《数据采集系统设计》ppt课件

1、4.3 4.3 数据采集系统设计数据采集系统设计一、数据采集系统设计的普通步骤一、数据采集系统设计的普通步骤二、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设计实例设计实例一、数据采集系统设计的普通步骤一、数据采集系统设计的普通步骤1 1、分析问题和确定义务、分析问题和确定义务 在进展系统设计之前，必需对要处理的在进展系统设计之前，必需对要处理的问题问题进展调查研讨、分析论证，在此根底上，根据进展调查研讨、分析论证，在此根底上，根据实践实践运用中的问题提出详细的要求，确定系统所要运用中的问题提出详细的要求，确定系统所要完成完成的数据采集义务和技术目的，确定调试系统和的数

2、据采集义务和技术目的，确定调试系统和开发开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中能够能够遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计设计的技术道路。的技术道路。2 2、确定采样频率、确定采样频率 采样频率决议了采样数据的质量和数量。采样频率决议了采样数据的质量和数量。利用采样定理来确定采样频率。利用采样定理来确定采样频率。3 3系统总体设计系统总体设计 在系统总体设计阶段，普通应做以下几项在系统总体设计阶段，普通应做以下几项任务。任务。(1) (1) 进展硬件和软件的功能分配进展硬件和软件的功能分配(2) (2

3、) 系统系统A AD D通道方案确实定通道方案确实定(3) (3) 确定微型计算机的配置方案确定微型计算机的配置方案(1) (1) 进展硬件和软件的功能分配进展硬件和软件的功能分配普通来说，多采用硬件，可以简化软件设计工普通来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但本钱会增作，并使系统的速度性能得到改善，但本钱会增加，同时，也因接点数添加而添加不可靠要素。加，同时，也因接点数添加而添加不可靠要素。假设用软件替代硬件功能，可以添加系统的灵敏假设用软件替代硬件功能，可以添加系统的灵敏性，降低本钱，但系统的任务速度也降低。性，降低本钱，但系统的任务速度也降低。要根据系统的

4、技术要求，在确定系统总体方案时要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进展合理的功能分配。进展合理的功能分配。(2)(2)系统系统A AD D通道方案确实定通道方案确实定模拟信号输入范围；模拟信号输入范围；完成一次转换所需的时间；完成一次转换所需的时间；模拟输入信号的特性是什么，能模拟输入信号的特性是什么，能否经过滤波，信号的最高频率是否经过滤波，信号的最高频率是多少；多少；模拟信号传输所需的通道数；模拟信号传输所需的通道数；采样采样/ /坚持器的采集时间是多少；坚持器的采集时间是多少；在坚持期间允许的电压下降是多在坚持期间允许的电压下降是多少；少；二、数据采集系统的误差分析二、数据采集系统

5、的误差分析 数据采集系统中的元器件很多，从数据采集、信号调理、模数转换，直至信号输出，经过许多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很复杂。误差分析需求结合详细系统、电路和元器件来进展。 数据采集系统的误差主要包括模拟电路误差、采样误差和转换误差。1 1、采样误差、采样误差采样频率引起的误差采样频率引起的误差采样频率必需大于信号最高有效频率的两采样频率必需大于信号最高有效频率的两倍倍系统的经过速率引起的误差系统的经过速率引起的误差经过速率：单位时间内系统对模拟信号的经过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集采集次数。次数。系统的经过速率的倒数为吞吐时间，阐明系统的经过速率的倒数为吞吐时

6、间，阐明系统系统每采样并处置一个数据所占用的时间。每采样并处置一个数据所占用的时间。outcsAPACoffONTHtttttttt多路模拟开关接通时间多路模拟开关接通时间TonTon和断开时间和断开时间ToffToff、采样坚、采样坚持器的捕获持器的捕获 TAC TAC 、孔径时间、孔径时间TAP TAP 和坚持建立时间和坚持建立时间TsTs、A/DA/D转换时间转换时间TcTc和数据输出时间和数据输出时间ToutTout。 为了保证系统正常任务，消除系统在转换过程的为了保证系统正常任务，消除系统在转换过程的动态误差，模拟开关对动态误差，模拟开关对N N 路信号顺序进展等速率切换路信号顺序进

7、展等速率切换时，采样周期至少为时，采样周期至少为 ，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、模拟电路误差模拟开关导通电阻模拟开关导通电阻RONRON的误差的误差 模拟开关存在一定的导通电阻，模拟开关存在一定的导通电阻，信号经信号经过模拟开关会产生压降。另外，导过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的通电阻的变化会使放大器或采样坚持器的输变化会使放大器或采样坚持器的输入信号波入信号波动，引起误差。动，引起误差。u多路模拟开关走漏电流多路模拟开关走漏电流ISIS引起的误差引起的误差u u 模拟开关断开的走漏电流模拟开关断开的走漏电流ISIS普通在普通在1n

8、A1nA左右，当左右，当u某一路接通时，其他各路均断开，断开的各某一路接通时，其他各路均断开，断开的各路的泄路的泄u漏电流漏电流ISIS都经过导通的开关和这一路的信号都经过导通的开关和这一路的信号源流入源流入u地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。差。u例如：一个例如：一个8 8路的模拟开关，走漏电流路的模拟开关，走漏电流ISIS为为1nA1nA，信，信u号源内阻号源内阻5050，断开的，断开的7 7路走漏电流路走漏电流ISIS在导在导通这一通这一u路的信号源内阻上产生的压降为：路的信号源内阻上产生的压降为：V3505071019 . u采样坚持器衰减

9、率引起的误差采样坚持器衰减率引起的误差u坚持形状下，由于坚持电容的漏电流和其他杂散电坚持形状下，由于坚持电容的漏电流和其他杂散电u流，引起坚持电压的衰减，衰减率反映了采样坚持流，引起坚持电压的衰减，衰减率反映了采样坚持u器的输出值在坚持期间的变化。衰减率为：器的输出值在坚持期间的变化。衰减率为：uIDID为流入坚持电容为流入坚持电容CHCH的总走漏电流，的总走漏电流，IDID包括采样保包括采样保u持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的u漏电流，电容内部的漏电流。漏电流，电容内部的漏电流。u放大器的误差放大器的误差 u数据采集系统往往需求运用放大

10、器对信号进展放大。数据采集系统往往需求运用放大器对信号进展放大。u放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非非u线性误差、增益误差、零位误差等。线性误差、增益误差、零位误差等。HDCCItU A/DA/D转换器的速度对误差的影响转换器的速度对误差的影响A/DA/D转换器速度用转换时间来表示。选用转换器速度用转换时间来表示。选用A/DA/D转转换器换器时必需思索到转换时间满足系统经过率的要求，时必需思索到转换时间满足系统经过率的要求，否那么否那么会产生较大的采样误差。会产生较大的采样误差。LSB32ADC)( 4 4、数据采集系统误差的计算、数据采

11、集系统误差的计算计算数据采集系统误差时，必需对各部分电路计算数据采集系统误差时，必需对各部分电路进展仔细分进展仔细分析，分别计算各部分的相对误差，然后进展误析，分别计算各部分的相对误差，然后进展误差综合。假设差综合。假设误差在误差在5 5项以上，按和方根方式综合；假设误项以上，按和方根方式综合；假设误差项在五项以下，差项在五项以下，按绝对值和的方式综合。按绝对值和的方式综合。和方根方式综合误差的表达式：和方根方式综合误差的表达式：绝对值和方式综合误差的表达式：绝对值和方式综合误差的表达式：式中：式中：2ADC2SH2AMP2MUX)()()()( )(ADCSHAMPMUX 转转换换器器的的误

12、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/DADCSHAMP MUX选择元器件精度的普通原那么：每一个元器件的精度目的应该优于系统规定的某一最严厉的性能目的的10倍。例如： 0.1%级精度性能的数据采集系统，所选元器件的精度应该不大于0.01%。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目的，例如精首先根据设计要求提出的技术目的，例如精度、转换度、转换时间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电源，粗时间、输入信号幅值、

13、环境温度以及提供的电源，粗略地选择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。多路模拟开关统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用选用AD7506AD7506，建立时间是，建立时间是1us1us。采样坚持器选用。采样坚持器选用LF398LF398，建，建立时立时间是间是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，位，转换精度转换精度可达可达0.05%0.05%，转换时间，转换时间25us25us。 器件选定后，进一步校

14、验转换时间和误差能否在器件选定后，进一步校验转换时间和误差能否在设计要设计要求范围内。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、采样坚持系统的转换时间由多路模拟开关、采样坚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的稳定时间和转换时间确定，它决议了系统的动态特性。转换时间确定，它决议了系统的动态特性。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+ +采样坚持采样坚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+2

15、5us=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 2项项a a、多路模拟开关走漏电流、多路模拟开关走漏电流ISIS引起的误引起的误差差根据根据AD7506AD7506的技术目的，的技术目的，2525时走漏时走漏电流电流IS=0.05nA,IS=0.05nA,信号源内阻信号源内阻1010，当，当1 1路路接通时，接通时，断开的断开的1515路走漏电流路走漏电流ISIS在导通这一路在导通这一路的信号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

16、不计可以忽略不计V105710151005099 .%.%00130100M30400 %0013.0mux 2 2 采样坚持器采样坚持器LF398LF398的误差的误差2 2项项a a、采样坚持器、采样坚持器LF398LF398的非线性度，在的非线性度，在10V10V范围范围内是内是0.01%0.01%，即，即1mV 1mV ；0.35%ADC0.5%0.3613%0.35%0.01%00.0013%)(ADCSHAMPMUX4 4、构造方式确实定、构造方式确实定系统要实现系统要实现1616路数据采集，要用多通道数据路数据采集，要用多通道数据采集结采集结构。拟采用多路分时采集分时输入构造，构构。拟采用多路分时采集分时输入构造，构造方式造方式简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速率不率不高，对采样信号不要求同步的场所。高，对采样信号不要求同步的场所。 多路模拟开关多路模拟开关 . 采样保持器采样保持器 A/D 转换器转换器 单片机单片机 控制逻辑控制逻辑 5 5、设计数据采集系统原理图、设计数据采集系统原理图原理图见课本原理图见课本200200页。页。任务过程见课本任务过程见课本 199,201199,201页。页。6 6、软件设计、软件设计采用中断法：当转