数据采集与处理

1、第三章:模拟多路开关通道选择模拟信号1模拟信号8图3.2双极型晶体管开关电路通道选择8作用：将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换。类型：机电式用于大电流、低速切换；电子式：用于小电流、高速切换。（1）双极型晶体管开关电路如图：工作原理：设选择第1路模拟信号。则令通道控制信号UC1=0，晶体管T1截止集电极为高电平，晶体管T1导通，输入信号电压口被选中。优点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。2）结型场效应晶体管开关i8图3.3结型场效应管多路开关工作原理：则令通道控制信号uc1=i，则开关控制管T1导通，集电极为低电

2、平，场效应管T1导通，U0=Ui1O当UC1=0时，T1截止，T1也截止，第1路输入信号被切断。优点：开关切换速度快，导通电阻小，可两个方向传送信号。缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。（3）绝缘栅场效应管开关-20Vuc-r18|图3.4绝缘栅场效应管多路开关5）集成电路开关四-十六线译码器其工作原理与结型场效应管多路开关类似。优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。缺点：衬底要有保护电压。+4V工作原理：设选择第1路输入信号，则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0001状态，经加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加1,状态依次

3、变为0001，0010，0011。2322212图3.5集成多路开关四十六线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管T1导通，U=Ui1，选中第1路信号。如果要连续选通第1路到第3路的信号，可以在计数器计数四位计数器2.多路开关的主要指标:导通电阻；开关接通电流、开关断开时的泄漏电流、开关断开时，开关对地电容、开关断开时，输出端对地电容。多路开关集成芯片AD7510，芯片中无译码器，四个通道开关都有各自的控制端每一个开关可单独通断，也可同时通断，使用方式比较灵活。但引脚较多，使得片内所集成的开关较少，且当巡回检测点较多时，控制复杂。AD7501（AD7503）,片上所有逻辑输入与TTL/DTL及

4、CMOS电路兼容AD7503除EN端的控制逻辑电平相反外,其它与AD7501相同。CD4501，CD4501为8通道单刀结构形式，它允许双向使用，即可用于多到一的切换输出，也可用于一到多的输出切换。多路开关的电路特性（1）漏电流通过断开的模拟开关的电流，用IS表示。（2）源负载效应误差一一信号源电阻RS和开关导通电阻Ron与多路开关所接器件的等效电阻rl分压而引起的误差。（3）串扰断开通道的信号电压耦合到接收通道引起的干扰。多路开关的配置（1）单端接法把所有输入信号源的一端接至同一信号地，另一端各自接至多路开关的相应输入端。其优点是能使用系统的全部通道，缺点是抗共模干扰能力差。（2）双端接法把

5、所有输入信号源的两端各自分别接至多路开关的输入端。其优点是抗共模干扰能力强，缺点是只能使用系统的一半通道。另外当信号源的信噪比较小时，必须使用此接法。第四章放大器在数据采集中,经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。放大器一般分为通用运算放大器和测量放大器。目前市场上的放大器中，通用运算放大器具有mV级失调电压、数”V/C的温飘，不能用于放大微弱信号；测量放大器具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛用于放大微弱信号。测量放大器原理：通常有二级运放，第一级为两个同相放大器且输入阻抗高。第二级为普通普通差动放大器测量放大器主要技术指标

6、（1）非线性度放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。另外非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。（2）温漂测量放大器输出电压随温度变化的程度。（3）建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至测量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。（4）恢复时间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时间。另外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。（5）电源引起的失调电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。第五章采样保持器1.模拟信号进行AD转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号

7、频率较高时，会造成很大的转换误差。故我们采用一种器件，在A/D转换时保持住输入信号电平，在A/D转换结束后跟踪输入信号的变化。这种功能的器件就是采样保持器。2.工作原理（1）采样/保持器的一般结构形式如图。可知道，采样/保持器由模拟开关K、电容CH、缓冲放H大器A组成。跟踪保持A62h图5.2采样/保持器工作原理7模拟地图5.1采样/保持器的一般结构形式（2）原理而在t2时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，CH端电压HUC又跟随U.变化而变化；t3时刻，驱动信号为低电平时，Ci模拟开关K断开，。故我们知道，采样/保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的

8、器件。采样保持器有两个稳定的工作状态：跟踪状态，在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止；保持状态，对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。采样保持器主要起以下二个作用：一是“稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。二是用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。采样保持器分类采样保持器按结构主要分为串联型和反馈型。串联型的优点是结构简单，缺点是其失调电压为两个运放失调电压之和，比较大，影响到采样保持器的精度，跟踪速度也较低。反馈型的优点是采样/保持精度高，原因是只有eOS1影响精度，跟踪速度也快。缺点是

9、结构复杂。采样保持器主要性能参数孔径时间tAP保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。孔径误差采样保持器实际保持的输出值与希望输出值之差，由于孔径时间的存在，而产生。捕捉时间tAC指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。馈送指输入电压U.的交流分量通过开关K的寄生电容CS加到CH上，使得U.的iSHi变化引起输出电压UO的微小变化。(5)跟踪到保持的偏差跟踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏差电压。(6)电荷转移偏差一一指在保持状态时，电荷通过开关K的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差。采样保持器集成芯片常用的有AD582

10、，它有较短的信号捕捉时间，最短达6s，有较高的采样/保持电流比，可达107。输入信号电平可为电源电压US具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了S，抗干扰能力且具有差动的逻辑输入端，另外AD582可与任何独立的运算放大器连接。采样/保持器选用时应注意的问题tAC与规定误差范围有关。因此，tAC的大小应与A/D转换器的精度配合。保持电压下降率对A/D转换器输入端的电压稳定度的影响。孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系电路设计中应注意的问题接地。采样/保持器是一种由模拟电路与数字电路混合而成的集成电路，一般有分离的模拟地和数字地引脚。漏电耦合的影响。印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的走线尽可能远

11、离与模拟输入端。或者将模拟信号输入端用地线包围起来，以隔断漏电流的通路。寄生电容的影响。在逻辑信号输入端与保持电容器之间存在寄生电容，当逻辑信号输入端加一跳变的控制信号时，由于寄生电容的耦合作用，也将引起采样/保持器的输出误差。第8章数据采集接口板卡1.为了能够迅速地、方便地构成一个数据采集与处理系统，我们在一块印刷电路板上集成了模拟多路开关、程控放大器、采样/保持器、A/D和D/A转换器等器件，就形成了数据采集板卡。PC-6319光电隔离模入接口卡（1）该卡适用于符合PC/ISA总线标准的PC机，采用三总线光电隔离技术，使被测量系统与计算机之间完全电气隔离。适用于恶劣环境的工业现场数据采集以

12、及必须保证人身安全的人体信号采集。（2）板卡组成：多路开关，由4片八选一模拟开关芯片等组成，改变跨接插座可以选择32路单端或16路双端输入方式。高性能放大器，型号为AD620,种低功耗、高精度的仪表放大器，具有良好的交直流特性，并且可以方便地改变放大增益。A/D芯片，转换器型号为AD1674,其内部自带采样/保持器和精密基准电源，具有较AD574A更高的转换速率和转换精度。接口控制逻辑，接口控制逻辑电路用来产生与各种操作有关的控制信号。光电隔离器，光隔电路采用5片TLP521-4光耦对系统总线与模拟信号之间进行光电隔离，以免相互间干扰。使用与操作（1）器件的调整（2）输入信号接口定义（3）丨/

13、0基地址选择（4）跨接插座的用法（5）控制口地址与有关数据格式模入码制以及数据与模拟量的对应关系（1）单极性方式工作。输入信号的电压为0V10V时，转换后的12位数码为二进制码。此12位数码表示一个正数码，其数码与模拟电压值的对应关系为：模拟电压值=数码（12位）X10/4096（V）即卩1LSB=2.44mV。（2）双极性方式工作。转换后的12位数码为二进制偏移码，此时12位数码最高位（DB11）为符号位：0表示负，1表示正。输入信号为-5V+5V时：模拟电压值=数码X10/4096-5（V）卩1LSB=2.44mV第9章数字信号采集1.数字信号的采集与其传送方式有关。传送方式有串行和并行二

14、种，故采集方法也有用8255芯片进行并行数据采集和用RS-232口进行串行数据采集。8255A可编程外围接口芯片（1）其用于接收并行传输的数字信号、脉冲信号和开关信号，引脚结构如图所示：由此图可知：8255有3个端口：端口A是一个8位数据输出/输入锁存器。端口B是一个8位数据输入/输出锁存器。端口C是一个8位数据输出/输入缓冲器。端口C还可以分成两个4位的端口。PA3PA2PA1PA0RD/A组：控制端口A和端口C的高4位B组：控制端口B和端口C的低4位有数据总线缓冲、读写逻辑芯片CSGNDA1A0PC7（2）8255A芯片有三种工作方式：方式0基本的输入/输出方式方式1选通的输入/输出方式方

15、式2带联络双向总线I/O方式需要说明：在方式1和方式2中，并未将端口C的所有位都用于传送控制状态信息，剩余的各位仍PC6PC5PC4PC0PC1PC2PC3PB0PB1PB214023933843753663573483398255A-53210311130122913281427152616251724182319222021PA4PA5PA6PA7WRRESETD0D1D2D3D4D5D6D7UccPB7PB6PB5PB4PB3然可以通过编程设定为输入/输出用。(a)（3）8255A的初始化一将一个8位控制码写入8255A的控制寄存器。3.PS-2304数字量I/O接口板（1）S-2304

16、数字量I/O接口板为PC/ISA总线型接口板，广泛用于PC微机，板上有三片8255A芯片及若干个逻辑器件组成，通过编程自由设定输入输出。2）主要技术参数输入输出路数：72路输入输出电平：TTL控制方式：程序查询或中断服务电源要求：DC+5V,耗电流500mA环境温度：-10C50C3）使用：地址开关的设定表9.1PS-230板地址分配芯片A口B口C口控制寄存器JC90300H0301H0302H0303HJC100304H0305H0306H0307HJC110308H0309H030AH030BH0318H031BH写入：开中断031CH031FH写入：关中断4.BCD码并行数字信号的采集(

17、1)以BCD码传送并行数字信号，在工程中是一种常见方法，例如三坐标测量机坐标位移信号的传送。为此，在三坐标测量机的每个坐标方向上安装了一根光栅尺来检测机器该方向1拖拉机2测试机架3光电传感器4齿形编码盘5测量轮图1车辆工作速度测试装置坐标位置的变化，就形成了光栅尺。车速脉冲信号的采集计数器。如图：4-31测量轮2齿形编码盘3反射式光电传感器4安装机架(1)在对车辆的车速进行路面测试时，为了得到车辆的直线行驶速度，一般在车辆的后部增加一个测量轮。测量轮的旋转轴上套装一个有60个齿的齿盘。在齿盘上：在侧面装反射式光电传感器；面对圆周装磁阻式传感(2)工作原理当齿盘旋转一个节距时，传感器转换输出一个近似于正弦波的信号，该信号经滤波、放大和整形后，变成一个脉冲信号，齿盘旋转一周，传感器转换输出60个脉冲。由于测量轮是一个从动轮，即车辆前进时带动该轮旋转。测量轮的圆周速度就是车图2位移测试装置辆的车速，因此有如下关系：v=“D-N(9-13)脉冲信号的处理设计数器的计数值为c,测量轮每转一周传感器输出的脉冲数为P,计数时间为t,测量轮转速为N(r/min)，则有如下关系式成立:60CPt整理可得测