您刚刚购买了带有14位ADC(模数转换器)的数据记录仪或数据采集系统。这到底是什么意思?你能摆脱12位产品吗?10位?您是否失态了,真的需要一个16位数据记录仪?你知道“位”数越高越好,但“更好”多少才算好?本应用笔记描述了一种根据您的具体情况来回答这些问题的方法,而不是产品数据手册提供的概括性解释。
首先,一些背景。模数转换器的位值直接指其分辨率。这是指它对其满量程测量范围的切片程度,或者换句话说,它理论上可以测量的输入信号的最小变化(忽略噪声)。以我们都熟悉为例,以 1/16 英寸校准的尺子提供的分辨率是仅以整英寸校准的另一把尺子的 16 倍。根据您要执行的操作,更高的分辨率可能会矫枉过正,例如测量车道的长度。但它可能会派上用场,以调整您正在建造的餐厅橱柜的斜接接头。同样,高ADC分辨率有时很方便,有时也过分,但更难量化断点的位置。你必须从基本信息开始:
确定数据记录器的满量程输入电压范围(如果使用放大器的输入,则从放大器的输入);我们称之为VD。一些数据记录仪提供固定量程,而另一些则允许可变量程。确定以伏特为单位的范围,并将其分配给变量VD。
确定要测量的信号的满量程输出电压范围;我们称之为VS。即使您的信号源是测量扭矩、压力、负载等的传感器,它也具有分配给变量VS 的最大输出信号幅度(以伏特(或毫伏)为单位)。请注意,某些传感器具有4-20 mA的过程电流输出。稍后我将在一个特殊示例中处理这个问题。
确定VS在工程单位方面代表什么;我们称之为E。在 10,000 psi 满量程压力下具有 20 mV 满量程输出的压力传感器为变量E 分配 10,000 的值。
注意ADC的位分辨率;我们称之为N。
确定您的ADC配置为双极性还是单极性范围;我们称之为B。如果数据记录仪可以测量高于和低于零的信号,则具有双极性范围。它具有单极性范围,如果只能测量高于或低于零的信号,但不能同时测量两者。双极设置B=1,单极设置B=0。
在为您的应用组装上述所有变量后,只需将它们代入公式1即可确定分辨率,这是数据采集系统可以以工程测量单位测量的最小变化。
等式 1
让我们通过一些示例来工作。
例 1
说明
数据记录仪具有±10 V满量程范围(双极性)和12位ADC分辨率。您正在连接具有 5 伏满量程输出的扭矩传感器,满量程时的额定值为 100 英尺-磅。
变量赋值
V D= 10VS= 5
E= 100
n= 12
B= 1
数据记录器不会响应小于0.098 ft-lbs的扭矩变化。
例 2
说明
与示例1相同,不同之处在于ADC具有单极性测量范围。
变量赋值
V D= 10VS= 5
E= 100
n= 12
B= 0
数据记录器不会响应小于0.049 ft-lbs的扭矩变化。
例 3
描述
您有一个100,000磅的称重传感器,表压系数为1.98,连接到14位双极性ADC之前的2 mV/V放大器。假设放大器的满量程输出范围等于ADC的满量程输入范围。
变量赋值
V D= 2VS= 1.98
E= 100,000
n= 14
B= 1
数据记录仪不会响应小于12.33磅的负载变化。请注意,由于我们假设放大器和ADC的满量程输入范围匹配,因此我们只需要分别比较VD和VS的放大器和传感器计因数。
例 4
描述
您需要测量范围为 0 至 10 毫米的距离传感器的 4-20 mA 过程电流输出。您将使用一个 250 欧姆分流电阻器连接到具有 ±5 VFS 双极性范围的 12 位 ADC。
变量赋值
V D= 5VS= (5-1) = 4
E= 10
n= 12
B= 1
数据记录器不会响应小于0.0061 mm的距离变化。 使用欧姆定律 (V = I × R),我们可以确定分流器两端的电压范围为 1 至 5 伏 (V = 0.004 × 250;V = 0.020 × 250)。这意味着只有 (5- 1) 或 4 伏可用于测量。
例 5
描述
1,000 psi 量程的压力传感器连接到 1,000 psi 时具有 1 V 满量程输出的放大器。该放大器连接到具有 ±10 V 满量程双极性范围的 12 位 ADC。
变量赋值
V D= 10VS= 1 E= 1000
n= 12
B= 1
数据记录仪不会响应小于4.88 psi的压力变化。
等式 2
假设您知道测量需要多大的分辨率,但不知道提供分辨率所需的ADC位规格。只需重新排列公式(1)即可求解n,即ADC的位分辨率。使用变量 R 来表示所需的分辨率,我们得到:
例 6
描述
压力测量要求在 100 psi 满量程范围内具有 0.10 psi 或更好的分辨率。如果我们将压力信号放大到5 VFS并将其连接到具有±5 V满量程双极性范围的ADC,则需要多大的ADC位分辨率?
变量赋值
V D= 5VS= 5
E= 100
n= ?
B= 1
R= 0.10
数据记录仪需要具有11位或更好的分辨率,以提供0.10 psi的压力分辨率。
最后,请始终记住,要获得ADC分辨率的全部优势,您必须匹配ADC和目标信号的满量程范围。
审核编辑:郭婷
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