第2章 数据采集系统设计

1、第三章第三章 智能仪器智能仪器的数据采集技术的数据采集技术 智能仪器的数据采集系统简称智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。机进行存储、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3.1 数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成 实际的数

2、据采集系统往往需要同时实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输人通道更具测量点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。采集式两大类型。 一、集中采集式一、集中采集式 图图3.2 集中式数据采集系统的典型结构集中式数据采集系统的典型结构 二、分散采集式二、分散采集式(分布式分布式)(a) 分布式单机数据采集结构

3、分布式单机数据采集结构 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模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号(b) 网络式数据采集结构网络式数据采集结构图图3.3 分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和

4、量程切换等，这些操作统称为差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（信号调理（Signal Conditioning），相应），相应的执行电路统称为信号调理电路。的执行电路统称为信号调理电路。 传感传感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集电路电路图图3.4 典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图 一、传感器的选用一、传感器的选用 传感器是信号输人通道的第一道环节，也是传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要

5、什么样的传感器需要什么样的传感器系统对传感器的技术系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。的传感器。(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. 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，转换范围与被测量实际变化范围相一致。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

6、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. 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. 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 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

7、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PN结、结、IC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。 1. 大信号输出传感器大信号输出传感器 :为了与为了与A/D输入要求相输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门适应，传感器厂家开始设计、制造

8、一些专门与与A/D相配套的大信号输出传感器。相配套的大信号输出传感器。 传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图图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. 数字式传感器：数字式传感器一般是数字式传感器：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由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或构成的振荡器，或模拟电压输入经模拟电压输入经 V/F转换等，因此，数字转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有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

9、强、便于远距测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。离传送等优点。 传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图图3.6 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 3. 集成传感器：集成传感器是将传感器集成传感器：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、电桥放变片、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。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的信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。号调理任务

10、，简化通道结构。 4. 光纤传感器：这种传感器其信号拾取、光纤传感器：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，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。在信号输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本上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。解决由现场通过传感器引入的干扰。 二、运用前置放大器的依据二、运用前置放大器的依据 多数传感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。判断传感器信号判断传感器信号“大大”还是还是“小小”和要和要不要进行放大的依

11、据又是什么？不要进行放大的依据又是什么？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？VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVONKVVONIN/2200)()(KVKKVVININON图图3.7 前置放大器的作用前置放大器的作用 20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ图图3.8 两种调理电路的对比两种调理电路的对比 21202021)()(INININININVVKKVKVV21202120)(

12、)(KVVKVKVVINININININ 由于由于 K1,所以，所以， ，这就是，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前说，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。面有利于减少电路的等效输入噪声。 ININVV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 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。 (一一) 仪

13、用放大器仪用放大器 图图3.9 仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构 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=R2，R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为：。则放大器闭环增益为：假设假设R4=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，则可以推出仪用放大器闭环增益为：，则可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RG，可以很方，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。一般为外接电阻。 451/)/21 (RRRRAGf)/21

14、 (1GfRRA 在实际的设计过程中，可根据模在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。具体的放大电路。 1. 非线性度非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。与理想直线的偏差。当增益为当增益为1时，如果时，如果一个一个12位位A/D转换器有转换器有0.025%的非线性的非线性偏差，当增益为偏差，当增益为500时，非线性偏差可达时，非线性偏差可达0.1%，相当于把，相当于把12位位A/D转换器变成转换器变成10位以

15、下转换器，故一定要选择非线性偏位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于差小于0.024%的仪用放大器。的仪用放大器。 2. 温漂温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器度变化而变化的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生的输出电压会随温度的变化而发生(150) V/变化，这与仪用放大器的增变化，这与仪用放大器的增益有关。益有关。 3. 建立时间建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。范围内所需的时

16、间。4. 恢复时间恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间恢复时间是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至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。间直接影响数据采集系统的采样速率。5. 电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系，对于共电源系统，该

17、指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。统稳压电源的主要依据之一。 6. 共模抑制比共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时时，在放大器输出端测量出电压变化值，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，则，则共模抑制比共模抑制比CMRR可用下式计算：可用下式计算：CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但号有增益，对共模信号没有增益

18、。但CMRR的的计算却是折合到放大器输出端，这样就使计算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随增益的增加而增大。随增益的增加而增大。ICMUUCMRRlg20(二二) 程控增益放大器程控增益放大器 程控放大器是智能仪器的常用部件之程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。在适的分辨力，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控器内置计算

19、机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。制增益的放大器，称为程控放大器。 图图3.10 程控放大器原理框图程控放大器原理框图 (三三) 隔离放大器隔离放大器 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，例如输入数高的模拟信号的传输过程中，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

20、系统的可靠性。系统的可靠性。 由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防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。止高压对低压信号系统的损坏。2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。或电流）进行准确、安全的测量。图3.12

21、GF289集成隔离放大器图图3.14 GF289典型接法典型接法 第三节第三节 A/D转换器及接口技术转换器及接口技术 A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子用一个称为量子Q的基本单位来度量。的基本单位来度量。 图图3.15 量化特性及量化误差量化特性及量化误差 QBVbbbaaaVVnnrnnnnnnrn)2/

22、)(222()222(0022112211)2/)(2/1 ()2/)(2/1 (nrninrnVVVVV 一般而言，一般而言，n位位ADC的理想传输函数由以的理想传输函数由以下两个式子定义：下两个式子定义： 图图3.16 理想理想ADC的传输特性和量化误差的传输特性和量化误差 A/D转换器常用以下几项技术指标来评转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。价其质量水平。 (1) 分辨率分辨率 ADC的分辨率定义为的分辨率定义为ADC所能分辨的输所能分辨的输入模拟量的最小变化量。入模拟量的最小变化量。 (2) 转换时间转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间定义转换器完成一次转换所需的时间

23、定义为为A/D转换时间。转换时间。 (3) 精度精度 绝对精度绝对精度 绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。电压的差值。 绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。差以及噪声等组成。 相对精度相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差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。与模拟满量程值之比。 偏移误差。偏移

24、误差。ADC的偏移误差定义为使的偏移误差定义为使ADC的输出最低位的输出最低位为为1，施加到，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理模拟输入端的实际电压与理论值论值1/2(Vr2n)(即即0.5LSB所对应的电压值所对应的电压值)之之差（又称为偏移电压）。差（又称为偏移电压）。 增益误差增益误差增益误差是指增益误差是指ADC输出达到满量程时，实际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示。入满量程的百分数表示。 线性度误差线性度误差ADC的线性度误差包括积分线性度误差和微分的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性

25、度误差两种。线性度误差两种。a积分线性度误差积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均积分线性度误差定义为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，有时也称为线性点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。度误差。 b微分线性度误差微分线性度误差积分线性度误差是从总体上来看积分线性度误差是从总体上来看ADC的数的数字输出，表明其误差最大值。但是，在很字输出，表明其误差最大值。但是，在很多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴趣。微分线性度误差就是说明这种问题的趣。

26、微分线性度误差就是说明这种问题的技术参数，它定义为技术参数，它定义为ADC传输特性台阶的传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于量的差值对于Vr/2n的偏离值。的偏离值。 图图3.17 ADC的积分线性度误差的积分线性度误差 图图3.18 ADC的微分线性度误差的微分线性度误差 与微分线性度误差直接关联的一个与微分线性度误差直接关联的一个ADC的常用的常用术语是失码（术语是失码（Missing Cord）或跳码）或跳码(Skipped Cord)，也叫做非单调性。，

27、也叫做非单调性。 图图3.19 ADC的失码现象的失码现象 温度对误差的影响温度对误差的影响 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。 二、二、ADC的转换原理的转换原理(一一) 比较型比较型ADC比较型比较型ADC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ADC是是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型逐次逼近型ADC是反馈型是反馈型 图图3.20 逐次逼近式转换器原理逐次逼近式转换器原理 (二二) 积分

28、型积分型ADC图图3.21 双积分双积分ADC 双积分式双积分式ADC的优点：的优点： 对对R、C及时钟脉冲及时钟脉冲Tc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。微分线性度极好，不会有非单调性。因为积微分线性度极好，不会有非单调性。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的的, ,即从本质上说，不会发生丢码现象。即从本质上说，不会发生丢码现象。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ADC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T1内的平

29、均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其内的平均值，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。对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。 (三三) -型型ADC 过采样过采样-A/D变换器由于采用了过采变换器由于采用了过采样技术和样技术和-调制技术，增加了系统中数字调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应变换器，适应了了VLSI技术发展的要求。技术发展的要求。 过采样技术过采样技术图

30、图3.22 理想理想3位位ADC转换特性转换特性 图图3.23过采样技术原理图过采样技术原理图 -调制及噪声整形技术调制及噪声整形技术 图图3.24 带模拟滤波和数字滤波的过采样带模拟滤波和数字滤波的过采样 图图3.25 一阶一阶- ADC 图图3.26 -调制器的频域线性化模型调制器的频域线性化模型 图图3.27整形后的量化噪声分布整形后的量化噪声分布图图3.28二阶二阶- ADC 图图3.29 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 数字滤波和采样抽取技术数字滤波和采样抽取技术 图图3.30 M=4的采样抽取的采样抽取 (四四) V/F型型ADC智能仪器中常用

31、的另一种智能仪器中常用的另一种ADC是是V/F型型ADC。它主要由。它主要由V/F转换器和计数器构成。转换器和计数器构成。V/F型型ADC的特点是：与积分式的特点是：与积分式ADC一样，对一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。合；易于实现光电隔离。 三、常用三、常用ADC集成芯片及其与智能仪集成芯片及其与智能仪器中微处理器的接口器中微处理器的接口考虑到逐次逼近式考虑到逐次逼近式ADC具有转换速度快，精度具有转换速度快，精度较高，价格适中的优点，较高，价格适中的优点，-型型ADC具有转换精具有转换精度高，价格低廉的优点，下面将介绍逐次逼近度高，价格低廉的优点，下面将介绍逐次逼近式式ADC-AD574A和和-型型ADC-CS5360及其与及其与CPU的接口。的接