两种A/D转换数据采集系统的研究

顾颂琦， 姜 政， 黄宇营， 翁正新

(1.上海交通大学 自动化系，上海 200240;2.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201204)



两种A/D转换数据采集系统的研究

顾颂琦1,2， 姜 政2， 黄宇营2， 翁正新1

(1.上海交通大学 自动化系，上海 200240;2.中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201204)

在直接型A/D转换数据采集系统的基础上，开发了电压频率变换型的间接型A/D转换数据采集系统。在两者性能对比分析的基础上，进行了对比实验和XAFS实验图谱质量分析，结果是间接型A/D转换系统积分特性更适合普通的XAFS谱数据采集，而直接型A/D转换系统的快速响应更适合快速XAFS谱数据采集。

A/D转换器； 数据采集系统； XAFS

0 引 言

近几十年来，同步辐射装置发展迅速，从第一代发展到第二代、第三代，光子通量提高了几个数量级，先进光源要对实验研究充分发挥作用，必须依赖探测器技术和电子学设备的相应发展[1]。模数(A/D)转换器是同步辐射各个实验站数据采集系统重要的电子学设备，不同的A/D转换器有不同的特点，在实验站数据采集系统中发挥不同的作用。因此，选择适合的A/D转换器至关重要。

以同步辐射吸收谱学(XAFS)实验站[2]为例。第一代北京同步辐射XAFS实验站的数据采集系统采用的是间接型A/D转换系统(V/F和计数器系统)[3]，后来发展了快速扫描XAFS谱(QXAFS)系统，采用直接型A/D转换器(快速采集卡)[4]。第三代上海同步辐射XAFS实验站，在建站初期采用直接型A/D转换系统，主要考虑直接型A/D转换器的响应速度比较快，这样可以兼顾普通XAFS[5]方法和QXAFS方法[6]。但是随着实验站设备的不断增多，实验环境不断恶化，直接型A/D转换器抗干扰差的特点突显出来。加上用户对实验数据信噪比的要求不断提高，在普通XAFS谱采集过程中，直接型A/D转换器的占空比问题是否会影响数据的质量？另外，其它探测器设备的电子学读出大多采用计数器方式，那么选用具有积分特性的间接型A/D转换器匹配效果是否会更好？为此，开发了间接型A/D转换的数据采集系统，并对这两种数据采集系统进行了比较研究。

1 两种类型A/D转换器的性能分析

A/D转换器广泛应用于数据采集领域，其将传感器或者探测器的模拟信号，经过处理，变为计算机可以处理的数字信号[7]。目前常用的A/D转换器有两种，一种是直接型A/D转换器，把输入的模拟电压直接转换为输出的数字量而不需要经过中间变量。例如，上海光源XAFS站目前使用的General Standards公司的PMC66-16AISS8AO4。这种A/D转换器的最大优点是转换速度快，但是要提高转换精度，需要很复杂的电路结构。另一种是间接型A/D转换器，大部分是电压时间变换型(V-T)和电压频率变换型(V-F)。SSRF XAFS站采用的是电压频率变换型A/D转换器，配合使用的还有一款计数器，具体型号分别是日本Tsuji公司的SN2VF-01和NCT08-01B。这个A/D转换系统的原理是首先把输入的模拟电压信号转换为与之成正比的频率信号，然后在一个固定的时间间隔里对得到的频率信号计数，所得到的计数结果正比于输入模拟电压的数字量。这种A/D转换器的最大优点是工作性能比较稳定，抗干扰能力比较强。但是因为积分累加需要时间，转换速度低[8]。

无论是直接型还是间接型A/D转换器，有三个重要性能指标：分辨率、转换误差、转换速度。下面将结合XAFS实验站采用的两款A/D转换器进行比较。

A/D转换器的分辨率指其能够分辨量化的最小信号的能力，通常用二进制位数表示。分辨率越高，其转换结果越精确，得到的数字信号越接近原输入的模拟信号。直接型A/D转换器的分辨率是确定的，作为重要指标标注在产品说明书上。XAFS站使用的PMC66-16AISS8AO4的分辨率是16位。而间接型A/D转换器的分辨率是可变的，以电压频率变换型[9]为例,

其中:Ts为采样周期;D为输出(数字量);Fmax为满量程最大输出频率。p对应的二进制数。SN2VF的Fmax=1 MHz。当Ts=0.1 s，p=16.6。显然，Ts越大，p的值也越大，分辨率也越高。

转换误差通常以相对误差形式给出，它表示实际输出的数字量和理论输出的数字量之间的误差。转换误差越小，转换精度越高。PMC66ADC在±10 V量程下的综合误差是±5 mV，SN2VF的线性误差是小于±0.02%。可见SN2VF的误差明显要比PMC66ADC小。

转换速度，即每转换一个数据需要的时间，它取决于转换电路的类型。一个8位直接型ADC的转换速度在50 ns内，而一个间接型ADC的转换速度在10～100 ms。从转换速度的角度，直接型的A/D转换器优势明显。但是在XAFS实验站步进式的普通采集模式下，SN2VF完全能够满足实验的需求。

2 间接型A/D数据采集系统设计

上海光源XAFS实验站间接型A/D系统由电离室、电流放大器、A/D转换模块、计数器和数据采集电脑组成，系统框图见图1。整个数据采集系统的抗干扰能力得到提升。一方面，给A/D转换模块供电的机箱放在实验棚内，使电离室出来的模拟信号在3 m内连接到A/D转换模块上，有效地降低了模拟信号的衰减。另一方面，A/D转换模块SN2VF和计数器模块NCT08-01B，插在同一个机箱里，两者间的连线只有0.5 m，避免了长距离传输产生的噪音干扰。计数器模块出来的信号通过网络传输到上位机。

图1 间接型A/D转换系统框图

A/D转换器模块采用NI(National Instruments)公司的labVIEW编写，开发了一系列的子程序，方便整个采集程序的调用。图2为A/D模块采集数据的程序片段，包括开始采集，计数器模块，读取数据，保存数据等。所有的电机程序由上海光源统一的EPICS(Experimentaland Physics Industrial Control System)软件编写，两者之间的通讯则通过LabVIEW的DSC 插件(Datalogging and Supervisory Control Module)。编写完成后的采集程序界面如图3所示，labVIEW界面简洁和友好，方便用户操作和使用。

步进式的普通XAFS扫描模式，属于一种能量点扫描模式，具体详见图4的普通XAFS扫描的流程图。在一次普通XAFS采谱中，系统初始化后，DCM(双晶单色器)转动到设定的初始能量点，然后A/D转换器进行两个电离室的数据采集工作。采集结束后，系统对数据进行实时处理和显示，再将DCM转动到达下一个能量点，继续进行相同的步骤，直到DCM走到最终的能量点，采集结束，系统关闭。

图2 A/D模块采集数据的程序片段

图3 XAFS实验站透射模式数据采集界面

图4 普通XAFS扫描的流程图

3 两种A/D系统的比较和分析

在实验中，直接型A/D转换器PMC66-16AISS8AO4采用500 k采样率，间接型A/D转换器SN2VF采用10V～1MV档位。同一组实验条件相同。

3.1 第一组实验

测试电离室出来的恒定信号，利用STDEV(标准误差)函数来评估数据对于平均值的离散程度。在相同的实验背景下，对同一个电离室信号进行测试。采用10 ms的积分时间和1 s的积分时间，分别测试三组数据，每组数据量为10 000。考虑到一个是电压信号，一个是计数信号，数值不在同一个量级，因此对原始数据进行了归一化处理。

表1是两个A/D系统STDEV标准误差的比较，在积分时间相同的情况下，间接型A/D的标准误差要略好于直接型的标准误差。对于同一个系统，积分时间越大，标准误差越小。

3.2 第二组实验

透射模式下的XAFS扫描。透射模式是一种样品浓度高，信号强的实验方法。采用积分时间1 s，各采集三遍。在相同的实验背景下，对浓度约为5%的铜样品进行测试。实验数据用XAFS领域常用的Athena软件进行分析，首先将同一系统的三组数据取平均，然

表1 两个A/D系统STDEV标准误差的比较 %

后在能量谱的E空间(参见图5)和傅里叶变换的k空间(参见图6)进行信噪比的分析。

图5 铜样品的能量谱比较

图6 铜样品谱的k空间比较

在透射模式下，两个系统采集的XAFS图谱在能量谱上都具有较好的信噪比，且重合度高。但在傅里叶变换的k空间上，可看出间接型A/D转换器在7～10段的高k空间，光滑度比直接型A/D转换器要好。

3.3 第三组实验

荧光模式下的XAFS扫描。荧光模式是一种样品浓度低，信号弱的实验方法。荧光模式的系统框图参见图7，一路信号从电离室出来进入A/D转换器，另一路信号是从样品处出来的荧光信号，进入计数型荧光探测器[10]，然后两个信号相除形成最后的采集图谱。采用积分时间3 s，各采集三遍。在相同的实验背景下，对浓度约为0.1%的铜样品进行测试，处理和分析方法同实验二。

图7 普通XAFS扫描荧光模式

在荧光模式下，两个系统采集的XAFS图谱在能量谱上重合度高(见图8)。从图9可见，经过傅里叶变换的k空间上，k=7以后噪音明显，比透射模式下另外一个铜样品的k空间图谱信噪比明显下降，原因是荧光模式下信号强度降低导致的。而直接型A/D转换器和间接型A/D转换器在谱图质量上没有区别。下面从XAFS谱的信噪比来分析其原因。

图8 荧光模式下两种A/D转换系统采集的浓度0.1%铜样品的能量谱比较

图9 荧光模式下两种A/D转换系统采集的浓度0.1%铜样品谱的K空间比较

一般讲XAFS谱中有用的信息Δμ(吸收系数的振荡部分)只占总吸收强度的百分之几，因此噪声级别需要控制在百万分之几的量级。如Grant Bunker 在《Introduction To XAFS》[11]中指出，单个数据点的有效计数在106～107时，信噪比为1～3×103，谱的质量较好。涨落误差δ是评价XAFS谱的一个很重要的指标，

4 结 语

本文开发的间接型A/D转换数据采集系统已经投入使用。实验分析与研究表明：间接型A/D转换系统的抗干扰能力比较强，可以通过增加积分时间来提高数据精度[14]，比较适合上海光源XAFS实验站的普通XAFS谱扫描；相同积分时间下，间接型A/D转换器采集的谱信噪比更好；在快速XAFS谱扫描中，整个采集过程在分钟量级，间接型A/D转换器的响应速度不适合此类采集[15]，若降低积分时间，将导致整个系统的分辨率下降，降低了数据的信噪比，因此，采用直接型A/D转换系统更为合适。

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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

顾颂琦(1984-)，女，浙江嘉兴人，硕士,工程师,主要负责XAFS实验站控制和数据采集系统。

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

TP 27；TL 8

A

1006-7167(2016)09-0144-04