基本介紹
- 中文名：超高速數據採集
- 外文名：ultra high-speed data acquisition
- 重要指標：採樣率、解析度
- 結構設計：A/D轉換和數據存儲
- 套用領域：雷達、飛彈、通信、聲納等
- 所屬學科：信息科學
簡介,數據採集技術及超高速數據採集系統,技術指標,發展狀況,數據採集的基本理論,採樣過程,模/數轉換器,採樣方式,結構設計,套用,發展趨勢,
簡介
數據採集技術及超高速數據採集系統
在數據採集系統中,處理流程一般包括濾波、採樣、存儲和處理四個環節。一個模擬信號首先經過預採樣濾波器,對信號進行調理;然後,採樣器在每一個採樣時刻讀出一個數據;再由模數轉換器ADC量化為二進制數碼,數據最後保存到存儲器用於數位訊號處理。
超高速數據採集系統即採用超高採樣速率對數據進行採集的系統。
技術指標
科學技術的發展和數據採集技術的廣泛套用,對數據採集系統的許多技術指標,如採樣率、解析度、存儲深度、數位訊號處理速度、抗干擾能力等方面提出了越來越高的要求,其中前兩項為評價超高速數據採集系統的最重要技術指標。
發展狀況
隨著微電子技術的飛速發展,超高速數據採集技術也得到了長足的發展。數字存儲示波器是典型的數據採集系統。隨著其採樣率的不斷提高,它已成為高速或超高速數據採集系統。製造高速或超高速採樣率的數字存儲示波器的公司主要有Agilent，Tektronix，Nicolet和Lecroy等,數字存儲示波器的最高採樣率也已達到10GS/s。
另外，邏輯分析儀、頻譜分析儀、網路分析儀等也屬於超高速數據採集系統範疇。 基於標準匯流排並帶有高速DSP的高速數據採集板卡產品非常多,技術先進、市場主流的廠商主要有Spectrum Signal Processing，SPEC，Signatec，Acquisit ionlogic，Bluewave等公司。
數據採集的基本理論
採樣過程
為了對模擬信號用數字方法處理，應先將模擬信號數位化，即進行模/數(A/D)轉換。模/數轉換過程，包括三個內容：一是採樣，二是量化，三是編碼。一個模擬信號首先經過預採樣濾波器，對信號進行調理，然後由採樣器在每個採樣時刻讀出一個數據；再由模數轉換器(ADC)量化為二進制數碼，數據最後保存到存儲器用於數位訊號處理。
模/數轉換器
模/數轉換器是整個數據採集系統的核心，它的性能直接限制系統的性能。要使設計的系統能滿足工作條件，首先要選對模/數轉換器。因此，有必要去了解模/數轉換器的發展狀況。
採樣方式
常見的採樣方式可分為“實時採樣”和“等效時間採樣”兩大類。
“實時採樣”是在信號存在期間對其採樣。按照採樣定理，採樣速率必須高於信號中最高頻率分量的 2 倍；對於周期性正弦信號，一個周期內應該至少有兩個採樣點。“實時採樣”除了通常使用的定時採樣外，還常常使用“等點採樣”，即“變步長採樣”。這種採樣方法不論被測信號頻率為多少，一個信號周期內均勻採樣的點數總共為 N 個。
結構設計
數據採集技術已廣泛套用於通信、圖像採集、雷達、醫療器械等技術領域。隨著這些領域的發展，數據採集系統的速度和精度也需相應提高。這就對系統設計方案選擇、電路結構和系統調試提出了很高的要求。
超高速數據採集系統的結構設計主要是設計A/D轉換和數據存儲兩大模組，此外，還應兼顧後續數位訊號處理部分。在A/D轉換模組中，可以採用單片A/D的結構，也可以採用多片A/D並行的結構；而多片A/D並行又包括時間並行和幅度並行兩種方式。多片A/D並行可以降低對單個A/D晶片的性能要求，但系統會由於各路之間時鐘延時不等和各路之間增益不等，產生偏移誤差。這些誤差必須通過合理的算法進行校正，增加了設備量和控制的複雜性。在超高速套用場合，如果現有晶片的速度與精度能滿足要求，一般採用單片A/D變換結構。
另外，超高速採集系統對PCB板的設計提出很高的要求。如果數字邏輯電路的頻率達到或者超過45～50MHz，而且工作在這個頻率之上的電路已經占到整個電子系統一定的分量（比如1/3），就稱為高速電路。通常約定如果線傳播延時大於1/2數位訊號驅動端的上升時間，則認為此類信號是高速信號並產生傳輸線效應。在超高速系統中，傳輸線效應非常嚴重，需要採用很多方法來保證數據的完整性。
套用
超高速數據採集技術在電力系統中套用廣泛。提高數據採集系統的採樣率可更深入、更細微、更精確地了解物理量變化特性。在觀測供電傳輸線上的浪涌電流時,由於浪涌的持續時間僅有幾百納秒,而電壓的變化範圍則可達幾千伏,要精確地了解其變化過程,就需要數據採集系統有極高的採樣率；在高速電路的毛刺捕獲、電力設備高電壓試驗以及電力設備的遙感遙測等場合均需要高速或超高速數據採集技術。
此外，超高速數據採集技術也廣泛套用在雷達、飛彈、通信、聲納、遙感、地質勘探、振動工程、無損檢測、智慧型儀器、語音處理、雷射都卜勒測速、光時間域反射測量、物質光譜學與光譜測量、生物醫學工程等多個領域,進而不斷推動著這些領域的發展。
發展趨勢
除了屬於通用儀器的超高速數據採集系統以外，對於其它超高速數據採集系統而言，基於標準匯流排、具有海量數據存儲深度、高速信號處理性能和超高速A/D所組成的超高速數據採集系統已經成為當今發展趨勢。在設計和選用系統時，就要有這四方面的考慮，即不但要考慮超高速數據採集部分，還要考慮其標準匯流排接口、數據存儲深度和處理器的性能，因為系統的整體性能已不單是超高速數據採集部分的性能，標準匯流排接口、數據存儲深度和DSP也已成為評價系統整體性能的重要指標。對於不同套用領域或不同的套用環境和要求，系統的這四個組成部分會有所區別。
