选择高速,高性能Digitizer(数据采集卡)的关键因素

在机器视觉行业中，我想介绍一个看似奇怪的模拟I / O接口板。通常，测量温度，压力，流量，振动等的传感器很容易在周围环境中使用，输出模拟信号，并且用于控制的执行器大多使用模拟信号进行操作。但是，为了在用于测量和检查的PC中处理模拟信号，需要将模拟信号转换为数字信号的接口板。本文介绍了在这些应用中使用的日本的AVALDATA的高速，高性能数字化仪板，并讨论了选择数字化仪板的重要因素。
AVALDATA的高速模拟板（Express Converter）系列专为要求采样率在20Msps至1Gsps范围内的测量，测试和通信设备而设计。 这样，可以通过将高速ADC(Analog to Digital Conversion) 设备和AVALDATA的PCI Express IP Core技术结合起来让数据传输到PC，而不会丢失数据。一些型号向客户开放了板载FPGA的一部分，从而可以对其进行定制以满足他们的需求。

1. 示波器与Digitizer板

首先，为帮助那些刚接触Digitizer板的人，让我们看一下示波器的特性，优点和缺点，示波器广泛用于工业测量。

图片1. 示波器

图片2. 数据采集卡

示波器主要用于对电子电路进行故障排除，最近，高速电子电路提供了采样率超过100 Gsps的高速模型。 分辨率大多数为8位，用于检查问题时序的波形信息，但由于没有外部接口，因此不适合传输数据的应用程序。

上图片2是AVALDATA的PCI Express类型，可以安装在PC上。 尽管采样率约为20M〜1Gsps，但它具有12〜16bit的高分辨率，适用于需要高SNR的信号分析。 另外，由于具有高速接口，因此可以将数据连续地传输到外部，因此可以在检查装置，测量装置，图像分析装置等许多领域中使用。

2. 数据采集卡选择标准

根据采样率和信号带宽选择Digitizer板时，信号带宽即Digitizer板可以输入的频率范围将成为确定采样率的重要点。 选择板。 下面让我们看一下采样率和信号带宽之间的关系。

采样率 Rate : 200MSps

图片3. 从输入信号采样的波形

这些图是通过使用AVALDATA的数字化仪板以200Msps采样率采样5个不同的输入信号（10MHz，50MHz，100MHz，150MHz，190MHz）而获得的波形。而且Digitizer板的信号带宽设置为DC~200MHz。输入信号为采样率的1/20的 Case1:10MHz和190MHz显示出较高的信号重现性，并且可以从视觉上看到信号的幅度。这两种输入信号的波长是一致的。在对应于1/4的Case2（50MHz）和对应于1/2的Case3（100MHz）中，信号再现性较低，并且很难直观地检查原始信号的状态。 此外，将信号速度提高到150MHz完全可以消除信号的幅度，这类似于对50MHz信号进行采样。

3. 快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)

在以前的测试中，150MHz和50MHz，190MHz和10MHz显示了相同的结果，但是如果运行快速傅立叶变换，则可以更详细地了解这种现象。在200MHz的采样率下，将输入信号设置为190MHz会导致最初的10MHz点上最初不存在的频率。通过将采样频率部分向内折叠一半，将采样频率向内和向外折叠来复制这种关系。这种复制在逻辑上沿高频方向继续，这种现象称为混叠(Aliasing)现象。

图片 4. FFT 分析

4. Digitizer板的关键性能 (APX-5360G3, 1.8GSps, 12bit 标准)

AVALDATA的Digitizer板APX-5360的规格包括一个低通滤波器(Low pass filter)，该滤波器在900Mhz时衰减-3dB（约30％），采样率为1.8Gsps，50％为1.8Gsps。其他公司的Digitizer板还配备了低通滤波器或带通滤波器(Band pass filter)，以减弱混叠，防止混叠的滤波器也称为抗混叠滤波器(Anti-aliasing filter)。

抗混叠滤波器(Anti-aliasing Filter) ? 
由于抗混叠滤波器的截止频率取决于Digitizer板的制造商，因此有必要选择宽带Digitizer板而不是要测量的信号的频率。 对于AVALDATA的数字化仪板，防混叠滤波器的截止频率-3dB被设置为适用于广泛客户的每个数字化仪板的奈奎斯特频率(Nyquist frequency)。

表 1. APX-5360产品的规格

5. Digitizer板上的噪声性能指标

数字化仪板噪声有四个性能指标：首先，无杂散动态范围（SFDR）是指输入信号与下一个最高频率的比率，还包括由于输入信号引起的高频分量。有效位数（ENOB）是指示有效位数的索引，可以使用SINAD计算ENOB。

1. SNR(Signal to Noise Ratio)是输入信号与其他频率分量的比值。高频成分被排除在噪声之外。理想的正弦波会产生一个高频分量，但是如果信号具有任何非线性，则会分解为重复频率和高频分量。高频被排除在噪声分量之外，因为它被认为是输入信号本身的原因。
2. SINAD(Signal to Noise And Distortion Ratio）是对包括高频和其他频率分量的输入信号之比的计算，并且始终低于SNR。
3. SFDR(Spurious Free Dynamic Range)是指输入信号与下一个最高频率的比率，还包括由于输入信号引起的高频分量。
4. ENOB(Effective number of bits)是指示有效位数的索引，可以使用SINAD计算ENOB。
   

   ENOB = (SINAD – 1.76) / 6.02

根据表1中列出的规格，APX-5360的分辨率为12位，SNR为56.3 dB。
假设输入信号的值为1，则噪声分量的总量约为0.001531。

6. 分辨率和SNR

분高分辨率数字转换器板可用于实现高SNR。 如果要测量的信号幅度较大，则没有问题，但是，如果您测量的数字信号比数字化仪板的满量程小约-40dB（约1％），即使Digitizer板在满量程输入下的性能为-70dB，SNR也不会受到影响。 -30dB的输入信号。 通常，众所周知，当信号电平不高于噪声时，信号电平不高于5〜6dB很难判断，因此，要测量的信号电平越小，SNR高的Digitizer板的频率分析越好。

频谱强度以dB为单位表示。 在数字转换器板上，该值表示与输入信号相比的噪声量，在-40dB时表示为1/100，在-80db时表示为1/10000，该值越大，性能越好。 在dB的情况下，相对值是没有意义的，与其他值进行比较是没有意义的。

图片 5. 频谱图

Decibel(dB) 关于记号

采用PCI Express接口的解决方案将继续加速。 PCI Express目前正在从2.0升级到3.0、4.0，并且内存从DDR4升级到DDR5，Digitizer板也将很快面市，其5GSps以上的ADC和能够同时对500MHz和16bit的四个通道进行采样的产品。 将来，在考虑高性能Digitizer板时，除了上述性能外，还必须考虑信号之间的同步误差，如何使用外部时钟以及需要通过FPGA处理信号的必要性。