智能测控系统设计3_数据采集(东南大学)

1、智能测控系统导论第四章第四章 数据采集系统数据采集系统4.1 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式4.2 采样保持器采样保持器4.3 多路模拟开关多路模拟开关4.4 A/D转换器转换器4.5 浮点放大器浮点放大器4.6 数据采集系统的电器隔离数据采集系统的电器隔离智能测控系统导论4.1 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式 数据采集系统的基本结构数据采集系统的基本结构 多路分时采集单端输入系统多路分时采集单端输入系统 多路同步采集分时输入系统多路同步采集分时输入系统 多路同步采集多路转换系统多路同步采集多路转换系统智能测控系统导论数据采样系统基本结构数据采样系统基本结构智能测控

2、系统导论多路分时采集单端输入系统多路分时采集单端输入系统智能测控系统导论多路同步采集分时输入系统多路同步采集分时输入系统智能测控系统导论多路同步采集多路转换系统多路同步采集多路转换系统智能测控系统导论4.2 采样保持器采样保持器 采样保持器基本原理采样保持器基本原理 采样保持器基本参数采样保持器基本参数 集成采样保持器集成采样保持器LF398智能测控系统导论采样保持器基本原理采样保持器基本原理智能测控系统导论采样保持器基本参数采样保持器基本参数捕获时间：采样命令起，输出从原保持值到当前捕获时间：采样命令起，输出从原保持值到当前输入信号值所需时间，一般在输入信号值所需时间，一般在350ns15

3、s。孔径时间：保持命令起，到开关断开的时间，孔径时间：保持命令起，到开关断开的时间，10200ns。孔径抖动：孔径时间的变化范围。孔径抖动：孔径时间的变化范围。保持建立时间：开关断开后，输出达到稳定的时保持建立时间：开关断开后，输出达到稳定的时间。间。衰减率：保持时间内，输出下降的速度。衰减率：保持时间内，输出下降的速度。传导误差：保持时间内，由于寄生电容，输入信传导误差：保持时间内，由于寄生电容，输入信号引起输出信号的变化。号引起输出信号的变化。智能测控系统导论捕获捕获时间时间孔径孔径时间时间孔径孔径抖动抖动保持建保持建立时间立时间传导传导误差误差智能测控系统导论集成采样保持器集成采样保持器

4、LF398捕获时间小于捕获时间小于10 s智能测控系统导论LF398连接连接智能测控系统导论集成采样保持器集成采样保持器AD585捕获时间小于捕获时间小于3 s智能测控系统导论AD585连连接接智能测控系统导论4.3 多路模拟开关多路模拟开关 多路开关的主要技术指标多路开关的主要技术指标 多路模拟开关芯片举例多路模拟开关芯片举例 多路模拟开关的扩展多路模拟开关的扩展智能测控系统导论多路开关的主要技术指标多路开关的主要技术指标RON:导通电阻；导通电阻；RONVS:导通电阻温度漂移；导通电阻温度漂移；IC:开关接通电流；开关接通电流；IS:开关断开时的泄漏电流；开关断开时的泄漏电流；CS:开关断

5、开时，开关对地电容；开关断开时，开关对地电容；COUT:开关断开时，输出端对地电容；开关断开时，输出端对地电容；tON:开关接通时的延迟时间；开关接通时的延迟时间；tOFF:开关断开时的延迟时间；开关断开时的延迟时间；tOPEN:从一个通道的接通状态到另一个通道的从一个通道的接通状态到另一个通道的接通状态所用时间。接通状态所用时间。智能测控系统导论导通电阻导通电阻与电源电与电源电压的关系压的关系 导通电阻导通电阻与温度的与温度的关系关系 CMOS型模拟开关的导通电阻曲线型模拟开关的导通电阻曲线 智能测控系统导论多路模拟开关芯片举例多路模拟开关芯片举例单端单端16通道通道AD7506智能测控系统

6、导论差动差动8通道通道AD7507智能测控系统导论RON:400 ；tON:1.5 s；tOFF:1 s ；tOPEN:100ns智能测控系统导论智能测控系统导论多路模拟开关的扩展多路模拟开关的扩展智能测控系统导论4.4 A/D转换器转换器A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标A/D转换器的分类转换器的分类积分式积分式A/D转换器转换器逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器 - A/D转换器转换器并行比较式并行比较式A/D转换器原理转换器原理智能测控系统导论A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标分辨率，一般以位数表示，如分辨率，一般以位数表示，如12位位AD；量化误差，一般为量

7、化误差，一般为 1/2LSB；偏移误差，又称零值误差，即输入零时输偏移误差，又称零值误差，即输入零时输出不为零，可用电位器调至最小；出不为零，可用电位器调至最小；满刻度误差，即增益误差；满刻度误差，即增益误差；线性度，实际转移特性与理想直线的最大线性度，实际转移特性与理想直线的最大偏差；偏差；转换速率，每秒转换的次数，转换速率，每秒转换的次数，1MSPS=1兆次兆次/秒秒。智能测控系统导论AD转转换换器器的的分分类类智能测控系统导论智能测控系统导论积分式积分式A/D转换器原理转换器原理对对-uI积积分，计数分，计数2n-1个个对基准电压对基准电压积分，计数积分，计数N个个RniuNu12智能测

8、控系统导论积分式积分式ADC芯片芯片举例举例（ICL7109）主要指标：主要指标：分辨率分辨率12位；转换位；转换速度速度30次次/秒；零漂秒；零漂1 v/ C；电源电源 5V（典型）；（典型）；输入电压输入电压小于小于 4V智能测控系统导论ICL7109积分式积分式ADC的工作过程的工作过程调零调零阶段阶段信号信号积分积分阶段阶段参考参考积分积分阶段阶段快速快速回零回零阶段阶段智能测控系统导论ICL7109积分式积分式ADC的管脚的管脚指示转换是指示转换是否结束否结束高位高位字节字节低位低位字节字节三态输出三态输出便于数据便于数据线的连接线的连接智能测控系统导论控制高控制高低字节低字节的输出

9、的输出数据输数据输出选通出选通智能测控系统导论ICL7109积分式积分式ADC的管脚的管脚低电平为直接输低电平为直接输出方式，高电平出方式，高电平为握手方式为握手方式有关有关振荡振荡器的器的连接连接运行控运行控制制智能测控系统导论输入信号，握输入信号，握手方式时外设手方式时外设接收数据接收数据输入为差输入为差分信号分信号智能测控系统导论ICL7109直接输出模式控制逻辑直接输出模式控制逻辑智能测控系统导论元件参数元件参数积分电阻 kRINTA20mV）满刻度电压（积分电容 FVA20)2048(）积分器输出电压幅度（）（时钟周期INTC校零电容：0.33F参考电容： 1F参考电压：输入电压/2

10、，例如参考电压1.024V，则输入满刻度电压2.048VRC振荡频率：f=0.45/RC智能测控系统导论ICL7109振荡器连接振荡器连接选择选择RC振荡器振荡器选择晶体选择晶体振荡器振荡器智能测控系统导论ICL7109应用应用智能测控系统导论逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理智能测控系统导论逐次逼近式逐次逼近式ADC芯片芯片举例举例AD1674智能测控系统导论AD1674主要指标主要指标分辨率分辨率12位；转换时间位；转换时间10 s；温漂；温漂 6LSB；电源；电源 15V（模拟电源，典型值）、（模拟电源，典型值）、 5V（数字电源，典型值）；（数字电源，典型值）；输入电压输入

11、电压 5V、 10V、10V、20V；输入阻抗；输入阻抗5k （10V幅度）、幅度）、10k （20V幅度）；幅度）；SHA：捕获时间：捕获时间1 s、孔径时间、孔径时间50ns、孔径抖动、孔径抖动250ps智能测控系统导论AD1674管脚管脚1. VLOGIC，5V2. 12/8，DI，L：8位输出，位输出，H：12位输出位输出3. /CS，DI，片选，低有效，片选，低有效4. A0，DI，转换时：，转换时：L，12位转换，位转换，H，8位转换；读数时：位转换；读数时：L，DB4DB11有效，有效，H，DB3DB0有效。有效。5. R/C，DI，H，读操作，读操作，L转换操作转换操作6. C

12、E，DI，片使能，可用于起动一次操作（读或转换），片使能，可用于起动一次操作（读或转换）7. Vcc，15V（或（或12V）8. REF OUT，10V输出输出9. AGND10. REF IN，接，接50 ，再连，再连REF OUT智能测控系统导论AD1674管脚管脚11. VEE，15V（或（或12V）12. BIP OFF，AI，双极偏置端，双极输入时接，双极偏置端，双极输入时接50 ，再接，再接REF OUT，单极工作时接，单极工作时接AGND13. 10Vin，AI，010V或或-5+5V输入输入14. 20Vin，AI，020V或或-10+10V输入输入15. DGND1619，D

13、O，数字低四位，数字低四位2027， DO，数字高四位，数字高四位28.STS，DO，H，正在转换，正在转换，L，完成转换，完成转换智能测控系统导论内部结构图内部结构图智能测控系统导论AD1674真值表真值表智能测控系统导论单极性输入时参考电源的接法单极性输入时参考电源的接法智能测控系统导论双极性输入时参考电源的接法双极性输入时参考电源的接法智能测控系统导论增增量量编编码码原原理理积分器增量编码信号通增量编码信号通过积分器和低通过积分器和低通滤波器解调。滤波器解调。上升一个台阶编上升一个台阶编码为码为1，下降一个，下降一个台阶编码为台阶编码为0智能测控系统导论增量编码存在的问题增量编码存在的问

14、题过载噪声：原始曲线的变化率过载噪声：原始曲线的变化率过大，调制曲线跟不上造成的过大，调制曲线跟不上造成的误差。误差。量化噪声：调制曲线和原始曲量化噪声：调制曲线和原始曲线之间由于量化造成的误差。线之间由于量化造成的误差。由于上述原因，增量编码存在较大的噪声（误差）。由于上述原因，增量编码存在较大的噪声（误差）。智能测控系统导论总和增量（总和增量（ - ）编码原理）编码原理dttdetxtytytxte)()()()()()(11量化误差的微分为高量化误差的微分为高频信号，频信号，y1(t)经低通经低通滤波后即可解调滤波后即可解调对输入信号积分后再进行对输入信号积分后再进行增量编码。这样降低了

15、信增量编码。这样降低了信号中高频分量的幅度。号中高频分量的幅度。智能测控系统导论 - A/D转换器原理说明转换器原理说明UI=0V输入为输入为oV时，时，0和和1的个数相等的个数相等输入为输入为oV时，时，斜率相等斜率相等+UR-UR(a)0 1 0 1 0 1 0 184+UR-URABCD智能测控系统导论 - A/D转换器原理说明转换器原理说明UI=1/4UR输入为输入为1/4UR时，时，1的个数比的个数比0的个数多的个数多输入为输入为1/4UR时，斜率不等时，斜率不等( b )85RU45RU430 1 1 0 1 1 0 1+ UR- URABCD智能测控系统导论二阶二阶 - A/D转

16、换器转换器智能测控系统导论 - A/D转换器的特点转换器的特点1.转换精度高：由先进的原理保证。转换精度高：由先进的原理保证。2.转换速度低：过采样转换速度低：过采样 - 调制实现调制实现A/D转换，牺牲速度换取精度。转换，牺牲速度换取精度。3.由于采用由于采用过采样过采样 - 调制，所以调制，所以ADC前端不需要加抗混迭滤波器。前端不需要加抗混迭滤波器。智能测控系统导论 - ADC芯片芯片举例举例ADS1210ADS1211比比ADS1210增加了增加了多路转换开关多路转换开关智能测控系统导论ADS1210/1211的主要指标的主要指标1.有效分辨率：有效分辨率：10Hz时时24位，位，1k

17、Hz时时20位（加速模式）位（加速模式）2.数据输出速度：最高数据输出速度：最高15.6kHz3.PGA增益：增益：1,2,4,8,164.参考电压输出：参考电压输出：2.5V，25ppm/C5.偏置电压输出：偏置电压输出：3.3V。6.时钟频率：最高时钟频率：最高10MHz7.电源：电源：5V智能测控系统导论ADS1210的管脚功能的管脚功能1.AINP：同相输入：同相输入2.AINN：反相输入：反相输入3. AGND：模拟地：模拟地4. ABIAS：偏置电压输出：偏置电压输出3.3V5./CS：片选输入：片选输入6./DSYNC：同步输入信号：同步输入信号7.XIN：系统时钟输入：系统时钟

18、输入8. XOUT：系统时钟输出端（接晶振）：系统时钟输出端（接晶振）9.DGND：数字地：数字地10.DVDD：数字电源，：数字电源，5V智能测控系统导论ADS1210的管脚功能的管脚功能11.SCLK:数据传送时钟输入数据传送时钟输入/输出输出12.SDIO：串行数据输入（也可作输出）：串行数据输入（也可作输出）13. SDOUT：串行数据输出：串行数据输出14. DRDY：数据准备就绪：数据准备就绪15.MODE：模式控制信号，：模式控制信号，H主控模式，主控模式，L从从动模式动模式16.模拟电源：模拟电源：+5V17.REFOUT:参考电压输出参考电压输出+2.5V18. REFIN:

19、参考电压入参考电压入智能测控系统导论ADS1210的结构框图的结构框图智能测控系统导论ADS1210的加速模式的加速模式智能测控系统导论ADS1210的输入偏置的输入偏置信号直接输入时，差分电压范围为信号直接输入时，差分电压范围为05V外加偏置可改变输入范围，输入范围也与外加偏置可改变输入范围，输入范围也与PGA增益有关增益有关智能测控系统导论ADS1210的标定方式的标定方式自标定：输入短路标零位，输入接参考标满度自标定：输入短路标零位，输入接参考标满度智能测控系统导论ADS1210的标定方式的标定方式系统零位标定：输入接差分输入端，标零位系统零位标定：输入接差分输入端，标零位智能测控系统导

20、论ADS1210的标定方式的标定方式系统满度标定：输入接差分输入端，标满值系统满度标定：输入接差分输入端，标满值智能测控系统导论ADS1210的标定方式的标定方式系统准标定：输入接差分输入端，标零位；输入系统准标定：输入接差分输入端，标零位；输入接参考标满度接参考标满度智能测控系统导论ADS1210的标定方式的标定方式系统后台标定：系统后台标定： 短路标零短路标零位位正常转换正常转换接参考标满接参考标满度度正常转换正常转换（循环再做）（循环再做）智能测控系统导论ADS1210的主模式和从模式的主模式和从模式主模式：主模式：MODE=H，时钟由，时钟由ADS1210内部内部提供，提供，SCLK为

21、输出。为输出。从模式：从模式：MODE=L，时钟由外部主控制器设，时钟由外部主控制器设定，定，SCLK为输入，大多数系统使用从模式。为输入，大多数系统使用从模式。睡眠模式：命令寄存器模式位写入睡眠模式：命令寄存器模式位写入110，模，模拟电路和大部分数字电路被关断。写入新模拟电路和大部分数字电路被关断。写入新模式可以重新激活。式可以重新激活。智能测控系统导论ADS1210内部寄存器内部寄存器智能测控系统导论ADS1210指令寄存器指令寄存器INSR命令串行口对寄命令串行口对寄存器进行读或写存器进行读或写n个字节个字节智能测控系统导论ADS1210命令寄存器命令寄存器CMR控制转换器的所有功能控

22、制转换器的所有功能智能测控系统导论命令寄存器的各位命令寄存器的各位（输出数据的范围）（输出数据的范围）智能测控系统导论命令寄存器的各位命令寄存器的各位作用同输入端作用同输入端/DSYNC智能测控系统导论命令寄存器的各位命令寄存器的各位智能测控系统导论命令寄存器的各位命令寄存器的各位加速模式控制位，控制输入电容采样频率和调制速率加速模式控制位，控制输入电容采样频率和调制速率控制抽取率：数字滤波器中计算单个输出结果所用的调制个数控制抽取率：数字滤波器中计算单个输出结果所用的调制个数智能测控系统导论ADS1210数据输出寄存器数据输出寄存器DOR存放最新的存放最新的转换结果转换结果智能测控系统导论A

23、DS1210零偏标定寄存器零偏标定寄存器OCR存放零位标存放零位标定结果定结果智能测控系统导论ADS1210满度标定寄存器满度标定寄存器FCR存放满度标存放满度标定结果定结果智能测控系统导论三线接口从动模式三线接口从动模式从动模式接地智能测控系统导论四线接口从动模式四线接口从动模式智能测控系统导论ADS1210应用应用智能测控系统导论并行比较式并行比较式ADC原理原理(1/2)VR/256(3/2)VR/256(511/2)VR/256只有一个为12n线线/n线线输出输出智能测控系统导论分级式分级式ADC结构结构又称流水线式又称流水线式ADC或多级式或多级式ADC（subranging，pip

24、elined，multistep）如：由两级如：由两级4位并行式位并行式ADC构成构成8位分级式位分级式ADC智能测控系统导论分级式分级式ADC举例举例AD9480尺寸尺寸12121.2mm智能测控系统导论AD9480功能框图功能框图智能测控系统导论AD9480管脚管脚智能测控系统导论AD9480管脚管脚智能测控系统导论AD9480管脚管脚智能测控系统导论AD9480管脚管脚智能测控系统导论AD9480主要参数主要参数分辨率分辨率8位；位；转换速率转换速率250MSPS；非线非线性性0.5LSB；差分输入电压范围；差分输入电压范围 0.5V；共模电压共模电压2V；输入电阻；输入电阻10k ；输

25、入电；输入电容容4pF；内部参考电压内部参考电压1V；电源电源3.3V；功耗功耗452mW；温度范围；温度范围-40+85C智能测控系统导论AD9480时序时序智能测控系统导论AD9480信号驱动信号驱动智能测控系统导论AD9480数据格式数据格式智能测控系统导论4.5 瞬时浮点放大器瞬时浮点放大器IFP IFP基本原理 三次比较七阶型IFP 游标型IFP 衰减型IFP智能测控系统导论IFP基本原理基本原理Instantaneous Floating Point Amplifier瞬时：即在一个采样宽度内完成放大器增益的瞬时：即在一个采样宽度内完成放大器增益的调整，取得最佳增益值。调整，取得最

26、佳增益值。浮点放大器输出： )(2)(2tutuino智能测控系统导论三次比较七阶型三次比较七阶型IFPA1A7的放大倍数均为的放大倍数均为22，S0S7只有一个开关导通，只有一个开关导通，S8导通导通( S0S7 不通不通)时测量漂移值，并由保持积分器保存，送到输入级补偿。时测量漂移值，并由保持积分器保存，送到输入级补偿。比较上下限智能测控系统导论增益调整过程增益调整过程7个开关，8种情况28智能测控系统导论游标型游标型IFP主放大器主放大器游标放大器游标放大器K1K4闭合一个闭合一个K5K8闭合一个闭合一个智能测控系统导论调整过程调整过程智能测控系统导论4.6 高速高速ADC的控制的控制

27、中低速ADC一般由单片机直接控制，利用ADC芯片提供的相关信号，如通道选择、片选信号、转换开始控制信号、转换结束状态信号、数据传输高低位控制信号等，进行数据采集的通道控制、转换开始控制、数据传输控制等。但高速ADC的转换速度经常在几十MSPS以上，单片机无法控制，即使是高性能嵌入式控制器、DSP等，也难于完成高速ADC的控制。一般的办法是采用硬件直接控制高速ADC的时序，同时控制数据的传输或保存。选用合适的FPGA或CPLD完成硬件设计。智能测控系统导论高速高速ADC的组成的组成 示例：示例：CPLDCPLD控制的控制的ADCADC。智能测控系统导论高速高速ADCTLC5510 A/D转换芯片是TLC5510，它是美国TI公司的高速模数转换器，用于视频处理、高速数据转换等领域。采用CMOS工艺制造，精确度为8位，转换频率为20MSPS，采用半闪速结构，