1、第二章 智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù),數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 模擬信號調(diào)理 傳統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) -型ADC原理與接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及舉例 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS （Data Acquisition System），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行取樣、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機(jī)進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的裝置。,第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu),傳感器,模擬信號調(diào)理,數(shù)據(jù)采集電路,微機(jī)系統(tǒng),圖2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成,多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點(diǎn)。 多路模擬輸入通道可分為兩大類型： 集中式采集 分

2、布式采集,一、多路模擬信號集中采集式,1. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一,多路共用采集電路分時采集,2. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二,3. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之三,多通道同步采樣A/D，分時傳輸數(shù)據(jù),多通道獨(dú)立取樣A/D，有通道緩存,網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu),二、分布式采集,第二節(jié) 模擬信號調(diào)理,采集系統(tǒng)信號調(diào)理（Signal Conditioning）的任務(wù)： 實現(xiàn)非電量信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波； 零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等。,典型模擬調(diào)理電路的組成框圖,傳感器是信號輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 正確選用傳感

3、器： 明確所設(shè)計的測控系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求； 了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器， 自行設(shè)計傳感器,一、傳感器的選用,將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量： 轉(zhuǎn)換范圍：與被測量實際變化范圍相一致。 轉(zhuǎn)換精度：符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)； 轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：符合整機(jī)要求； 能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等； 能滿足用戶對可靠性和可維護(hù)性的要求。,(一) 對傳感器的主要技術(shù)要求,對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、

4、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡單、可靠性等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。,(二) 選用什么類型傳感器,大信號輸出傳感器 : 為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些專門與A/D相配套的大信號輸出傳感器。,圖3.5 大信號輸出傳感器的使用,2. 數(shù)字式傳感器： 采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換等。 具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。,頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用,集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理

5、電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。,3. 集成傳感器,4. 光纖傳感器： 這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。 光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。,放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？ 前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？,二、運(yùn)用前置放大器的依據(jù),當(dāng)傳感器輸出信號比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。,VIN,前置放大器K0,后級電路K,VIS,VIN0,VOS,VON,放大器噪聲分析,總的等效輸出噪聲

6、：,總的等效輸入噪聲：,兩種調(diào)理電路的對比,（a）,（b）,由于 K1,所以， ，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。,VIN0,VIN0,VIN1,VIN1,三、信號調(diào)理通道中的常用放大器,儀用放大器 程控增益放大器 隔離放大器,(一) 儀用放大器,儀用放大器的基本結(jié)構(gòu),儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4R6，R5R7。則放大器閉環(huán)增益為： 假設(shè)R4=R5，即第二級運(yùn)算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為： 由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集成儀用放大器時，RG一般為外接電阻。,在實際的設(shè)計儀用放大電路過程

7、中，重點(diǎn)考慮以下主要性能指標(biāo)： 1. 非線性度 2. 溫漂 3. 建立時間 4. 恢復(fù)時間 5. 電源引起的失調(diào) 6. 共模抑制比,1. 非線性度 它是指放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。,VI,VO,2. 溫漂 溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。 輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生(150)V/變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。,3. 建立時間 指從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間。 4. 恢復(fù)時間 指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時間。,放大器的建立時間和恢復(fù)時間是由頻帶寬度決定，直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采

8、樣速率。,5. 電源引起的失調(diào) 指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。 儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。,6. 共模抑制比 CMRR=20logAdef/Acom 國產(chǎn)放大器的共模抑制比60-120DB,(二) 程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在許多實際應(yīng)用中，為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變增益放大器。 增益由儀器內(nèi)置計算機(jī)的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。,程控放大器原理框圖,選用導(dǎo)通電阻小的模擬開關(guān)、精密電阻。 PGA202/204等是增益1、10、100、1000四

9、檔、由兩條TTL邏輯控制。,(三) 隔離放大器 隔離模式： 兩口隔離：信號輸入部分與信號輸出部分歐姆隔離； 三口隔離：信號輸入部分、信號輸出部分、功率供給部分彼此歐姆隔離； 三種隔離辦法：光隔離、電容隔離、變壓器隔離（電磁）。,應(yīng)用場合: 高共模電壓場合：如電力線電流取樣、強(qiáng)電場中測量小范圍電壓差； 測試現(xiàn)場干擾比較大的微弱模擬信號，而對信號的傳遞精度要求又高; 多個系統(tǒng)不能共地。,特點(diǎn)： 1. 能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害， 防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。 2. 泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須 提供偏流返回通路。 3. 共模抑制比高，能對直流和低頻信號進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測量。,G

10、F289集成隔離放大器,GF289典型接法,第三節(jié) 傳統(tǒng) A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù),ADC的基本概念 技術(shù)指標(biāo)的含義 比較型ADC、積分型ADC、V/F的轉(zhuǎn)換原理 典型芯片選擇及接口設(shè)計,量化特性及量化誤差,1.ADC的基本概念,一般而言，n位ADC的理想傳輸函數(shù)由以下兩個式子定義：,Vr是模擬輸入滿量程,理想ADC的傳輸特性和量化誤差,A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)指標(biāo)的含義,分辨率 轉(zhuǎn)換時間 精度 誤差,(1) 分辨率 ADC的分辨率定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。 用ADC輸出數(shù)字量的位數(shù)n表示，代表ADC有2n個可能狀態(tài)，可分辨出滿量程值的1/2n 的輸入變化量。此輸入變化量稱為1LSB

11、（即一個量子Q）,(2) 轉(zhuǎn)換時間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間。其倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換速率。 與實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所采用的電路技術(shù)有關(guān) 與位數(shù)有關(guān) 采集系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間還與接口模式有關(guān),(3) 精度與誤差 絕對誤差(精度) 數(shù)字輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入電壓實際值與理想值之差。 絕對誤差由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差、噪聲等組成。 相對誤差(精度) 數(shù)字輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程值之比，用表示 。絕對誤差/滿量程值之比。,偏移誤差（又稱為偏移電壓） 定義:為使ADC的輸出最低位為1，施加到ADC模擬輸入端的實際電壓與理論值 (1/2Vr2n)(即1/2LSB所對應(yīng)

12、的電壓值)之差. 在一定環(huán)境溫度條件下，偏移電壓是可以調(diào)零的。在ADC的產(chǎn)品技術(shù)說明書中都給出偏移誤差的溫度系數(shù)，單位為10-6/，其值約在幾到幾十范圍內(nèi)。,增益誤差（滿量程誤差） 指ADC輸出達(dá)到滿量程時，實際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示?？烧{(diào)，受溫度影響。 線性度誤差 積分線性度誤差和微分線性度誤差兩種。 a積分線性度誤差 偏移誤差和增益誤差均已調(diào)零后的實際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)的直線之間的最大偏離值，有時也稱為線性度誤差。,b微分線性度誤差 定義為ADC傳輸特性臺階的寬度（實際的量子值）與理想量子值之間的誤差，也就是兩個相鄰碼間的模擬輸入量的差值對

13、于Vr/2n的偏離值。 失碼（Missing Cord）或跳碼(Skipped Cord)，也叫做非單調(diào)性。,ADC的積分線性度誤差 ADC的微分線性度誤差,ADC的失碼現(xiàn)象,溫度對誤差的影響 環(huán)境溫度的改變會造成偏移、增益和線性度誤差的變化。,二、傳統(tǒng)ADC的轉(zhuǎn)換原理 (一) 比較型ADC 比較型ADC可分為反饋比較型及非反饋（直接）比較型兩種。高速的并行比較型ADC是非反饋的，智能儀器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反饋型。,逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理,(二) 積分型ADC,雙積分ADC,雙積分式ADC的優(yōu)點(diǎn)： 對R、C及時鐘脈沖Tc的長期穩(wěn)定性無過高要求即可獲得很高的轉(zhuǎn)換精度。 微分線

14、性度極好，不會有非單調(diào)性。因為積分輸出是連續(xù)的，因此，計數(shù)必然是依次進(jìn)行的,即從本質(zhì)上說，不會發(fā)生丟碼現(xiàn)象。 積分電路為抑制噪聲提供了有利條件。雙積分式ADC是測量輸入電壓在定時積分時間T1內(nèi)的平均值，對干擾有很強(qiáng)的抑制作用，尤其對正負(fù)波形對稱的干擾信號抑制效果更好。,(三) V/F型ADC 它主要由V/F轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器構(gòu)成。 V/F型ADC的特點(diǎn)是：與積分式ADC一樣，對工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；特別適合現(xiàn)場與主機(jī)系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場合；易于實現(xiàn)光電隔離。,三、常用ADC與微處理器的接口 從計算機(jī)接口理解模式,(一) AD574A及其與微處理器的接口,AD574A的管腳圖,ADC

15、574A單極性和雙極性輸入接法,AD574的控制狀態(tài)表：,AD574的8位輸出數(shù)據(jù)格式,AD574A啟動轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)時序,AD574A與8031的接口,AD574系列產(chǎn)品主要性能比較,第四節(jié) -型ADC原理與接口技術(shù),過采樣技術(shù) -調(diào)制技術(shù) 增加了數(shù)字電路的比例，易于實現(xiàn)單片集成 以較低的成本實現(xiàn)高精度的A/D變換器,理論基礎(chǔ):信號采樣量化理論,若輸入信號的最小幅度大于量化器的量化階梯Q, 量化噪聲的總功率是一個常數(shù),與采樣頻率fs無關(guān),功率密度譜在0fs/2的頻帶范圍內(nèi)均勻分布。 量化噪聲電平與采樣頻率成反比,提高采樣頻率,可以降低量化噪聲電平,而基帶是固定不變的,因而減少了基帶范圍內(nèi)的噪聲

16、功率,提高了信噪比。,理論基礎(chǔ):信號采樣量化理論,一、-型ADC原理,1. 過采樣技術(shù),過采樣： 以遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于奈奎斯特（Nyquist)采樣頻率的頻率對模擬信號進(jìn)行采樣。,過采樣技術(shù)原理圖,功率密度,帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣,圖 一階- ADC,2.-調(diào)制及噪聲整形技術(shù)原理,圖二階- ADC,信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系,單級調(diào)制器14階與達(dá)到分辨率的最低過采樣比,二、CS5360及其與微處理器的接口,1. CS5360簡介 u 真正的24位轉(zhuǎn)換 u 105dB的動態(tài)范圍 u 低噪聲，總諧波失真95dB u - A/D轉(zhuǎn)換技術(shù) u 片內(nèi)數(shù)字抗混疊濾波及電壓參考 u 最高采樣率50KHz

17、 u 差動模擬輸入 u 單+5V電源供電,CS5360功能框圖 CS5380 CS5381,數(shù)字接口電路功能框圖,基于FPGA的數(shù)字接口電路部分的設(shè)計,接口功能框圖,串并轉(zhuǎn)換電路原理圖,高速A/D轉(zhuǎn)換器,逐次近似A/D法（幾十MHz） 閃電式A/D法（幾百M(fèi)Hz） 分量程A/D法（幾百M(fèi)Hz） 流水線A/D法（幾百M(fèi)Hz） 諧振隧道二極管A/D法（1GHz以上）,視頻、數(shù)字示波器、頻譜測試、雷達(dá) 采樣率10MHz以上,參考書：席德勛，現(xiàn)代電子技術(shù)，高等教育出版社,第五節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計及舉例,一、系統(tǒng)設(shè)計考慮的因素 二、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 三、采樣保持器S/H的選擇 四、多路測量通道的串

18、音問題 五、主放大器的設(shè)置 六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例,一、采集系統(tǒng)設(shè)計考慮的主要因素,輸入信號的特性 對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求 接口特性,輸入信號的特性： 信號的數(shù)量 信號的輸入方式（單端、差動、單極性、雙極性，接地、浮地） 信號的強(qiáng)弱及動態(tài)范圍 信號的頻帶寬度 信號是周期還是瞬態(tài) 信號中的噪聲 共模電壓大小 信號源的阻抗,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求：,系統(tǒng)的采樣速率 系統(tǒng)的分辨率 系統(tǒng)的精度,主機(jī)（PC、MCU、DSP） 并行、串行、總線 數(shù)據(jù)的編碼格式,接口特性 ：,二、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn),1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù) 2.轉(zhuǎn)換速度 3.環(huán)境條件 4.接口,1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)m,系統(tǒng)精度指標(biāo)的10倍原則,2. A/D轉(zhuǎn)換速度的確定,轉(zhuǎn)換速率f =,tc轉(zhuǎn)換時間；to休止時間,N模擬輸入通道數(shù)；C截頻系數(shù)，大于2,三、采樣保持器S/H的選擇,捕捉時間,孔徑時間,最大孔徑誤差,在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若要求最大孔徑誤差不超