系統(tǒng)性能分析與測試
本章將首先對系統(tǒng)電路的噪聲和溫漂進(jìn)行分析，而后對采集系統(tǒng)的性能進(jìn)行
測試，并對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
5.1
高精度
AD
轉(zhuǎn)換電路噪聲和溫漂分析
5.1.1
電阻噪聲與溫漂
1
、電阻的噪聲
電阻是一種噪聲源，其嚴(yán)重程度取決于電阻值、溫度、施加的電壓和電阻類
型等。合適地選擇電阻是避免或減少信號通道噪聲或失真的一種最有效的方法。
電阻熱噪聲是由于導(dǎo)體內(nèi)部的電子不規(guī)則運動造成的，電阻整體噪聲由多種分量
組成，最典型的是熱噪聲。熱噪聲的一個顯著特點是與電阻材料無關(guān)，即在電阻
和溫度相同的情況下，任何類型電阻的熱噪聲是一樣的。圖
5.1
所示為電阻在電
路中的噪聲模型，其可等效于無噪聲電阻并聯(lián)一個電流噪聲源，也可等效于無噪
聲電阻串聯(lián)一個電壓噪聲源。其電壓噪聲源或者電流噪聲源的均方差可以表示為
噪聲系數(shù)
NI
定義為電阻兩端每
1
V
的直流電壓降在十倍頻程內(nèi)產(chǎn)生的均方根
噪聲電壓值（
uV
），一般用
dB
表示。它可以用作衡量不同材料的電阻噪聲的大小。
如圖
5.2
所示，繞線電阻和金屬膜電阻噪聲系數(shù)相對較小
[42]
?；谔甲璨牧系碾?
阻（如合成碳膜和碳膜電阻）電流噪聲較高。金屬膜電阻噪聲較小。線繞電阻噪
聲最小，但實際應(yīng)用中繞線電阻體積較大。經(jīng)綜合分析，本設(shè)計中運放部分采用
高精度的金屬膜電阻，而采樣電阻則采用高精度金屬箔電阻。
2
、電阻的溫漂
一般來說，電阻的阻值并不是固定不變的，它會隨著溫度的變化而發(fā)生微小的
變化。電阻溫度系數(shù)（
TCR
）表示當(dāng)溫度每升高
1
℃
時，導(dǎo)體電阻的增加值與原
來電阻的比值，單位為
ppm/
℃
?？杀硎緸?/span>
5.1.2
運放噪聲與溫漂
1
、運放噪聲
運算放大器（運放）電路中的噪聲源一般包括散粒噪聲（
Shot Noise
）、熱噪
聲（
Thermal Noise
）、閃爍噪聲（
Flicker Noise
）、爆裂噪聲（
Burst Noise
）和雪
崩噪聲（
Avalanche Noise
）
[43]
。
運放自身的噪聲一般體現(xiàn)在總諧波失真參數(shù)（
THD
）、總諧波失真與噪聲參
數(shù)（
THD+N
）以及等效輸入噪聲電壓參數(shù)（ ）等。
THD
是指輸出信號中基頻
信號的各諧波分量的均方根電壓值與輸出信號總的均方根電壓值之比。
THD+N
是指輸出信號中的均方根電壓加上基頻信號的各諧波分量的均方根電壓與信號的
基頻均方根電壓之比
[44]
。
THD+N
可以表示為
等效輸入噪聲電壓參數(shù) 是把內(nèi)部噪聲電壓折合成一個與同相輸入端串聯(lián)
的電壓源。這個參數(shù)與頻率有關(guān)，單位是
V
n
V H
z
。對于設(shè)計者來說，計算器件在
電路上產(chǎn)生的噪聲可以采用公式（
5-5
）
2
、運放溫漂
整個放大電路的溫度漂移取決于連接在運放外圍的分立器件，一般來說就是
電阻的溫漂以及運放自身的的溫度漂移。運放自身的溫度漂移主要是體現(xiàn)在輸入
失調(diào)電壓的溫度漂移上。輸入失調(diào)電壓一般用 來表示，是指為了抵消運放內(nèi)部
的直流電壓失調(diào)而必須加在兩個輸入端之間的電壓。它用于平衡由于不可避免的
工藝變化而導(dǎo)致的不匹配。輸入失調(diào)電壓是隨著溫度的變化而變化的，這個變化
量可以由輸入失調(diào)電壓的溫度系數(shù)
V
IO
?
V
IO
來表示，
?
V
IO
表示為輸入失調(diào)電壓的改變
量與芯片溫度改變量之比。
本系統(tǒng)中模擬部分用了兩種類型的運算放大器，其性能參數(shù)如表
5.1
和表
5.2
所示。
5.1.3
模擬信號前端處理電路總噪聲和溫漂估算
模擬前端信號處理電路結(jié)構(gòu)，如圖
5.3 所示。它包括采樣電阻、緩沖運放和調(diào)理運放（
OPA1632
全差分運放）。其設(shè)計帶寬為
0~100
Hz
。
?
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-428986.html
5.2
數(shù)據(jù)采集測試方法
5.2.1
ADC
數(shù)據(jù)計算方法和數(shù)據(jù)通信
隨著
ADC
的廣泛應(yīng)用，
ADC
性能參數(shù)的測量也變得越來越重要。評價模數(shù)
轉(zhuǎn)換器的性能指標(biāo)主要有轉(zhuǎn)換位數(shù)，無雜散動態(tài)范圍（
SFDR
）、信噪比（
SNR
）、
轉(zhuǎn)換速率和量化靈敏度等。一般來說，
ADC
的轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，其動態(tài)范圍就越高
[45]
。但由于
ADC
本身的量化噪聲、微分非線性和積分非線性誤差帶來的噪聲、
諧波與采樣時鐘抖動引入的噪聲、系統(tǒng)的熱噪聲和印刷電路板內(nèi)信號之間串?dāng)_帶
來的噪聲等，
ADC
的實際轉(zhuǎn)換位數(shù)與理想的轉(zhuǎn)換位數(shù)是有差距的。因此確定
ADC
的實際有效位對精確評價系統(tǒng)性能是非常重要的。
影響
ADC
有效精度的主要因素是
ADC
內(nèi)部的熱噪聲，因此只要測出內(nèi)部噪
聲的值，就能夠求出
ADC
的有效精度。為了測試
ADC
的內(nèi)部噪聲，把輸入信號
短路，測
ADC
輸出值就可以得到內(nèi)部熱噪聲的值。為了得到通帶內(nèi)噪聲的值，
把
ADC
輸出端的數(shù)據(jù)傳輸給計算機，由計算機對
ADC
輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，求
出通帶內(nèi)噪聲的均方根值。
本底噪聲法測量有效位方法如下：模擬前端不加電流信號，只對本底噪聲進(jìn)
行模數(shù)變換，而后采集模數(shù)變換后的相關(guān)數(shù)據(jù)，再把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機上，
然后計算其有效位。參數(shù)測量連接圖如圖
5.4
所示，具體計算步驟如下
[46]
：
（
1
）采集到你
n
個數(shù)據(jù)，設(shè)對應(yīng)為
x
i
，
1,2, ,
i n
（2）計算n個數(shù)據(jù)的均值，
?
文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-428986.html
串口數(shù)據(jù)按幀格式發(fā)送到計算機上，由串口接收軟件把串口接收到的數(shù)據(jù)保
存成
.TXT
的文本格式，數(shù)據(jù)幀格式如圖
5.5
所示，其中
AA
表示數(shù)據(jù)幀頭，用于
區(qū)分開兩個不同的數(shù)據(jù)。
data1
、
data2
、
data3
、
data4
合并即是
ADC
轉(zhuǎn)換的
32
位
的數(shù)據(jù)，這
32
位的數(shù)據(jù)高位在前，低位在后。其界面如圖
5.6
所示。每個數(shù)據(jù)含
有一個起始位、
8
個數(shù)據(jù)位、一個奇偶校驗位以及一個停止位共
11bit
，每個數(shù)據(jù)
幀由
5
個數(shù)據(jù)組成，每秒共
500
個數(shù)據(jù)幀，即可以計算出每秒共
27500bit
的數(shù)據(jù)，
所以設(shè)計中選用
38400bit/s
的波特率進(jìn)行串口通信。
5.2.2
ADC
操作流程
測試中對
ADC
的操作流程如圖
5.8
所示，具體包括
（
1
）對
ADC
進(jìn)行復(fù)位操作，使其內(nèi)部寄存器處在初始化狀態(tài)。
（2）向
ADC
發(fā)送
SDATAC
（停止持續(xù)讀數(shù)據(jù)）命令，使
ADC
不再向外發(fā)
送數(shù)據(jù)。
（3）向
ADC
發(fā)送
WREG
（寫寄存器）命令，然后把相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的
寄存器當(dāng)中，完成對寄存器的配置。
（4）向
ADC
發(fā)送
RREG
（讀寄存器）命令，把上一步寫入到
ADC
寄存器
中的數(shù)據(jù)讀出來，并判斷是否與寫入的數(shù)據(jù)一致。如果不一致則從第一步重新開
始，直到一致為止。
（5）通過外部引腳同步
ADC
，使得三路
ADC
同步工作，由于
ADC
配置成
單同步模式，所以只需同步一次。
（6）等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換好信號（
DRDY
引腳），并通過
SPI
總線讀取
ADC
的數(shù)
據(jù)，然后把讀數(shù)據(jù)按幀格式通過
RS232
串口發(fā)送到計算機，用于進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)
行分析。發(fā)送完成后回到等待數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換好信號的狀態(tài)，如此循環(huán)工作。
到了這里，關(guān)于基于DSP+FPGA+ADS1282支持32Bit高精度數(shù)據(jù)采集方案（三）系統(tǒng)性能測試的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
