1、第四章第四章 数据采集系统数据采集系统一、数据采集的定义和工作过程一、数据采集的定义和工作过程二、数据采集系统的基本功能二、数据采集系统的基本功能三、数据采集系统的结构形式三、数据采集系统的结构形式硬件结构、软件结构硬件结构、软件结构四、模拟信号调理四、模拟信号调理传感器的选用传感器的选用 、信号调理通道中的常用放大器、信号调理通道中的常用放大器 信号调理中的抗混叠滤波器信号调理中的抗混叠滤波器4.1 4.1 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 课本课本190190，198198199199数据采集是指将温度、压力、流量、位移数据采集是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数
2、字量后，等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程。印的过程。相应的系统即为数据采集系统相应的系统即为数据采集系统（Data Acquisition System,Data Acquisition System,简称简称DASDAS） 一、数据采集的定义和工作过程一、数据采集的定义和工作过程数据采集的定义：数据采集的定义： 二、数据采集系统的基本功能二、数据采集系统的基本功能 时钟功能。时钟功能。确定数据采样周期，同时也能为系统确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间基淮。提供时间基淮。 数据采集。数据采集。将现场检测
3、传感器送来的模拟电信号将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回的采样、进行按一定的次序巡回的采样、进行A AD D转换并存储转换并存储数据，即完成数据的采集。数据，即完成数据的采集。 信号处理。信号处理。 模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理 数据存储。数据存储。 显示和打印输出。显示和打印输出。 三、数据采集系统的结构形式三、数据采集系统的结构形式 数据采集系统的结构要从数据采集系统的结构要从硬件和软件硬件和软件两方面考虑。两方面考虑。1 1、数据采集系统的软件、数据采集系统的软件信号采集与处理程序；信号采集与处理程序；运行参数设置程序（采
4、样通道号，采样点数，采运行参数设置程序（采样通道号，采样点数，采样周期，信号量程范围，放大器增益系数等）；样周期，信号量程范围，放大器增益系数等）；系统管理程序（主控程序）；系统管理程序（主控程序）；通信程序。通信程序。2 2、数据采集系统的硬件、数据采集系统的硬件1）输入通道的结构形式）输入通道的结构形式 （1）、单通道数据采集系统）、单通道数据采集系统 工作过程：工作过程：各路被测参数共用一个采样各路被测参数共用一个采样/ /保持器和保持器和A/DA/D转换转换器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接入到采样入到采样/ /保持器的
5、输入端。当采样保持器的输入端。当采样/ /保持器的输出已充分保持器的输出已充分逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，样状态进入保持状态，A/DA/D转换器开始进行转换，转换完转换器开始进行转换，转换完毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实现对多通道模拟信号的数据采集。现对多通道模拟信号的数据采集。 特点：特点：结构形式简单，所用芯片数量少，它适用于信号变
6、结构形式简单，所用芯片数量少，它适用于信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。如果信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。如果信号变化速率慢，也可以不用采样保持器。如果信号比较弱，混化速率慢，也可以不用采样保持器。如果信号比较弱，混入的干扰信号比较大，还需要使用数据放大器和滤波器。入的干扰信号比较大，还需要使用数据放大器和滤波器。 分散采集式分散采集式数据采集结构数据采集结构 ( (一一) ) 对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求1. 1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。能，转换范围与被测
7、量实际变化范围相一致。2. 2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整机要求。机要求。3. 3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。4. 4. 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。能满足用户对可靠性和可维护性的要求。( (二二) ) 可供选用的传感器类型可供选用的传感器类型
8、 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体电阻、热敏电阻、半导体PNPN结、结、ICIC温度传感温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。 2）. 数字式传感器：数字式传感器：
9、数字式传感器一般数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，构成的振荡器，或模拟电压输入经或模拟电压输入经 V/F转换等，因此，数转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。距离传送等优点。 3 3）. . 集成传感器：集成传感器：集成传感器是将传集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电将应变片、应变电桥、线
10、性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输人通道器。采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务，简化通道结构。的信号调理任务，简化通道结构。 4 4）. . 光纤传感器：光纤传感器：这种传感器其信号拾这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。本上解决由现场通过传感器引入的干扰。 2、前置放大器、前置放大器 多数传感
11、器输出信号都比较小，必须多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。选用前置放大器进行放大。 放大器要放大器要“前置前置”,放大器设置在滤波放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。器前面有利于减少电路的等效输入噪声。 3、信号调理通道中的常用放大器、信号调理通道中的常用放大器 在智能仪器的信号调理通道中，针在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大电路的现场要求，目前使用较多的放大器有器有仪用放大器仪用放大器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔离放大器隔离放大器等。等。 隔离放
12、大器隔离放大器 隔离放大器主要用于要求共模抑制比隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，高的模拟信号的传输过程中，例如输入数例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。系统的可靠性。 4 4、信号调理中的抗混叠滤波器、信号调理中的抗混叠滤波器抗混叠滤波器： 。4.3 4.3 数据采集系统设计数据采集系统设计一、数
13、据采集系统设计的一般步骤一、数据采集系统设计的一般步骤二、数据采集系统的误差分析二、数据采集系统的误差分析三、三、DASDAS设计实例设计实例课本课本 197-207页页一、数据采集系统设计的一般步骤一、数据采集系统设计的一般步骤1 1、分析问题和确定任务、分析问题和确定任务 2 2、确定采样频率、确定采样频率3 3系统总体设计系统总体设计 (1(1二、数据采集系统的误差分析二、数据采集系统的误差分析1 1、采样误差、采样误差outcsAPACoffONTHtttttttt每通道的吞吐率为：每通道的吞吐率为：THNtTHTHtN1f 2 2、模拟电路误差、模拟电路误差V3505071019 .
14、 2.3 采样保持器衰减率引起的误差采样保持器衰减率引起的误差 保持状态下，由于保持电容的漏电流和其保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：衰减率为： I ID D为流入保持电容为流入保持电容C CH H的总泄漏电流，的总泄漏电流，I ID D包包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。HDCCItU Ui -+A1
15、KUK -+A2CH模拟地模拟地UO2.4 2.4 放大器的误差放大器的误差 数据采集系统往往需要使用放大器对信号进数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。行放大。 放大器是系统的主要误差源之一。其中有放放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差、零位误差等。大器的非线性误差、增益误差、零位误差等。 LSB32ADC)( 4 4、数据采集系统误差的计算、数据采集系统误差的计算2ADC2SH2AMP2MUX)()()()( )(ADCSHAMPMUX 转转换换器器的的误误差差采采样样保保持持器器的的误误差差放放大大器器的的误误差差多多路路模模拟拟开开关关的的误误差差A
16、/DADCSHAMP MUX三、三、DASDAS设计实例设计实例设计过程：设计过程：1 1、粗略地选择与系统功能要求相当的器件、粗略地选择与系统功能要求相当的器件 首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换时首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换时间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电源，粗略地选择间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电源，粗略地选择与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机80318031作为系作为系统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用AD7506AD7506
17、，建立时间是，建立时间是1us1us。采样保持器选用。采样保持器选用LF398LF398，建立时，建立时间是间是6us6us，A/DA/D转换器选用转换器选用AD574AD574，其分辨率为，其分辨率为1212位，转换精度位，转换精度可达可达0.05%0.05%，转换时间，转换时间25us25us。 器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要求范围内。求范围内。2 2、系统转换时间、系统转换时间系统的转换时间由多路模拟开关、采样保持系统的转换时间由多路模拟开关、采样保持电路的采集时间以及电路的采集时间以及A/DA/D转换器的稳定时间和转换器
18、的稳定时间和转换时间确定，它决定了系统的动态特性。转换时间确定，它决定了系统的动态特性。系统转换时间系统转换时间= =多路开关稳定时间多路开关稳定时间+ +采样保持采样保持器的采样时间器的采样时间+A/D+A/D转换器的稳定时间和转换转换器的稳定时间和转换时间时间 =1us+6us+25us=32us=1us+6us+25us=32us系统转换时间小于系统转换时间小于50us50us，满足要求。，满足要求。3 3、系统误差分析、系统误差分析（1 1）多路模拟开关）多路模拟开关AD7506AD7506的误差（的误差（2项）项）a、多路模拟开关泄漏电流、多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差引起的误差
19、根据根据AD7506的技术指标，的技术指标，25时泄漏电流时泄漏电流IS=0.05nA,信号源内阻信号源内阻10，当，当1路接通时，路接通时，断开的断开的15路泄漏电流路泄漏电流IS在导通这一路的信号在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：源内阻上产生的压降为： 可以忽略不计可以忽略不计V105710151005099 .，衰减分压比，衰减分压比= %.%00130100M30400 %0013.0mux （2 2） 采样保持器采样保持器LF398LF398的误差（的误差（2 2项）项）a%.ADC350%5 . 0%3613. 0%35. 0%01. 00%0013. 0)(ADCSHAMP
20、MUX2022-4-2358典型数字控制系统框图2022-4-23597.1.17.1.1 D/A转换基本原理转换基本原理 数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。 数字量：(D3D2D1D0)2(D323D222D121D020)10 (1101) 2 (123122021120)10 模拟量：uoK(D323D222D121D020)10uoK(123122021120)10 (K为比例系数)2022-4-2360图7-1n位D/A转换器方框图 2022-4-23617.1.27.1.2 倒倒T形电阻网络形电阻网络DAC 1. 电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源
21、组成。图7-2 倒T型电阻网络DAC原理图 基准参考电压 双向模拟开关D1时接运放D0时接地R2R倒T形电阻解码网络 求和集成运算放大器 2022-4-23622. 工作原理 由于集成运算放大器的电流求和点为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。2022-4-2363 因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故流入运算放大器的总电流为：0123D16ID8ID4ID2II2022-4-2364由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因
22、此从UREF流出的电流为： RIREFU2022-4-2365故 ：)2D2D2D2(DR2UI001122334REF2022-4-2366因此输出电压可表示为 ：2022-4-2367由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比，实现了数模转换。 对于n位的倒T形电阻网络DAC，则 ：2022-4-2368电路特点： （1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的； （2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。 因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。2022-4-23697.1.37.
23、1.3 DAC的主要技术参数的主要技术参数1.分辨率 分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压之比。 输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。 满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。 对于n位D/A转换器，分辨率可表示为： 分辨率 121n 位数越多，能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。2022-4-23702. 转换速度 D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。 不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒的范围内。 2022-4-237
24、1 转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。 例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误差为0.1V。百分数越小，精度越高。 转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。2022-4-2372 通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。 D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大
25、器的非线性引起。 在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。 一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变化的值。 2022-4-2373 常用的集成DAC有有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。 1. D/A转换器AD7520 AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。 2022-4-2374图7-3 AD7520内部逻辑结构图该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，
26、不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时需要外接集成运算放大器和基准电压源。2022-4-2375图7-4 AD7520外引脚图 D0D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1IOUT2：电流输出端2Rf：10K反馈电阻引出端Vcc：电源输入端UREF：基准电压输入端GND：地。2022-4-2376分辨率：10位线性误差：(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。转换速度：500ns温度系数：0.001%/AD7520的主要性能参数如下：2022-4-237710位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。 2. 应用举例 （组成锯齿波发生器） 图7-5AD7520组成的锯齿波发生器 图7-5AD7520组成的锯齿波发生器
