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        土木工程檢測大眾科普—如何選擇A/D轉換器

        土木工程檢測大眾科普—如何選擇A/D轉換器

        分類:
        新聞資訊
        發布時間:
        2019/02/21 10:34
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        所謂信號,是運載傳遞消息的載體。古時,人們升起狼煙,傳遞危機,這屬于光信號;現代人,通過無線電發送消息,這屬于電信號。人們只有通過接收不同的信號,才能知道外界的消息。

        在電子儀器中,我們將隨時間連續變化的電信號,叫做模擬信號,而隨著電子計算機技術的出現和發展,人們迫切需要一種計算機能夠識別的電信號(計算機無法直接識別模擬信號),這時,數字信號就出現了。所謂數字信號,是指自變量是離散的、因變量也是離散的信號。數字信號有便于存儲,計算,傳輸,抗干擾能力強等優點,并在現在社會得到了越來越廣泛應用,MP3播放器取代磁帶錄音機,數碼相機取代膠卷相機就是數字信號很好的應用。而我們生活的四維時空,大部分信號源產生的都是模擬信號,要想將信號源產生的信號數字化,就需要經過三個步驟:抽樣、量化和編碼。

        我們以檢測儀器中的模擬電壓信號數字化為例:

        1.抽樣:既是每隔一定的時間間隔t,抽取模擬信號的瞬時幅值,抽樣后得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為抽樣序列。

        2.量化:抽樣結束后,取得瞬時幅值還是模擬的,這時就要對幅值進行離散化(取整)處理,這個過程就是量化。由于計算機采用的是二進制,因此大部分量化計算都以XX二進制位(bit)描述。

        3.編碼:以二進制編碼脈沖的形式,將抽樣量化后的信號進行數字編碼,就完成了信號數字化的工作。

        在土木工程檢測中,完成上述模擬信號數字化的元件,就是A/D(Analog/Digital)轉換器,其主要性能參數有:采樣頻率,采樣精度,轉換速度,功耗等。

        采樣頻率,就是抽樣時間間隔t的倒數。奈奎斯特采樣定理指出,當采樣頻率fs大于信號中最高頻率fmax的2倍時,采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。一般實際應用中,保證采樣頻率在4倍以上為佳。常見的工程檢測中,通過激振在混凝土、巖土中產生的沖擊彈性波,其頻率都在50kHz以內,因此保持采樣頻率在200kHz以上,就能高保真實現沖擊彈性波信號的采集;超聲波和雷達,由于都是檢測儀器自發自收,故其采樣頻率只需與發射頻率(超聲波一般發射頻率為50kHz)自行匹配即可。特別是在國產雷達中,利用雷達天線產生信號重復、穩定的特點,采取等效采樣的方法,實現了低采樣頻率采集高頻信號。

        采樣精度,就是單位數字量對應的模擬信號的值。它是由滿量程除以2n(n為A/D轉換器的二進制位數)來算出,通常以n位來描述。那么,在常見的工程檢測中,我們需要達到什么水平喃?這里我們以滿量程10V,通道增益固定的儀器為例,在電子儀器常用測量中的函數信號發生器(信號源),其最小輸出為mV級,那么有:0.001>10/2n

        n只需不小于14,即可滿足上式。

        在錨桿(GB/T50344-2004)和基樁(JGT 3055-1999)規范中,都明確說明A/D轉換器分辨率≥16位,即為最高等級性能。在超聲波與雷達儀器中,由于其通道增益可隨時調節,故量程不固定,單純討論位數無意義。

        轉換速率,是指將一次模擬量轉換成數字量所需要的速率。其只有轉換速率不小于采樣速率,才能保證采樣正常進行。因此,在正常工作的A/D轉換器中,我們認為轉換速率等于采樣速率也是可以的。

        由上可見,A/D轉換器的采樣頻率與二進制位數越高,其對信號的原始信息保存就越完整。但一味的追求二者的高性能,一容易造成性能過剩,二會增加A/D轉換器功耗,加大發熱,進而有影響檢測儀器長期使用的穩定性。根據實際檢測情況(如在低頻信號檢測時(像應力應變測試、基樁低應變等),就可選擇高位數的采集卡),合理選用合適性能的A/D轉換器才是正確的做法。

         

        參考資料

        1.沖擊彈性波理論與應用

        2.JJG 990-2004 聲波檢測儀檢定規程

        3.JJG 840-20015 函數發生器檢定規程

        4.GB/T50344-2004建筑結構檢測技術標準

        5.JGT 3055-1999 基樁動測儀

        土木工程檢測大眾科普—如何選擇A/D轉換器

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        【摘要】:
        所謂信號,是運載傳遞消息的載體。古時,人們升起狼煙,傳遞危機,這屬于光信號;現代人,通過無線電發送消息,這屬于電信號。人們只有通過接收不同的信號,才能知道外界的消息。在電子儀器中,我們將隨時間連續變化的電信號,叫做模擬信號,而隨著電子計算機技術的出現和發展,人們迫切需要一種計算機能夠識別的電信號(計算機無法直接識別模擬信號),這時,數字信號就出現了。所謂數字信號,是指自變量是離散的、因變量也是離散

        所謂信號,是運載傳遞消息的載體。古時,人們升起狼煙,傳遞危機,這屬于光信號;現代人,通過無線電發送消息,這屬于電信號。人們只有通過接收不同的信號,才能知道外界的消息。

        在電子儀器中,我們將隨時間連續變化的電信號,叫做模擬信號,而隨著電子計算機技術的出現和發展,人們迫切需要一種計算機能夠識別的電信號(計算機無法直接識別模擬信號),這時,數字信號就出現了。所謂數字信號,是指自變量是離散的、因變量也是離散的信號。數字信號有便于存儲,計算,傳輸,抗干擾能力強等優點,并在現在社會得到了越來越廣泛應用,MP3播放器取代磁帶錄音機,數碼相機取代膠卷相機就是數字信號很好的應用。而我們生活的四維時空,大部分信號源產生的都是模擬信號,要想將信號源產生的信號數字化,就需要經過三個步驟:抽樣、量化和編碼。

        我們以檢測儀器中的模擬電壓信號數字化為例:

        1.抽樣:既是每隔一定的時間間隔t,抽取模擬信號的瞬時幅值,抽樣后得出的一系列在時間上離散的抽樣值稱為抽樣序列。

        2.量化:抽樣結束后,取得瞬時幅值還是模擬的,這時就要對幅值進行離散化(取整)處理,這個過程就是量化。由于計算機采用的是二進制,因此大部分量化計算都以XX二進制位(bit)描述。

        3.編碼:以二進制編碼脈沖的形式,將抽樣量化后的信號進行數字編碼,就完成了信號數字化的工作。

        在土木工程檢測中,完成上述模擬信號數字化的元件,就是A/D(Analog/Digital)轉換器,其主要性能參數有:采樣頻率,采樣精度,轉換速度,功耗等。

        采樣頻率,就是抽樣時間間隔t的倒數。奈奎斯特采樣定理指出,當采樣頻率fs大于信號中最高頻率fmax的2倍時,采樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。一般實際應用中,保證采樣頻率在4倍以上為佳。常見的工程檢測中,通過激振在混凝土、巖土中產生的沖擊彈性波,其頻率都在50kHz以內,因此保持采樣頻率在200kHz以上,就能高保真實現沖擊彈性波信號的采集;超聲波和雷達,由于都是檢測儀器自發自收,故其采樣頻率只需與發射頻率(超聲波一般發射頻率為50kHz)自行匹配即可。特別是在國產雷達中,利用雷達天線產生信號重復、穩定的特點,采取等效采樣的方法,實現了低采樣頻率采集高頻信號。

        采樣精度,就是單位數字量對應的模擬信號的值。它是由滿量程除以2n(n為A/D轉換器的二進制位數)來算出,通常以n位來描述。那么,在常見的工程檢測中,我們需要達到什么水平喃?這里我們以滿量程10V,通道增益固定的儀器為例,在電子儀器常用測量中的函數信號發生器(信號源),其最小輸出為mV級,那么有:0.001>10/2n

        n只需不小于14,即可滿足上式。

        在錨桿(GB/T50344-2004)和基樁(JGT 3055-1999)規范中,都明確說明A/D轉換器分辨率≥16位,即為最高等級性能。在超聲波與雷達儀器中,由于其通道增益可隨時調節,故量程不固定,單純討論位數無意義。

        轉換速率,是指將一次模擬量轉換成數字量所需要的速率。其只有轉換速率不小于采樣速率,才能保證采樣正常進行。因此,在正常工作的A/D轉換器中,我們認為轉換速率等于采樣速率也是可以的。

        由上可見,A/D轉換器的采樣頻率與二進制位數越高,其對信號的原始信息保存就越完整。但一味的追求二者的高性能,一容易造成性能過剩,二會增加A/D轉換器功耗,加大發熱,進而有影響檢測儀器長期使用的穩定性。根據實際檢測情況(如在低頻信號檢測時(像應力應變測試、基樁低應變等),就可選擇高位數的采集卡),合理選用合適性能的A/D轉換器才是正確的做法。

         

        參考資料

        1.沖擊彈性波理論與應用

        2.JJG 990-2004 聲波檢測儀檢定規程

        3.JJG 840-20015 函數發生器檢定規程

        4.GB/T50344-2004建筑結構檢測技術標準

        5.JGT 3055-1999 基樁動測儀

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