第二章数据采集技术

1、第二章第二章 智能仪器的数据采集技术智能仪器的数据采集技术 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构模拟信号调理模拟信号调理传统传统A/DA/D转换器及接口技术转换器及接口技术 - - 型型ADCADC原理与接口技术原理与接口技术 数据采集系统设计及举例数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析数据采集系统的误差分析 数据采集系统简称数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、

2、显示或打印的装置。储、处理、显示或打印的装置。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 传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图2.1 数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成 多路模拟输入通道数据采集系统多路模拟输入通道数据采集系统 同时测量多种物理量或同一种物理同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。量的多个测量点。 多路模拟输入通道可分为多路模拟输入通道可分为两大类型两大类型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 一、多路模拟信号集中采集式一、多路模拟信号集中采集式 1. 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一集

3、中式数据采集系统的典型结构之一传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理模模拟拟多多路路开开关关A/ /D计计算算机机控制逻辑控制逻辑S/HS/H多路共用采集电路分时采集多路共用采集电路分时采集2. 2. 集中式数据采集系统的典型结构之二集中式数据采集系统的典型结构之二传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理S/HS/H模模拟拟多多路路开开关关S/HA/ /D计计算算机机控制逻辑控制逻辑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3. 3. 集中式数据采集系统的典型结构之三集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样多通道同步

4、采样A/D，分时传输数据，分时传输数据多通道独立取样多通道独立取样A/D，有通道缓存，有通道缓存通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号或数字信号模拟信号或数字信号网络式数据采集结构网络式数据采集结构二、分布式采集二、分布式采集请总结每种数据采集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采集系统信号调理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任务：的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、

5、滤波；滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。和量程切换等。传感传感器器前置前置放大放大滤滤波波程控程控放大放大滤滤波波采集采集电路电路 典型模拟调理电路的组成框图典型模拟调理电路的组成框图 传感器是信号输入通道的第一环节，也是传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。决定整个测试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： 明确所设计的测控系统对传感器的技术明确所设计的测控系统对传感器的技术要求；要求； 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器传感器， 自

6、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： 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。 转换精度：转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求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；而分配给传感器的精度指标； 转换速度（带宽）：转换速度（带宽）：符合整机要求；符合整机要求； 能能满足满足被测介质和使用被测介质和使用环境的特殊要求环境的特殊要求，如耐，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰高温、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；、

7、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；1.1.能满足用户对能满足用户对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对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，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、热电阻、热敏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、半导体PN结、结、IC温度传感器、光纤温度传感器温度传感器、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，应侧重考虑成本低、相配电路是否简条件等情况下，应侧

8、重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。高的传感器。 ( (二二) ) 选用什么类型传感器选用什么类型传感器 大信号输出传感器大信号输出传感器 : : 为了与为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与开始设计、制造一些专门与A/D相配套的相配套的大信号输出传感器。大信号输出传感器。 传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号修正与变换滤波滤波A/D微机微机微机微机I/V转换转换V/F光电耦合光电耦合小电流小电流小电压小电压大电

9、压大电压大电流大电流图图3.5 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 2. 2. 数字式传感器：数字式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器，或模拟构成的振荡器，或模拟电压输入经电压输入经 V/FV/F转换等。转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。远距离传送等优点。 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 传感器传感器放大放大整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机传感器传感器整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机频率频率输出输

10、出开关量开关量输出输出 集成传感器是将传感器与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。例如，将应变片、应变电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。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采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。信号调理任务，简化通道结构。 3. 3. 集成传感器集成传感器4. 4. 光纤传感器：光纤传感器： 这种传感器其信号拾取、变换、传输这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的

11、电磁干扰。系统的电磁干扰。 光纤传感器可以从根本上解决由现场通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。过传感器引入的干扰。 放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”, ,即设置在调理即设置在调理电路的最前端？电路的最前端？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传感器输出信号比较小，必须选用前当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。置放大器进行放大。KVVONIN/2200)()(KVKKVVININONVIN VOS前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0 VON放大器噪声分析放大

12、器噪声分析 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：20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VISVIN，加入前放后，加入前放后，希望希望VISVIN，就必须使，就必须使VIN95dBuu - 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50KHzuu 差动模拟输入差动模拟输入uu 单单+5V电源供电电源供电 CS5360 CS5360功能框图功能框图

13、 CS5380 CS5381 数字接口电路功能框图数字接口电路功能框图 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 接口功能框图接口功能框图 串并转换电路原理图串并转换电路原理图 高速高速A/D转换器转换器逐次近似逐次近似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

14、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 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 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

15、要求对数据采集系统性能的要求v 接口特性接口特性输入信号的特性：输入信号的特性： 信号的数量信号的数量 信号的输入方式（信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地性，接地、浮地） 信号的强弱及动态范围信号的强弱及动态范围 信号的频带宽度信号的频带宽度 信号是周期还是瞬态信号是周期还是瞬态 信号中的噪声信号中的噪声 共模电压大小共模电压大小 信号源的阻抗信号源的阻抗对数据采集系统性能的要求：对数据采集系统性能的要求： 系统的系统的采样速率采样速率 系统的分辨率系统的分辨率 系统的精度系统的精度 主机（主机（PCPC、MCUMCU、DSPDSP） 并行、串行、总

16、线并行、串行、总线 数据的编码格式数据的编码格式 接口特性接口特性 ：二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点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1.A/D转换位数转换位数mmin,max,1lg20IIVVL 61Lm 1210m系统精度指标系统精度指标 的的10倍原则倍原则2. A/D转换速度的确定转换速度的确定 转换速率转换速率 =cott 1coDAttT/ocDAttNCfTmax/1三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选择 APiotdtdVVmaxmax,)(最大孔径误差最大孔径误差 APm

17、otfUU2max,tUUmicos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: :1max21mAPtfmmcmUqtfU221max21mctf不加采样不加采样/保持器保持器 加采样加采样/保持器保持器 1max21mAPtf一个一个12位位ADC，tc=25s信号频率不能超过信号频率不能超过1.5Hz。 tAP=10nsfmax=3750HzA/DA/D转换时间转换时间t tC C 内内S/HS/H理想情况下应保持不变理想情况下应保持不变存在输出电压的跌落存在输出电压的跌

18、落HDoCIdtdVI ID D为流过保持电为流过保持电容容C CH H的漏电流的的漏电流的代数和代数和: :模拟开模拟开关断开时的漏电关断开时的漏电流、保持电容本流、保持电容本身的介质漏电和身的介质漏电和介质吸附效应引介质吸附效应引起的电荷变化起的电荷变化。 四、多路测量通道的串音问题四、多路测量通道的串音问题 MUXMUX电路模型电路模型 模拟开关的断模拟开关的断开电阻开电阻R Roffoff不是不是无穷大和多路无穷大和多路模拟开关中存模拟开关中存在寄生电容的在寄生电容的缘故。缘故。 低频等效电路低频等效电路 高频等效电路高频等效电路RiRoffRon例例:设八路输入转换开关设八路输入转换开关, 导通电阻导通电阻100欧姆欧姆,关断时单路漏电流关断时单路漏电流1A。输入信号是温度传感器输出电压，输入信号是温度传感器输出电压，内阻内阻400欧姆。试估算漏电流产欧姆。试估算漏电流产生的误差。生的误差。(1)(1)为减少漏电流影响为减少漏电流影响, ,减小信号源内阻减小信