智能仪器原理及应用：第二章 数据采集技术

1、第二章第二章 数据采集技术数据采集技术 u数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 u模拟信号调理模拟信号调理 u传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 u - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 u数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 u数据采集系统的误差分析数据采集系统的误差分析 数据采集系统数据采集系统 简称简称DASDAS（Data Acquisition SystemData Acquisition System），）， 是指将温度、压力、流量、位移等模拟量是指将温度、压力、流量、位移等模拟量 进行取样、量化转换成数字量后，以便由进行取样、量化

2、转换成数字量后，以便由 计算机进行存储、处理、输出的装置。计算机进行存储、处理、输出的装置。 第二章第二章 数据采集技术数据采集技术 第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 一、单路数据采集系统一、单路数据采集系统 同时测量多种信号或同一种信号分布在同时测量多种信号或同一种信号分布在 空间多个测量点。空间多个测量点。 两大类型：两大类型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 二、多路模拟输入通道数据采集系统二、多路模拟输入通道数据采集系统 第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 1 1、

3、多路模拟信号集中采集式、多路模拟信号集中采集式-共用采集电路分时采集共用采集电路分时采集 2 2、多路模拟信号集中采集式、多路模拟信号集中采集式 -多路同步取样共用多路同步取样共用A/DA/D分时采集分时采集 第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 l多通道同步采样多通道同步采样A/DA/D，分时传输数据，分时传输数据 l多通道独立取样多通道独立取样A/DA/D，有通道缓存，有通道缓存 3 3、多路模拟信号集中采集式、多路模拟信号集中采集式 第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 4 4、分布式

4、采集（网络式采集）、分布式采集（网络式采集） 有何特点有何特点 有线、无线有线、无线 请总结每种数据采集请总结每种数据采集 系统结构的主要特点！系统结构的主要特点！ 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 采集系统信号调理的任务采集系统信号调理的任务（Signal conditioning）：）： n 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放实现非电量信号向电信号的转换、小信号放 大、滤波；大、滤波； n 零点校正、零点校正、线性化处理、线性化处理、温度补偿、误差修温度补偿、误差修 正和量程切换等。正和量程切换等。 典型模拟调理电路的组成典型模拟调理电路的组成 传感器是信号输入通道的第一环节，也

5、是决定整传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整 个仪器系统性能的关键环节之一。个仪器系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器正确选用传感器 l明确所设计的测控系统对传感器的技术要求；明确所设计的测控系统对传感器的技术要求； l了解传感器厂家有哪些可供选择的传感器了解传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 自行设计传感器自行设计传感器 一、传感器的选用一、传感器的选用 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 将被测量将被测量转换转换后续电路可用电量：后续电路可用电量： 1.1.转换范围：转换范围：与被测量实际变化范围相一致。与被测量实际变化范围相一致。 2.2.转换精度：转换精度：符合整个测试系

6、统根据总精度要求而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；分配给传感器的精度指标； 3.3.转换速度（带宽）：转换速度（带宽）：符合整机要求；符合整机要求； 4.4.能满足被测介质和使用环境的特殊要求；能满足被测介质和使用环境的特殊要求； 5.5.能满足能满足可靠性和可维护性可靠性和可维护性的要求。的要求。 ( (一一) ) 对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 对于一种被测量，常常有多种传感器可以对于一种被测量，常常有多种传感器可以 测量，在都能满足测量范围、精度、测量，在都能满足测量范围、精度、 速度、使速度、使 用条件等情

7、况下，应侧重相配电路是否用条件等情况下，应侧重相配电路是否简单、简单、 可靠、性价比。可靠、性价比。 ( (二二) ) 选用什么类型传感器选用什么类型传感器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 1 1、大信号输出传感器、大信号输出传感器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数 R R、L L、C C构成的振荡器，或模拟电压输入经构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/FV/F 转换等。转换等。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传具有测量精度高、抗干扰能力强

8、、便于远距离传 送等优点。送等优点。 2 2、数字式传感器、数字式传感器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。集成传感器是将传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、电桥例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥 放大等做成一体，构成集成压力传感器。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入通道的信号调理任采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任 务，务，简化通道结构简化通道结构, ,提高可靠性

9、提高可靠性。 3. 3. 集成传感器集成传感器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，信号拾取、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。从根本上解决由现避免了电路系统的电磁干扰。从根本上解决由现 场通过传感器引入的干扰。场通过传感器引入的干扰。 4.4.光纤传感器光纤传感器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 l放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”，即设置在调理电路即设置在调理电路 的最前端？的最前端？ l前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器的放大倍数应该多大？ 二、运用前置放大器的依据二、运用前置放大器的依据 当

10、传感器输出信号当传感器输出信号比较小比较小，采集系统输入端信噪，采集系统输入端信噪 比低，必须选用前置放大器进行放大。比低，必须选用前置放大器进行放大。 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 放大器噪声分析放大器噪声分析 22 00 )()(KVKKVV ININON 总的等效输出噪声：总的等效输出噪声： 总的等效输入噪声：总的等效输入噪声： 2 0 2 0 0 )( K V V KK V V IN IN ON IN KVV ONIN / 两种调理电路的对比两种调理电路的对比 212 0 2 1 2 0 )( )( K V V K VKV V IN I

11、N ININ IN 2 1 2 0 2 0 2 1 )()( ININ ININ IN VV K KVKV V （a） （b） 由于由于 K1,所以，所以， ，调理电路中放大器设置在，调理电路中放大器设置在 滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。 ININ VV 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 三、信号调理通道中的常用放大器三、信号调理通道中的常用放大器 u仪用放大器仪用放大器 u程控增益放大器程控增益放大器 u隔离放大器隔离放大器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 ( (一一) ) 仪用放大器仪用放大器 仪用放大器的基本结构仪用放大器的

12、基本结构 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 仪用放大器上下对称，即图中仪用放大器上下对称，即图中R1=R2R1=R2，R4R4R6R6， R5R5R7R7。则放大器闭环增益为：。则放大器闭环增益为： 假设假设R4=R5R4=R5，即第二级运算放大器增益为，即第二级运算放大器增益为1 1，则可，则可 以推出仪用放大器闭环增益为：以推出仪用放大器闭环增益为： 由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻R RG G，可以很方便地改，可以很方便地改 变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大 器时，器时，R RG G一般为外接电阻。一般为外接电阻。

13、 451 /)/21 (RRRRA Gf )/21 ( 1Gf RRA 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 l 非线性度非线性度 l 温漂温漂 l 建立时间建立时间 l 恢复时间恢复时间 l 电源引起的失调电源引起的失调 l 共模抑制比共模抑制比 仪用放大电路主要性能指标：仪用放大电路主要性能指标： 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理它是指放大器实际输出输入关系曲线与理 想直线的偏差。想直线的偏差。 VI VO 1 1、非线性度、非线性度 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而温漂是指仪用放大器输出电压随温度

14、变化而 变化的程度。变化的程度。 输出电压会随温度的变化而发生输出电压会随温度的变化而发生(150)(150) V/V/ 变化，这与仪用放大器的增益有关。变化，这与仪用放大器的增益有关。 2 2、温漂、温漂 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出 电电 压达到并保持在给定误差范围内所需压达到并保持在给定误差范围内所需 的时间。的时间。 3 3、建立时间、建立时间 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和 状态恢复到最终值所需的时间。状态恢复到最终

15、值所需的时间。 放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽 度决定，直接影响数据采集系统的采样速度决定，直接影响数据采集系统的采样速 率。率。 放大器增益带宽积指标放大器增益带宽积指标 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 4 4、恢复时间、恢复时间 指电源电压每变化指电源电压每变化1%1%，引起放大器的漂移，引起放大器的漂移 电压值。电压值。 仪用放大器一般用作数据采集系统的前置仪用放大器一般用作数据采集系统的前置 放大器，对于共用电源系统，该指标则是放大器，对于共用电源系统，该指标则是 设计系统稳压电源的主要依据之一。设计系统稳压电源的主要依据之一。 5 5

16、、电源引起的失调、电源引起的失调 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 CMRR=20logAdef/Acom 共模电压存在场合共模电压存在场合 6 6、共模抑制比、共模抑制比 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 程控放大器是常用部件，为了在整个测量程控放大器是常用部件，为了在整个测量 范围内获取合适的分辨力，常采用可变增范围内获取合适的分辨力，常采用可变增 益放大器。益放大器。 增益由仪器内置计算机的程序控制。这种增益由仪器内置计算机的程序控制。这种 由程序控制增益的放大器，称为程控放大由程序控制增益的放大器，称为程控放大 器。器。 ( (二二) ) 程控增益放大器程控增益放大器 第二

17、节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。 PGA202/204PGA202/204等是增益等是增益1 1、1010、100100、10001000四档、由两条四档、由两条 TTLTTL逻辑控制。逻辑控制。 程控放大器原理框图程控放大器原理框图 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 隔离模式：隔离模式： 两口隔离两口隔离：信号输入部分与信号输出部分：信号输入部分与信号输出部分 欧姆隔离；欧姆隔离； 三口隔离三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、：信号输入部分、信号输出部分、 功率供给部分彼此欧姆隔离；功率供给部分彼此欧姆隔离；

18、 三种隔离办法三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压：光隔离、电容隔离、变压 器隔离（电磁）。器隔离（电磁）。 ( (三三) ) 隔离放大器隔离放大器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 应用场合应用场合: : l高共模电压场合：如电力线电流取样、高共模电压场合：如电力线电流取样、 强电场中测量小范围电压差；强电场中测量小范围电压差； l测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，测试现场干扰比较大的微弱模拟信号， 而对信号的传递精度要求又高而对信号的传递精度要求又高; l多个系统不能共地。多个系统不能共地。 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 ( (三三) ) 隔离放大器隔离放大器 特点：特点：

19、 u能保护系统元件不受高共模电压的损害，能保护系统元件不受高共模电压的损害， 防止高压对低压信号系统的损坏。防止高压对低压信号系统的损坏。 u泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无 须须 提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。 u共模抑制比高，能对直流和低频信号进行共模抑制比高，能对直流和低频信号进行 准确、安全的测量。准确、安全的测量。 ( (三三) ) 隔离放大器隔离放大器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 GF289GF289集成隔离放大器集成隔离放大器 第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 GF289GF289典型接法典型接法 第二节第二节 模拟

20、信号调理模拟信号调理 第二章第二章 大作业大作业 数据采集系统设计数据采集系统设计 要求要求：性能指标自己：性能指标自己提出提出 （根据项目需要（根据项目需要） l采集系统的结构采集系统的结构 l采集信号路数采集信号路数 l每路信号的主要特征每路信号的主要特征 l计算机接口与控制逻辑计算机接口与控制逻辑 lA/D等主要器件等主要器件 l电源配置电源配置 报告报告： l采集系统性能指标采集系统性能指标 l原理方框图及说明原理方框图及说明 l规范的电路图及说明规范的电路图及说明 l主要器件介绍主要器件介绍 l参考文献资料参考文献资料 第三节第三节 传统传统 A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口

21、技术 uADC的基本概念的基本概念 u技术指标的含义技术指标的含义 u比较型比较型ADC、积分型积分型ADC、V/F转换原理转换原理 u典型芯片选择及接口设计典型芯片选择及接口设计 （3、4看书查阅资料自学）看书查阅资料自学） 量化特性及量化误差量化特性及量化误差 1.ADC1.ADC的基本概念的基本概念 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 QB Vbbb aaaVV n n r n n n n n nrn )2/)(222( )222( 0 0 2 2 1 1 2 2 1 1 )2/)(2/1 ()2/)(2/1 ( n rni n rn VVVVV n n位

22、位ADCADC的理想传输函数由以下两式定义：的理想传输函数由以下两式定义： VrVr是模拟输入满量程是模拟输入满量程 1.ADC1.ADC的基本概念的基本概念 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 理想理想ADCADC的传输特性和量化误差的传输特性和量化误差 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 u分辨率分辨率 u转换时间转换时间 u精度精度 u误差误差 2.A/D2.A/D转换器技术指标的含义转换器技术指标的含义 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 ADCADC的分辨率定义为的分辨率定义为ADCADC

23、所能分辨的输入模所能分辨的输入模 拟量的最小变化量。拟量的最小变化量。 用用ADCADC输出数字量的位数输出数字量的位数n n表示，代表表示，代表ADCADC 有有2 2n n个可能状态，可分辨出个可能状态，可分辨出满量程满量程值的值的 1/21/2n n 的输入变化量。此输入变化量称为的输入变化量。此输入变化量称为 1LSB1LSB（即（即一个量子一个量子Q Q） (1) (1) 分辨率分辨率 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 A/DA/D转换器完成一次转换所需的时间定义为转换器完成一次转换所需的时间定义为 A/DA/D转换时间。其倒数称为转换转换时间。其倒

24、数称为转换速率速率 l 与实现转换所与实现转换所采用的电路技术采用的电路技术有关有关 l 与与位数位数有关有关 l 采集系统转换时间还与采集系统转换时间还与接口模式接口模式有关有关 (2) (2) 转换时间转换时间 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 l绝对误差绝对误差( (精度精度) ) 数字输出码所对应的模拟输入电压数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想实际值与理想 值之差。值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、 噪声等组成。噪声等组成。 l相对误差相对误差( (精度精度) ) 数字输出码所对应的模

25、拟输入实际值与理想值之数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之 差与模拟满量程值之比，用表示。差与模拟满量程值之比，用表示。 绝对误差绝对误差/ /满量程值之比。满量程值之比。 (3) (3) 精度与误差精度与误差 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 定义定义: :为使为使ADCADC的输出最低位为的输出最低位为1 1，施加到，施加到ADCADC模模 拟输入端的实际电压与理论值拟输入端的实际电压与理论值(V(Vr r2 2n-1 n-1)( )(即即1LSB1LSB 所对应的电压值所对应的电压值) )之差之差. . 在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零在一

26、定环境温度条件下，偏移电压是可以调零 的。在的。在ADCADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的产品技术说明书中都给出偏移误差 的温度系数，单位为的温度系数，单位为1010-6 -6/ /，其值约在几到几十，其值约在几到几十 范围内。范围内。 l偏移误差偏移误差 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 l增益误差增益误差（满量程误差（满量程误差） 指指ADCADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模 拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表 示。可调，受温度影响。示。可调，受温度

27、影响。 l线性度误差线性度误差 积分线性度积分线性度误差和误差和微分线性度微分线性度误差两种。误差两种。 a a积分线性度误差积分线性度误差 偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与 通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有 时也称为时也称为线性度误差线性度误差。 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 b b微分线性度误差微分线性度误差 定义为定义为ADCADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）传输特性台阶的宽度（实际的量子值） 与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码

28、间的与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的 模拟输入量的差值对于模拟输入量的差值对于V Vr r/2/2n n的偏离值。的偏离值。 失码（失码（Missing CordMissing Cord）或跳码）或跳码(Skipped Cord)(Skipped Cord)，也，也 叫做非单调性。叫做非单调性。 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 ADCADC的积分线性度误差的积分线性度误差 ADCADC的微分线性度误差的微分线性度误差 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 ADCADC的失码现象的失码现象 第三节第三节 传统传统A/D

29、A/D转换器及接口技术转换器及接口技术 环境温度的改变会造成偏移、增益和线环境温度的改变会造成偏移、增益和线 性度误差的变化。性度误差的变化。 温度对误差的影响温度对误差的影响 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 二、传统二、传统ADC的转换原理的转换原理 ( (一一) ) 比较型比较型ADCADC 比较型比较型ADCADC可分为反馈比较型及非反馈（直可分为反馈比较型及非反馈（直 接）比较型两种。高速的并行比较型接）比较型两种。高速的并行比较型ADCADC是是 非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精 度的逐次逼近型度的逐次逼近型

30、ADCADC是反馈型是反馈型. . 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 逐次逼近式转换器原理逐次逼近式转换器原理 ( (二二) ) 积分型积分型ADCADC 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 双积分双积分ADC ADC 双积分式双积分式ADCADC的优点：的优点： l对对R R、C C及时钟脉冲及时钟脉冲T Tc c的长期稳定性无过高要的长期稳定性无过高要 求即可获得很高的转换精度。求即可获得很高的转换精度。 l微分线性度极好，不会有非单调性，不丢码微分线性度极

31、好，不会有非单调性，不丢码 l积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积 分式分式ADCADC是测量输入电压在定时积分时间是测量输入电压在定时积分时间T T1 1内的内的 平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正 负波形对称的干扰信号抑制效果更好。负波形对称的干扰信号抑制效果更好。 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 ( (三三) V/F) V/F型型ADCADC l 对工频干扰有一定的抑制能力；对工频干扰有一定的抑制能力； l 分辨率较高；分辨率较高； l 适合现场与主机系统距离较远的应

32、用场合；适合现场与主机系统距离较远的应用场合； l 易于实现光电隔离。易于实现光电隔离。 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 三、常用三、常用ADCADC与微处理器的接口与微处理器的接口 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 ( (一一) AD54A) AD54A及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口 AD57A的管脚图的管脚图 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 ADC574AADC574A单极性和双极性输入接法单极性和双极性输入接法 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口

33、技术 单极性接法单极性接法双极性接法双极性接法 AD574AD574的控制状态表：的控制状态表： 无关位 0H（偶数地址） 1H（奇数地址） 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 AD574AAD574A启动转换和读数据时序启动转换和读数据时序 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 AD574AAD574A与与80318031的接口的接口 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 AD574AD574系列产品主要性能比较系列产品主要性能比较 第三节第三节 传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术

34、第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 过采样技术过采样技术 -调制技术调制技术 增加了数字电路的比例，易于实现单片集成增加了数字电路的比例，易于实现单片集成 以较低的成本实现高精度的以较低的成本实现高精度的A/DA/D变换器变换器 理论基础理论基础: :信号采样量化理论信号采样量化理论 l若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q, Q, 量化噪声的总功率是一个常数量化噪声的总功率是一个常数, ,与采样频率与采样频率f fs s无关无关, , 功率密度谱功率密度谱在在0f0fs s/2/2的频带范围内均匀分布。的频带范围内均

35、匀分布。 l量化噪声电平与采样频率成反比量化噪声电平与采样频率成反比, ,提高采样频率提高采样频率, , 可以降低量化噪声电平可以降低量化噪声电平, ,而而基带基带是固定不变的是固定不变的, ,因因 而减少了基带范围内的噪声功率而减少了基带范围内的噪声功率, ,提高了信噪比。提高了信噪比。 理论基础理论基础: :信号采样量化理论信号采样量化理论 一、一、 - - 型型ADCADC原理原理 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 功功 率率 密密 度度 1.1.过采样技术过采样技术 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 带模拟滤波和数字滤

36、波的过采样带模拟滤波和数字滤波的过采样 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 一阶一阶- ADC - ADC 2.-2.-调制及噪声整形技术原理调制及噪声整形技术原理 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 l -调制器原理调制器原理 l 积分器及其数量阶数积分器及其数量阶数 l 量化器及其数量级数量化器及其数量级数 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 -调制器的频域线性化模型调制器的频域线性化模型 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 整形后的量化噪声分布整形后的量化噪声分

37、布 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 二阶二阶- ADC - ADC 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 精度精度(n)M(1阶阶)M(2阶阶)M(3阶阶)M(4阶阶) 12204865 1481921293622 16327682575931 181310725149343 20524288103414561 单级单级调制器调制器14阶与达到分辨率的最低过采样比阶与达到分辨率的最低过采样比

38、第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 D=4的采样抽取的采样抽取 3.3.数字滤波和采样抽取技术数字滤波和采样抽取技术 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 1. CS5360简介简介 uu 真正的真正的24位转换位转换 uu 105dB的动态范围的动态范围 uu 低噪声，总谐波失真低噪声，总谐波失真95dB uu - A/D转换技术转换技术 uu 片内数字抗混叠滤波及电压参考片内数字抗混叠滤波及电压参考 uu 最高采样率最高采样率50KHz uu 差动模拟输入差动模拟输入 uu 单单+5V电源供电电源供电 二、二、CS5360CS5

39、360及其与微处理器的接口及其与微处理器的接口 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 CS5360CS5360功能框图功能框图 CS5380 CS5381 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 数字接口电路功能框图数字接口电路功能框图 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 接口功能框图接口功能框图 基于基于FPGAFPGA的数字接口电路部分的设计的数字接口电路部分的设计 第四节第四节 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 串并转换电路原理图串并转换电路原理图 第四节第四节 - - 型型AD

40、CADC原理与接口技术原理与接口技术 逐次近似逐次近似A/DA/D法（几十法（几十MHzMHz） 闪电式闪电式A/DA/D法（几百法（几百MHzMHz） 分量程分量程A/DA/D法（几百法（几百MHzMHz） 流水线流水线A/DA/D法（几百法（几百MHzMHz） 谐振隧道二极管谐振隧道二极管A/DA/D法（法（1GHz1GHz以上）以上） 视频、数字示波器、频谱测试、雷达视频、数字示波器、频谱测试、雷达 采样率采样率10MHz10MHz以上以上 参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社 高速高速A/DA/D转换器转换器 第四节第四节 -

41、 - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 一、系统设计考虑的因素一、系统设计考虑的因素 二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点 三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 四、多路测量通道的串音问题四、多路测量通道的串音问题 五、主放大器的设置五、主放大器的设置 六、数据采集系统实例六、数据采集系统实例 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 v 输入信号的特性输入信号的特性 v 对数据采集系统性能的要求对数据采集系统性能的要求 v 接口特性接口特性 一、采集系统设计考虑的主要因素一、采集系统设计考虑的主要因素 第五节第五节 数据采集系统设

42、计及举例数据采集系统设计及举例 输入信号的特性：输入信号的特性： 1.1. 信号的数量信号的数量 2.2. 信号的输入方式（信号的输入方式（单端、差动、单极性、单端、差动、单极性、 双极性，接地、浮地）双极性，接地、浮地） 3.3. 信号的强弱及动态范围信号的强弱及动态范围 4.4. 信号的频带宽度信号的频带宽度 5.5. 信号是周期还是瞬态信号是周期还是瞬态 6.6. 信号中的噪声信号中的噪声 7.7. 共模电压大小共模电压大小 8.8. 信号源的阻抗信号源的阻抗 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 对数据采集系统性能的要求：对数据采集系统性能的要求： 1. 系统的采

43、样速率系统的采样速率 2.2. 系统的分辨率系统的分辨率 3.3. 系统的精度系统的精度 1.1.主机（主机（PCPC、MCUMCU、DSPDSP） 2.2.并行、串行、总线并行、串行、总线 3.3.数据的编码格式数据的编码格式 接口特性接口特性 ： 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 1.A/D1.A/D转换位数转换位数 2.2.转换速度转换速度 3.3.环境条件环境条件 4.4.接口接口 二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 min, max, 1 lg20 I I V V L 6 1 L

44、m 1 2 10 m 系统精度指标系统精度指标 的的10倍倍 原则原则 1.A/D1.A/D转换位数转换位数m m 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 转换速率转换速率fsfs = co tt 1 coDA ttT / ocDA tt NCf T max / 1 2. A/D2. A/D转换速度的确定转换速度的确定 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 第五节第五节 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 AP i o t dt dV V maxmax, )( 最大孔径误差最大孔径误差 APmo tfUU2 max, tUU mi cos 在数据采集系统中，若要求最大孔径误差不超过在数据采集系统中，若要求最大孔径误差不超过q q， 则由此限定的被转换信号的最高频率为则由此限定的被转换信号的最高频率为: : 1 max 2 1