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高速数据采集时,遇到“混叠”和“幅度分辨率不足”怎么办?

文章出处:网责任编辑:作者:人气:-发表时间:2019-05-09 17:20:00

 在使用模块化数字化仪进行测量时,重要的是要注意一些常见的设置问题,这些问题会导致数据不良和浪费时间。本文将对“混叠”和“幅度分辨率不足”两个问题提供深入解答。


 混叠,采样数据系统的普遍问题。自采样数据采集系统出现以来,由于输入信号采样不足而引起的混叠问题就一直存在。采样的数据仪器,如数字化仪和数字示波器,根据采样定理,要求模拟信号的采样频率大于输入端存在的最高频率分量的两倍。如果不满足这个条件,就会产生混叠。当前的数字转换器设计通常包含大大超过模拟带宽的最大采样率。通过将其与长采集存储器相结合,这些数字化器最小化了这个经典问题。 但是,用户应该注意混叠,尤其是在将采样率编程为较低速度时。


 采样数据系统对输入信号进行采样并存储结果数字数据。 如果采样率满足或超过采样定理的规则,则可以重建信号而不丢失任何信息。如果模拟输入波形的采样频率小于其最大频率的两倍,则数字采样的重建结果会产生频率低于原始频率的波形。

图1显示了使用Spectrum M4i.4450-x8,500 MS / s,14位数字转换器及其相关SBench6的示例

 输入信号为正弦扫描信号,最大频率为2.66 MHz。采样是一个混合过程,其结果是基带信号(0到2.66 MHz)被重复的采样频率的倍数。在上面的网格中我们看到输入信号采样时间是15。6毫秒/秒。基带信号出现在左边。基带区域复制为上下边带图像,约为标记的15.6 MHz采样频率。当采样率降低到6.2 MHz时,如在中心网格中,下边带图像接近基带信号。在底层网格中,采样率被降低到奈奎斯特极限(最大输入频率的两倍或5.2 MS/s)。在这个采样频率下,采样频率的下边带图像干扰了基带信号,产生了混叠现象。

同样的效应也可以在频域中看到。如图2所示

认识到混叠

 混叠通常会产生比原始信号频率更低的波形。了解被测信号的频率,然后对其进行验证,以确保它没有别名,这是一个很好的实践。如果从输入信号触发数字化仪,则混叠信号也会显得不稳定。这是因为数字转换器是在信号上触发的,而别名频率较低,有多个触发点造成不稳定。这是一个很好的程序,查看所有未知的信号在最高采样率可用,然后降低采样率,如果需要。如果发生混叠,当选择较低的采样率时,您将看到信号下降的频率。


幅度分辨率不足

 数字转换器使用模拟到数字转换器(adc)将模拟信号的样本转换成数字值。ADC的分辨率是用于数字化输入样本的比特数。对于一个n位ADC,可以产生的离散数字电平数为2n。因此,一个12位数字转换器可以解决212或4096级。最小有效位(lsb)表示可以检测到的最小间隔,对于12位数字转换器,最小有效位为1/4096或2.4 x 10-4。为了将lsb转换成电压,我们取数字化仪的输入范围除以2,提高到数字化仪的分辨率。


 分辨率决定了测量的精度。数字化仪分辨率越大,测量值越精确。具有8位ADC的数字转换器,如频谱M4i.2210-x8 1.25 GS/s数字转换器,将输入放大器的垂直范围划分为256个离散电平。垂直范围为1v时,8位ADC不能理想地解决小于3.92 mV的电压差;而16位ADC,如具有65656离散电平的Spectrum M4i.4420-x8 250 MS / s数字化仪,可以理想地解决小至15μV的电压差。


 使用高分辨率数字化仪的一个原因是测量小信号。根据最小电压水平的计算方法,我们可以使用分辨率较低的仪器和较小的全量程来测量较小的电压。然而,许多信号同时包含小信号和大信号分量。

因此,对于同时具有大电压分量和小电压分量的信号,需要一种高分辨率的仪器,具有较大的动态范围和数字化仪同时测量小信号和大信号的能力。让我们来看看一个波形如果通过不同分辨率的数字化器会是什么样子。图3比较了12位、14位和16位理想数字化器对±200mv阻尼正弦波形段的响应。


 所选的线段在波形的末端附近,振幅较小。14和16位数字转换器仍然有足够的分辨率呈现信号准确但12位数字转换器,与100年μV决议(基于全面的±200 mV)小于100μV无法解决水平。对于任何分辨率,读取时的误差都会随着信号振幅的减小而增大。记住,这是一个理想的情况,噪声会限制在现实世界中的信号精度。虽然像滤波和平均这样的信号处理工具可以提高数字化仪的分辨率,但在选择数字化仪和选择具有适当分辨率的数字化仪之前,仍然需要考虑任何测量的动态范围要求。

图3:数字化仪分辨率对测量精度的比较

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