模态空间—如何理解数采的过载、欠载与量程设定？

2018-04-03 10:32:48· 来源：德国M十P国际公司北京代表处

我发现数采的过载、欠载与量程设定都非常难以理解。我们来讨论一下。

我发现数采的过载、欠载与量程设定都非常难以理解。

我们来讨论一下。

作者：Peter Avitabile
翻译：倪昊、焦吉祥（德国m+p国际公司）

这是个很好的问题。之前我们曾经讨论过锤击试验中关于锤头、触发延迟和双击等问题。还有其他关于模数转换器的过载/欠载，AD的量化误差，测试非线性结构的难点等疑问。为了解释量程设置的问题以及它们对模数转换器ADC的影响，我们将讨论之前讨论过的几个典型测量结果。

锤击测量结果如图1所示，其中输入激振力没有充分激起感兴趣的全部频带。大约有一半的频率范围没有受到足够的力输入以激起结构，因此在这个频率范围内输入信号和输出信号二者量级都非常低。但是在低频段，输入力信号量级与响应信号一样高。

图 1 –力锤输入，仅激起部分频谱

在信号能量中低频分量占了较大比例。现在真正的问题是在频域内能量如何分布（为了讨论，通过曲线所围面积来进行评估）。为了便于讨论，我们假设在低频范围内输入力谱（蓝色）大约有4V，高频范围0.1V，共有4.1V。我们也可以假设响应（红色）在低频和高频范围内分别分布为9V和0.5V。显然，总电压以低频范围为主。在本例中，在每个通道上，输入通道和输出通道可以设置为5V和10V的可能量程。

那么这意味着什么？我们用一个简单的正弦波来解释分辨率这个概念。举个例子，设置一个简单的6位ADC到满量程，接着再设置为一个更低的量程，来清楚地说明数字量化如何影响测量的幅值。（请注意，作为参考，所有的值都是近似的，做了舍入。）一个1.5V峰值的正弦波如图1所示，ADC设置为大约10V。图2仅显示出含有这个信号的ADC部分。注意分辨率不理想，因为量化误差的原因，没有正确地识别出正弦波的实际幅值。如果ADC量程设置的比实际待测的信号大很多，会发生这种情况（本例中，ADC的满量程是10V）。

现在ADC的量程如果设置为2.0V，如图3所示，信号的分辨率会好很多。这是因为ADC的全部动态范围都能用于测量被测信号（ADC设置为2.0V来测量1.5V的信号）。

图 2 –分辨率不理想的正弦波

图 3 –分辨率良好的正弦波

现在我们再举一个例子，其中有不同频率、不同幅值的两个正弦波要同时测量。同样使用2.0V量程。图4中，很显然，ADC设置以两个正弦波中较大的那个为主。但是，值得注意的是，两信号中较小的信号受量化误差之害甚于较大的信号。在结构系统上所作的频率测量中，这种情况很普遍。无法避免。但是，如果ADC设置为10V最大量程，想想看量化误差将会多么糟糕。

既然我们对于一个简单的正弦波的量程设置有所了解了，我们可以更好地理解图1中的测量结果的问题。没有很好地激起高频，高频模态响应少。高频测量结果有量化误差。图1中高频部分的这个问题类似于图4中举例的问题。

图 4 –两正弦波，可能有分辨率问题

现在我们考虑另一个例子，其中施加于结构的锤击很好地激起了感兴趣频率范围（128Hz）之外的模态，如图5所示。为了便于讨论，假设能量分布在希望的（低的）频率和高频（可激发，但超出了感兴趣的频率范围）之间。注意传感器将测量系统的全频段响应（能量），即使在关心的频带中实际上只含有其中的一部分能量。因为传感器的总输出电压实际上受高频严重影响，ADC量程必须设置的比实际需要的更高，以容纳这些高频——结果是低频会有量化误差。