電子信息工程課程設計--數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動態(tài)有效位測試

1、<p>　　電子信息工程課程設計實驗報告</p><p>　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)動態(tài)有效位測試</p><p>　　院系：電子信息與光電技術學院</p><p><b>　　專業(yè)：電子信息工程</b></p><p><b>　　姓名：</b></p><p><b

2、>　　指導老師： </b></p><p><b>　　2013年9月7日</b></p><p><b>　　一、課程設計目的</b></p><p>　　將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號后再進行處理，是當前信號處理普遍使用的方法，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）就是將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的器件。ADC有8位，10位，1

3、2位，16位等，理論上，轉(zhuǎn)換位數(shù)越多，轉(zhuǎn)換精度越高，但由于受到電路噪聲干擾，以及采樣頻率等因素的影響，實際上所獲得的轉(zhuǎn)換精度（轉(zhuǎn)換位數(shù)）要低于理論值。所以，計算ADC的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)對系統(tǒng)性能的評估就顯得尤為重要。本課題就是利用DSP實驗裝置對模擬信號進行數(shù)字化，并存儲到計算機中，利用matlab編程對信號進行處理，計算ADC的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)（ENOB）,通過調(diào)整信號幅度、信號頻率、采樣頻率等參數(shù)，獲得這些參數(shù)與ENOB的關系曲線，最終計算

4、出最佳的ENOB值。</p><p><b>　　二、課程設計內(nèi)容</b></p><p>　　1、接通信號發(fā)生器和示波器的電源，調(diào)整信號發(fā)生器的頻率（小于5KHz），幅度（峰峰值小于1V），利用示波器測量確認后，通過連接電纜將信號發(fā)生器的輸出連接到DSP實驗箱的INPUT1端口。</p><p>　　2、用USB連接電纜連接主機和DSP實驗箱

5、</p><p>　　3、接通DSP實驗箱電源，根據(jù)液晶顯示屏顯示的提示信息進行操作。</p><p>　　1）上電后，首先選擇 4 （AD），按ENTER鍵確認</p><p>　　2）通過數(shù)字鍵選擇采樣頻率（符合那奎斯特采樣定理），按ENTER鍵確認</p><p>　　3）選擇“1”保存，通過主機上的采集軟件，可將采集的數(shù)據(jù)通過USB線

6、上傳到主機。選則“2”不保存，可通過DSP試驗箱的OUT3接口，通過示波器觀察波形，若系統(tǒng)正常，應該能夠看到跟信號發(fā)生器輸出一致的波形，以此來驗證電路系統(tǒng)的正確性。</p><p>　　4）若在3）選擇“1”保存后，主機會提示安裝USB驅(qū)動，正確安裝驅(qū)動后，打開主機上的數(shù)據(jù)采集軟件，如圖所示：</p><p>　　若USB驅(qū)動安裝正確，會出現(xiàn) EZ-USB-SX2 提示信息。</p&

7、gt;<p>　　5）點擊“start”,開始數(shù)據(jù)傳輸，若系統(tǒng)工作正常，Successed Transfers 后會顯示“5”，表明收到5個數(shù)據(jù)包，若顯示信息不是5，則將DSP試驗箱斷電，重新開始。</p><p>　　6）若5）正常，則主機會產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)文件 USB.DAT，這就是ADC采集的數(shù)據(jù)，共1024個采樣點，每個采樣點為12位有效數(shù)字，表示為2個字節(jié)，高8位在前（其中高4位為0），低8位

8、在后。</p><p>　　4、利用matlab編寫程序，利用公式求出ENOB。</p><p><b>　　三、實驗要求</b></p><p>　　1）用matlab編寫程序，繪制時域波形圖、頻譜圖，計算ENOB</p><p>　　2）通過改變信號頻率、幅度以及采樣頻率，獲取這些參數(shù)與ENOB的對應關系，繪制出對應

9、曲線圖。</p><p>　　3）設置最佳參數(shù)，求出最佳的ENOB，要求計算出的ENOB>10</p><p>　　4）通過查找資料自己設計最佳的matlab程序算法</p><p>　　5）參考方法：對采樣數(shù)據(jù)進行FFT，求出基波能量和諧波能量，計算出信噪比（SNR），利用公式求解ENOB</p><p>　　參考公式： ENOB =

10、 （SNR-1.79）/6.02</p><p>　　提示：注意采樣頻率、信號頻率、FFT點數(shù)之間的最佳對應關系。</p><p><b>　　實驗原理</b></p><p>　　動態(tài)有效位ENOB：用來衡量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際工作時有效的位數(shù)，它是用分辨率來衡量實際工作時ADC的噪聲均方值與理想ADC標識分辨率情況下的量化噪聲。ENOB是量化描

11、述模數(shù)轉(zhuǎn)換性能的一種方法，有效位數(shù)越大，表示模數(shù)轉(zhuǎn)換中所記錄的電壓值越精確。</p><p>　　測試動態(tài)有效位的原因：對于理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它具有完美的線性特性，僅對輸入的信號進行簡單的量化處理。量化過程會產(chǎn)生量化噪聲，根據(jù)信號功率與噪聲功率，可以計算出模數(shù)轉(zhuǎn)換之后的信噪比SNR。若輸入信號為純正弦波，那么SNR就可以表示為：SNR=1.5×22B，B為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，將上式表示為db,則B=（SN

12、Rdb-1.76）/6.02,其中1.76為理想ADC的量化噪聲，6.02為將log2轉(zhuǎn)化為log10的系數(shù)比。但是現(xiàn)實生活中理想的模數(shù)轉(zhuǎn)換器并不存在，每種模數(shù)轉(zhuǎn)換器都會給輸入信號帶來某種失真。典型的失真有噪聲，非線性輸入特性以及增益與失調(diào)誤差。這些失真會直接惡化信噪比，所以12bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的ENOB可能僅為10.5，這意味著，雖然模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出為12bit,但其達到的信噪比僅相當于理想的10.5bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所以，測試模數(shù)

13、轉(zhuǎn)換性能，即動態(tài)有效位十分必要。</p><p><b>　　原理公式：</b></p><p><b>　　五、所需儀器設備</b></p><p>　　信號發(fā)生器、示波器、DSP實驗箱、計算機、連接電纜</p><p><b>　　實驗結果與分析</b></p>

14、<p>　　采樣頻率fs=8kHz</p><p>　　信號頻率f=78.125Hz</p><p><b>　　信號幅度v=1v</b></p><p>　　FFT點數(shù)N=1024</p><p>　　輸出結果：SNR=38.2214</p><p>　　ENOB=6.0567&l

15、t;/p><p>　　分析：實驗時，要注意“頻譜泄漏’這個概念. 對于頻率為fs的正弦序列，它的頻譜應該只是在fs處有離散譜。但是，在利用DFT求它的頻譜做了截短，結果使信號的頻譜不只是在fs處有離散譜，而是在以fs為中心的頻帶范圍內(nèi)都有譜線出現(xiàn)，它們可以理解為是從fs頻率上“泄露”出去的，這種現(xiàn)象稱 為頻譜“泄露”。</p><p>　　周期信號加窗后做DFT仍然有可能引起頻譜泄露，設fs為

16、采樣頻率，N為采樣序列長度，分析頻率為：f0=m*fs/N（m=0，1....)，以cos函數(shù)為例，設其頻率為f0,如果 f0不=m*fs/N，就會引起除f0以外的其他m*fs/N點為非零值，即出現(xiàn)了泄露。</p><p>　　在理解了頻譜泄漏的概念后，為了達到ENOB〉6的實驗要求，且采樣頻率fs<10kHz的實驗要求,我們選取了m=100，fs=8kHz，將N=1024代入，得到的正弦信號頻率為f0=7

17、8.125Hz</p><p><b>　　七、實驗截圖</b></p><p>　　ENOB最大時所對應的時域波形圖</p><p>　　ENOB最大時所對應的頻譜圖</p><p>　　附錄：Matlab程序：</p><p><b>　　clc;</b></p&g

18、t;<p><b>　　clear;</b></p><p>　　close all；</p><p>　　%load data.mat data</p><p>　　%fid=fopen('E:\project\214SOC\data\f2812sine-1.001khz-4096-73.6040hz.dat',

19、'r');</p><p>　　% [data,N] = fscanf(fid,'%x');</p><p>　　% fclose(fid);</p><p>　　[FileName,PathName] = uigetfile('*.dat','Select the *.dat file');</

20、p><p>　　f = fullfile(PathName,filesep,FileName);</p><p>　　fid = fopen(f,'r');</p><p>　　data = fscanf(fid,'%x');</p><p>　　% data = fread(fid);</p>&l

21、t;p>　　fclose(fid);</p><p>　　data = data(1:2:end)*256 + data(2:2:end);</p><p><b>　　N = 1024;</b></p><p>　　%datsgn = sub_unsign2sign(data,16)/2^4;</p><p>　

22、　datsgn = data;</p><p>　　plot(datsgn); %時域波形</p><p>　　datfft = fft(datsgn(1:N));%*4/N/2^12);</p><p><b>　　%fft</b></p><p>　　nordat = abs(datfft)/max(abs(

23、datfft));</p><p><b>　　figure,</b></p><p>　　stem((abs(nordat))); %譜線</p><p>　　datfft(1) = 0;</p><p>　　[maxval,pos] = max(abs(datfft(1:N)));</p><

24、;p>　　datfft_hf = nordat(1:N/2);</p><p>　　sig_rms=(norm(datfft_hf(pos-5:pos+5))); %/sqrt(length(datfft_hf(pos-1:pos+1)));</p><p>　　nos_rms = sqrt((sum(datfft_hf(2:N/2).^2)-sig_rms.^2));</