10数据采集系统的结构形式

1、5.数据采集系统的结构形式常见的数据采集系统主要有以下几种结构形式。每个通道具有独立的S/H和A/D的采集系统。图3-13单通道独立S/H和A/D型这种系统的结构形式如图3-13所示，图中，S/H为采样保持电路，A/D为模数转换电路， I/O为输入-输出接口电路。由图可见，每个S/H、A/D和I/O组成一个信号采集通道。也就 是说，每个通道具有独立的S/H和A/D。图3-13所示的数据采集系统，采集信号的速度快，主要用于高速数据采集和同步性要 求较高的场合。该系统采集后各通道数据是完整的，有利于分析各个通道信号的相关关系。这种类型数据采集系统的缺点是成本高。多通道分时共享S/H和A/D的采集系

2、统这种系统的电路结构如图3-14所示，图中，MUX为多路模拟开关。由图可见，在这种 采集系统中，只有一个采样-保持电路和模数转换电路，采取分时共享的方法，实现多通道 采集。各通道的采集和转换时间，取决于模拟开关和A/D转换器的工作时间。由于采集的信 号是通过模拟多路开关轮流切换送入S/H和A/D电路，所以被测信号是断续的，对实时测量 会引起误差。这种电路结构适合于缓慢信号的测量，也可通过加置多路模拟开关（MUX），来扩展通道 数。另外，这种电路结构简单，使用的芯片数少。OOOO 12 3 4CPU图3-14多通道分时共享S/H和A/D型多通道共享A/D的数据采集系统图3-15多通道共享A/D型

3、图3-15是多通道共享A/D的数据采集系统。这个系统的特点是每个通道具有独立的采 样-保存电路，但A/D电路是共享的。根据这一特点可知，这种系统的各通道可以实现同时 采样，所以这种系统又叫做同步数据采集系统。系统中的各个通道受同一个信号控制，能保 证各通道在同一时刻采样。但是，这种系统不能实现同时转换，而是只能分时共享。主计算机管理的各通道可以独立工作的采集系统图3-16是这种系统的结构示意图。由图可知，系统各通道都有S/H和A/D电路，都有 单片机和采样前的必要的预处理系统，因此各个通道的独立性很强。各通道可按各自的要求， 独立进行测试。近年来，采样厚膜技术制作的多功能数据采集模块，把数据采

4、集系统的各部分都集成在 一个模块里，并可与微机兼容。在此基础上发展起来的插卡式数据采集系统功能强大，使用 灵活，受到了广泛应用。这种插卡式数据采集系统，可以插入计算机方便地构成各种采集系 统。图3-16主计算机管理的各通道可以独立各种的采集系统3.1.2数/模转换（D/A）前面讨论了模数转换，下面讨论一下数模转换。所谓数模转换，就是把数字信号转换成 模拟信号。我们知道，计算机输出的是数字信号，但在应用中常常需要把数字信号转换成模 拟信号，所以数模转换在测试技术中，也是一个重要的环节。大家知道，数字量是用代码按数位组合起来的，对于有权码，每位代码都有一定的权。 为了将数字量转换成模拟量，必须将每

5、一位的代码按其权的大小，转换成相应的模拟量， 然后将代表各位代码的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了数 字量到模拟量的转换。1.权电阻网络D/A转换器所谓权电阻网络就是说，这些组成网络的电阻，其值与二进制数码的权相联系。权电阻网络D/A转换器的工作原理图3-17是4位权电阻网络D/A转换器原理图。由图可以看出，这种转换器由权电阻网 络、4个模拟开关和一个求和放大器组成。S、S、S和S是四个电子开关，它们的状态分别受输入代码d、d、d和d的取32103210值控制：代码为1时，开关接到参考电压、时上；代码为0时，开关接地。故di = 1时， 有支路电流/.流向求和放大器；d

6、 0时，支路电流为0（ i = 0，1，2,3）.求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。所谓负反馈，就是放大器的输出连接到了 反向输入端。在一般情况下，运算放大器可近似地看成理想放大器，即两个输入端的电压相 等，输入电流为零。但是当电路的参考电压经电阻网络加到V_端时，放大器两个输入端的 电压就会不相等。只要V稍高于匕，便在U0产生很负的输出电压。U0经Rf反馈到V端， 使V降低，其结果必然使Vr匕。因为匕端接地，所以匕=0，故VR匕=0。uo在运算放大器输入电压为零（即：Ur匕=0）的条件下可以得到(3-5)U =-R i = -R (I +1 +1 +1 ) TOC o 1-5 h z

7、0FF 3210由于U注0,因而各支路电流分别为I = REF d ( d = 1时，I = REF , d = 0 时，I = 0)3 R 333 R 33I = REF d22 R 2I = rer dI = 2RER d（3-6）将它们代入式（3-5），并取Rf= R,2,则得到U =-(d 23 + d 22 + d 21 + d 20) 0243210对于n位的权电阻网络D/A转换器，当反馈电阻取R/2时，输出电压的计算公式可写U= -Vref(d2n-1+ d2n-2+ + d21+ d20) = -ref D (3-7)02 nn-1n-2102nn上式表明，输出的模拟电压正比于

8、输入的数字量Dn,从而实现了从数字量到模拟量的 转换。从式（3-7）还可以看出：在Uref为正电压时，输出电压U0始终为负值；要想得到 正的输出电压，可将匕时取为负值。权电阻网络D/A转换器的优缺点这个电路的优点是:结构比较简单，所用电阻元件较少。其缺点是：各个电阻的阻值相 差较大，在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。例如，当输入信号增加到8位 时，如果取权电阻网络中最小电阻为R = 100,那么最大的电阻将达到27R = 1.28MQ, 两者相差128倍之多，这对制作集成电路极为不便。2.双极权电阻网络D/A转换器为了克服权电阻网络存在的缺点，人们研究出了一种双极权电阻网络D/A转换器，解决 了输入数字量的位数较多时存在的问题。图3-18是双极权电阻网络D/A转换器的原理图。图3-18双极权电阻网络D/A转换器由图我们可以看出：在双极权电阻网络中，每一级仍然只有四个电阻，四个电阻之间的阻值比