[科普中国]-超高速数据采集

简介数据采集技术及超高速数据采集系统

在数据采集系统中,处理流程一般包括滤波、采样、存储和处理四个环节。一个模拟信号首先经过预采样滤波器,对信号进行调理;然后,采样器在每一个采样时刻读出一个数据;再由模数转换器ADC量化为二进制数码,数据最后保存到存储器用于数字信号处理。1

超高速数据采集系统即采用超高采样速率对数据进行采集的系统。

技术指标科学技术的发展和数据采集技术的广泛应用,对数据采集系统的许多技术指标,如采样率、分辨率、存储深度、数字信号处理速度、抗干扰能力等方面提出了越来越高的要求,其中前两项为评价超高速数据采集系统的最重要技术指标。

发展状况随着微电子技术的飞速发展,超高速数据采集技术也得到了长足的发展。数字存储示波器是典型的数据采集系统。随着其采样率的不断提高,它已成为高速或超高速数据采集系统。制造高速或超高速采样率的数字存储示波器的公司主要有Agilent，Tektronix，Nicolet和Lecroy等,数字存储示波器的最高采样率也已达到10GS/s。

另外，逻辑分析仪、频谱分析仪、网络分析仪等也属于超高速数据采集系统范畴。 基于标准总线并带有高速DSP的高速数据采集板卡产品非常多,技术先进、市场主流的厂商主要有Spectrum Signal Processing，SPEC，Signatec，Acquisit ionlogic，Bluewave等公司。2

数据采集的基本理论采样过程为了对模拟信号用数字方法处理，应先将模拟信号数字化，即进行模/数(A/D)转换。模/数转换过程，包括三个内容：一是采样，二是量化，三是编码。一个模拟信号首先经过预采样滤波器，对信号进行调理，然后由采样器在每个采样时刻读出一个数据；再由模数转换器(ADC)量化为二进制数码，数据最后保存到存储器用于数字信号处理。

模/数转换器模/数转换器是整个数据采集系统的核心，它的性能直接限制系统的性能。要使设计的系统能满足工作条件，首先要选对模/数转换器。因此，有必要去了解模/数转换器的发展状况。

采样方式常见的采样方式可分为“实时采样”和“等效时间采样”两大类。

“实时采样”是在信号存在期间对其采样。按照采样定理，采样速率必须高于信号中最高频率分量的 2 倍；对于周期性正弦信号，一个周期内应该至少有两个采样点。“实时采样”除了通常使用的定时采样外，还常常使用“等点采样”，即“变步长采样”。这种采样方法不论被测信号频率为多少，一个信号周期内均匀采样的点数总共为 N 个。

结构设计数据采集技术已广泛应用于通信、图像采集、雷达、医疗器械等技术领域。随着这些领域的发展，数据采集系统的速度和精度也需相应提高。这就对系统设计方案选择、电路结构和系统调试提出了很高的要求。

超高速数据采集系统的结构设计主要是设计A/D转换和数据存储两大模块，此外，还应兼顾后续数字信号处理部分。在A/D转换模块中，可以采用单片A/D的结构，也可以采用多片A/D并行的结构；而多片A/D并行又包括时间并行和幅度并行两种方式。多片A/D并行可以降低对单个A/D芯片的性能要求，但系统会由于各路之间时钟延时不等和各路之间增益不等，产生偏移误差。这些误差必须通过合理的算法进行校正，增加了设备量和控制的复杂性。在超高速应用场合，如果现有芯片的速度与精度能满足要求，一般采用单片A/D变换结构。

另外，超高速采集系统对PCB板的设计提出很高的要求。如果数字逻辑电路的频率达到或者超过45～50MHz，而且工作在这个频率之上的电路已经占到整个电子系统一定的分量（比如1/3），就称为高速电路。通常约定如果线传播延时大于1/2数字信号驱动端的上升时间，则认为此类信号是高速信号并产生传输线效应。在超高速系统中，传输线效应非常严重，需要采用很多方法来保证数据的完整性。2

应用超高速数据采集技术在电力系统中应用广泛。提高数据采集系统的采样率可更深入、更细微、更精确地了解物理量变化特性。在观测供电传输线上的浪涌电流时,由于浪涌的持续时间仅有几百纳秒,而电压的变化范围则可达几千伏,要精确地了解其变化过程,就需要数据采集系统有极高的采样率；在高速电路的毛刺捕获、电力设备高电压试验以及电力设备的遥感遥测等场合均需要高速或超高速数据采集技术。

此外，超高速数据采集技术也广泛应用在雷达、导弹、通信、声纳、遥感、地质勘探、振动工程、无损检测、智能仪器、语音处理、激光多普勒测速、光时间域反射测量、物质光谱学与光谱测量、生物医学工程等多个领域,进而不断推动着这些领域的发展。2

发展趋势除了属于通用仪器的超高速数据采集系统以外，对于其它超高速数据采集系统而言，基于标准总线、具有海量数据存储深度、高速信号处理性能和超高速A/D所组成的超高速数据采集系统已经成为当今发展趋势。在设计和选用系统时，就要有这四方面的考虑，即不但要考虑超高速数据采集部分，还要考虑其标准总线接口、数据存储深度和处理器的性能，因为系统的整体性能已不单是超高速数据采集部分的性能，标准总线接口、数据存储深度和DSP也已成为评价系统整体性能的重要指标。对于不同应用领域或不同的应用环境和要求，系统的这四个组成部分会有所区别。2