兩種A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

顧頌琦， 姜 政， 黃宇營， 翁正新

(1.上海交通大學(xué) 自動化系，上海 200240;2.中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204)

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兩種A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究

顧頌琦1,2， 姜 政2， 黃宇營2， 翁正新1

(1.上海交通大學(xué) 自動化系，上海 200240;2.中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所，上海 201204)

在直接型A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了電壓頻率變換型的間接型A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在兩者性能對比分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)和XAFS實(shí)驗(yàn)圖譜質(zhì)量分析，結(jié)果是間接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)積分特性更適合普通的XAFS譜數(shù)據(jù)采集，而直接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的快速響應(yīng)更適合快速XAFS譜數(shù)據(jù)采集。

A/D轉(zhuǎn)換器； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； XAFS

0 引 言

近幾十年來，同步輻射裝置發(fā)展迅速，從第一代發(fā)展到第二代、第三代，光子通量提高了幾個數(shù)量級，先進(jìn)光源要對實(shí)驗(yàn)研究充分發(fā)揮作用，必須依賴探測器技術(shù)和電子學(xué)設(shè)備的相應(yīng)發(fā)展[1]。模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器是同步輻射各個實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)重要的電子學(xué)設(shè)備，不同的A/D轉(zhuǎn)換器有不同的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)站數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中發(fā)揮不同的作用。因此，選擇適合的A/D轉(zhuǎn)換器至關(guān)重要。

以同步輻射吸收譜學(xué)(XAFS)實(shí)驗(yàn)站[2]為例。第一代北京同步輻射XAFS實(shí)驗(yàn)站的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是間接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(V/F和計(jì)數(shù)器系統(tǒng))[3]，后來發(fā)展了快速掃描XAFS譜(QXAFS)系統(tǒng)，采用直接型A/D轉(zhuǎn)換器(快速采集卡)[4]。第三代上海同步輻射XAFS實(shí)驗(yàn)站，在建站初期采用直接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要考慮直接型A/D轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度比較快，這樣可以兼顧普通XAFS[5]方法和QXAFS方法[6]。但是隨著實(shí)驗(yàn)站設(shè)備的不斷增多，實(shí)驗(yàn)環(huán)境不斷惡化，直接型A/D轉(zhuǎn)換器抗干擾差的特點(diǎn)突顯出來。加上用戶對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信噪比的要求不斷提高，在普通XAFS譜采集過程中，直接型A/D轉(zhuǎn)換器的占空比問題是否會影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量？另外，其它探測器設(shè)備的電子學(xué)讀出大多采用計(jì)數(shù)器方式，那么選用具有積分特性的間接型A/D轉(zhuǎn)換器匹配效果是否會更好？為此，開發(fā)了間接型A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并對這兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行了比較研究。

1 兩種類型A/D轉(zhuǎn)換器的性能分析

A/D轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域，其將傳感器或者探測器的模擬信號，經(jīng)過處理，變?yōu)橛?jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字信號[7]。目前常用的A/D轉(zhuǎn)換器有兩種，一種是直接型A/D轉(zhuǎn)換器，把輸入的模擬電壓直接轉(zhuǎn)換為輸出的數(shù)字量而不需要經(jīng)過中間變量。例如，上海光源XAFS站目前使用的General Standards公司的PMC66-16AISS8AO4。這種A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速度快，但是要提高轉(zhuǎn)換精度，需要很復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。另一種是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，大部分是電壓時間變換型(V-T)和電壓頻率變換型(V-F)。SSRF XAFS站采用的是電壓頻率變換型A/D轉(zhuǎn)換器，配合使用的還有一款計(jì)數(shù)器，具體型號分別是日本Tsuji公司的SN2VF-01和NCT08-01B。這個A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的原理是首先把輸入的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為與之成正比的頻率信號，然后在一個固定的時間間隔里對得到的頻率信號計(jì)數(shù)，所得到的計(jì)數(shù)結(jié)果正比于輸入模擬電壓的數(shù)字量。這種A/D轉(zhuǎn)換器的最大優(yōu)點(diǎn)是工作性能比較穩(wěn)定，抗干擾能力比較強(qiáng)。但是因?yàn)榉e分累加需要時間，轉(zhuǎn)換速度低[8]。

無論是直接型還是間接型A/D轉(zhuǎn)換器，有三個重要性能指標(biāo)：分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換速度。下面將結(jié)合XAFS實(shí)驗(yàn)站采用的兩款A(yù)/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比較。

A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率指其能夠分辨量化的最小信號的能力，通常用二進(jìn)制位數(shù)表示。分辨率越高，其轉(zhuǎn)換結(jié)果越精確，得到的數(shù)字信號越接近原輸入的模擬信號。直接型A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是確定的，作為重要指標(biāo)標(biāo)注在產(chǎn)品說明書上。XAFS站使用的PMC66-16AISS8AO4的分辨率是16位。而間接型A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率是可變的，以電壓頻率變換型[9]為例,

其中:Ts為采樣周期;D為輸出(數(shù)字量);Fmax為滿量程最大輸出頻率。p對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)。SN2VF的Fmax=1 MHz。當(dāng)Ts=0.1 s，p=16.6。顯然，Ts越大，p的值也越大，分辨率也越高。

轉(zhuǎn)換誤差通常以相對誤差形式給出，它表示實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論輸出的數(shù)字量之間的誤差。轉(zhuǎn)換誤差越小，轉(zhuǎn)換精度越高。PMC66ADC在±10 V量程下的綜合誤差是±5 mV，SN2VF的線性誤差是小于±0.02%。可見SN2VF的誤差明顯要比PMC66ADC小。

轉(zhuǎn)換速度，即每轉(zhuǎn)換一個數(shù)據(jù)需要的時間，它取決于轉(zhuǎn)換電路的類型。一個8位直接型ADC的轉(zhuǎn)換速度在50 ns內(nèi)，而一個間接型ADC的轉(zhuǎn)換速度在10～100 ms。從轉(zhuǎn)換速度的角度，直接型的A/D轉(zhuǎn)換器優(yōu)勢明顯。但是在XAFS實(shí)驗(yàn)站步進(jìn)式的普通采集模式下，SN2VF完全能夠滿足實(shí)驗(yàn)的需求。

2 間接型A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

上海光源XAFS實(shí)驗(yàn)站間接型A/D系統(tǒng)由電離室、電流放大器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)采集電腦組成，系統(tǒng)框圖見圖1。整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的抗干擾能力得到提升。一方面，給A/D轉(zhuǎn)換模塊供電的機(jī)箱放在實(shí)驗(yàn)棚內(nèi)，使電離室出來的模擬信號在3 m內(nèi)連接到A/D轉(zhuǎn)換模塊上，有效地降低了模擬信號的衰減。另一方面，A/D轉(zhuǎn)換模塊SN2VF和計(jì)數(shù)器模塊NCT08-01B，插在同一個機(jī)箱里，兩者間的連線只有0.5 m，避免了長距離傳輸產(chǎn)生的噪音干擾。計(jì)數(shù)器模塊出來的信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖1 間接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)框圖

A/D轉(zhuǎn)換器模塊采用NI(National Instruments)公司的labVIEW編寫，開發(fā)了一系列的子程序，方便整個采集程序的調(diào)用。圖2為A/D模塊采集數(shù)據(jù)的程序片段，包括開始采集，計(jì)數(shù)器模塊，讀取數(shù)據(jù)，保存數(shù)據(jù)等。所有的電機(jī)程序由上海光源統(tǒng)一的EPICS(Experimentaland Physics Industrial Control System)軟件編寫，兩者之間的通訊則通過LabVIEW的DSC 插件(Datalogging and Supervisory Control Module)。編寫完成后的采集程序界面如圖3所示，labVIEW界面簡潔和友好，方便用戶操作和使用。

步進(jìn)式的普通XAFS掃描模式，屬于一種能量點(diǎn)掃描模式，具體詳見圖4的普通XAFS掃描的流程圖。在一次普通XAFS采譜中，系統(tǒng)初始化后，DCM(雙晶單色器)轉(zhuǎn)動到設(shè)定的初始能量點(diǎn)，然后A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行兩個電離室的數(shù)據(jù)采集工作。采集結(jié)束后，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理和顯示，再將DCM轉(zhuǎn)動到達(dá)下一個能量點(diǎn)，繼續(xù)進(jìn)行相同的步驟，直到DCM走到最終的能量點(diǎn)，采集結(jié)束，系統(tǒng)關(guān)閉。

圖2 A/D模塊采集數(shù)據(jù)的程序片段

圖3 XAFS實(shí)驗(yàn)站透射模式數(shù)據(jù)采集界面

圖4 普通XAFS掃描的流程圖

3 兩種A/D系統(tǒng)的比較和分析

在實(shí)驗(yàn)中，直接型A/D轉(zhuǎn)換器PMC66-16AISS8AO4采用500 k采樣率，間接型A/D轉(zhuǎn)換器SN2VF采用10V～1MV檔位。同一組實(shí)驗(yàn)條件相同。

3.1 第一組實(shí)驗(yàn)

測試電離室出來的恒定信號，利用STDEV(標(biāo)準(zhǔn)誤差)函數(shù)來評估數(shù)據(jù)對于平均值的離散程度。在相同的實(shí)驗(yàn)背景下，對同一個電離室信號進(jìn)行測試。采用10 ms的積分時間和1 s的積分時間，分別測試三組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)量為10 000。考慮到一個是電壓信號，一個是計(jì)數(shù)信號，數(shù)值不在同一個量級，因此對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化處理。

表1是兩個A/D系統(tǒng)STDEV標(biāo)準(zhǔn)誤差的比較，在積分時間相同的情況下，間接型A/D的標(biāo)準(zhǔn)誤差要略好于直接型的標(biāo)準(zhǔn)誤差。對于同一個系統(tǒng)，積分時間越大，標(biāo)準(zhǔn)誤差越小。

3.2 第二組實(shí)驗(yàn)

透射模式下的XAFS掃描。透射模式是一種樣品濃度高，信號強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)方法。采用積分時間1 s，各采集三遍。在相同的實(shí)驗(yàn)背景下，對濃度約為5%的銅樣品進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用XAFS領(lǐng)域常用的Athena軟件進(jìn)行分析，首先將同一系統(tǒng)的三組數(shù)據(jù)取平均，然

表1 兩個A/D系統(tǒng)STDEV標(biāo)準(zhǔn)誤差的比較 %

后在能量譜的E空間(參見圖5)和傅里葉變換的k空間(參見圖6)進(jìn)行信噪比的分析。

圖5 銅樣品的能量譜比較

圖6 銅樣品譜的k空間比較

在透射模式下，兩個系統(tǒng)采集的XAFS圖譜在能量譜上都具有較好的信噪比，且重合度高。但在傅里葉變換的k空間上，可看出間接型A/D轉(zhuǎn)換器在7～10段的高k空間，光滑度比直接型A/D轉(zhuǎn)換器要好。

3.3 第三組實(shí)驗(yàn)

熒光模式下的XAFS掃描。熒光模式是一種樣品濃度低，信號弱的實(shí)驗(yàn)方法。熒光模式的系統(tǒng)框圖參見圖7，一路信號從電離室出來進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，另一路信號是從樣品處出來的熒光信號，進(jìn)入計(jì)數(shù)型熒光探測器[10]，然后兩個信號相除形成最后的采集圖譜。采用積分時間3 s，各采集三遍。在相同的實(shí)驗(yàn)背景下，對濃度約為0.1%的銅樣品進(jìn)行測試，處理和分析方法同實(shí)驗(yàn)二。

圖7 普通XAFS掃描熒光模式

在熒光模式下，兩個系統(tǒng)采集的XAFS圖譜在能量譜上重合度高(見圖8)。從圖9可見，經(jīng)過傅里葉變換的k空間上，k=7以后噪音明顯，比透射模式下另外一個銅樣品的k空間圖譜信噪比明顯下降，原因是熒光模式下信號強(qiáng)度降低導(dǎo)致的。而直接型A/D轉(zhuǎn)換器和間接型A/D轉(zhuǎn)換器在譜圖質(zhì)量上沒有區(qū)別。下面從XAFS譜的信噪比來分析其原因。

圖8 熒光模式下兩種A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采集的濃度0.1%銅樣品的能量譜比較

圖9 熒光模式下兩種A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采集的濃度0.1%銅樣品譜的K空間比較

一般講XAFS譜中有用的信息Δμ(吸收系數(shù)的振蕩部分)只占總吸收強(qiáng)度的百分之幾，因此噪聲級別需要控制在百萬分之幾的量級。如Grant Bunker 在《Introduction To XAFS》[11]中指出，單個數(shù)據(jù)點(diǎn)的有效計(jì)數(shù)在106～107時，信噪比為1～3×103，譜的質(zhì)量較好。漲落誤差δ是評價XAFS譜的一個很重要的指標(biāo)，

4 結(jié) 語

本文開發(fā)的間接型A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)投入使用。實(shí)驗(yàn)分析與研究表明：間接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的抗干擾能力比較強(qiáng)，可以通過增加積分時間來提高數(shù)據(jù)精度[14]，比較適合上海光源XAFS實(shí)驗(yàn)站的普通XAFS譜掃描；相同積分時間下，間接型A/D轉(zhuǎn)換器采集的譜信噪比更好；在快速XAFS譜掃描中，整個采集過程在分鐘量級，間接型A/D轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度不適合此類采集[15]，若降低積分時間，將導(dǎo)致整個系統(tǒng)的分辨率下降，降低了數(shù)據(jù)的信噪比，因此，采用直接型A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)更為合適。

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Research on Two Kinds of Data Acquisition Systems for A/D Conversion

GUSong-qi1,2，JIANGZheng2，HUANGYu-ying2，WENGZheng-xin1

(1. Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China; 2. Shanghai Institute of Applied Physics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201204, China)

A new data acquisition system which is a indirect voltage-to-frequency A/D converter is developed based on the old direct A/D converter. After comparing theoretically the performances of the two systems, comparative experiments and analyses of the XAFS experimental spectrums are completed. It is found that the indirect A/D conversion system is suitable for ordinary XAFS spectrum data collection, and the direct A/D conversion system is suitable for rapid XAFS spectrum data collection.

A/D converters; data acquisition system; XAFS

2016-01-15

顧頌琦(1984-)，女，浙江嘉興人，碩士,工程師,主要負(fù)責(zé)XAFS實(shí)驗(yàn)站控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

Tel.:13636598881;E-mail:gusongqi@sinap.ac.cn

TP 27；TL 8

A

1006-7167(2016)09-0144-04