您真正需要多大的ADC分辨率

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