1、 第2章 测试系统的数据采集 与控制接口技术2.1 测控通道的特点与结构形式2.2 数据采集通道接口设计2.3 控制通道接口设计2013年10月24日1 基本知识： 1. 在工程测试中，被测物理量大多数是模拟量。 2. 现代测试系统以计算机为核心，而计算机只能接收、处理和输出数字量。 3. 现代测试系统必须配置数据采集通道，在大多数情况也需配置控制通道。 4. 测控计算机包括单片机、其它微控制器、PC机、便携式计算机、工控机等。2013年10月24日22.1 测控通道的特点与结构形式3 本节主要内容：2.1.1 数据采集通道的特点2.1.2 控制通道的特点2.1.3 测控通道的结构形式 1.
2、数据采集通道的结构形式 2. 控制通道的结构形式2013年10月24日 2013年10月24日4 现代测试系统的操作过程： 将被测信号输入数据采集通道，经计算机进行数据采集和加工处理后，显示、打印，或输出控制信号到控制通道，控制目标动作。2013年10月24日52.1.1 数据采集通道的特点 1. 常与测控计算机分开，放到被测对象现场。 2. 数据采集环境和采集对象多样，其设计方案可以各不相同。 3. 对于小信号检测，需要考虑抗干扰设计。2.1.2 控制通道的特点 1. 小信号输出，大功率控制，需功率放大电路。 2. 当被控对象为强电磁部件时，需要采取抗干扰措施。2013年10月24日62.1
3、.3 测控通道的结构形式 1. 数据采集通道的结构形式 1）输入信号为模拟信号 要用A/D或V/F转换器，将输入信号转换为计算机能识别的数字信号。同时，A/D或V/F转换器都有满量程输入时的幅度要求，且一般要求输入信号为电压信号，若传感器输出的信号不能满足这些要求，就要进行前置处理，如放大、变换等。 2）输入信号为离散信号 对离散信号， 如数字信号、开关信号、脉冲信号，须经电平变换后，用并行、串行或其他数字接口进行传输。 数据采集通道基本结构如图2-1所示。72013年10月24日2013年10月24日8 2. 控制通道的结构形式 1）被控对象为数字或开关量控制装置 计算机输出的数字信号，通过
4、I/O接口经功率驱动后，可以直接控制数字或开关量控制装置。 2）被控对象为模拟量控制装置 计算机输出的数字信号，需经D/A转换器转换为模拟电压或模拟电流控制信号，才能对模拟信号控制装置进行控制。 3）通道抗干扰及功率驱动 为提高控制通道抗的干扰能力，在通道中应加光电隔离；对大功率控制装置，应加功率驱动器。 控制通道的基本结构如图2-2所示。92013年10月24日2.2 数据采集通道接口设计2013年10月24日10 本节主要内容：2.2.1 8位A/D转换器与PC的接口2.2.2 12位A/D转换器与PC的接口2.2.3 高速数据采集接口2.2.4 隔离式数据采集接口 首先介绍数据采集通道的
5、基本组成。 数据采集通道是外部模拟信号进入计算机的必经之路，是计算机测试系统必不可少的前向通道。 数采通道组成：包括多路模拟开关（MUX）、采样/保持（S/H）电路、模/数（A/D）转换器及其接口电路。 数据采集通道的组成框图如图2-3所示。 112013年10月24日 122013年10月24日 1. 多路模拟开关 用途：切换多路模拟量与公共的A/D转换器之间的通道，实现多通道分时转换。 应用：被测的多路信号变化缓慢、不要求高速采集、采用公共A/D转换器的场合。 主要技术指标：导通电阻、导通时间、关断时的泄漏电阻、关断时间。 产品：常用CMOS集成化多路模拟开关，如AD7501、AD7503
6、（8路输入，1路输出）、AD7506（16路输入，1路输出）。132013年10月24日 14 2. 采样/保持电路 用途： 在A/D转换期间保持输入信号不变，以保证A/D转换的精度。 状态：具有采样和保持两个状态。处于采样状态时，电路的输出始终跟随输入模拟信号；处于保持状态时，电路的输出保持着前一次采样结束前瞬时的输入模拟量。 原理：采样/保持电路原理如图2-4所示。2013年10月24日 15 组成：保持电容器CH，输入和输出缓冲放大器A1、A2，工作方式控制开关S。 主要技术参数：采样时间TAC，孔径时间TAP。2013年10月24日 16 产品：有多种集成采样/保持器。 用于一般目的：
7、 AD 582、AD583、LF398等。 用于高速场合： HTS-0025、HTS-0010、 HTC-0300D等。 内设保持电路： AD398、AD585等。2013年10月24日 3. A/D转换器（ADC） 转换过程：采样、量化、编码。 转换原理：逐次逼近式、双积分式等。 主要技术指标：转换精度、分辨率、转换时间或转换速度。 转换精度：分绝对精度和相对精度，即A/D转换后的结果相对于实际值的最大偏差，以及该偏差相对于满量程值的百分比。172013年10月24日 分辨率：A/D转换器所能分辨的被测量的最小值。一般用转换器输出数字量的位数表示。一个n位A/D转换器的分辨率等于最大允许的模
8、拟输入量（满度值）除以2n。 转换时间：A/D转换器从启动转换到转换结束所需的时间。 转换速度：A/D转换器每秒内所能完成的转换次数。 选择ADC时考虑的主要指标：分辨率、转换时间。182013年10月24日2013年10月24日192.2.1 8位A/D转换器与PC的接口 1. ADC0809的特点、结构、引脚功能 ADC0809由美国模拟器件公司生产。 特点：ADC0809是单片集成8位A/D转换器，采用CMOS工艺及逐次逼近转换原理，转换1次约100s。具有8路模拟输入通道，通道地址能进行锁存和译码，控制逻辑与微处理机兼容。转换后的数据具有三态输出和锁存功能 ，与微处理机可以直接相连。
9、结构组成：ADC0809内部结构框图如图2-5所示。它主要由多路模拟开关、转换器、三态输出数据锁存器组成。202013年10月24日 212013年10月24日222013年10月24日 引脚布置：ADC0809采用28脚双列直插封装，其引脚布置如图2-6所示。 23 引脚功能： IN0 IN7模拟电压输入端。 ADDA、ADDB、ADDC通道端口选择线。 ADDA为低地址， ADDC为高地址。 ALE地址锁存允许信号。对应ALE上升沿，锁存ADDA、ADDB、ADDC地址状态，选通相应的模拟信号输入通道。 START启动转换信号。在施加的正脉冲的上升沿复位ADC0809；在下降沿启动芯片开始
10、A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。2013年10月24日 EOC转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号既可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。 OE输出允许（使能）信号。用于控制三态输出锁存器输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，将输出寄存器中的数字代码放到数据总线上，输出转换得到的数据，供CPU读取。 CLK时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号2013年10月24日24 25 D7D0数字量输出线。为三态缓冲输出形式
11、，可以和单片机或计算机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高位。 Vcc +5V电源。 Vref参考电源的参考电压。用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（VREF(+)=+5V, VREF(-)=-5V）。 2. ADC0809的工作时序 ADC0809的工作时序如图2-7所示。2013年10月24日262013年10月24日27 启动信号START的前、后沿与ADC0809两个重要时间TEOC和TCONV有关。 TEOC：从START的上升沿起到EOC的下降沿止的时间。TCONV：从START的下降沿起到EOC的上升沿止的时间。这是DAC0809的转换时间。
12、 应用时，应将ALE和START两引脚合并。 借助EOC，可通过查询或中断方式确认A/D转换是否完成。采用查询方式时，要等TEOC 时间过后再查询，才能得到正确结果。2013年10月24日28 3. ADC0809的操作过程 1）通过ALE和ADDA、ADDB、ADDC地址信号线，把预选通的模拟量输入通道地址送人ADC0809并锁存。 2）发送A/D转换启动信号START，在脉冲上升沿复位，在下降沿开始转换。 3）A/D转换完成后，EOC=1，可利用这一信号向CPU请求中断，或在查询方式下待CPU查询EOC信号为1后，发出OE信号读取A/D转换结果。 4. 接口电路 ADC0809与PC的接口
13、电路如图2-8所示。2013年10月24日292013年10月24日 302.2.2 12位A/D转换器与PC的接口（自学）2.2.3 高速数据采集接口 关于采样频率： 当需要采集频率较高的模拟信号时，计算机测试系统的采集接口要有较高的采样速率。对于实际的数据采集系统，采样频率至少应为被测信号最高频率的510倍。2013年10月24日 31 计算机数据采集系统的采样频率：f=1/(tCONV+tACQ+tTRANC)式中，tCONV、tACQ、tTRANC分别为A/D转换时间、采样时间、数据传输与操作等的辅助时间。 为了获得较高的采样率，除了选择高速A/D转换器外，还需要减少辅助时间。2013
14、年10月24日32 高速数据采集方案: 主要有2种。一是采用DMA技术；二是采样双端口RAM技术。 1. 采用DMA技术的高速数据采集 DMA技术： 直接存储器存储技术。在专用电路控制下，在存储器和外设之间直接进行数据传送。它无须CPU参入，大大缩短了数据传输时间，提高了数据采集速率。 DMA高速数据采集原理如图2-15所示。2013年10月24日 2013年10月24日33 34 系统工作过程： 1）CPU把存储器地址传送字节写进DMA控制器（DMAC）进行初始化编程。 2）当高速A/D转换器转换好一个数据后，向DMAC发出请求，DMAC向CPU发出“总线请求”信号，当CPU响应后由DMAC
15、占据总线，高速A/D转换器和数据存储器RAM被置于DMAC的直接控制之下。2013年10月24日35 3）DMAC一方面对外设送响应信号，使高速的A/D转换器数据允许读出，将数据送上数据总线；另一方面则根据DMAC初始化程序所设置的地址值，向地址总线送出存储单元的地址信号及存储器的控制信号，完成一次DMA周期的写操作。 4）完成一次DMA操作仅需45个时钟周期。2013年10月24日 36 2. 采用双端口RAM技术的高速数据采集 双端口RAM： 具有数据输入口和数据输出口的RAM。 采用双端口RAM作数据采集系统的数据缓存时，先将信号采集并存储到其中，然后再成组向计算机传送，发挥高速器件功能
16、。 系统组成： 基于双端口RAM的数据采集系统组成框图如图2-16所示。2013年10月24日 37 系统主要由A/D转换器、双端口RAM、逻辑控制模块、计算机接口组成。2013年10月24日 38 系统工作工程： 1）计算机通过接口启动逻辑控制模块，发出控制信号启动A/D转换器进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。 2）当双端口RAM中的数据达到一定数值时，逻辑控制模块向计算机发出请求。计算机接到请求后将数据读入内存，并向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样。 3. 高速数据采集接口设计举例（自学）2013年10月24日 39 2.2.4 隔离式数据采集接口 设计数据采集系统，必须要考虑
17、如何消除测量中的干扰。 在数据采集系统中，经常运用隔离技术抑制共模电压干扰。 原理：采用隔离法抑制共模干扰的方法和器件有多种，但原理相同，即将隔离传输器插入信号通道中，切断共模电流的回路，消除共模电压对系统的影响。2013年10月24日 40 隔离法抗共模干扰原理如图2-21所示。 常用的隔离器件：光电隔离器、脉冲变压器。绝缘性能应达到5001000V以上。2013年10月24日图2-21 隔离法抗共模干扰的原理 41 隔离方式分类： 根据隔离器件的工作原理分，有光电隔离，变压器隔离； 根据隔离器件在系统中的位置分，有总线隔离、放大器隔离、采样隔离。 各种隔离方式工作原理： 1. 总线隔离方式
18、 总线隔离方式原理如图2-22所示。 2013年10月24日42 2013年10月24日 43 特点： 1）隔离传输器（光电耦合器或脉冲变压器）处于采集模拟量的输入通道的后部，传输的是数字信号，并将信号现场地与计算机系统地隔开。 2）可消除共模干扰电压影响，避免计算机系统地线上脉冲电流冲击对模拟量输入通道的干扰。 3）传输数字信号，隔离技术简单，容易实现，成本较低，在数字采集系统中获得广泛应用。 4）实现的条件是使隔离前的电路地线与计算机系统地线很好地浮离，包括结构浮离和电源浮离。2013年10月24日 44 2. 放大器隔离方式 放大器隔离方式原理如图2-23所示。2013年10月24日图2
19、-23 放大器隔离方式45 特点： 1）隔离放大器作为前置放大或集中放大器件，传输的是连续的模拟信号。 2）可分为输入电路、隔离传输器、输出电路三部分。 3）隔离传输器起着对模拟信号进行不共地传输的作用。 4）隔离放大器可分为光电耦合隔离放大器和变压器耦合隔离放大器。2013年10月24日 46 5）光电耦合器件具有较大的非线性，要使其线性地放大传递各种模拟信号，须对被传递信号进行调制解调、非线性补偿等处理。这些工作由输入电路、输出电路完成。 6）隔离放大器配置灵活，但价格较高，多用于数据采集系统中的集中放大。 7）在放大器隔离方式中，也有一部分有源电路与系统浮离，也有结构浮离和电源浮离的要求
20、。 2013年10月24日47 3. 采样隔离方式 采用隔离方式原理如图2-24所示。2013年10月24日 48 特点： 1）隔离采样开关在通道被选通后工作，将通道输入的模拟信号进行隔离传输。 2）传输的是时间上离散的模拟信号。 3）无须信号处理电路，结构简单。 4）隔离部分处于数据采集系统模拟量输入的最前端，实现浮离简便、可靠。 5）每个通道都需配备一个隔离开关，成本与通道数有关。2013年10月24日 49 隔离采样开关的形式: 主要有2种。一是采用隔离变压器采样开关，二是采用飞渡电容式采样开关。 隔离变压器采样开关工作过程：由通道连通信号控制脉冲形成器，将输入信号转换为幅值等于信号电平
21、的脉冲信号，然后由变压器传输。 飞渡电容式采样开关的工作原理是：利用电容器上保持的电压来传递信号。2013年10月24日50 在数据采集系统中，采用隔离技术可有效抑制共模电压干扰，但隔离方式不同会给系统带来不同影响，设计时应引起重视。 目前，大多数厂家生产的隔离式数据采集卡是总线隔离式采集卡，其组成框图如图2-25所示。 图中，光电隔离包括对多路开关译码信号进行隔离，对A/D芯片的启动信号进行隔离，对A/D转换完毕的数据信号进行隔离。2013年10月24日51 2013年10月24日 52 4. 光电隔离型采集接口设计方法 1）MAX176 A/D转换器主要性能 MAX176是美国MAXIM公
22、司制造的12位串行A/D转换器，片内含有采样/保持器，能将-5V+5V之间的模拟信号快速捕获，并转换为数字信号（捕获时间为0.4s，最长转换时间为3.5s）。 MAX176的引脚如图2-26所示。 2013年10月24日MAX1762013年10月24日53 54 引脚功能： VDD：+5V电源端。 AIN：模拟信号（-5V+5V）输入端。 VREF：-5V参考电压输入端。 GND：接地端。 DATA：数据输出端。 CLOCK：时钟脉冲输入端。 CONVT：转换控制输入端。 Vss：-12V或-15V电源端。2013年10月24日 55 工作时序： MAX176的工作时序如图2-27所示。20
23、13年10月24日 56 工作原理： 当转换控制端CONVT到来一个脉冲上升沿时，片内的采样保持器由采样模式转变为保持模式，保持住模拟输入信号并启动转换过程。在MAX176内部时钟电路控制下，进行模/数转换。CONVT端保持4s以上的高电平时间，以确保转换过程结束后再变为低电平。2013年10月24日 57 当CONVT由高电平变为低电平后，MAX176进入数据输出过程，CLOCK端每来一个脉冲下降沿，DATA端就输出1位数据。首先输出的是前导位1，接下来输出的是转换结果的符号位，1表示负值，0表示正值，再接下来的11位为转换结果的数值位。 当CLOCK端的第13个脉冲的下降沿到来之后，一次完
24、整的模/数转换、数据输出过程结束，采样保持器又回到采样模式。2013年10月24日 58 MAX176的转换结果为补码形式，如将+5V转换为7FFH， 0V转换为000H，-5V转换为800H。 （正数的补码和源码相同，负数的补码是反码加1） 2）MAX176与PC的接口 MAX176与PC之间的光电隔离数据采集接口电路如图2-28所示。2013年10月24日 592013年10月24日 60 图中，通过对8255可编程并行接口芯片编程，设置PC0、PC1为输出线，PC7为输入线。它们各通过高速光电隔离器6N137与MAX176的CONVT、CLOCK、DATA相连。 启动转换时，PC通过PC
25、0发出启动信号CONVT，4s后，MAX176转换完毕；PC通过PC1输出CLOCK信号，接收来自MAX176的串行数据。当接收完第13位数据后，PC停止发送CLOCK信号，MAX176因无外部时钟信号而停止输出数据。2013年10月24日2.3 控制通道接口设计 本节主要内容：2.3.1 模拟量控制通道接口 1. D/A通道的结构形式 2. 接口设计2.3.2 离散信号控制通道接口 1. 开关量输出接口 2. 隔离式离散信号输出接口 622.3.1 模拟量控制通道接口 当被控对象的控制信号为连续的模拟信号时，要用D/A转换器将数字信号变换为电压或电流连续信号。 D/A转换器主要性能指标： 转
26、换精度：在D/A转换器的输入端加上给定的数字量时，所测得的实际模拟量输出与理论输出值之间的差异程度。是增益误差、零位误差和非线性误差等的综合。2013年10月24日 63 分辨率：数字量输入变化一个最小单位时，所对应的模拟量输出的变化与满度输出值之比。通常用D/A的位数来表示。 线性度：实际的输入输出特性曲线与理想的输入输出直线的偏离程度。通常用D/A转换器的非线性误差来表示。 转换时间：当输入数字量产生变化时，其模拟输出达到稳态值所需的时间。2013年10月24日 64 1. D/A通道的结构形式 有单通道和多通道2种结构形式。 多通道结构又有2种形式：一是每个通道有单独的D/A转换器，如图
27、2-19所示；二是多个通道共用1个D/A转换器，如图2-30所示。 第1种形式常用于各种模拟输出量可分别刷新的快速通道；第2种形式用多路模拟开关轮流接通各通道，常用于输出通道不多，对速度要求不太高的场合。 2013年10月24日 652013年10月24日 66 2. 接口设计 1）8位D/A转换器DAC0832与PC的接口 DAC0832是美国National Semiconductor公司生产的双列直插封装8位D/A转换器，具有两个输入数据寄存器，可直接与PC接口，使用方便，应用广泛。2013年10月24日 67 （1）芯片结构及工作原理 芯片的结构框图如图2-31所示。 组成原理：芯片内
28、有一个8位输入寄存器和一个8位DAC寄存器，形成二级缓冲方式。这样可在D/A转换输出前一个数据的同时，接收下一个数据，并送到8位输入寄存器，提高D/A转换速度。更重要的是，在多片DAC0832分别进行D/A转换时，能够同时输出模拟电压量。2013年10月24日 682013年10月24日 （2）引脚功能 DAC0832芯片的引脚如图2-3所示。2013年10月24日69 70 引脚功能： ：片选信号，低电平有效。 与ILE信号结合起来可对 是否起作用进行控制。 ILE：允许输入锁存，高电平有效。 ：写信号1，低电平有效。用来将计算机数据总线输出的数字锁存于输入寄存器。在 有效时， 和ILE须同
29、时有效。 ：写信号2，低电平有效。用来将输入寄存器中的数据传送到8位DAC寄存器中。当 有效时， 须同时有效。 ：传送控制信号，低电平有效。2013年10月24日1WR2WRXFERCSCS1WRCS2WRXFER1WR 71 DI0DI7：8位数字量输入，DI0为最低位，DI7为最高位。 IOUT1：输出电流1，当输入数字为全“l”时，输出电流最大。 IOUT2：输出电流2。 IOUT1与IOUT2的关系为 IOUT1 +IOUT2 =常数。 Rfb：反馈电阻输入端，可连外接的运算放大器的反馈电阻。2013年10月24日 722013年10月24日 VREF：基准电压输入，-10+12V。
30、V CC：电源电压，+5+15V。 AGND：模拟地。 DGND：数字地。 （3）接口方式 DAC0832输出单极性电压的接口方式如图2-33所示。 2013年10月24日73 图中，DAC0832输出电流IOUT1，经运算放大器可转换成电压输出。按图中接口方式，当输入数字量为00HFFH时，输出电压VOUT为0-5V的单极性电压。 DAC0832输出双极性电压的接口方式如图2-34所示。2013年10月24日74 752013年10月24日 76 按照图中连线，当输入数字量范围为00HFFH时，输出电压为-5+5V的双极性电压。 （4）接口电路 DAC0832内部有数据锁存器，故与计算机接口
31、时，其数据线可直接与计算机的数据总线相连。 由PC与DAC0832构成的模拟量输出接口电路如图2-35所示。2013年10月24日 772013年10月24日 78 2）12位D/A转换器DAC1210与PC的接口(自学)2.3.2 离散信号控制通道接口 离散信号是指随时间不连续的信号，包括数字信号、开关电平和脉冲信号及脉冲编码信号。 2013年10月24日 79 离散信号控制电路设计的共同要求： （1）必须使输出的控制信号满足生产现场或实验室设备要求。例如，对伺服机构，有足够大的功率，有与控制对象动作速度相适应的时序。 （2）输出电平一般不应出现第三态（高阻态）。为使电路能稳定工作，一般都加
32、有上拉或下拉电阻，以保证信号的可靠与稳定。2013年10月24日 80 1. 开关量输出接口 当PC输出一组开关量时，由于CPU将数据送到端口后还要去进行别的操作，端口数据是不能久留的，所以必须要用一个锁存器将CPU送出的数据锁存起来。 常见的接口电路如图2-39所示。图中采用74LS373锁存输出数据，其中Q0输出用于驱动一只LED显示器，Q1输出用于驱动一台单相交流电机，Q2-Q7输出可做它用。2013年10月24日 81 2013年10月24日 82 2. 隔离式离散信号输出接口 在离散信号输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出控制通道反串到计算机系统，一般需要采用通道隔离技
33、术。在控制通道的隔离中，最常用的是光电隔离技术。2013年10月24日 83 光电隔离三相电机启停控制接口电路如图2-40所示。 图中，用74LS74锁存器接收计算机的启停命令。当PC输出D0=1时，Q=1使T1导通，经光电耦合T2也导通，继电器J吸合。由于J接点的吸合使电力接触器JC也吸合，故三相电机加电启动。反之，写入数据D0=0，则电机停止工作。2013年10月24日 85 由于光电隔离方式采用光进行传输，输入和输出可分别用单独的电源和地线进行供电，各自构成回路，从而切断了干扰通过共地和共电源的耦合途径。 另一方面，发光二极管为电流驱动型器件，只有流过一定的电流才能使其发光，而脉冲型干扰（如尖锋干扰）多为电压型，其能量较小（能供出的电流较小），有些不能使发光二极管发光，至少有很大衰减，从而可有效地抑制非功率型脉冲干扰。2013年10月24日
