要實現對模擬信號的采集，要首先對其進行濾波、信號轉換、分壓限幅、信號放大等預處理，消除雜波干擾，增加信號的驅動能力和抗干擾能力滿足A/D轉換的輸入條件，提高分辨率和測量精度；同時滿足使用隔離、保護等電路避免輸入信號可能發生的超壓等現象對模塊內部器件的損壞。

A/D采集電路的基本結構中在接收電路之后，必須使用濾波電路濾去不必要的電信號。濾波電路的作用實質上就是“選頻”，即允許某一部分頻率的信號順利通過，而使另一部分頻率的信號被急劇的衰減。分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器。濾波電路利用集成運放與RC電路放在一塊，組成有源濾波器，和無源濾波器相比，能夠提高帶通電壓放大倍數和帶負載能力；差分放大器部分電路將濾波后的模擬信號進行轉換，輸出單端信號，同時將信號量化到設計范圍之內，送到多路器前再進行有源二階濾波，多路器根據不同地址來接收不同的模擬量信號送到A/D轉換芯片。

AD位數是如何影響信號幅值的？

數據采集設備一個重要的指標就是AD位數，AD位數越高越好。

AD位數的實質是指模數轉換數據時使用多少位（bit）表征數據電壓幅值大小。

位數越高，存儲小數點后面的位數也就越多，轉換后的數據也就越精確，越接近實際值。包含一位符號位。

數據采集設備通過對AD進行量化，量化是指現實世界中的時域信號的連續賦值離散成若干個量化量級，實質是幅值轉換精度。一個量化量級是指最小的量化電平大小（電平間隔）。AD位數越高，量化量級越小，轉換后的數據幅值精度越高。虛線表示相應的量化電平，所有轉換后的幅值只能位于這些虛線所表示的量化電平之上，其他位置沒有任何量化電平。

對于M位AD而言，假設為理想的模數轉換器，則其對應的量化量級份數N為：N=2^M-1

對于電壓滿量程為±AV的數采設備而言，其量化量級大小Q為：Q=2A/2^M

通常數采設備的最大量程是一定的，通常為±10v，因而AD位數越高，量化量級越小，數據轉換精度越高。AD位數對應的量化份數和量化量級如下表示：

如上，對于量程相同的情況下，AD的位數越高，量化量級越小。

假設AD位數為8，則來量化電平間隔為78.1mv，模數轉換后的幅值電壓只能是78.1的倍數，而24位AD轉換后的幅值電壓則為1.19uv的倍數。這就是為什么AD位數低于16位，包括16位AD數采設備在AD轉換前要用放大器，要把AD轉換前的信號放大之后再進行量化，減小量化誤差。

下圖中考慮將量程為±1.5V用4位和5位AD進行量化，來說明不同AD位數帶來的差異。4位AD只能用4位來存儲數據，因此滿量程被劃分為16份，而5位AD則可以劃分為32位。從圖中也可以看出，相同的量程高位AD對應的量化電平間隔越小，則測量相同的信號，高位AD精度越高。另外，4位AD對應的動態范圍為24dB，5位AD對應的動態范圍我30dB。

量化誤差是模數轉換過程中另一個重要的幅值誤差來源，之前說過采樣頻帶也會給幅值帶來誤差。在模數轉換過程中，實際模擬量值與量化數字值之間的差異稱為量化誤差或量化失真。這個誤差歸咎于取整（只能是量化量級的倍數）或截斷造成的，誤差大小是隨機的，在不同的采樣點這個誤差大小也不相同。在進行量化時，是將信號的電壓幅值按四舍侮辱的方式量化到最近的量化電平上。

在下面通過一個實例數據來說明量化誤差是如何產生的。

假設考慮如下圖所示的采樣，黑色實現表示信號實際大小，采樣間隔為時間T，考慮第7個采樣點的幅值量化誤差。X表示相鄰兩個量化電平的平均值，從圖中可以看出，在采集第7個數據點時，信號的實際幅值大小位于量化電平m6和m7之間，但這個數據量化之后，幅值要么是m6要么是m7，將該幅值與m6和m7的平均值x6進行比較，發現幅值大于x6，因此四舍五入到最近的量化電平m7上，m7與信號實際值之差就是量化誤差。

當AD位數越高時，量化電平間隔會越小，因此量化誤差會越小，轉化精度越高。理想的模數轉換器，量化誤差俊宇分布于（-1/2量化級）~（+1/2量化級）之間。

對于理想的M位AD而言，信號與量化噪聲之比（SQNR）（或稱動態范圍）由下式計算：

SQNR=20log10（2^M）=6.02M dB

從上式可以明白，1位AD，對應的動態范圍為6.02dB。由于每一位只能存儲0或1，對應的數字大小為20=1和21=2，相差2倍，線性2倍，對應6dB。因此，1位AD對應的動態范圍為6dB。

除了用高位AD之外，還可以用一下兩種方法可減少量化誤差提高信噪比。

1.使用量程合適的傳感器

使用量程合適的傳感器是為了保證傳感器輸出的信號大小合適，既不至于過載，又不至于欠載。相對而言，信號幅值越大，信噪比越高，量化誤差越小。一般而言，測量的信號幅值應在傳感器滿量程的80%是合適的。

2.使用合適的電壓量程

當AD位數和傳感器不能再改時，這時可以調節數采設備的電壓量程來提高信噪比，減小量化誤差。這個量化調節功能也就是所謂的自動量程或手動量程。自動量程是根據測量信號的大小，軟件自動設置量程；手動量程是測試人員手動修改電壓量程。測量大信號時，用大量程，測量小信號用小量程。

如果對大信號設置的電壓量程過小，會導致消波的情況出現，超出量程的部分會被削掉。

比方說24位AD的動態范圍理論上是144dB，但實際是110-120dB之間，也就是有效位在18-20位之間，因為數采設備都是電子元器件組成的，本身也會存在噪聲，降低了AD的位數。這個噪聲是所謂的本底噪聲，即使不測量任何信號，設備也會有相應的電壓輸出，這部分電壓就是本底噪聲。

在信號進行采集時，為了減少誤差，應盡量使用高位AD，量程合適的傳感器和使用合適的電壓量程。

審核編輯：湯梓紅
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