5.采样信号量化误差分析

实验五采样信号量化误差分析

一. 实验目的

1. 通过本实验熟悉a/d、d/a变换中的量化误差。

2. 了解a/d、d/a器件位数与量化误差的关系。

二. 实验原理

把连续时间信号转换为与其相对应的数字信号的过程称之为模-数（a/d）转换过程，反之则称为数-模（d/a）转换过程，它们是数字信号处理的必要程序．一般在进行a/d转换之前，需要将模拟信号经抗频混滤波器预处理，变成带限信号，再经a/d转换成为数字信号，最后送入数字信号分析仪或数字计算机完成信号处理．如果需要，再由d/a转换器将数字信号转换成模拟信号，去驱动计算机外围执行元件或模拟式显示、记录仪等。

a/d转换包括了采样、量化、编码等过程，其工作原理如图5.1所示。

图5.1 信号a/d转换过程

1）采样--或称为抽样，是利用采样脉冲序列p(t)，从连续时间信号x(t)中抽取一系列离散样值，使之成为采样信号x（nts）的过程．n= 0，1…．tst称为采样间隔，或采样周期，1／ts = fs 称为采样频率。

由于后续的量化过程需要一定的时间τ，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间τ内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。

2）量化--又称幅值量化，把采样信号x（nts）经过舍入或截尾的方法变为只有有限个有效数字的数，这一过程称为量化。若取信号x（t）可能出现的最大值a，令其分为d个间隔，则每个间隔长度为r=a/d，r称为量化增量或量化步长。当采样信号x（nts）落在某一小间隔内，经过舍入或截尾方法而变为有限值时，则产生量化误差，如图5.2所示。

一般又把量化误差看成是模拟信号作数字处理时的可加噪声，故而又称之为舍入噪声或截尾噪声。量化增量d愈大，则量化误差愈大，量化增量大小，一般取决于计算机a/d卡的位数．例如，8位二进制为28=256，即量化电平r为所测信号最大电压幅值的1／256。

图5.2 信号的6等分量化过程

3）编码--将离散幅值经过量化以后变为二进制数字的过程。

信号x(t)经过上述变换以后，即变成了时间上离散、幅值上量化的数字信号。

本实验采用软件模拟的方法来演示不同等分情况下对数据采集的影响。

三. 实验仪器和设备

1. 计算机 n台

2. drvi快速可重组虚拟仪器平台 1套

3. 打印机 1台

四. 实验步骤及内容

1. 启动服务器，运行drvi主程序，开启drvi数据采集仪电源，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。联机注册成功后，分别从drvi工具栏和快捷工具条中启动"drvi微型web服务器"和"内置的web服务器"，开始监听8500和8600端口。

2. 打开客户端计算机，启动计算机上的drvi客户端程序，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器ip地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。

3. 在drvi软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器ip地址:8600/gccslab/index.htm"，打开web版实验指导书，在实验目录中选择"采样信号量化误差分析"实验，根据实验原理和要求设计该实验。

4. 该实验首先需要设计一个正弦信号发生器，来提供原始信号，drvi中提供了一个"数字信号发生器"芯片，将其中的"信号类型"设置为2就可以产生正弦信号，再用一片"启/停按钮"芯

片控制信号是否产生；为计算信号的量化误差，需要添加一片"信号量化误差计算"芯片，同时，为了便于对等分数的选择，使用一片"数字调节按钮"芯片，并将其步长设置为2；另

外选择二片"波形/频谱显示"芯片，用于显示原始波形和经量化误差芯片处理后的波形；最后根据连接这些芯片所需的数组型数据线数量，插入2片"内存条"芯片，扩展2条数组型数据线，用于存储动态数据；再加上一些文字显示芯片和装饰芯片，就可以完成"采样信号量

化误差"实验的设计过程。所需的虚拟仪器软件芯片数量、种类、与软件总线之间的信号流动和连接关系如图5.3所示，根据该原理设计图在drvi软面包板上插入上述软件芯片，然后修改芯片属性窗中相应的连线参数就可完成该实验的搭建过程。

图5.3 采样信号量化误差实验原理设计图

5. 对于"数字调节按钮"芯片，将其最大值设置为64，最小值设置为2，"步长"设置为2即

每调节一次数字跳变数为2，"输入线号"设置为2即和"信号量化误差计算"芯片的"满量程等分数线号"的值相同，使得每改变一次"数字调节按钮"的数值，就相应的改变"信号量化误差计算"芯片的等分计算数值，同时，修改"信号量化误差计算"芯片的"输入波形存储芯片号"为6000，"输出波形存储芯片号"为6001，在此特别举例说明设置方法。

图5.4 "数字调节按钮"芯片参数设置样例图5.5 "信号量化误差计算"芯片参数设置样例

6. 也可以点击附录中"该实验脚本文件"的链接，在弹出的浏览器窗口中用"全选"功能选择所有脚本信息，然后选?quot;复制"。返回到drvi的客户端，点击客户端软件快捷工具条中的"粘贴ic 资源脚本"图标，将本实验的脚本文件贴入并启动该实验。实验效果图如图5.6所示。

图5.6 采样信号的量化误差实验

7. 点击"采样信号量化误差"实验中的"运行"按钮，然后在"等分数"选择框中选择各种不同的等分数，并分析和观察等分数从低到高时量化误差的大小和对信号波形的影响。

五. 实验报告要求

1. 简述实验目的和原理。

2. 根据实验要求整理实验原理设计图。

3. 根据实验中的数据结果分析采样分辨率对信号转换精度的影响。

六. 思考题

1. 常用的a/d转换器件的位数有那几种，以输入的模拟电压的变化范围为-5v—+5v之间，对于几种不同的位数，其分辨率和转换精度分别为多少？

2. 实际测量中是否a/d转换器件的位数越高越好，如何合理的选择一个a/d转换器件？