土木工程检测大众科普—如何选择A/D转换器

所谓信号，是运载传递消息的载体。古时，人们升起狼烟，传递危机，这属于光信号；现代人，通过无线电发送消息，这属于电信号。人们只有通过接收不同的信号，才能知道外界的消息。

在电子仪器中，我们将随时间连续变化的电信号，叫做模拟信号，而随着电子计算机技术的出现和发展，人们迫切需要一种计算机能够识别的电信号（计算机无法直接识别模拟信号），这时，数字信号就出现了。所谓数字信号，是指自变量是离散的、因变量也是离散的信号。数字信号有便于存储，计算，传输，抗干扰能力强等优点，并在现在社会得到了越来越广泛应用，MP3播放器取代磁带录音机，数码相机取代胶卷相机就是数字信号很好的应用。而我们生活的四维时空，大部分信号源产生的都是模拟信号，要想将信号源产生的信号数字化，就需要经过三个步骤：抽样、量化和编码。

我们以检测仪器中的模拟电压信号数字化为例：

1.抽样：既是每隔一定的时间间隔t，抽取模拟信号的瞬时幅值，抽样后得出的一系列在时间上离散的抽样值称为抽样序列。

2.量化：抽样结束后，取得瞬时幅值还是模拟的，这时就要对幅值进行离散化（取整）处理，这个过程就是量化。由于计算机采用的是二进制，因此大部分量化计算都以XX二进制位（bit）描述。

3.编码：以二进制编码脉冲的形式，将抽样量化后的信号进行数字编码，就完成了信号数字化的工作。

在土木工程检测中，完成上述模拟信号数字化的元件，就是A/D（Analog/Digital）转换器，其主要性能参数有：采样频率，采样精度，转换速度，功耗等。

采样频率，就是抽样时间间隔t的倒数。奈奎斯特采样定理指出，当采样频率f_s大于信号中最高频率f_max的2倍时，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。一般实际应用中，保证采样频率在4倍以上为佳。常见的工程检测中，通过激振在混凝土、岩土中产生的冲击弹性波，其频率都在50kHz以内，因此保持采样频率在200kHz以上，就能高保真实现冲击弹性波信号的采集；超声波和雷达，由于都是检测仪器自发自收，故其采样频率只需与发射频率（超声波一般发射频率为50kHz）自行匹配即可。特别是在国产雷达中，利用雷达天线产生信号重复、稳定的特点，采取等效采样的方法，实现了低采样频率采集高频信号。

采样精度，就是单位数字量对应的模拟信号的值。它是由满量程除以2n（n为A/D转换器的二进制位数）来算出，通常以n位来描述。那么，在常见的工程检测中，我们需要达到什么水平喃？这里我们以满量程10V，通道增益固定的仪器为例，在电子仪器常用测量中的函数信号发生器（信号源），其最小输出为mV级，那么有：0.001>10/2ⁿ

n只需不小于14，即可满足上式。

在锚杆（GB/T50344-2004）和基桩（JGT 3055-1999）规范中，都明确说明A/D转换器分辨率≥16位，即为最高等级性能。在超声波与雷达仪器中，由于其通道增益可随时调节，故量程不固定，单纯讨论位数无意义。

转换速率，是指将一次模拟量转换成数字量所需要的速率。其只有转换速率不小于采样速率，才能保证采样正常进行。因此，在正常工作的A/D转换器中，我们认为转换速率等于采样速率也是可以的。

由上可见，A/D转换器的采样频率与二进制位数越高，其对信号的原始信息保存就越完整。但一味的追求二者的高性能，一容易造成性能过剩，二会增加A/D转换器功耗，加大发热，进而有影响检测仪器长期使用的稳定性。根据实际检测情况（如在低频信号检测时（像应力应变测试、基桩低应变等），就可选择高位数的采集卡），合理选用合适性能的A/D转换器才是正确的做法。

参考资料

1.冲击弹性波理论与应用

2.JJG 990-2004 声波检测仪检定规程

3.JJG 840-20015 函数发生器检定规程

4.GB／T50344-2004建筑结构检测技术标准

5.JGT 3055-1999 基桩动测仪