如何選擇與鑒別AD 數(shù)采系統(tǒng)
在進行振動和聲學及各種物理量測試時，首先要對信號進行采集，這就要用到AD 數(shù)采系統(tǒng)。如何選擇合適的數(shù)采系統(tǒng)，既能滿足自己的使用要求，又要避免指標過高而用不上，造成經(jīng)濟上的浪費，是很有學問的。
AD 卡的各項指標包括和主機的連接方式，最高和最低采樣頻率，采樣通道數(shù)，動態(tài)范圍，通道的一致性，量程的檔位，本底噪聲的量級，幅值滿刻度的精度，線性一致性，支持輸入方式，輸入阻抗，有無程控濾波等，下面按其重要程度大致做一介紹，有些指標是相互關(guān)聯(lián)的。
一．動態(tài)范圍和量程的檔位：
一般來說，動態(tài)范圍是由AD 的位數(shù)決定的，12bit 的卡理論指標為72dB，但由于2~3bit噪聲位的影響，實際能達到的動態(tài)為54~60dB。6dB 代表可測量的動態(tài)范圍為2 倍，20dB 代表可測量動態(tài)范圍為10 倍。60dB 的動態(tài)測量范圍1000 倍，如這時的量程范圍為±1000mV，則最小可測量級為±1mV。
常見采集卡的動態(tài)范圍列表如下:
| AD 位數(shù) | 理論指標(dB) | 實際可達到指標(dB) |
| 12 | 72 | 50-60 |
| 14 | 84 | 60-70 |
| 16 | 96 | 70-80 |
| 24 | 144 | 110-120 |
| 24（雙核） | 150-160 |
動態(tài)范圍也受卡本身本底噪聲和不同量程的影響。舉例如下，如果一塊12 位卡在量程為-1000mV~1000mV 時，本底噪聲為12dB，動態(tài)范圍為60dB。經(jīng)過程控放大100 倍，量程變?yōu)?br /> -10mV~10mV，本底噪聲變?yōu)?8dB，這時動態(tài)范圍為54dB。
在工程中，目前16 位和24 位的卡是發(fā)展的主流方向，但位數(shù)越小，對量程的選擇越嚴格，需要的量程檔位也越多。量程選擇過小會造成過荷，過大會造成信噪比偏小。當前主流產(chǎn)品已是24 位卡。國際上的最高水準為24 位雙核，目前國內(nèi)只有東方所首創(chuàng)研發(fā)出此種產(chǎn)品。因傳感器本身的動態(tài)范圍一般不會超過160dB，因此用24 位雙核的采集卡一檔量程就可進行測量，在測試過程中不用考慮量程問題。
二、最高采樣頻率和最低采樣頻率：
最高采樣頻率一般由AD 芯片決定，在其它條件同等的情況下，最高采樣頻率越高，價錢越貴。如果采集卡每路采用獨立的AD，一般來說，一道或多道同時采樣時最高采樣頻率SF 相等。如果是采用單AD 芯片，分頻采樣的形式，每道最高采樣頻率為單通道的的最高采樣頻率2SF 除以采樣通道數(shù)N，即SF/N。也即是說，同時采集的通道數(shù)越多，每道最高采樣頻率越低。最高采樣頻率滿足使用要求即可，一般來說，聲學信號需要40~50kHz 的最高采樣率，而對絕大多數(shù)振動信號，最高采樣率10kHz 就可滿足使用要求。對土木結(jié)構(gòu)的振動信號，最高采樣頻率到1kHz 就綽綽有余了。超聲波或無線電信號測量，頻率可能需要用到20MHz 以上，這種較高頻的采集卡往往位數(shù)較低（8~12 位）。最低采樣頻率和采樣檔位的設(shè)定一般由軟件決定，普通軟件的最低采樣頻率由硬件最大可設(shè)的晶振數(shù)決定，但東方所的DASP 軟件因有變時基（VTB）專利技術(shù)則無此限制，在此頻段以下采樣頻率檔位豐富，并可做到滑動連續(xù)顯示。另外，需要特別提起注意的事項是，軟件顯示的采樣頻率必須和實際的采樣頻率完全一致，否則會引起頻率測試誤差。
三、采樣通道數(shù)和通道一致性：
當采樣通道數(shù)較多時，各通道間的一致性就是很重要的指標，各通道間的一致性包括幅值一致性和相位一致性，可通過將相同的定頻或白噪聲信號經(jīng)過三通分別輸入到兩個不同的通道進行計量。幅值一致性可通過控制元器件的質(zhì)量，對各道的滿刻度幅值和直流分量進行微調(diào)來達到。如果兩路信號采集時刻不同，就會產(chǎn)生相位差，造成相位不一致。為了避免相位不一致，有軟硬兩種方法。硬件的方法是采用每路獨立的AD 和一個AD 分頻采樣時每路加采樣保持器，兩種方法都可達到相位一致，但都需要對電路進行精心的設(shè)計。即使每路獨立的AD 方式，由于每路要用到多種電子器件，如各路元器件的一致性稍差或電路布局不合理，有時也會產(chǎn)生較大的相位差。采集卡相位是否一致關(guān)鍵是看所能達到的性能指標。采樣保持器為AD 卡設(shè)計中保持幅值和相位一致的常見技術(shù)。那種指責利用AD 分頻加采樣保持為“偽并行”的說法缺乏科學根據(jù)，拋出這種說法的人主要是基礎(chǔ)差、概念不清的緣故。如果分頻采樣時沒有加采樣保持器，則會產(chǎn)生幅值和相位誤差，這種狀態(tài)下可通過復雜的數(shù)字信號處理計算，用軟件編程進行移相和幅值補償，其所得結(jié)果可與硬件直接實現(xiàn)相當。
四、程控濾波：
帶程控濾波的采集卡主要有三種方式或幾種方式的組合使用。1.早期的儀器在采樣電路中加模擬抗混濾波電路。這種方式單獨使用時，濾波陡度必須大于80dB/OCT。2.目前最新采用ΔΣ的AD 芯片，采用64~256 倍“過采樣”，本身具有數(shù)字選抽濾波功能，即BDFWPS 技術(shù)，以速度換精度，有較大的動態(tài)范圍，濾波陡度可大于300dB/OCT。目前東方所INV-3018A 和INV-3018E 采集卡都采用此技術(shù)。3.有些所謂模數(shù)結(jié)合的濾波方法，用最高采樣速率采樣（約如100kHz），用DSP 處理進行數(shù)字選抽濾波，得到較低的采樣頻率。這種方法一般需要和第一種方式組合使用，否則超過最高采樣頻率一半的信號仍會產(chǎn)生無法剔除的低頻混迭。而且在高采樣率時采樣檔位少，濾波陡度遠達不到ΔΣ的濾波效果。不應和ΔΣ的濾波方式混淆。如果采集卡不帶程控濾波，如需進行頻域分析，而信號中含有高于采樣頻率一半的的成分，則在采樣前必須外接模擬抗混濾波器。
五、幅值滿刻度的精度和線性一致性：
滿刻度應和設(shè)計指標一致。線性一致性應包括不同頻率時以及不同大小時的一致性，需要專用的計量儀器才可以測量。
六、本底噪聲：
信號短路時的有效值和峰峰值的量級范圍。
七、支持的輸入方式：
除電壓外，有些卡還支持電荷，IEPE(ICP)等的輸入方式，高通濾波有時可選AC 和DC。有些卡還支持TEDS(傳感器電子數(shù)據(jù)表格，即智能傳感器)
八、輸入阻抗：
輸入阻抗不能太低，太低會使測量值偏小。
九、和主機的連接方式:
有PCI、PXI、以太網(wǎng)卡（LAN，LXI）、并口、1394 口、USB(1.0，2.0)等。目前USB2.0連接比較方便和實用。AD 數(shù)采系統(tǒng)的選擇應當以合用為原則。東方所目前有上百種數(shù)采系統(tǒng)，目前主要推薦產(chǎn)品為24bit 的INV-3018 系列。DASP 軟件也可和其它公司的AD 數(shù)采系統(tǒng)進行連接，主要是根據(jù)用戶的具體需求量身定制。目前已經(jīng)和DASP 軟件連接的AD 數(shù)采系統(tǒng)已有數(shù)百種，包括NI公司大部分型號的采集系統(tǒng)和ADLink 公司的若干型號，以及許多其它廠家的產(chǎn)品。如果您想咨詢AD 數(shù)采系統(tǒng)的問題或希望將已購置數(shù)采系統(tǒng)與DASP 相連，歡迎和我們聯(lián)系(北京東方振動和噪聲技術(shù)研究所)
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