1、5.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式常見的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有以下幾種結構形式。每個通道具有獨立的S/H和A/D的采集系統(tǒng)。圖3-13單通道獨立S/H和A/D型這種系統(tǒng)的結構形式如圖3-13所示，圖中，S/H為采樣保持電路，A/D為模數(shù)轉換電路， I/O為輸入-輸出接口電路。由圖可見，每個S/H、A/D和I/O組成一個信號采集通道。也就 是說，每個通道具有獨立的S/H和A/D。圖3-13所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集信號的速度快，主要用于高速數(shù)據(jù)采集和同步性要 求較高的場合。該系統(tǒng)采集后各通道數(shù)據(jù)是完整的，有利于分析各個通道信號的相關關系。這種類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的缺點是成本高。多通道分時共享S/H和A/D的采集系

2、統(tǒng)這種系統(tǒng)的電路結構如圖3-14所示，圖中，MUX為多路模擬開關。由圖可見，在這種 采集系統(tǒng)中，只有一個采樣-保持電路和模數(shù)轉換電路，采取分時共享的方法，實現(xiàn)多通道 采集。各通道的采集和轉換時間，取決于模擬開關和A/D轉換器的工作時間。由于采集的信 號是通過模擬多路開關輪流切換送入S/H和A/D電路，所以被測信號是斷續(xù)的，對實時測量 會引起誤差。這種電路結構適合于緩慢信號的測量，也可通過加置多路模擬開關（MUX），來擴展通道 數(shù)。另外，這種電路結構簡單，使用的芯片數(shù)少。OOOO 12 3 4CPU圖3-14多通道分時共享S/H和A/D型多通道共享A/D的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)圖3-15多通道共享A/D型

3、圖3-15是多通道共享A/D的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的特點是每個通道具有獨立的采 樣-保存電路，但A/D電路是共享的。根據(jù)這一特點可知，這種系統(tǒng)的各通道可以實現(xiàn)同時 采樣，所以這種系統(tǒng)又叫做同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)中的各個通道受同一個信號控制，能保 證各通道在同一時刻采樣。但是，這種系統(tǒng)不能實現(xiàn)同時轉換，而是只能分時共享。主計算機管理的各通道可以獨立工作的采集系統(tǒng)圖3-16是這種系統(tǒng)的結構示意圖。由圖可知，系統(tǒng)各通道都有S/H和A/D電路，都有 單片機和采樣前的必要的預處理系統(tǒng)，因此各個通道的獨立性很強。各通道可按各自的要求， 獨立進行測試。近年來，采樣厚膜技術制作的多功能數(shù)據(jù)采集模塊，把數(shù)據(jù)采

4、集系統(tǒng)的各部分都集成在 一個模塊里，并可與微機兼容。在此基礎上發(fā)展起來的插卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功能強大，使用 靈活，受到了廣泛應用。這種插卡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以插入計算機方便地構成各種采集系 統(tǒng)。圖3-16主計算機管理的各通道可以獨立各種的采集系統(tǒng)3.1.2數(shù)/模轉換（D/A）前面討論了模數(shù)轉換，下面討論一下數(shù)模轉換。所謂數(shù)模轉換，就是把數(shù)字信號轉換成 模擬信號。我們知道，計算機輸出的是數(shù)字信號，但在應用中常常需要把數(shù)字信號轉換成模 擬信號，所以數(shù)模轉換在測試技術中，也是一個重要的環(huán)節(jié)。大家知道，數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來的，對于有權碼，每位代碼都有一定的權。 為了將數(shù)字量轉換成模擬量，必須將每

5、一位的代碼按其權的大小，轉換成相應的模擬量， 然后將代表各位代碼的模擬量相加，所得的總模擬量就與數(shù)字量成正比，這樣便實現(xiàn)了數(shù) 字量到模擬量的轉換。1.權電阻網絡D/A轉換器所謂權電阻網絡就是說，這些組成網絡的電阻，其值與二進制數(shù)碼的權相聯(lián)系。權電阻網絡D/A轉換器的工作原理圖3-17是4位權電阻網絡D/A轉換器原理圖。由圖可以看出，這種轉換器由權電阻網 絡、4個模擬開關和一個求和放大器組成。S、S、S和S是四個電子開關，它們的狀態(tài)分別受輸入代碼d、d、d和d的取32103210值控制：代碼為1時，開關接到參考電壓、時上；代碼為0時，開關接地。故di = 1時， 有支路電流/.流向求和放大器；d

6、 0時，支路電流為0（ i = 0，1，2,3）.求和放大器是一個接成負反饋的運算放大器。所謂負反饋，就是放大器的輸出連接到了 反向輸入端。在一般情況下，運算放大器可近似地看成理想放大器，即兩個輸入端的電壓相 等，輸入電流為零。但是當電路的參考電壓經電阻網絡加到V_端時，放大器兩個輸入端的 電壓就會不相等。只要V稍高于匕，便在U0產生很負的輸出電壓。U0經Rf反饋到V端， 使V降低，其結果必然使Vr匕。因為匕端接地，所以匕=0，故VR匕=0。uo在運算放大器輸入電壓為零（即：Ur匕=0）的條件下可以得到(3-5)U =-R i = -R (I +1 +1 +1 ) TOC o 1-5 h z

7、0FF 3210由于U注0,因而各支路電流分別為I = REF d ( d = 1時，I = REF , d = 0 時，I = 0)3 R 333 R 33I = REF d22 R 2I = rer dI = 2RER d（3-6）將它們代入式（3-5），并取Rf= R,2,則得到U =-(d 23 + d 22 + d 21 + d 20) 0243210對于n位的權電阻網絡D/A轉換器，當反饋電阻取R/2時，輸出電壓的計算公式可寫U= -Vref(d2n-1+ d2n-2+ + d21+ d20) = -ref D (3-7)02 nn-1n-2102nn上式表明，輸出的模擬電壓正比于

8、輸入的數(shù)字量Dn,從而實現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的 轉換。從式（3-7）還可以看出：在Uref為正電壓時，輸出電壓U0始終為負值；要想得到 正的輸出電壓，可將匕時取為負值。權電阻網絡D/A轉換器的優(yōu)缺點這個電路的優(yōu)點是:結構比較簡單，所用電阻元件較少。其缺點是：各個電阻的阻值相 差較大，在輸入信號的位數(shù)較多時，這個問題就更加突出。例如，當輸入信號增加到8位 時，如果取權電阻網絡中最小電阻為R = 100,那么最大的電阻將達到27R = 1.28MQ, 兩者相差128倍之多，這對制作集成電路極為不便。2.雙極權電阻網絡D/A轉換器為了克服權電阻網絡存在的缺點，人們研究出了一種雙極權電阻網絡D/A轉換器，解決 了輸入數(shù)字量的位數(shù)較多時存在的問題。圖3-18是雙極權電阻網絡D/A轉換器的原理圖。圖3-18雙極權電阻網絡D/A轉換器由圖我們可以看出：在雙極權電阻網絡中，每一級仍然只有四個電阻，四個電阻之間的阻值比