沖擊信號特征

?主要特征：●? 極陡的前沿上升時(shí)間●??類似方波階躍信號●??超寬頻帶范圍

? ? ? 針對沖擊信號的典型特征，對沖擊信號進(jìn)行采集時(shí)，要想采集到完整的、最接近真實(shí)信號的數(shù)據(jù)，對采集設(shè)備的A/D轉(zhuǎn)換器的類型、采樣頻率、放大器帶寬等多項(xiàng)指標(biāo)均存在很高的要求。
A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

常見的A/D轉(zhuǎn)換器有兩種：

1、 Σ-Δ ADC轉(zhuǎn)換器

2、逐次逼近型（SAR）A/D轉(zhuǎn)換器

Σ-Δ ADC轉(zhuǎn)換器的模擬部分是一個(gè)1bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），就是一個(gè)非常簡單的比較電路。大多數(shù)工作由數(shù)字部分通過過采樣濾波完成，降低了芯片的制造成本。

Σ-Δ轉(zhuǎn)換器在過采樣的1bit數(shù)據(jù)流上進(jìn)行重復(fù)濾波和采樣，以“建立”一個(gè)更高精度的24bit波形。濾波和采樣在芯片內(nèi)部自行完成。

?Σ-Δ轉(zhuǎn)換器方框圖

? ? ? 內(nèi)置數(shù)字濾波器擁有較理想的通帶平坦度和阻帶高衰減的特性，陡峭濾波器允許系統(tǒng)的帶寬非常接近奈奎斯特頻率（例如一個(gè)200kS/s數(shù)字轉(zhuǎn)換器是90kHz），同時(shí)去掉截止頻率以上的混疊頻率。除消費(fèi)類音頻外，具有這些特性的Σ-Δ ADC還可用于諸如FFT分析儀之類的頻域儀器。
? ? ? 但同時(shí)也因配有內(nèi)置陡峭濾波器，使得Σ-Δ轉(zhuǎn)換器不適用于沖擊信號這類階躍響應(yīng)的比較重要的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。

? ? ? 物理學(xué)決定了陡峭濾波器會(huì)在某個(gè)時(shí)域階躍上不可避免地產(chǎn)生大的上沖和下沖。上沖被稱為吉布斯現(xiàn)象，會(huì)在電壓階躍處造成最高可達(dá)20%的測量誤差。

? ? ? 接下來用一個(gè)典型瞬態(tài)波形的示例來闡述Σ-Δ ADC為什么不能用于一般用途的數(shù)據(jù)采集使用。

? ? ? 上圖的波形是一個(gè)上升迅速，下降較慢的示例脈沖。之所以拿這種波形作為示例是因?yàn)椴牧显囼?yàn)、彈道學(xué)、碰撞、開關(guān)裝置、機(jī)電學(xué)和電子應(yīng)用等眾多測試的典型特征。右邊（紅色的）波形是采用逐次逼近型（SAR）A/D轉(zhuǎn)換器獲得的，左邊（藍(lán)色的）嚴(yán)重失真的波形是采用Σ-ΔADC或使用陡峭濾波器數(shù)字化后的相同信號，很明顯藍(lán)色波形振幅誤差超過13%，這樣的測量數(shù)據(jù)是不可靠的。盡管Σ-Δ能夠提供頻域高精度，但是其對于階躍信號最高可達(dá)20%的未知振幅誤差意味著也許僅獲得2bit的實(shí)際精度！

? ? ? 不僅是Σ-Δ失真，振幅誤差超出可接受范圍，還存在易多變的問題。在數(shù)據(jù)不可靠以及多變的情況下，再高的AD位數(shù)都是毫無意義的。

? ? ? 逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器則不受此影響。

SAR型A/D

Σ-Δ型24bit A/D轉(zhuǎn)換器

? ? ? 低成本、高精度的Σ-Δ型24bit A/D轉(zhuǎn)換器是頻域或音頻應(yīng)用上的絕佳選擇，能提供卓越的動(dòng)態(tài)表現(xiàn)和性能。

? ? ? 但多變和不確定達(dá)20%的過沖，決定了Σ-ΔA/D對于爆破、沖擊等現(xiàn)場應(yīng)用的局限，而傳統(tǒng)的SAR型AD可為這類信號的精確測量提供更好的解決方案。

放大器寬帶的影響
? ? ? 沖擊信號的上升沿比較陡峭，頻率范圍比較寬，因此采集設(shè)備需要足夠高的采樣頻率來記錄信號。但是，僅僅提高采樣頻率是不夠的，放大器頻寬這個(gè)重要指標(biāo)決定了寬頻特征的物理信號能客觀真實(shí)被放大。如果采集設(shè)備的頻寬不夠，那么再高的采樣頻率，都無法將信號真實(shí)的記錄下來，同時(shí)也會(huì)使采集階躍信號時(shí)的吉布斯現(xiàn)象更加明顯，造成信號失真。

? ? ? 綜上所述，對于沖擊信號的測量，采集設(shè)備使用傳統(tǒng)的逐次逼近型(SAR) AD轉(zhuǎn)換器比Σ-ΔADC轉(zhuǎn)換器更合適，同時(shí)設(shè)備的放大器帶寬應(yīng)當(dāng)足夠高，才能保證沖擊信號能夠有效、真實(shí)的采集和記錄下來。

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