第15章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),第15章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),15.1傳感器,15.2信號調(diào)理電路,15.3模擬多路開關(guān),15.4采樣/保持器,15.5模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,15.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì),15.1傳感器,傳感器（sensor）是信息采集系統(tǒng)的首要部件，且置于系統(tǒng)的最前端，它對系統(tǒng)的功能起著決定性的作用。,傳感器的分類方法很多，較常用的有以下幾種：按被測量的類型來分可分為位移、壓力、溫度、流量、轉(zhuǎn)速、氣體成分等傳感器。按傳感器的作用原理來分可分為：電阻式、電感式、磁電式、壓電式、電容式、光電式、熱電式、諧振式、力平衡式等傳感器。按能量關(guān)系來分可分為：能量轉(zhuǎn)換型（無源型）傳感器、能量控制型（有源型）傳感器。按輸出量類型來分可分為：模擬式傳感器、數(shù)字式傳感器。,國際上習(xí)慣稱智能傳感器為“Intelligentsensor”或者為“smartsensor”，它是能夠與微處理器有機(jī)結(jié)合，具有信息檢測和信息處理功能的傳感器。這里講的與微處理器結(jié)合有兩方面含義：一是把敏感元件、信號調(diào)理電路、采集電路與微處理器在工藝上集成在一塊芯片上，這種傳感器稱為集成智能化傳感器或單片式傳感器。,單片智能傳感器原理框圖,智能傳感器的基本功能,智能傳感器具有以下基本功能：（1）具有自調(diào)零、自校準(zhǔn)、自補(bǔ)償?shù)墓δ?。?）具有自動診斷、檢驗(yàn)功能。（3）能夠自動進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理。（4）具有數(shù)據(jù)存儲、記憶、分析、判斷、決策功能。（5）具有雙向通信功能。,與傳統(tǒng)傳感器相比智能傳感器具有以下特點(diǎn)：（1）精度高。（2）可靠性、穩(wěn)定性及信噪比大大提高。（3）功能更多。（4）自適應(yīng)能力強(qiáng)。（5）性價(jià)比更高。,智能傳感器與傳統(tǒng)傳感器的區(qū)別,15.2信號調(diào)理電路,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要任務(wù)是檢測信息，并對這些信息進(jìn)行分析、處理。非電量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號是千差萬別的，有模擬信號、頻率信號、邏輯信號等，其中有些信號非常微?。赡苤挥袔缀练?，有些信號夾雜在大量的干擾之中，甚至被干擾所淹沒。對于這些信號處理方法各不相同，但最終都要把它們變成標(biāo)準(zhǔn)信號供模/數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，然后送入處理器中去分析、處理。同時(shí)，某些傳感器內(nèi)阻比較大，輸出功率比較小，還需要進(jìn)行阻抗變換處理。因此信號調(diào)理電路的任務(wù)非常復(fù)雜，除了小信號放大濾波外，還有諸如信號緩沖、零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正、量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理，相應(yīng)的執(zhí)行電路為信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路處于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的最前端，它的任務(wù)是有效抑制干擾、放大有用信號。它的設(shè)計(jì)質(zhì)量會直接影響到系統(tǒng)的精度、數(shù)據(jù)采集速度、分辨率等一系列指標(biāo)。,濾波電路,傳感器采集來的電信號都混雜有不同程度的干擾噪聲，嚴(yán)重情況下，這些干擾會淹沒有用信號。雖然干擾噪聲和有用信號混雜在一起，但在頻域上二者有不同的特性，因此可以通過濾波電路選出有用信號。濾波電路可按以下幾種方式分類。按是否使用有源器件分類、按選頻特性分、按選頻特性分、按逼近方式來分類、按電路結(jié)構(gòu)分類。,一、按是否使用有源器件分類,濾波器按結(jié)構(gòu)分為有源濾波器和無源濾波器。無源濾波器是指用無源器件如電感、電容、電阻組成的濾波電路，下圖為一最簡單的L型無源RC低通濾波器，Ui（j）為輸入電壓，Uo（j）為輸出電壓，傳遞函數(shù)為：它隨輸入信號的頻率增加而成下降趨勢。即對高頻信號有衰減作用。,RC低通濾波器,無源濾波器在低頻場合使用時(shí)需要的電感、電容值很大，而大電感不僅體積大，而且價(jià)格昂貴，RC電路盡管可以做到體積小、廉價(jià)，但電阻會消耗能量，選擇性差，效果不佳。有源濾波器是指利用有源器件（晶體管或集成運(yùn)算放大器）、電容和電阻等組成的濾波電路,它具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，同時(shí)可利用有源器件不斷補(bǔ)充由電阻造成的損耗，改善了對頻率的選擇性，而且它還具有無源濾波器所不具有的信號放大、信號緩沖功能。因此在低頻領(lǐng)域（1MHZ）得到廣泛使用。當(dāng)然集成運(yùn)放的帶寬有限，所以有源濾波器的最高工作頻率受運(yùn)放的限制，這是它的不足之處。在這里主要介紹有源濾波器的特性。,二、按選頻特性分,濾波器（電路）為頻率選擇電路，當(dāng)信號通過濾波電路時(shí)，被衰減的信號頻率范圍稱為阻帶，被傳輸?shù)男盘栴l率范圍稱為通帶，即濾波電路只允許通帶內(nèi)的頻率信號通過。因此濾波電路按其頻率特性分可分為低通濾波電路（LowPassFilter,簡稱LPF）、高通濾波電路（HighPassFilter,簡稱HPF）、帶通濾波電路（BandPassFilter,簡稱BPF）、帶阻濾波電路（BandRejectFilter,簡稱BRF）等四類。它們的理想幅頻特性曲線如下圖所示。,（a）低通電路（LPF）（b）高通電路（HPF）,（c）帶通電路（BPF）（d）帶阻電路（APF）各種理想濾波器幅頻特性曲線,按階次分類,實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的濾波器復(fù)頻域傳輸函數(shù)為一有理數(shù),式中a、b為實(shí)常數(shù)，n為濾波器的階數(shù)，濾波器按其階次可分為一階濾波器、二階濾波器、三階濾波器等等，這里m小于或等于n。一階濾波器的傳遞函數(shù)可為,按逼近方式來分類,各種濾波器的實(shí)際頻率響應(yīng)特性與理想情況是有差別的，理想濾波器不可能用實(shí)際電路實(shí)現(xiàn)，只能尋求出某一傳遞函數(shù)，使其幅頻特性和相頻特性逼近理想特性，通常用頻帶內(nèi)所允許的最大衰減或帶阻內(nèi)最小衰減及濾波陡度等主要技術(shù)指標(biāo)來表示實(shí)際特性逼近理想特性的程度。,三種同階低通濾波器的幅頻特性,放大電路,傳感器的輸出信號大小形式各不相同，就需要不同的放大電路與之相匹配，放大電路包括最普通的比例放大電路（有時(shí)和濾波電路結(jié)合）、低漂移放大器、交流電橋輸出型放大電路、測量放大電路、程控增益放大電路等等。下面以測量放大電路、程控增益放大電路、隔離放大電路為例進(jìn)行說明。,測量放大器,普通的比例放大器只能在沒有干擾的情況下對小信號進(jìn)行放大，然而，傳感器的工作環(huán)境往往是比較復(fù)雜和惡劣的，工頻、靜電和電磁耦合等共模干擾信號有時(shí)會很嚴(yán)重。雖然很多運(yùn)算放大器共模抑制比（CMRR）較高,但還是不能夠?qū)碜孕盘栐吹墓材８蓴_信號起到有效的抑制作用。測量放大器就是專為這種場合設(shè)計(jì)的放大電路。在微弱信號的檢測系統(tǒng)中通常采用測量放大電路（又稱儀表放大器）作為前置放大器。它具有高輸入阻抗、低輸出阻抗、強(qiáng)共模干擾抑制能力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。,電路的組成和工作原理,下圖為由三個(gè)單運(yùn)放組成的測量放大器，它由兩級組成，兩個(gè)對稱的同相放大器A1、A2構(gòu)成第一級,差動放大器A3構(gòu)成第二級，若A1、A2選用相同特性的運(yùn)放，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，通過差分放大器，可以相互抵消，故它有很強(qiáng)的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓，同時(shí)該電路可具有較高的差模電壓增益。為保證精度常采用精密匹配的外接電阻。同時(shí)要求R1=R2、R3=R5、R4=R6。,設(shè)三個(gè)運(yùn)放都是理想運(yùn)算放大器，則有,由上式可得出第一級放大器的放大倍數(shù),整個(gè)放大器的閉環(huán)放大倍數(shù)為,調(diào)整電阻即可改變放大倍數(shù),下面討論電路的共模抑制比，設(shè)CMRR1為運(yùn)放A1的共模抑制比，CMRR2為運(yùn)放A2的共模抑制比，CMRRA為第一級放大器的共模抑制比，CMRRB為第二級差動放大器的共模抑制比，則,整個(gè)測量放大電路的共模抑制比為,由于第一級放大器結(jié)構(gòu)對稱，所以CMRR1=CMRR2，CMRRA趨近于無窮大，上式可化簡為,一般情況下，取測量放大電路的第二級放大器增益為Af2=1,Af1=Af,可見測量放大電路的共模抑制比比普通差動放大電路提高了Af倍。為了提高整個(gè)電路的共模抑制比，通常將第一級差放的增益做的很大，同時(shí)盡量提高第二級差動放大器的共模抑制比。在某些只需對信號簡單放大的情況下，采用一般運(yùn)放組成的測量放大器來對傳感器的輸出信號放大是可行，為了保證精度常需采用精密匹配的外接電阻，才能保證最大的共模抑制比，否則增益的非線性也比較大，因此在要求較高的場合，常采用集成測量放大器。,隔離放大器,隔離放大器又稱隔離器，它是采用隔離放大技術(shù)的放大器，它不僅具有通用運(yùn)放的特性，而且由于它的輸入回路與輸出回路和電源之間沒有直接的電路耦合，信號的傳遞和電源的傳遞均通過變壓器耦合或光電耦合實(shí)現(xiàn)，所以輸入回路與輸出回路之間有良好的絕緣性能，絕緣電阻可達(dá)數(shù)十M。許多測量系統(tǒng)的輸出與儀表和信號源間的地電位差以及電磁感應(yīng)產(chǎn)生的共模干擾有很大關(guān)系。普通的差動放大器和測量放大器雖然也能抑制共模干擾，但卻不允許共模電壓高于放大器的電源電壓，而隔離放大器不僅具有很強(qiáng)的共模抑制能力，而且能承受上千伏的高共模電壓。因此隔離放大器一般用于信號回路具有很高的共模電壓的情況。,三、程控增益放大器,被測量所處的環(huán)境和時(shí)間不同，可能會造成其變化范圍不同，此外在多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，也經(jīng)常遇到各路信號動態(tài)范圍不一致的情況，因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，當(dāng)被測量變化范圍較大時(shí)，通常會通過改變放大器增益的辦法，來實(shí)現(xiàn)對不同幅度信號的放大，即信號通過放大器后，具有合適的動態(tài)范圍，以保證A/D轉(zhuǎn)換的精度。程控放大器又稱數(shù)控放大器，它是利用程序控制的辦法來實(shí)現(xiàn)增益的自動變換。目前，數(shù)字控制系統(tǒng)中最常使用的數(shù)控增益放大器有以下幾種：增益電阻切換型、D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)型、浮點(diǎn)放大器型。,下圖為利用改變反饋電阻的辦法實(shí)現(xiàn)的可變增益放大電路，它其實(shí)是采用多路開關(guān)來切換放大器中決定增益的電阻，從而來改變放大器的增益，這種電路的缺點(diǎn)為：當(dāng)切換增益電阻時(shí)，會因運(yùn)放輸入端電阻失去對稱性而使放大器共模抑制比降低、零漂增大。為克服這一缺點(diǎn)，通常采用的方法是：由測量放大器與多路模擬開關(guān)配合，來實(shí)現(xiàn)自動增益控制。目前使用最多的是集成程控測量放大器,它是將所需電阻、多路開關(guān)及其控制電路與運(yùn)放都集成在同一組件中。,模擬多路開關(guān)又稱為多路模擬信號轉(zhuǎn)換器，簡稱MUX（AnalogMultiplexer）。它是具有公共輸入端（或公共輸出端）的多個(gè)模擬開關(guān)的集合體。它的作用是切換各路輸入信號，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要部件之一。目前大量生產(chǎn)和廣泛使用的MUX組件幾乎全是CMOS型的。模擬多路開關(guān)種類繁多，但其基本功能基本相同，只是在引線排列及通道數(shù)、漏電流、輸入電壓、方向切換等性能參數(shù)上有所不同。下圖是集成MUX的一種典型結(jié)構(gòu)。,15.3模擬多路開關(guān),集成MUX結(jié)構(gòu)示意圖,15.4采樣/保持器,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器在對模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換的過程中，需要一定的穩(wěn)定時(shí)間（孔徑時(shí)間），為保證模/數(shù)轉(zhuǎn)換的精度，應(yīng)在它前面加入采樣/保持器。采樣/保持器（S/H）有采樣和保持兩種工作狀態(tài)：在采樣期間，其輸出能跟隨輸入的變化而變化，而在保持狀態(tài)，能使其輸出值保持不變。因此利用采樣/保持器，在A/D啟動轉(zhuǎn)換時(shí)，保持住輸入信號，從而可避免孔徑時(shí)間帶來的轉(zhuǎn)換誤差。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，又能跟蹤輸入信號的變化。在進(jìn)行多路瞬態(tài)采集時(shí)，可給多個(gè)采樣/保持器在同一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)保持信號，則能得到各路信號某一時(shí)刻的瞬時(shí)值，然后可依次對各路保持信號進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換。,采樣/保持器的工作原理如下圖所示，A1為高輸入阻抗的場效應(yīng)管組成的跟隨器，A2為輸出緩沖器，開關(guān)K是由工作方式控制輸入端所控制的開關(guān)。電容器CH為保持電容。在采樣狀態(tài)下，采樣命令由控制輸入端控制開關(guān)K使其閉合，輸入信號ui經(jīng)放大器A1向電容器CH充電。由于開關(guān)K的導(dǎo)通電阻和A1的輸出阻抗很小，充電速度很快，因此輸出電壓u0跟隨輸入電壓ui變化。在保持狀態(tài)下，開關(guān)K打開，由于運(yùn)算放大器A2的輸入阻抗很高，在理想情況下，電容器C兩端的電壓（即輸出電壓）將保持充電的最終值，直到新的采樣命令到來。,15.5模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器習(xí)慣上被稱為A/D轉(zhuǎn)換器或ADC，它是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心。它的任務(wù)是把模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。在一般情況下，這個(gè)模擬量是指電壓而言。無論是分析或設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采系統(tǒng)，還是面對課題選購ADC芯片，都會涉及有關(guān)ADC的技術(shù)指標(biāo)及術(shù)語。所以非常有必要弄清一些有關(guān)的基本概念。同時(shí)要注意世界各公司生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換器所給出的技術(shù)指標(biāo)在其名稱和表達(dá)方式上不完全相同，在使用時(shí)應(yīng)充分注意。1.分辨率分辨率反映轉(zhuǎn)換器所能分辨的輸入模擬量的最小值。即輸出數(shù)碼增加或減少一個(gè)單位所對應(yīng)的輸入信號最小變化量。它取決于A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n。因此分辨率通常用二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)來表示。如8位A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率即8位。說明它能分辨出的輸入電壓的最小量為：,其中UFS為A/D轉(zhuǎn)換器的滿度值。,2.轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換精度反映了轉(zhuǎn)換結(jié)果相對于實(shí)際的偏差。它有兩種表示方法：（1）絕對精度A/D轉(zhuǎn)換器所輸出的任何數(shù)碼所對應(yīng)的實(shí)際模擬電壓與理想的電壓值之差值并非為一個(gè)常數(shù)，把這個(gè)差值的最大值定義為絕對精度。通常用最低位的倍數(shù)來表示。如1LSB、1/2LSB。（2）相對精度通常用絕對精度除以滿量程的百分?jǐn)?shù)來表示。轉(zhuǎn)換精度有時(shí)以綜合誤差指標(biāo)的表達(dá)方式給出，有時(shí)又以分項(xiàng)誤差的表達(dá)方式給出。通常給出的分項(xiàng)誤差的指標(biāo)有：量化誤差、偏移誤差、滿刻度誤差、非線性誤差等。（3）轉(zhuǎn)換速率ADC的轉(zhuǎn)換速率是指每秒鐘所能完成的A/D轉(zhuǎn)換次數(shù)。完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間。,A/D轉(zhuǎn)換器的種類,目前ADC芯片型號很多，在精度、速度、價(jià)格方面千差萬別。較為常見的主要分以下幾類。下面簡要介紹它們的工作原理。1.逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器目前流行的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品主要有兩類，一類屬于雙極型集成電路，另一類屬于CMOS線性集成電路。前者的轉(zhuǎn)換速率較高，一般在0.1s40s范圍內(nèi)，后者的轉(zhuǎn)速率略低，一般在20s200s范圍內(nèi)。后者因功耗低、價(jià)格便宜而被廣泛應(yīng)用。目前常用的單片集成化逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器一般為812位、主要應(yīng)用于中高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器,雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)“電壓時(shí)間數(shù)字”間接A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器與逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器相比，最大的優(yōu)點(diǎn)是它具有較強(qiáng)的抗干擾能力，因?yàn)锳DC的轉(zhuǎn)換結(jié)果正比于模擬輸入電壓在定時(shí)階段的平均值，所以對于周期等于T1或T1/m（m為正整數(shù)）的對稱干擾（即在整個(gè)周期內(nèi)平均值為零的干擾）在理論上具有無窮大的抑制力。常用的測控系統(tǒng)中經(jīng)常碰到的是50HZ工頻干擾，所以ADC的定時(shí)積分時(shí)間T1通常選為20ms的整數(shù)倍。如果ADC要求外接時(shí)鐘，那么時(shí)鐘頻率fcp應(yīng)為：,雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的性價(jià)比非常高，這是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)換過程中的兩次積分中使用了同一積分器，轉(zhuǎn)換結(jié)果和精度與積分器的有關(guān)參數(shù)沒有很大關(guān)系，所以對相關(guān)元件的性能指標(biāo)要求不是非常高，降低了成本。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的編碼非常方便，數(shù)字量輸出既可以是二進(jìn)制的也可以是BCD碼的，這僅僅取決于計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)規(guī)律。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的缺點(diǎn)是速度慢。因?yàn)樗霓D(zhuǎn)換時(shí)間等于兩次積分的時(shí)間和加上一個(gè)準(zhǔn)備復(fù)位時(shí)間，一般為幾到幾十毫秒。一般只適用于對溫度、壓力、流量等變化緩慢參量的檢測和控制。,并行比較型ADC和串并比較型ADC,并行比較型ADC又稱為閃爍式ADC，并行比較型ADC轉(zhuǎn)換速度非常快，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只取決于比較器及邏輯控制電路、寄存器、譯碼器的延時(shí)時(shí)間，通常在幾納秒到幾十納秒之間，如美國RCA公司生產(chǎn)的CA3308其轉(zhuǎn)換速率可達(dá)15MHZ。但這種類型的ADC分辨率很難提高，因?yàn)樗俣雀呤且誀奚瑑?nèi)器件數(shù)量為代價(jià)的，如8位并行比較型ADC就需要256個(gè)低漂移比較器（含過量程比較器）和256個(gè)精密電阻。所以并行比較型ADC的位數(shù)一般不超過8位，并且只在高速采集時(shí)才被采用。,型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,傳統(tǒng)的積分式或逐次比較式ADC的主要缺點(diǎn)是分辨力較低，成本較高，線性度不夠理想，且抑制噪聲的能力相對較差。近年來隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)（VLSI）的發(fā)展，高性能型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，已成為數(shù)字通信、數(shù)字音響等領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。它能以很高的采樣速率將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再通過采樣、噪聲整形和數(shù)字濾波等方法來提高有效分辨率。它具有濾除量化噪聲能力強(qiáng)、分辨率高、線性度好、成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)。此外它對串模干擾的抑制能力很強(qiáng)，而對外圍元件的精度要求不太高。由于采用了數(shù)字反饋式比較，因此比較器的失調(diào)電壓即零點(diǎn)漂移不會影響轉(zhuǎn)換精度。由于型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器具有積分式或逐次比較式模/數(shù)轉(zhuǎn)換器無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，所以已經(jīng)在音頻范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，許多公司相繼推出了應(yīng)用技術(shù)的芯片，如美國AD公司生產(chǎn)的AD7701（16位）、AD7703（20位）、AD7710（24位）、AD7701（16位且?guī)Х糯蟊稊?shù)為1128倍的可編程放大器）及美國ADI公司的ADu812系列單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用舉例,12位逐次逼近式快速模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD574AD574是應(yīng)用廣泛、價(jià)格適中的一種低功耗模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，它內(nèi)配三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種典型的8位或16位微處理器相連；且片內(nèi)包含高精度的參考電壓源（10.0V）和時(shí)鐘電路；它共需三組電源：VCC（5v）、VSS（-12V-15V）、VDD（+12V+15V）；，輸入模擬信號范圍可為單極性0+10V，0+20V，也可為雙極性-5V+5V或-10V+10V；它的轉(zhuǎn)換時(shí)間分別為25s（12位轉(zhuǎn)換時(shí)）、12s（8位轉(zhuǎn)換時(shí)）；它的線性工作范圍寬，在惡略環(huán)境下亦能穩(wěn)定工作。下圖為AD574與89C51單片機(jī)的一接口電路實(shí)例。,15.6數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì),如果要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，總體方案是關(guān)鍵，它直接影響著系統(tǒng)的技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和性能價(jià)格比。在設(shè)計(jì)總體方案之前，首先必須充分了解輸入信號的特性以及系統(tǒng)要求，如待測信號的數(shù)量，是模擬量還是數(shù)字量，信號的強(qiáng)弱和變化范圍、是電壓還是電流輸出、信號變化速度、要求的分辨率、現(xiàn)場的干擾大小、信號源輸出阻抗的大小、系統(tǒng)要求的采集、控制精度等等。根據(jù)這些條件來確定系統(tǒng)的精度、采集速度、抗干擾能力，從而對采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。其次要合理配置系統(tǒng)，恰當(dāng)安排軟件、硬件功能。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的確定,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)性能要求及被測信號的特點(diǎn)來選擇系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。常見的系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集形式有以下幾種。1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度很高，速度快，但成本非常高，適合于采樣點(diǎn)少、精度要求高的系統(tǒng)。其方框圖見下圖,2.通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中（如下圖）每個(gè)通道都帶有獨(dú)自的采樣/保持器、信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器，各個(gè)通道的信號可以獨(dú)立進(jìn)行采樣和A/D轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)可經(jīng)過接口電路直接送到計(jì)算機(jī)中去，數(shù)據(jù)采集的速度快，但占用大量資源。如被測信號為靜態(tài)或變化緩慢的信號則可以不加采樣/保持器。,3.多通道同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在這種采樣系統(tǒng)中，所有通道共享A/D轉(zhuǎn)換器，這種采樣形式，適合于各通道的轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度要求基本一致的場合，它占用CPU的輸入口較少，CPU對每個(gè)通道的訪問，可以由軟件決定，也可由硬件決定。由于每一路都有采樣/保持器，可以在同一個(gè)指令控制下對各路信號同時(shí)采樣，得到各路信號在同一時(shí)刻的瞬時(shí)值，多路模擬開關(guān)分時(shí)將各瞬時(shí)值送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因此這種系統(tǒng)被稱為同步型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這是一種比較經(jīng)濟(jì)的工作方式，尤其對于那些接口有限的微型機(jī)。這種采樣系統(tǒng)的不足之處：一是采集速度較前兩種方式慢，二是在被測信號路數(shù)較多的情況下，同步采得的信號在采保器中保持的時(shí)間會加長，使信號有所衰減，由于各路信號保持的時(shí)間不同，致使各個(gè)信號的衰減量不同，出現(xiàn)一定的誤差。,4.多通道共享采樣/保持器與A/D轉(zhuǎn)換器如圖，這種結(jié)構(gòu)采用分時(shí)轉(zhuǎn)換的工作方式，各路被測信號公用一個(gè)采樣/保持器和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。它對信號的采集是由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分時(shí)切換、輪流選通的，因此不能獲得同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)。這種結(jié)構(gòu)形式簡單，所用芯片數(shù)量少，它適用于信號變化速率不高，對采樣信號不要求嚴(yán)格同步的中、低速采集系統(tǒng)。,近年來為了適應(yīng)采集與控制的需要，一些廠家設(shè)計(jì)了各種直接插入計(jì)算機(jī)插槽的數(shù)據(jù)采集接口卡，利用這些采集卡，可方便的構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或自動測量系統(tǒng)。從而大大節(jié)省硬件的研制時(shí)間。目前應(yīng)用較多的采集卡主要有基于ISA總線和基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡。采集卡中通常包括ADC、DAC、MUX開關(guān)、采樣/保持器、程控放大器，此外還包括數(shù)字量的輸入輸出接口、定時(shí)計(jì)數(shù)通道、總線接口邏輯電路、DMA控制器和電源，可以非常方便的與計(jì)算機(jī)適配。在使用這些數(shù)據(jù)采集卡時(shí)應(yīng)著重了解采集卡的結(jié)構(gòu)和參數(shù)、總線要求，以便進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并認(rèn)真熟悉其基地址、操作接口地址、控制數(shù)據(jù)格式和匯編語句格式，為軟件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)和器件選擇,1.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：被采集信號的特點(diǎn)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，要充分了解被采集信號的特點(diǎn)，這是設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)特別是信號調(diào)理電路的關(guān)鍵。系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間通常又稱為系統(tǒng)的采集周期，表示系統(tǒng)每采樣并處理一個(gè)數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間。它是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標(biāo)。它的倒數(shù)稱為系統(tǒng)傳輸速率或采樣速率。為了使采樣結(jié)果能夠真正反映信號的變化，其采樣速率應(yīng)滿足奈奎斯特采樣頻率。設(shè)fmax為被采集信號的最高頻率，則在實(shí)際工程中，系統(tǒng)采樣頻率fx為：,在實(shí)際的采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要受到很多因素的限制。其中包括信號調(diào)理電路的響應(yīng)時(shí)間t1、模擬開關(guān)的切換時(shí)間ton、toff、采樣/保持器的捕獲時(shí)間tac、孔徑時(shí)間tap和保持時(shí)間ts、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間tc和數(shù)據(jù)輸出時(shí)間tout。所以系統(tǒng)中單個(gè)通道實(shí)際的響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為：t1tontofftactaptstctout（1）整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)時(shí)間應(yīng)為：在選擇器件時(shí)應(yīng)注意不應(yīng)大于如果使用重疊采樣方式，在轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)輸出的同時(shí)，切換模擬開關(guān)采集下一路信號，則可提高每個(gè)通道的采樣時(shí)間。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)選擇器件時(shí)，必須使器件的速度指標(biāo)滿足系統(tǒng)的采樣速率指標(biāo)要求。信號調(diào)理電路、模擬開關(guān)、采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)參數(shù)必須滿足式（1）。,設(shè)系統(tǒng)的通道數(shù)為N，那么系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間為：,系統(tǒng)的分辨率系統(tǒng)的分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位值、系統(tǒng)滿刻度的百分?jǐn)?shù)或系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓數(shù)值來表示。它主要與信號調(diào)理電路和ADC芯片有關(guān)。系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度是指當(dāng)系統(tǒng)工作在額定采集速率下，系統(tǒng)采集的數(shù)值和實(shí)際值之差。它表明系統(tǒng)的誤差總合。對于采集系統(tǒng)中的調(diào)理電路及其它每個(gè)元件，其精度應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度10倍左右。例如要構(gòu)成一個(gè)誤差為0.1%的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所用的ADC、MUX、S/H、及放大器的誤差都應(yīng)小于0.01%。,2.信號調(diào)理電路參數(shù)設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)信號調(diào)理電路時(shí)最重要的是要綜合考慮被采集信號以及噪聲的特點(diǎn)，選取放大、濾波、整形電路。如果信號非常小，應(yīng)在濾波電路前加一級低噪聲的前置放大器。我們知道，由于電路內(nèi)部有這樣和那樣的噪聲源存在，使得電路在沒有信號輸入時(shí)，輸出端仍有一定幅度的波動電壓，這就是電路的輸出噪聲，把電路輸出端測得的噪聲有效值VON折合到該電路的輸入端，即除以該電路的增益A，可得到該電路的等效輸入噪聲VIN。,如果電路的輸入信號非常小，低于VIN，那么這時(shí)就可以說輸入信號被噪聲所淹沒。為了不使輸入信號被噪聲淹沒，就必須在該電路之前加一級低噪聲的前置放大器。此前置放大器可選低噪聲的運(yùn)算放大器，必要的時(shí)候要用好的對管做成單管放大電路。在選擇放大器類型時(shí)，還應(yīng)考慮信號源的內(nèi)阻，以及可能出現(xiàn)的強(qiáng)干擾的形式。在工頻干擾比較強(qiáng)的場合，通?？稍跒V波電路中加一級50HZ陷波器（帶阻濾波器）用以消除工頻干擾。在信號調(diào)理電路和采樣電路之間有時(shí)還需要加一級抗混疊濾波器。,.多路模擬開關(guān)的選擇要點(diǎn)選擇多路模擬開關(guān)時(shí)，應(yīng)充分考慮信號源的特點(diǎn)以及系統(tǒng)特性，盡量選擇導(dǎo)通