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    详解:模拟信号采样与AD转换

    发表于:2019-09-19
    阅读:3951
    评论:0

    1 、著名的Nyquist采样定理

    尽管大家都知道,但还是提一提。大牛奥本海姆的《信号与系统》中是这样描述的:

    Let x(t) be a band-limited signal with X(jw) = 0 for |w|> wM. Then x(t) is uniquely determined by its samples x(nT),n=1,±1,±2,...,ifws> 2wMwhere ws= 2 pi/T.

    Given these samples, we can reconstruct x(t) by generating a periodic impluse train in which successive impluse have amplitudes that are successive sample values. This impluse train is then processed through an ideal lowpass filter with gain T and cutoff frequency greater than wMand less than ws-wM. The resulting output signal will exactly equal x(t).

    来捋一捋,几个点:

    带宽有限(band-limited) 采样频率大于2倍信号最高频率后可以无失真的恢复出原始信号。

    实际中,信号往往是无线带宽的,如何保证带宽有限?所以,我们在模拟信号输入端要加一个低通滤波器,使信号变成带宽有限,再使用2.5~3倍的最高信号频率进行采样。关于此我们下面将模拟数字转换过程将会看到。


     

    虽说是不能小于等于2倍,但选2倍是不是很好呢,理论上,选择的采样频率越高,越能无失真的恢复原信号,但采样频率越高,对后端数字系统的处理速度和存储要求也就越高,因此要选择一个折中的值。

    如果后端数字信号处理中的窗口选择过窄,采样率太高,在一个窗口内很难容纳甚至信号的一个周期,这从某方面使得信号无法辨识。


     

    比如,数字信号处 理的窗口大小为1024个点,采样率为50KHz,则窗口最多容纳1024*(1/50KHz)=20.48ms的信号长度,若信号的一个周期为 30ms>20.48ms,这就使得数字信号的处理窗口没法容纳一个周期信号,解决的办法就是在满足要求的前提下使用减小采样率或增加窗口长度。

    2、 模数转换

    记得有一次参加中科院计算所的实习笔试,里面就有这么一道题:模拟信号转换到数字信号要经历哪两个步骤?还好,早有准备,立刻填上了采样和量化。我们下面就来详细分析下这两个过程,但在分析之前,我们先给出一张整个过程的流图,您可以先想想为什么需要各模块。

      

    程控放大器

    我们实际中的模拟信号都是通过传感器采集进来的,做过单片机的人应该熟知DS18B20温度传感器,不好意思,那是数字传感器,也就是说人家做传感器的时候把AD转换也放到传感器里面了。


     

    但这并不是普遍的情况,因为温度量是模拟信号中最容易测量的量了,而大多数的传感器并没有集成AD转换过 程,如大多数的加速度传感器、震动传感器、声音传感器、电子罗盘,甚至有的GPS(别懵了,GPS也算是一种传感器哦)等,都是模拟输出的。


     

    而且由于物理 制作的原因,传感器返回的电信号非常微小,一般在几mV(如果是电流,也一般在几mA),这么微弱的信号,如果经过导线或电缆传输很容易就湮灭在噪声中。因此,我们常常见到模拟传感器的输出线都会使用套上一层塑胶的线,叫屏蔽线(如图)。

    屏蔽线只能保证在信号传输到系统之前受到的干扰最小,但信号仍要经过处理才能为数字系统使用。在模拟信号(尤其是高频信号)的输入端首先要使用 低噪声放大器对信号进行放大,这个放大器有特殊的要求,一定是低噪声,我们已经知道,模拟信号信号已经非常微弱。


     

    如果放大器还存在一定的噪声,在噪声叠加 之后放大出来的信号可能已经不再是原信号了。既然说到低噪声,那么低噪声是如何衡量的呢?这可以通过放大器噪声系数(NF)来定。


     

    噪声系数定义为放大器输入信号与输出信号的信噪比。其物理含义是:信号通过放大器之后,由于放大器产生噪声,使信噪比变坏;信噪比下降的倍数就是噪声系数。噪声系数通常用dB表示。


     

    实际中除了考虑低噪声系数外,还要考虑放大器的带宽和频率范围以及最重要的放大增益。由于输入信号的强度可能时变,采用程序可控(程控)的放大增益保证信号能达到满度而又不会出现饱和(实际中要做到这一点还是很难的)。

    低通滤波器

    在Nyquist采样定理中已经提过,要满足采样定理必须要求信号带宽有限,使用大于2倍的最高信号频率采样才能保证信号的不混叠。低通滤波器的一个考虑就是使信号带宽有限,以便于后期的信号采样,这个低通滤波器是硬件实现的。


     

    另一方面,实际情况中我们也只会对某个频频段的信号感兴趣,低通滤波器的另一个考虑就是滤波得到感兴趣的信号。比如,测量汽车声音信号,其频率大部分在5KHz以下,我们则可以设置低通滤波器的截止频率在7KHz左右。

    程控的实现方法就是使用模拟通道选择芯片(如74VHC4051等)。

    NOTES:

    在采样之前的所有电路实现方案叫信号调理电路。这样,我们就可以根据这个词到处Google/Baidu文献了。

     

    采样及采样保持

    采样貌似有一套完整的理论,就是《数字信号处理》书中的一堆公式推导,我们这里当然不会那么去说。其实采样最核心的问题就是采样率选择的问题。

    根据实际,选择频率分辨率df 选择做DFT得点数N,因为DFT时域点数和变换后频域点数相同,则采样率可确定,Fs=N*df Fs是否满足Nyquist的采样定理?是,OK,否则增加点数N,重新计算2。

    我们希望df越小越好,但实际上,df越小,N越大,计算量和存储量随之增大。一般取N为为2的整数次幂,不足则在尾端补0。

    这里给出我的一个选择Fs的方案流程图,仅供参考。


     

    采样后还有一个重要的操作是采样保持(S/H)操作,采样脉冲采样后无法立刻量化,这个过程要等待很短的一个时间,硬件上一般0.几个us,等待量化器的量化。

    注意,在量化之前,所有的信号都是模拟信号,模拟信号就有很多干扰的问题需要考虑,这里只是从总体上给出我对整个过程的理解。更多细化的方案还需要根据实际信号进行研究。

    量化

    我们可以先直观的看一下量化的过程:


     

    量化有个关键的参数,叫量化位数,在所有的AD转换芯片(如AD7606)上都能看到这个关键的参数,常见的有8bit,10bit,12bits,16bit和24bit。

    如上图,以AD7606为例,AD7606是16bit的AD芯片,量化位数指用16bit来表示连续信号的幅值。因此,考虑AD的测量范围(AD7606有两种:±5V和±10V),则AD分辨率是


     

    ±5V: (5V-(-5V)) / (2^16) = 152 uV

    ±10V: (10V-(-10V)) / (2^16) = 305 uV


     

    量化位数越高,AD分辨率越高,习惯上,AD分辨率用常用LSB标示。


     

    因此,AD7606中对于某个输入模拟电压值,因为存在正负电压,若以0V为中间电压值,范围为±5V时AD转换电压可计算为


     

    AD7606若使用内部参考电压,Vref=2.5V。哦对了,这又出现个参考电压。参考电压与AD量化的实现方式有关,从速度上分串行和并行,串行包括逐次逼近型,并行方式包括并行比较式,如下图(左:串行,右:并行)。AD7606是使用逐次逼近型的方式。

    AD转换芯片另外两个重要参数是转换时间(转换速率)。并行AD的转换速率比串行的要高。但并行比较的方式中电阻的精度对量化有影响。

    接着,我们还将介绍一个重要的概念:量化噪声。量化噪声对应量化信噪比。


     

    SNRq= (6.02N + 4.77) dB

    其中N为量化位数,且不去管这个公式是怎么得到的(详细推导可参考文献[2]),对于

    N=12, SNRq≈ 70dB

    N=16, SNRq≈ 94dB

    从中可以看出:每增加1bit量化位数,SNRq将提高6.02dB,在设计过程中,如果对方有信噪比的要求,则在ADC选型时就要选择合适位数的ADC芯片。

    明显的,并不是量化位数越高越好,量化位数的提高将对成本、转换速度、存储空间与数据吞吐量等众多方面提出更高的要求。同时,我们尽量提高量化噪声的前提是信号的SNR已经比较低了,如果信号的SNR比量化噪声还高,努力提高量化噪声将是舍本求末的做法。

    今天的内容就到这了,泥萌还有什么问题可以留言讨论,喜欢这篇文章可以分享给同行朋友或朋友圈哦~ 

    以上就是100唯尔教育网(100vr.com)小编为您介绍的关于模拟信号的知识技巧了,学习以上的详解:模拟信号采样与AD转换知识,对于模拟信号的帮助都是非常大的,这也是新手学习电子专业所需要注意的地方。如果使用100唯尔教育还有什么问题可以点击右侧人工服务,我们会有专业的人士来为您解答。

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    随着相关技术的日渐成熟,目前隐形矫正市场正迎来爆发期,市场增长快速。牙齿矫正不应盲目追捧大品牌,选择有经验的医生设计合理方案更为重要。牙齿矫正方案制定的过程非常专业系统。正规的隐形矫正器都是要量身定做的,往往要拍牙齿及颌骨的X片或口腔CT,再根据患者的牙齿及颌骨的情况,经过专业的正畸医生做出诊断并确定治疗方案。从检查到佩戴到后期调整,都离不开专业的医生。 口腔医学是一门理论性与实践性均很强的临床学科,实践操作能力的养成是培养口腔医生的特色与核心环节。目前,口腔医学院校的实验课教学基本占到总教学课时的一半左右。随着仿真模拟技术以及计算机技术的不断发展,口腔临床实验教学的手段有了很大的提高,明显提升了口腔临床实验课的教学效果。 口腔治疗是一项非常精细的操作。随着现代仿真模拟系统与计算机技术的不断结合,计算机系统不仅可以全程记录和分析学员的操作姿势、切削压力,同时可以对学员基牙预备等进行实时精确地评估,甚至对穿髓、损坏邻牙等错误的操作进行报警。学员的操作培训更加精细化,考核更加标准化。 今天100唯尔教育小编就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下口腔矫治的相关知识。 一、口腔医学临床仿真训练内容 先进的现代仿真模拟系统促进了腔医学实验教学手段的不断扩展。口腔医学各种临床的操作训练,无论是洁牙、补牙、拔牙,还是正畸、镶牙、种植牙呼。它可以满足学员练习各种临床模拟操作训练。 二、口腔医学临床仿真训练效果 首先,临床仿真训练系统很大程度地扩展了实验教学的内容。以往使用简易头颅和刚玉模型进行模拟操作时,受到设备限制,不仅仿真程度差,可以开展的实验教学内容也很局限。新系统的投入使用后,实验教学的内容增加了约50%,不仅操作仿真程度高,而且很多临床的新技术,如口腔种植操作、牙列正畸治疗、阻生牙拔除术等均可在实验教学中开展,加以计算机技术的结合,训练更加标准化和精确化。 其次,临床仿真训练系统提高了临床实习的教学效果。在学员进入临床实习后,据反映,与未经过临床仿真训练系统训练的实习学员相比,学员在临床操作时的紧张感和操作失误率明显降低。口腔临床操作要通过大量反复的训练方能理解和掌握的。学员在实习时受到病源和病种的限制,操作机会有限,通过仿真训练实验室的开放,进入临床实习的学员利用晚上时间回到实验室进行再培训,通过与临床实践相结合,提高了临床实习的教学效果。 口腔医学是一门不断发展的科学,高水平的口腔临床仿真培训系统也不断地发展,曾经有人质疑教学中引进高规格的现代仿真培训系统是否有必要,事实证明,在提高口腔医学教学方面,高投入必然有高回报。最终受益的是患者。 以上,就是100唯尔教育关于口腔矫治的部分内容。

    新车最在意的3大部件之一,品类却千奇百怪,你真的了解吗?

    对于新车来说,最在意的是变速机、底盘和引擎这三大部件,这三个结果的好坏对开车体验有很大的影响。汽车变速器,又称变速箱,对于玩车的人并不陌生。它是一套用于来协调发动机的转速和车轮的实际行驶速度的变速装置,用于发挥发动机的最佳性能。变速器可以在汽车行驶过程中,在发动机和车轮之间产生不同的变速比,通过换挡可以使发动机工作在其最佳的动力性能状态下。 新手司机总认为手动挡汽车的耐用性最强,除了偶尔更换变速箱油以外,这种机器似乎是什么心都不用操了;因此许多汽车厂商会推出手动变速器的车型,保留下最初的驾驶乐趣;而自动变速器的车型往往都要贵上一点,并且还衍生出了无级变速器、双离合变速器、湿式变速器。此外,还有将两者结合的手自一体变速器, 这一技术是为了把如何驾驶的选择权还给消费者,从而丰富车主的驾驶体验。 你真的了解这些“千奇百怪”的变速器吗,今天100唯尔教育就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍变速器的相关知识。 变速器组成:它主要由输入轴和输入轴齿轮,同步器;输出轴和输出轴齿轮、同步器;倒档轴和倒档轴齿轮等主要部件组成。通过齿轮变速原理来改变输出速度和扭矩的大小。当主动齿轮比从动齿轮小的时候,也就是传动比(输出轴齿轮齿数除以输入轴齿轮齿数)大于1的时候,这时候输入的速度大于输出的速度,扭矩增大;当主动齿轮大于从动齿轮时候,也就是传动比小于1的时候,这时候输出速度大于输入速度,扭矩小,速度增快。这就是变速器变速的原理。 变速箱分为手动、自动两种,手动变速箱主要由齿轮和轴组成,通过不同的齿轮组合产生变速变矩;而自动变速箱AT是由液力变扭器、行星齿轮和液压操纵系统组成,通过液力传递和齿轮组合的方式来达到变速变矩。 手动变速箱称手动变速器(简称MT)又称机械式变速器,即必须用手拨动变速杆(俗称“挡把”)才能改变变速器内的齿轮啮合位置,改变传动比,从而达到变速的目的。 自动变速器 核心功能就是可以实现全自动换挡。在车主驾驶自动变速器车辆时,驾驶员只需要按照实际路况控制油门即可,自动变速器会根据汽车的不同状况,自动切换到不同档位。 手自一体变速器 是把手动变速器和自动变速器结合在一起的产物。结构上来说,手自一体变速器由普通的齿轮箱、电子控制离合器、自动换挡机构以及电子控制组件构成。它的诞生是为了提高自动变速器的经济性和操控性,把选择如何驾驶这个权利,交还给车主。这种变速器不仅仅方便,还提高了驾驶者的驾驶乐趣。 以上,就是100唯尔教育关于变速器的部分内容了。

    家庭标配,关系一日三餐,电饭煲突然罢工是什么原因?

    电饭煲可以说是每家每户都有的厨电了,它关系着我们的一日三餐,是每个家庭的“标配”。 电饭煲,又称作电锅。是利用电能转变为热能的炊具,具有对食品进行蒸、煮、炖、煲、煨等多种操作功能,使用方便、安全可靠。它不但能够把食物做熟,而且能够保温,使用起来清洁卫生,没有污染,省时省力,是家务劳动现代化不可缺少的用具之一。 今天100唯尔教育小编就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下电饭煲的相关知识。 电饭煲主要结构由发热盘、限温器、保温开关、杠杆开关、限流电阻、指示灯、插座等组成。限温器又叫磁钢,靠磁钢的吸力带动杠杆开关使电源触点保持接通。当煮米饭时,锅底的温度不断升高,永久磁环的吸力随温度的升高而减弱,当达到一定温度时,磁环的吸力小于其上的弹簧的弹力,限温器被弹簧顶下,带动杠杆开关,切断电源。 一、电饭煲不加热的原因及解决方法 1.检查插头是否插好,如果松动会导致电饭煲不能正常通电,可能会出现不加热的情况,将电源插头固定好即可。 2.使用万用表测试一下,电饭煲的按键开关是否发生故障,如果出现一样,建议将开关进行更换。 3.检查电饭煲内部电线是否发生短路,查出短路处,重新接好,既能正常使用。 4.电饭锅使用过程不注意,致使内锅变形或发热盘变型,也是会造成温度过高,从而引起保险被烧,如果是这种情况的话就要认真对电饭锅变形的内锅仔细修整恢复原样,修好的内锅还是可以使用的,但是已经变形的发热盘就不能使用了,要更换新的。 二、电饭煲保养怎么做? 1、做米饭时最好将米淘净,在清水中浸泡15min左右,然后再下锅,这样可以大大缩短煮饭时间,而且煮出的米饭特别香。 2、充分利用电热盘的余热。当电饭锅中的米饭汤沸腾时,可关闭电源开关8-10min,充分利用电热盘的余热后再通电。当电饭锅的红灯灭、黄灯亮时,表示米饭已熟,这时可以关闭电源,利用余热保温10min左右。 3、电饭锅切勿当电水壶用。同样功率的电饭锅和电水壶,烧瓶开水,电饭锅使用的时间远远长与电水壶。 以上,就是100唯尔教育关于电饭煲的部分内容了。

    汽车插入钥匙后直接打火?经常这么做,汽车蓄电池寿命减半

    汽车点火开关的作用是接通或切断起动机、点火和电器线路。点火开关一般设有0或LOCK, I或ACC, II或ON, III或START四个位置。这四个档位都是递进式的,因此插入钥匙后不能直接打火。钥匙每到一个档位都需要停留5秒左右,目的是让电器设备逐个进入工作状态,这样可以缓解瞬间通电造成的蓄电池负担,如果着车时在其他档位不做停留,从LOCK直接进入START启动发动机,会瞬间增加蓄电池的负荷,经常这样操作会缩短蓄电池的使用寿命,会导致发动机启动困难,促使积碳的产生。 今天100唯尔教育就结合100唯尔教育VR仿真课程来介绍下汽车点火开关的相关知识。 一、四个档位 1.LOCK:锁止档,停车熄火时需打到该档位,只有在该档位钥匙才能拔出。如果此时转动方向盘,方向盘也会被锁止,下次再打火时,需一边转动方向盘,一边扭动钥匙,不然钥匙是转不动的。 2.ACC:附件档。接通后只有少量部件是有电的,比如收音机、点烟器。 3.ON:全车通电档。接通后车辆上所有部件全部通电,正常行驶时就是在该档位。 4.START:启动档,只有打火的那几秒钟要停留在该档位,当打着火后松开钥匙,会自动弹回到ON档。 二、解除汽车点火开关故障步骤: 1.先拆转向柱上护盖,用工具在图中红圈处插入,轻轻一撬就开了 2.上护盖拆开后,把方向盘向左打90度,就可以看到下护盖左边的螺丝, 3.松掉左边的螺丝后,方向回中,并继续向右打90度,就可以看到右边的螺丝了,松螺丝。 4.接下来就可以开始拿点火开关了。先用螺丝刀将点火开关的后盖拆掉,在图中位置轻轻一撬就掉了。 5.开关后盖轻松拿掉,然后在下图中黄色圈处用螺丝刀顶住开关线束插头的卡子,就可以把插头拆掉了。再拿两根粗点的缝衣针,插入图中红圈出,里面是开关总成的卡字所在位置,拨起总成的卡字后,开关轻松拿出来。 6.开关拿下来后,自然就是解体开关,这一步非常容易,小螺丝刀撬一撬开关上的四个卡扣,开关立马分解。 以上,就是100唯尔教育关于汽车点火开关的部分内容了。

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