武汉理工大学专业课程设计说明书PAGE\*MERGEFORMAT23高速数据采集系统原理分析和设计1高速数据采集的相关基础知识数据采集是指将模拟量（模拟信号）采集，转换成数字量（数字信号）后，再由计算机进行存储、处理、显示或输出过程。数据采集系统——DAs(DataAcquisitionSystem)是模拟量与数字量之间的转换接口。它在自动测试、生产控制、通信、信号处理等领域占有极其重要的地位。而高速数据采集系统更是航天、雷达、制导、测控、动态检测等高技术领域的关键技术。高速数据采集系统中的采样频率一般在几十MHz到几百MHz。数据采集系统的基本组成一个典型的数据采集系统由传感器、信号调理通道、采样保持器、A/D转换器、数据缓存电路、微处理器及外设构成。如图1.1.1所示。图1.1.1数据采集系统的组成（1）传感器传感器把待测的非电物理量转变成数据采集系统能够检测的电信号。理想的传感器能够将各种被测量转换为高输出电平的电量，提供零输出阻抗，具有良好的线性。（2）信号调理通道信号调理通道主要完成了模拟信号的放大和滤波等功能。理想的传感器能够将被测量转换成高输出电平的电量，但是实际情况下，数据采集时，来自传感器的模拟信号一般都是比较弱的低电平信号，因此需要对信号进行放大。而A/D转换器的分辨率以满量程电压为依据，因此为了充分利用A/D转换器的分辨率，需要把模拟输入信号放大到与其满量程电压相应的电平。而传感器和电路中器件不可避免的会产生噪声，周围各种各样的发射源也会使信号混合上噪声，因此需要利用滤波器衰减噪声以提高输入信号的信噪比。（3）采样保持器A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，而在转换期间希望A/D转换器输入端的模拟信号电压保持不变，才能保证正确的转换。当输入信号的频率较高时，就会产生较大的误差，为了防止这种误差的产生，必须在A/D转换器开始转换之前将信号的电平保持，转换之后又能跟踪输入信号的变化，保证较高的转换精度。为此，需要利用采样保持器来实现。（4）A/D转换器模拟信号转换成数字信号之后，才能利用微处理系统对其处理。因此A/D转换器是整个数据采集系统的核心，也是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。对于高速模数转换器主要有逐次逼近型、并行比较型(闪烁型)等分级型(半闪烁型)等几种电路结构。高速的模数转换器内部一般都集成了采样保持器和多路数据分配器，以保证采样的精度和降低后续存储器的要求。（5）数据缓存电路对于高速数据采集系统，采集量化后的数据速率非常高而且数量大，微处理系统无法对数据进行实时处理，因此需要存储器对数据进行缓存。缓存区是以高速方式接收从A／D转换数字化的数据，而又以相对低速的方式将数据送给计算机。用它的“快进慢出”来解决高速A／D转换与低速计算机数据传输之间的矛盾。（6）微处理器和外设微处理器负责数据采集系统的管理和控制工作，对采集到的数据进行运算和处理，然后送到外部设备。模数转换的过程模拟量转换为数字量，通常分成三个步骤进行。这就是采样保持、量化与编码。连续的模拟信号x(t)按一定时间间隔Ts采样-保持后得到台阶信号Xs(n)，在经过量化变为量化信号Xq(nTs)，最后编码转换为数字信号X(n)。在现代ADC器件中，这三个步骤一般合起来在一个器件中完成。转换过程可以用图1.2.1表示：图1.2.1模数转换过程（1）采样保持所谓采样就是不断地以固定的时间间隔采集模拟信号当时的瞬时值。由抽样定理可知，用数字方式处理模拟信号时，并不是用在整个作用期间的无穷多个点的值，而是只用取样点上的值就足够了。因此，在前后两次取样的空挡时间间隔内，可将取样所得模拟信号值暂时存放在存储介质上，通常是电容器上，以便将它量化和编码。其过程如图1.2.2所示。图1.2.2采样保持过程模拟输入信号X(t)经取样一保持后的波形Xs(t)。图1.2.2中清楚的表明了取样保持的物理意义。て是取样过程的持续时间，称为孔径时间。在孔径时间内，以Xs(t)=X(t)，在保持时间内Xs(t)保持不变，这段时间就用来作量化和编码。3．量化与编码量化就是把一个连续函数的无限个数值的集合映射为一个离散函数的有限个数值的集合。模拟信号X(t)经理想抽样后变成离散时间序列X(nTs)，而X(nTs)的值是原模拟信号在各采样点的精确值，其取值是连续分布的，但是A／D变换中表示X(nTs)用的是有限字长的二进制数，所谓量化就是指用一些不连续的数来逼近精确采样值的过程。因此量化过程中必然存在误差，这种误差称为量化误差。在数学上，量化过程可以表示为yk=Q(x)=Q{xk≤x≤xk+1}，k=1,2,……L其中，x为待量化输入数值，yk称为量化值(或量化电平)，xk称为分层电平(