性能指标 ( 1 ) 偏置失调误差( o f f s e te r r o r ) ： 偏置失调误差指a d c 传输特性曲线上理想的偏置点和实际偏置点之间的模拟 电压差值。偏置点指a d c 在当数字输出为0 时台阶的中央点。偏置失调误差对所 有输出码产生同样大小的偏置误差，通常可以通过一个微调的过程来得到补偿。 否则，偏置失调误差可以认为是零刻度误差。 ( 2 ) 增益误差( g a i l ie r r o r ) ： 在把偏置失调误差校正到0 后，传输特性曲线上理想增益点和实际增益点之 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 间的模拟电压差值被称作增益误差。增益点指数字输出达到满刻度的台阶的畸， 点。增益误差反映了实际传输曲线和理想的传输曲线的斜率之间的差，与每个 台阶的相应的差别有关。增益误差同样可以经过微调校正为0 。 ( 3 ) 微分非线形误差( d i f f e r e n z i a ln o n l i n e a r i t ye r r o r ) ： 微分非线形误差指a d c 的实际传输特性曲线上每一个台阶的长度( 码宽) 和 a d c 的最低有效位( 1l s b ) 的差。 ( 4 ) 积分非线形误差：( i n t e g r a ln o n l i n e a r i t ye r r o r ) 在校正了偏置失调误差和增益误差后，在传输特性曲线的两端作一条直线 a d c 的实际传输特性曲线上的值与这条直线之间的偏差就是积分非线形误差。 图1 7 积分非线形误差示意图 如上图所示，a d c 的积分非线形误差在每个输出码跃变到下一个输出码时计 算。顾名思义，积分非线形是指某处的积分非线形是从传输特性曲线的最底端到 此处的所有微分非线形的累积。 1 5 2 动态传输特性指标 ( 1 ) l 动态范围( d y n a m i cr a n g e ) 动态范围是指：满刻度信号的均方根值e ，对输入信号为0 时背景噪声的均 方根值之比。它表征的是能够输出的最大信号与最小信号的关系。 ( 2 ) 信噪比( s i g n a ln o i s er a t i o ) 信噪比指信号幅度的均方根值与其它频谱成分的均方根值( 不计谐波和直流 成分) 的比值，即信号的功率与噪声的功率和的比值。 薯oo葛9-5一墨矗荔 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 s n r = 2 0 1 9 怒 ( 3 ) 总谐波失真( t o t a lh a r m o n i c d is t o r t i o n ) ( 1 1 8 ) 实际的a d c 还会产生谐波，如下图所示，当以，的采样频率采模拟频率为正 的信号时，会在l + - k l f oi 的频率上产生谐波，式中n 是谐波的次数，k = 0 ，l ， 2 ，3 。 l o c a n o no fh a r m o n l cd l s o r t i o 糙p r o d u c t s ： i n p u ts i g n l = 7 m h z ，s a m p l l n gr t e = 2 伽5 p $ 。f a ，1 4 ij 一 图卜8 采样产生的谐波 谐波失真的存在当然也会影响a d c 的性能，因此定义总谐波失真( t h d ) 来 确定谐波失真对a d c 性能的影响。总谐波失真是指信号幅度的均方根值与其谐波 的均方根值( 一般只计算前5 次谐波) 的比值。 t h d ：2 0 1 9 e 些墅生 ( 1 1 9 ) r m s f i r s t5 t hh d 。 ( 4 ) 信号与噪声加畸变比( s i n a d 或s n + d ) 谐波失真的存在当然也会影响a d c 的性能，但是在s n r 里，并没有体现出谐 波的影响，因此，又有了s i n a d ( 或称s n + d ) 的定义。s i n a d 是信号幅度的均 方根值与从直流到，2 的带宽内所有其他频谱成分的均方根值的比值( 包括谐 波但不包括直流成分) 。 s 1 n a d ：2 0 1 9 型坠 ( 1 - 2 0 ) r m s n o 扭e + d i s f o 州i o n 。 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 s i n a d 和下面讲到的s n o b 是表述a d c 整体动态特性与输入频率之间关系的指 标中最常用的之一，因为它包括了所有的频谱成分，包括噪声( 含热噪声) 和失 真。 ( 5 ) 总谐波失真加噪声( t h d + n ) 总谐波失真加噪声指感兴趣的带宽内信号幅度的均方根值与谐波及所有噪 声成分( 不包括直流成分) 的均方根值的比值。 t h d + n ：2 0 1 9 _ 丝坠 ( 1 2 1 ) 1 r m s n o i s e + r r s t5 t hh d j 从定义上看来，t h d + n 和s i n a d 是类似的，实际上，如果测量噪声的带宽是 一样的，即若确定测量t h d + n 的噪声也是在从直流到正2 的带宽内，则t h d + n 与前面说的s i n a d 相等。 ( 6 ) 有效位( e n 0 1 3 ) 公式( 1 1 1 ) 是只考虑量化噪声情况下，一个理想的传统p c m 型模数转换器的 信噪比，考虑到实际的a d c 包括各种噪声和谐波失真，用s i n a d 代替s n r ，e n o b 代替1 4 - ，得下式： e n o b ：s i n a d - 1 7 6 d b( 1 2 2 ) 6 0 2 这就是有效位的定义，它和s i n a d 是表述a d c 整体动态特性与输入频率之间 关系的最常用指标之一。 s i n a d ，e n o b 都是输入信号频率的函数，而且还是输入信号幅度的函数，如 下图所示： a d 9 2 2 01 2 一b i t | 1 0 m s p sa d c 鬟m oa n de n o 霸 v s 1 n p u tf r e q u e n c yf o rs a m p l i n gr a t e = 1 0 m s p s ： s i n g l e e n d e d d r i v e 。v c mt + 2 s v , i n p u t s p a nz2 v p - p b - i h 、 盯 3 、 图卜9s i n a d 、e n o b 与输入信号频率、幅度的关系 1 7 *目 任 雠 m 蛳 o 托 聃 再 褂 罅 辱 椿 枯曹，l* 中国科学技术大学硕士论文高精度数据采集板性能分析与测试系统的研究与设计 ( 7 ) 模拟带宽( f p b w ) a d c 的模拟带宽就是通常说的一3 d b 带宽：对输出作f f t 分析，当f f t 输出的 频谱幅度下降到基频幅度的3 d b 时的带宽。模拟带宽可以由小信号来描述 ( s s b w s m a l ls i g n a lb a n d w i d t h ) ，也可以用满幅度信号来描述( f p b w f u l l p o w e rb a n d w i d t h ) 。因此有时不同的性能描述有很大的差别。 a d c 的模拟带宽并不意味着a d c 的最小失真频率可以达到它的模拟带宽频 率，实际上，在输入信号频率到达3 d b 带宽频率之前，大多数s i n a d 和e n o b 将 显著恶化。 ( 8 ) 无伪峰动态范围( s f d r ) 频谱中第一奈奎斯特区( n y q u i s tz o n e 一从直流到f 2 ) 内除信号和直流 成分外，功率最大的频率成分称为最大伪峰谱( p e a ks p u r i o u ss p e c t r a l c o n t e n t ) 。对于接近满刻度的信号，最大伪峰谱一般由信号的最处几级谐波之一 决定；而对于低于满刻度几个d b 的输入信号而畜，a d c 的微分非线形会产生其 他伪峰，可能大于谐波产生的伪峰，因此这种情况下的最大伪峰应考虑所有的畸 变源，而不仅仅是输入信号。 信号幅度的均方根值与最大伪峰谱的幅度的均方根值的比即无伪峰动态范 围( s f d r ) 。如下图所示： t， i1il i - _ _ * - q 函_ h _ q 6 啦- 岫 # r _ - _ l