A/D高速采集模擬信號(hào)的閾值設(shè)定

引 言
    A/D轉(zhuǎn)換接口電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前向通道中的一個(gè)環(huán)節(jié)，它的作用是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號(hào)，是一般控制系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)之一。人們有時(shí)需要對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)設(shè)定一個(gè)閾值作為判斷和處理的依據(jù)，例如設(shè)置一個(gè)閾值并使之與A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果相比較，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)結(jié)果大于或小于該閾值時(shí)，作為開始或結(jié)束某一操作的判斷依據(jù)。但是如果這個(gè)閾值設(shè)置不合理，就會(huì)引出問題。

    圖1是某項(xiàng)工程中傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后所得數(shù)據(jù)描繪出的部分圖形，根據(jù)工程需要得出每個(gè)波峰的最大值及波形的個(gè)數(shù)。

    起初的解決方案是首先確定一個(gè)閾值(如O.2)，這個(gè)值的確定應(yīng)保證所有可能的波峰值都要大于此值。讀取A/D所采集的數(shù)據(jù)與確定的閾值相比較，當(dāng)有值大于該閾值時(shí)，表明一個(gè)波形的到來(lái)，并不斷通過(guò)比較得出最大值。然后判斷A/D的轉(zhuǎn)換值是否又重新小于該閾值，如果重新小于該閾值表明該波形即將結(jié)束，保存該最大值作為整個(gè)波形的最大值，并增加一個(gè)波形的個(gè)數(shù)。
 
    實(shí)踐證明該方法并沒有很好的解決問題，盡管大多數(shù)情況下可以準(zhǔn)確得出波峰的最大值以及波形的個(gè)數(shù)，但偶爾會(huì)發(fā)生得到的波形個(gè)數(shù)比實(shí)際波形多的情況。曾經(jīng)主觀的以為這是由于干擾造成的影響。但后來(lái)經(jīng)過(guò)對(duì)波形數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，多出來(lái)的波形的最大峰值全部集中在閾值附近，更改不同的閾值后產(chǎn)生了類似的情況，所以可以得出問題的產(chǎn)生和閾值的設(shè)定之間有著某種聯(lián)系。

1 原因分析
    通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，上述問題的產(chǎn)生并不是出在邏輯關(guān)系上，而是出在了實(shí)際工作中A/D的采樣精度及信號(hào)本身的問題上。下面從這兩個(gè)方面人手，分析產(chǎn)生上述問題的原因。

1.1信號(hào)的影響
    從采集到的數(shù)字信號(hào)所描繪的圖形(圖1)中可以看出有大量白噪聲的存在。即使對(duì)A/D轉(zhuǎn)換前的信號(hào)進(jìn)行了一定的濾波處理，轉(zhuǎn)化后的信號(hào)也會(huì)或多或少有噪聲的存在。對(duì)圖1中波形與閾值線的交匯處(這里以下降沿為例)進(jìn)行放大顯示，如圖2所示。

    由于高頻噪聲的存在，很可能產(chǎn)生圖2中所描繪的情形，即當(dāng)波形在下降過(guò)程中下降到閾值線以下時(shí)，有返回到閾值線以上的情形。A/D進(jìn)行高速的采樣，記錄下這一情形。按照最初設(shè)計(jì)方案的邏輯，當(dāng)波形下降到閾值線以下時(shí)，判斷為一個(gè)波形的結(jié)束；波形由閾值線以下上升超過(guò)閾值線時(shí)，認(rèn)為是一個(gè)波形的開始。于是在波形的下降過(guò)程中，把在閾值線附近的這次波動(dòng)作為一個(gè)新的波形記錄下來(lái)。由于這個(gè)波形是白噪聲引起的，變化幅值很小，一般情況下稍稍高過(guò)閾值線，所以多出的波形最大值就會(huì)集中在閾值附近，這與實(shí)際情況是相符的。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換精度的影響
    盡管一些A/D產(chǎn)品標(biāo)稱的不可調(diào)誤差≤1LSB，但在實(shí)際工程應(yīng)用中由于電源電壓、干擾等因素的影響很難達(dá)到上述精度，這也就是說(shuō)即使是對(duì)于理想中恒定不變的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的轉(zhuǎn)換值事實(shí)上也是圍繞該恒定的信號(hào)值上下波動(dòng)的。在本例中，當(dāng)信號(hào)下降至閾值附近時(shí)(假定信號(hào)純凈，不含任何雜波成分)，由于A/D轉(zhuǎn)換精度的影響，采得的數(shù)據(jù)同樣可能在閾值附近波動(dòng)，從而造成多記錄波形數(shù)據(jù)的結(jié)果。當(dāng)然，這種情況下多記錄的波形最大值受A/D轉(zhuǎn)換精度的影響，與信號(hào)本身因素引起的波形最大值相比，一般會(huì)更接近閾值。

2 解決辦法
    通過(guò)上述分析，雖然可以從降低信號(hào)噪聲和提高A/D轉(zhuǎn)換精度人手對(duì)問題加以解決，但這樣解決起來(lái)會(huì)相當(dāng)麻煩，特別是在精度等因素能夠滿足實(shí)際需要的條件下進(jìn)行上述的處理是相當(dāng)不可取的，因?yàn)楫?dāng)精度達(dá)到一定程度時(shí)再提高精度是非常困難的。

    解決上述問題有一個(gè)非常簡(jiǎn)便的方法：設(shè)置不同的閾值。

    首先對(duì)上升沿確定一個(gè)判別閾值，用以判別波形的開始。然后，對(duì)波形的下降沿設(shè)置另一個(gè)判別閾值用于判別一個(gè)波形的結(jié)束，兩者之間存在一個(gè)差值，并且保證上升閾值減去下降閾值之差要大于噪聲及A/D波動(dòng)的最大值(實(shí)際工作中把差值盡量取得大些)。這樣即使在下降閾值附近產(chǎn)生波動(dòng)(不管什么原因引起)，由于其峰值不能大于上升判別閾值，從而不致被誤認(rèn)為一個(gè)新波形的開始，也就不會(huì)增加誤判波形的可能性。在實(shí)際工程中，證明這一方法簡(jiǎn)單有效，很好地解決了波形誤判的問題。