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发表于:2007-11-9 11:05:34
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AD和动态范围

1、首先明确动态范围的概念:

动态范围=20*log(最大的数/最小的数

单精度浮点格式: [31] 1位符号 [30-23]8位指数 [22-00]23位小数
单精度浮点数动态范围=1667.6dB 这样大的动态范围使得我们在编程的时候几乎不必考虑乘法和累加的溢出,而如果使用定点处理器编程,对计算结果进行舍入和移位则是家常便饭,这在一定程度上会损失是精度。原因在于定点处理处理的信号的动态范围有限,

16位定点DSP表示整数范围为1-65536,其动态范围为20*log(65536/1)=96dB

32定点DSP,动态范围为20*log(2^32/1)=192dB,对绝大多数应用所处理的信号已经足够了。

2、对于ADC

它的转化位数决定了其动态范围,由于AD转换器的位数限制,一般输入信号的动态范围都比较小

max125:

14位,动态范围=20*log(2^14/1)=84.29db,如果只算有效位的话,低2位不算了,那么还会降低

20*log(2^12/1)=72.25db

3、运放的动态范围

4、输入信号的动态范围

 

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ADC测试参数定义、分析及策略之动态测试

输入信号

对于模数转换器来说,输入信号的纯度会影响数字输出的性能。输入信号中的耦合噪声将转换为输出信号数字噪声,如果输入信号中有太多噪声和失真,ADC性能实际上会被测试条件所掩盖。输入信号的精度和纯度最终取决于器件的转换分辨率,一般来说测试设备的精度要比被测器件10倍以上。另外可以考虑在输入端使用滤波器,除去输入信号之外的噪声和失真。

采样与一致性

即采样频率必须是被测信号频率的两倍以上,我们可以获得正确的采样频率范围,利用采样点再现输入信号。在我们所举例子中,ADC必须以输入频率两倍以上的频率运行或采样,以便正确地数字化再现出输入信号,得到有效动态测试结果。

一致性是动态测试第二个关键的部分,当能对测试信号的生成与采样进行控制时,它可以提供很多东西。一致性采样主要是为了保证采样数据包含完整的输入周期描述信息,使得在有限的样本中收集到尽可能多输入信息。一致性采样定义了测试频率(Ft)、样本大小(M)、采样频率(Fs)以及测试周期(N)之间的关系,如式(1)所示:

M/Ft=N/Fs                                式(1

这里的MN为互质数。

另外,一致性采样还可以保证傅立叶变换将采样数据的频率成分放入离散频段中。

量化、假频与采样抖动

量化误差指的是从时序变化信号中可分离出的最小量值信息,以我们讨论的ADC测试为例,量化误差就是最小步距代表的电压,或建立输入测试信号的模拟信号源最小分辨率。假频是由采样产生的,它将高频信号认作低频信号。实际上当采样频率小于信号频率两倍时,采样周期即已违反了奈奎斯特采样规定,对高频信号采用低采样率的结果就好像它是一个低频信号。抖动误差是指系统输入或采样能力与期望值之间的差异或偏离,换句话说,本来一个有一定幅度的信号预计在时间X产生,但由于抖动误差会使信号比预期的时间提前或推迟出现;同样抖动误差也可能在采样时产生,原来规定在时间X采集数据但实际却比预期时间提前或推迟。量化误差、抖动误差和假频都会使输入信号失真,在频谱上出现错误信息。

  ·信噪比(Signal to Noise RatioSNR

信噪比是输入信号和噪声(不包括任何谐波以及直流) 的功率比,是定义器件内部噪声大小的基本参数。SNR定义的详细描述如式(2)所示:

点击看大图             式(2

理论上ADC的信噪比范围取决于系统的位数,式(3)是理想的N bit ADC的理论SNR计算公式:

SNR=6.02N+1.76dB                              式(3

这里N代表位数。

系统内部噪声会使偏离或SNR大于理论值范围,可能造成误差的原因包括:器件量化误差、器件内部噪声和驱动/采样源产生的非线性噪声(应用噪声)。量化噪声关系到转换器的分辨率,转换器内的噪声主要是和输入比较器的完善程度有关。

附声卡中对SNR的定义:SNR是对声卡抑制噪音能力的一个评价。声卡处理的是对我们有用的音频信号,而噪音是指我们不希望有的音频信号,通常是一些规律且难听的声音,是背景噪声(由机箱内电磁干扰产生)与声卡各部件在工作时产生的“杂音”的综合,声卡应该尽量屏蔽和减少这些噪音的出现与功率(音量)。在没有出现饱和与截止情况下,有用信号功率与噪音信号功率的比值就是SNR,单位为dBSNR值越高说明声卡的滤波效能越好,声音听起来也就越清晰。按照微软在PC98中的规定,声卡的SNR值必须不低于80dB

·无杂散动态范围(Spurious-free Dynamic RangeSFDR

无杂散动态范围能对系统失真进行量化,它是基本频率与杂波信号最大值的数量差。杂波通常产生于各谐波中(虽然并不总是这样),它表示器件输入和输出之间的非线性。偶次谐波中的杂波表示传递函数非对称失真,一个给定的输入信号应该产生一个给定的输出,但由于系统非线性,实际输出并不等于预期值,当系统接收到大小相等极性相反的信号时,得到的两个输出不相等,这里的非线性就是非对称的。奇次谐波中的杂波表示系统传递函数的对称非线性,即给定的输入产生的输出失真对正负输入信号在数量上都是相等的。

附:在频域中,SFDR是衡量线性特性的有效方法。如果单音正弦信号加到输入,SFDR定义在一定频率范围内的信号与第二大频率成分的功率差。在大多通信应用中,输入是多音信号,信号由幅度、相位、和频率不同的多个信号组成。测量SFDR时将引起一些混淆,有时更好是用称之为多音功率比(Multi-tone Power RatioMTPR)进行测量,MTPR定义为单音载波与失真的功率比。我们在多个频率施加一定数量的等幅但相位不同的信号。在某点测量该点的输出和该点失真的功率。注意这有几个参数影响MTPR,例如单音幅度、挑选的单音频率、单音数量。在不同情况下,得出的MTPR也不同。当单音数量增加,将形成一个高的峰值。高峰值可能使放大器饱和并使DAC超出范围。我们用峰值/平均值比(PAR)或峰值因子,测量输入信号的峰值与有效值功率,对单音正弦信号PARA2/(A/sqrt(2))2=2。有时PAR也定义为均方根功率比。如果输入单音幅度相等,单音数量和相位决定PAR。多个信号输出的SFDR见式(4):

SFDR6.02×N4.77-10×log(PAR)                   式(4

 

高速DAC根据奈奎斯特采样定理,如果采样时钟为fs,信号带宽为fn=fs/2,但SFDR可能比较差。提高SFDR的一个有效途径是采用比奈奎斯特频率小的带宽,当信号带宽为fB,定义过采样率OSRfs/fB。单个信号输出的SFDR如式(5)所示:

SFDR=6.02×N+1.76+10×log(OSR)                   式(5

·总谐波失真(Total Harmonic DistortionTHD

总谐波失真是输入信号与系统所有谐波的总功率比,它可提供系统对称和非对称非线性产生的总失真大小,用以表达其对信号的谐波含量的作用或者影响。

点击看大图    式(6

·信号与噪声失真比(Signal to Noise And DistortionSINAD

信号与噪声失真比SINAD是输入信号和所有输出信号失真功率(包括谐波成分,不包括直流)比,它测量的是输出信号所有传递函数非线性加上系统所有噪声(量化、抖动和假频)的累积效果。其定义如下:

              式(7

在完美的转换器中,SINADSNR是相同的。SNR是转换器所能达到的理想状态,SINAD是反映转换器实际性能参数的指标,当然,我们希望SINAD越接近SNR越好。

·有效位数(Effective Number of BitsENOB

有效位数ENOB是在ADC器件信噪比基础上计算出来的,它将传输信号质量转换为等效比特分辨率。实际上系统噪声使输出信号失真,失真大小就反映在信噪比上。ADC的比特分辨率可以用来计算给定器件的理论信噪比,反过来也成立,所以器件的信噪比测量值也可用来计算有效器件比特分辨率。所有噪声源和器件的不精确性合在一起,可以转化为量化误差与有效器件分辨率。

让我们再次重新温习一下在ADC中的两个重要的概念:

SINAD表示ADC的信噪失真比,指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量(包括谐波分量,不包括直流分量)的总有效值之比。

SNR表示ADC的信噪比,指ADC满量程单频理想正弦波输入信号的有效值与ADC输出信号的奈奎斯特带宽内的全部其它频率分量(不包括直流和谐波分量)的总有效值之比。

由上文的分析知,一个理想的NADC模块的信噪比可以由SNR的电压形式推导得到,即:SNR6.02×N1.76dB。通过使用快速傅立叶变换(FFT)算法来计算离散傅立叶变换(DFT),制造商可以测量ADC模块的SINAD,并用其来计算有效位数(ENOB),这是更真实表征ADC模块总体性能的规格参数,即:

 ENOB=[SINAD(dB)-1.76dB]/6.02dB                          式(8

由此可知,ADC的总谐波失真THD一定时,有效位数ENOB取决于SNRADCSNR越高,其有效位数ENOB就越高。


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发表于:2007-11-9 8:44:46
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双周例会

上两周完成任务:

1、完成了3相4线制的以F2812为核心处理器的谐波分析仪的基本电路图——但是要改成3相三线制的

2、看了A/D芯片的AD7656,特点:

(1)可3.3V供电,VDRIVE = 3.3(或5V) ;不用加电平转换芯片了

(2)16位的分辨率,最小分辨电压0.152mV

(3)参考电压(internal or external):2.5V

(4)input range:±2 × VREF  or ±4 × VREF

 (5)logic input:

VIH= 0.7 × VDRIVE =2.4V(3.3V);

VINL= 0.3 × VDRIVE="0".99V(3.3V); 

logic output:

VOH=VDRIVE -0.2 =3.1V(3.3V);

VOL= 0.2 V

(6)Conversion Time 3.1   μs (max)和MAX125差不多

(7)Input Range :±10 V /±5 V
(8)LSB Size :

0.305 mV (Input Range :±10 V )

0.152 mV(Input Range :±10 V)=FSR/2^16

(9)输出代码:按补码输出的格式

正的部分:

0000 0000 0000 0000-0111 1111 1111 1111(0~FSR/2)

负的部分:

1111 1111 1111 1111-1000 0000 0000 0000(0~-FSR/2)

 

FSR:full scale range
(3)看了一下模拟电路的东西:互感器/运放

下两周计划:

1、继续研究三相三线的系统的特点

2、模拟电路中AD前端电路的思考

注:

补码:

1、在计算机系统中,数值一律用补码来表示(存储)。
主要原因:使用补码,可以将符号位和其它位统一处理;同时,减法也可按加法来处理。另外,两个用补码表示的数相加时,如果最高位(符号位)有进位,则进位被舍弃。
2、补码与原码的转换过程几乎是相同的。
数值的补码表示也分两种情况:
(1)正数的补码:与原码相同。
例如,+9的补码是00001001。
(2)负数的补码:符号位为1,其余位为该数绝对值的原码按位取反;然后整个数加1。
例如,-7的补码:因为是负数,则符号位为“1”,整个为10000111;其余7位为-7的绝对值+7的原码
0000111按位取反为1111000;再加1,所以-7的补码是11111001。 {(249-257)=-7 }
已知一个数的补码,求原码的操作分两种情况:
(1)如果补码的符号位为“0”,表示是一个正数,所以补码就是该数的原码。
(2)如果补码的符号位为“1”,表示是一个负数,求原码的操作可以是:符号位为1,其余各位取反,然后再整个数加1。

例如,已知一个补码为11111001,则原码是10000111(-7):因为符号位为“1”,表示是一个负
数,所以该位不变,仍为“1”;其余7位1111001取反后为0000110;再加1,所以是10000111。

计算:A/D的12位数据输出用补码表示a则

正数时:首位为0,求值=|a|

负数时:首位为1,|a|-(2^12+1)

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发表于:2007-11-8 20:28:32
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互感器的选择

正确选择及使用电流互感器  

1、作用: 一次系统和二次系统间联络元件,起着将一次系统的大电流变换成二次系统的小电流,用以分别向测量仪表、继电器的电流线圈供电,正确反映电气设备的正常运行参数和故障情况,使测量仪表和继电器等二次侧的设备与一次侧高压设备在电气方面隔离,以保证工作人员的安全。同时,使二次侧设备实现标准化、小型化,结构轻巧,价格便宜,便于屏内安装,便于采用低压小截面控制电缆,实现远距离测量和控制。当一次系统发生短路故障时,能够保护测量仪表和继电器等二次设备免受大电流的损害。下面就有关电流互感器的选择和使用作一浅薄探讨,以飨各位读者朋友。
2、电流互感器的原理
            互感器,一般W1≤W2,可见电流互流感器为一“变流”器,基本原理与变压器相同,工作状况接近于变压器短路状态,原边符号为L1、L2,
副边符号为K1、K2。互感器的原边串接入主线路,被测电流为I1,原边匝数为W1,副边接内阻很小的电流表或功率表的电流线圈,副边电流为I2,副边匝数为W2。原副边电磁量及规定正方向由电工学规定。
3、 电流互感器准确度选择及校验
            所谓准确度是指在规定的二次负荷范围内,一次电流为额定值时的最大误差。我国电流互感器的准确度和误差限值如表1所示,对于不同的测量仪表,应选用不同准确度的电流互感器。
            准确度选择的原则:

计费计量用的电流互感器其准度为0.2~0.5级;

用于监视各进出线回路中负荷电流大小的电流表应选用1.0—3.0级电流互感器。

 4  电流互感器的正确使用
            1)电流互感器的接线应遵守串联原则:即一次绕阻应与被测电路串联,而二次绕阻则与所有仪表负载串联;
 2)按被测电流大小,选择合适的变化,否则误差将增大。同时,二次侧一端必须接地,以防绝缘一旦损坏时,一次侧高压窜入二次低压侧,造成人身和设备事故;
3)二次侧绝对不允许开路                

4)为了满足测量仪表、继电保护、断路器失灵判断和故障录波等装置的需要,在发电机、变压器、出线、母线分段断路器、母联断路器、旁路断路器等回路中均设具有2~8个二次绕阻的电流互感器。对于大电流接地系统,一般按三相配置;对于小电流接地系统,依具体要求按二相或三相配置;

1  电压互感器:次级100V;二次不能短路、连接方式测的线电压

2、  电流互感器:次级5A  ;二次不能开路;一般测得量:都是相电流 

3、  根据仪表的精度级别选择互感器二次不分的精度级

 

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发表于:2007-11-8 19:22:36
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最近要解决的问题

1、在三相四线制和三相三线制的谐波分析仪表的区别

2、AD前端模拟电路部分的设计

 

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发表于:2007-11-8 19:07:10
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今天开通我的博客

今天开通自己的博客,记载自己研究生期间学习和生活的点滴,把这里作为自己心情的日记本和学习笔记本。

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