《信号采集AD转换》课件

信号采集与转换AD了解信号采集的基本流程和原理以及如何将模拟信号转换为数字信号这是设,计电子系统中非常重要的基础知识课程概述课程目标知识重点12全面学习信号采集和ADC转换包括信号类型、采样定理、量技术的基本原理及应用从而掌化噪声、技术架构以及驱,ADC握电子产品中ADC系统的设计动、前端、参考电压等关键电方法路设计实践训练3通过实际案例分析学习系统的设计、调试和测试等全流程实践技能,ADC信号采集与转换简介ADC信号采集转换信号处理ADC信号采集是将模拟信号转换为可由电子设备ADC（模数转换器）是将连续的模拟信号采集的数字信号可以经过各种数字信号处理处理的数字信号的过程它是实现电子设备转换为离散数字信号的电子器件它是信号手段，如滤波、放大、计算等，以获得所需监测和控制的基础采集系统的关键部件的信息信号类型连续时间信号离散时间信号数字信号模拟信号连续时间信号是一个随时间连离散时间信号是一个只在某些数字信号是离散时间信号经过模拟信号是连续时间信号,其续变化的数学函数,可以表示特定时刻定义的数学函数,通量化后得到的,其幅值和时间幅值和时间轴都是连续的模自然界中的物理量,如声音、常由采样得到这类信号是数轴都是离散的数字信号可以拟信号可以用来表示自然界中电压等这类信号是模拟信号字信号,只包含有限个离散点通过计算机或数字电路进行处连续变化的物理量,包含无穷多个离散点理采样定理采样频率1采样频率必须高于信号的最高频率奈奎斯特频率2采样频率必须大于等于信号最高频率的倍2时域表示3离散时间信号能完全表示连续时间信号采样定理描述了将连续时间信号转换为离散时间信号的过程它规定了采样频率必须足够高于信号的最高频率以确保信号可以被完整地重,构遵循采样定理可以确保数字信号处理中不会出现失真和失真量化噪声量化误差信噪比降低模拟信号转换到数字信号时,由于量化噪声会降低整个系统的信噪离散化会产生量化误差这种误差比从而影响数字信号的准确性,,被称为量化噪声分辨率影响更高的分辨率可以降低量化噪声提高信号质量但也会增加系统复杂度和成,,本分辨率与精度8位数通常ADC转换精度用bit位数表示±

0.1%精度最大允许的转换误差百分比1000分辨率ADC能区分的最小信号变化分辨率和精度是评价ADC性能的两个关键指标分辨率决定了ADC能够感知的最小信号变化,精度则反映了转换结果的准确性高分辨率和高精度是设计ADC时需要平衡的目标转换结构ADC转换采用不同的结构来实现模拟量到数字量的转换主要包括ADC,并行型、逐次逼近型和型三种常见结构每种结构sigma-delta都有自己的特点和适用场景需要根据实际应用需求进行选择,并行型结构简单转换速度快适用于中高速采样的系统逐次ADC,,;逼近型结构复杂转换速度相对较慢适用于中低速采样的系ADC,,统型具有高精度和低功耗特点适用于高分辨;sigma-delta ADC,率、低带宽的应用场景并行型ADC高速转换并行架构高分辨率通过并行结构实现高达数百兆赫的转换速度使用多个比较器同步工作以缩短转换时间可以实现高达14位甚至16位的分辨率逐次逼近型ADC原理特点工作原理逐次逼近型通过二进制该类型具有转换速度快首先将输入信号与一个ADC ADCADC搜索算法逐步确定输入信号的、功耗低、电路结构简单等优从高位到低位逐步缩小的模拟数字编码值它使用一个数字点,广泛应用于工业控制、医电压进行比较,直到找到最佳比较器和一个可编程的模拟电疗仪器等领域数字编码输出压源来实现高精度的转换型Sigma-Delta ADC高动态范围低成本型采用一阶型采用基于Sigma-Delta ADCSigma-Delta ADC或多阶的噪声整形技术可以实现时间积分的原理电路结构简单可,,,高达24位的分辨率,动态范围可达以实现低成本的集成制造到120dB适用广泛型广泛应用于音频、医疗成像、工业控制等领域是Sigma-Delta ADC,的一种重要拓展ADC选型原则匹配应用要求权衡关键参数集成化水平成本与供应选择ADC时要充分考虑信号源分辨率、速度、精度、动态范现代ADC多集成在单芯片上,可选型时需平衡ADC的价格、交、工作环境、功耗等指标,确保围等是选型时需要平衡的主要大幅简化外围电路设计与布局货周期等因素,满足商业可行性满足应用需求技术指标驱动电路设计信号放大对采集的微弱信号进行放大以满足后续电路的输入要求采用运算放大器等器件实现高精度放大阻抗匹配确保驱动电路与传感器或前级电路的阻抗特性匹配避免信号反,射和失真滤波与屏蔽采用滤波电路和屏蔽技术减少高频干扰提高信号质量保证后级,,稳定工作ADC模拟输入前端信号调理差分信号12模拟输入前端负责对输入信号差分信号传输可以有效抑制共进行滤波、增益调节等处理以模干扰提高系统抗干扰能力,,确保信号质量达到的输入ADC要求保护输入阻抗匹配ESD34前端电路需设计ESD保护电路,合理设计输入阻抗可以最大限防止静电放电对电路造成损坏度地降低信号失真和功率损耗参考电压源稳定参考电压参考电压源能够提供一个精确、稳定的参考电压，作为转换的基准ADC高精度设计设计时需要考虑温度特性、噪声抑制、电源抑制等因素，确保参考电压的精度和稳定性低噪声输出参考电压源的噪声应尽量降低，以免对后级转换造成干扰ADC触发电路定时触发外部触发多通道协调灵活配置触发电路负责定时开启ADC有些场合需要外部信号作为触对于多通道ADC,触发电路需触发电路应提供灵活的配置选采样确保采样时刻准确它发源例如从其他传感器接收要协调各路的采样时刻确保项使用户能根据实际需求自,,,,通过时钟脉冲生成合适的触发脉冲信号或手动触发触发电同步采集,以获得可靠的同步定义触发参数,如触发延迟、信号,触发ADC进行采样转换路需要兼容不同的外部触发源数据采样频率等自动校准动态校准器件随时间和温度变化会引起参数漂移动态校准可实时补偿并确保精度稳定,自适应算法利用自适应算法持续分析输出数据自动调整关键参数以提高转换精度,错误补偿及时检测并纠正量化错误、非线性误差、偏置漂移等确保测量结果准确可靠,低功耗设计电源管理低功耗器件采用动态电源管理和睡眠模式在选择低功耗集成电路和传感器减,,不影响性能的情况下最大限度地少整体系统的能量消耗减少功耗功率优化热量管理采用定制的时钟频率和电压调节通过散热方案和热流路设计将热,,根据系统负载动态优化功耗量有效地从核心部件导出抗干扰设计屏蔽与隔离布线优化12利用金属外壳或隔离层将电路将敏感信号线远离干扰源,并采与噪声源隔离,防止电磁干扰传用扭绞或屏蔽线缆减少耦合播滤波处理差分信号34在关键节点加入RC滤波电路,利用差分输入可以提高共模干抑制高频噪声对信号的影响扰抑制能力,增强信号稳定性热量管理散热设计材料选择热量分析合理的散热设计是确保电子设备长期稳定运选用导热性能良好的材料制造关键部件,可通过仿真分析和实测数据,准确评估设备各行的关键选用高效的散热片、风扇等散热促进热量快速从芯片等热源流出同时应注部分的热量分布和温升情况,为优化设计提部件,并优化布局,可有效降低设备内部温度意电磁兼容性和可靠性供依据引脚布局电子产品的引脚布局设计是一个关键的步骤它不仅影响整体布局和散热性能,还关系到信号完整性和电磁兼容性优化引脚布局需要考虑信号完整性、散热效率、特性等多个因素合理安排关键器件的位置和引线走向EMC,良好的引脚布局设计能够最大限度地减少信号干扰提高系统的稳定性和可靠性,同时还要注意电源引脚和地引脚的布局确保电源完整性,电源设计选型重点布线规则根据电路功耗、噪声和稳定性需求选择合适的电源拓扑和器件关采用短直线电源布线、屏蔽防干扰、电源层合理设计等方法优化布注纹波、纹流、效率等指标线工艺考量稳压优化选择合适的SMD封装、采用可靠的焊接工艺、预留足够的散热面积使用优质滤波电容、高精度参考电压、恰当的负反馈等手段提高电等源稳压性能测试与验证功能测试1验证ADC各项功能指标是否满足要求性能测试2测量的精度、线性度、噪声等指标ADC环境测试3检测在不同温度、湿度等环境下的稳定性ADC可靠性测试4评估在长期使用下的寿命和失效模式ADC全面的测试和验证是确保可靠性和性能的关键从功能测试到性能测试、环境测试再到可靠性测试每个步骤都需要设计合理的测试方案并进行ADC,严格的评估确保产品在各种应用场景下都能稳定、高效地工作,数据传输ADC数字数据输出电平兼容时序要求转换后的数字数据需要通过数据总线数字接口需要保证电平兼容性避免信号失输出数据需要满足接收单元的时序要ADC,ADC传输至数字信号处理单元传输协议可以是真或损坏有时需要使用电平转换电路求,包括数据有效时间、建立时间、保持时并行、串行等多种方式间等数字滤波器目的工作原理应用场景数字滤波器用于从数字信号中数字滤波器通过采样、量化和数字滤波技术广泛应用于通信去除噪音和干扰提高信号质离散化数字信号并对其进行、音频、图像处理等领域是,,,量它们可以实现低通、高通数学运算来实现滤波目的主信号处理的重要工具之一可、带通等不同类型的滤波效果要包括FIR和IIR两种常见滤以有效提高信噪比,改善系统波器结构性能差分信号处理共模干扰抑制电磁噪音抑制12差分信号处理利用两个互补的相对于单端信号,差分信号在电导线传输信号,可有效抑制共模磁干扰方面更加抗干扰干扰增加信号发送距离实现平衡信号传输34差分信号传输可提高信号发送差分信号可实现电路的平衡,提距离,适用于工业现场及远距离高信号传输的稳定性和可靠性应用场景噪声分析噪声测量噪声源分析噪声抑制方法信噪比分析通过仪器设备准确测量电路中确定噪声的产生原因和传播路包括合理的电路设计、屏蔽、评估信号质量,并采取措施提高的噪声特性，对降低噪声影响径,对症下药才能有效降低噪声滤波等手段,全面提高电路的抗信号与噪声的比值,增强系统性至关重要干扰能力能线性度测试线性度测试是评估ADC性能的关键指标之一它反映了ADC在整个量程内的线性程度,直接影响ADC的精度和可靠性通过精心设计的测试方法和测量系统,可以准确地测量ADC的积分非线性误差INL和微分非线性误差DNL积分非线性误差积分非线性误差反映了ADC在整个输入范围内的变化率与理想线性变化率之间的差异常见原因输入电压与数字输出之间的关系存在偏差、量化噪声、参考电压源漂移等测试方法采用校准器施加一系列离散输入电压测量数字输出并计算积分非线,性优化设计通过改善电路设计、添加校准电路、提高参考源稳定性等来降低积分非线性电磁兼容性电磁辐射控制抗干扰性能认证与标准电子设备会产生各种电磁辐射电子设备还必须具备良好的抗各国都制定了电磁兼容性的相需要采取屏蔽和滤波等措施电磁干扰能力避免受到外部关标准设备需要通过测试认,,,,控制外部辐射和抑制内部干扰电磁场的影响而出现故障或误证,确保满足监管要求设计设计时应考虑电磁环境,预动作需要对输入输出端进行时应提前了解并遵守标准,减防静电放电等问题保护少返工典型应用案例ADC广泛应用于各种电子系统中可以将模拟信号转换为数字信号进行处理和分ADC,析典型应用包括医疗设备、工业控制、音频设备、汽车电子等这些应用场景对的性能、可靠性和功耗都有严格要求需要结合具体需求选择合适的ADC,ADC器件。