Signal-4-4-信号调理AD-DA数据采集

模拟/数字转换A/D转换器D/A转换器采样和量化数据采集系统调制解调模数转换器（ADC、DAC）信号选择、滤波、放大等其它：时钟、接口电路等模拟/数字转换连续量采样（离散化）量化（数字化）A/D转换包括采样和量化两个过程；采样是将时域上连续变化的信号变为时域上离散的信号；量化是将幅值可连续变化的信号变为离散值。采样－保持电路原理图采样是按一定的时间间隔，周期性的提取信号的幅值。保持电路使输入电压在模数转换期间保持稳定。1，被采样信号最高频率有限；2，采样频率不小于被采样信号最高频率的两倍。采样－保持量化、编码量化是把幅值可连续变化的量转化为所规定的最小数字量的整数倍，最小数字量即量化单位；编码是把量化的结果用代码的形式表示出来，一般为二进制代码；量化引入的误差称为量化误差，它与具体的量化方法有关。A/D转换将模拟输入电压Ui

转换为n位二进制数Da，则有：其中，n——A/D转换器位数；

Uref

——参考电压，即ai

全部为1时对应的输入电压；

ΔU

——单位量化电压，即最低有效位（LSB）a0

为 1，其它各位为0时对应的输入电压;

e——量化误差。由于采用四舍五入原则，量化误差e为：量化误差的大小应与输入信号的绝对误差处于同一数量级上；模拟输入信号的幅值应尽量与A/D转换器的输入量范围相匹配。完成数字化的器件称为A/D转换器，它的输出为n位数，满量程输出为Uref，输入电压按照四舍五入原则进行量化。A/D转换器输出信号最常采用的编码形式是二进制编码；

A/D转换器典型的A/D转换器包括： 并行比较型A/D转换器、逐次逼近型A/D转换器、 积分型A/D转换器等。

并行A/D转换器整个电路由分压、比较、编码三部分组成。优点是同时确定所有编码值，转换速度最快；缺点是分辨率低，如果增加一位编码，则比较器和有关器件需要加倍。一般用于转换速度快而精度要求不高的场合。逐次逼近型A/D转换器主要构成：数码寄存器、D/A转换器、电压比较器、顺序脉冲分配器和相应的控制电路。工作原理：控制电路首先把寄存器最高位置1，其它各位置0，D/A转换器将这个数值转换为相应的模拟电压值Ua，然后和输入电压Ui相比较，如果Ua>Ui，说明这个值太大了，应该使最高位为0，反之应该保留这个1。然后把次高位置1，并用同样的方法判断次高位应该为1还是0。照此方法依次确定寄存器的每一位值，最终寄存器的输出即为Ui的量化编码。逐次逼近型A/D转换器转换速度较快，由于进行的是瞬时值比较，故抗干扰能力稍差。A/D转换器的主要技术指标：1，量化单位：即最低有效位（LSB）为1时对应的模拟输入电压值。2，分辨率：转换器能够分辩输入信号的最小变化量。或以1LSB表示，经常称n位A/D转换器具有n位分辨率；3，量化误差：由于分辨率有限而造成的转换误差，其绝对值不大于量化单位电压；4，转换时间：转换器完成一次A/D转换所需的时间，在此时间内，模拟输入电压通过采样保持器保持稳定值，否则会造成动态误差。3，D/A转换器D/A转换器位于计算机的输出通道，是将数字量转换为模拟量的器件或装置。将一个n位二进制数N表示的电压转换为相应的模拟量为：其中ΔU是D/A转换器的单位量化电压，它等于仅a0

为1时的输出模拟电压。D/A转换器的主要类型有：权电阻D/A转换器、T形电阻网络D/A转换器、倒T形电阻网络D/A转换器及权电流网络D/A转换器。特性参数有：分辨率、转换时间、输出量程等；误差包括零点误差、增益误差和非线性误差等。数据采集系统调制解调模数转换器（ADC、DAC）信号选择、滤波、放大等其它：时钟、接口电路等传感器信号处理ADCDAC计算机显示检测预处理转换调理界面数字量模拟量信号处理模拟世界数据采集系统和外部模拟世界的关系模拟多路转换器——AD7501结构、引脚、真值表功能：对多路输入信号进行分时切换，输出接A/D转换器。单端输入分时多通道采集结构同步多通道采集结构信号的输出与显示测试系统输出信号分类显示和指示通信和驱动记录图视显示模拟指示数码显示打印绘图模拟记录数字记录模拟通信输出数字并行、串行输出设备驱动接口数码显示：发光二极管（LED）、液晶显示器（LCD）等。图视显示：CRT显示器、液晶显示器、等离子体（PDP） 显示器等。记录输出：打印机、绘图仪、磁带记录器、数字存储设备等。A）空间辐射干扰（电磁干扰）：电气设备、电子设备、通信设施的高密度使用，使空间电磁波污染越来越来严重。空间辐射干扰主要有地球大气放电（如雷电）、宇宙干扰（如太阳产生的无线电辐射）、静电放电等自然干扰和高压输电线、内燃机、荧光灯、电机等电气设备产生的放电干扰。这些干扰源产生的辐射波频率范围广，且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过测控系统的壳体、导线、敏感探头等形成接收电路，造成对系统的的干扰。测试系统抗干扰设计一、干扰因素D）热干扰：元器件在工作时产生的热量所引起的温度波动和环境温度的变化都会引起电路参数发生变化或产生附加的热电势。E）光干扰：许多半导体材料在光的照射下会激发出电子空穴对，产生电势或引起阻值变化，影响系统正常工作。F）机械干扰：由于机械振动或冲击使元件发生振动、变形、位移等。G）湿度干扰：由于环境湿度的变化引起电路参数发生改变。H）化学干扰：由于化学物品的腐蚀作用引起仪表损坏或电路参数发生变化，因此仪表和系统需注意密封和清洁。B）电网干扰：工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均通过电源内阻耦合到测控系统的电路，给系统造成极大的危害。C）小信号长线传输干扰：传感器输出的信号较弱，传输线较长，易受干扰影响，当A/D转换器在获取0～50mV小信号时，不恰当的模拟接地方法会给系统造成较大的测量误差。二、干扰进入系统的基本形式：干扰对仪表或系统产生不良影响，必须满足下列三个条件：

1，有干扰源存在；

2，有一定的干扰耦合通道；

3，有对干扰敏感的接收电路。干扰进入系统的主要形式有：

1，静电耦合

2，电磁耦合

3，共阻抗耦合

4，漏电流耦合等上式表明：1）只要电路中有尖峰信号和脉冲信号等频率高的信号存在，静电耦合干扰就比较严重；2）降低阻抗Zi可以减小静电耦合干扰；3）应通过合理布线减小噪声电源和接受电路之间的分布电容Cm；1，静电耦和：静电耦和又称电场耦合或电容性耦合，它是当电路之间有寄生电容时，测控系统内某一电路信号的变化将影响其他电路，形成静电耦合干扰。2，电磁耦和：电磁耦和又称互感耦合，它是由于两个电路之间存在互感，使一个电路的电流变化通过磁交链影响到另一电路。上式表明：1）被干扰电路感应的干扰电压正比于噪声源角频率；2）干扰电压正比于互感系数M；3）干扰电压正比于噪声源电流Ia。3，共阻抗耦和：共阻抗耦和是由于两个电路共有阻抗，当一个电路中有电流通过时，通过共有阻抗在另一电路中产生干扰电压。如几个电路共用一个电源的情况。上式表明：被干扰电路感应的干扰电压正比于噪声源电流Ia和共有阻抗Za，消除共阻抗耦合干扰的方法是消除电路之间的共阻抗。4，漏电流耦和：漏电流耦和是由于绝缘不良，由流经绝缘电阻的漏电流引起的噪声干扰。6，辐射电磁场耦和：通常来源于大功率高频电气设备、广播电视发射台等，处在辐射电场中的导体会产生感应电势。5，传导耦和：噪声经导线耦合到电路中去，最主要的就是经电源线传播的噪声。二、共模干扰与串模干扰：根据噪声进入系统的方式及与有用信号的关系，可以分为串模干扰和共模干扰。A）串模干扰，干扰信号和有用信号以串联叠加的形式直接作用于测量系统的输入端。串模干扰直接影响测量系统，造成串模干扰的原因有许多，例如：接触不良、附加热电势、电磁感应电势等。B）共模干扰：又称对地干扰，它是相对于公共的电位基准点（接地点），在检测仪表仪表的两个输入端子上同时出现的干扰。它产生的原因有三类： 由被测信号源的特点产生 由电磁场干扰产生 由于不同地电位产生（1）由被测信号源的特点产生：具有双端输出的差分放大器和不平衡电桥等产生的共模干扰。（2）电磁场干扰：当高压设备产生的电场同时通过分布电容耦合到无屏蔽的双输入线，而使之具有对地电位时；或者交流大电流设备的磁场通过双输入线的互感在双输入线中感应出相同大小的电动势时，都可能产生共模电压施加到仪器的两输入端。当U1=U2时，它们是共模干扰电压，当二者不相等时，既有共模干扰电压又有差模干扰电压。大电流导体的电磁场在双输入线中感生的干扰电动势有相似的分析方法。（3）由于不同电位引起的干扰：当被测信号源与测量仪器相隔较远而不能实现在共同的“大地点”上接地时，造成两接地点的电位差Uce即产生共模干扰电压。共模抑制比——表示仪器抗共模干扰的能力。三、抗干扰方法

干扰的抑制主要是切断产生干扰的耦合通道或用一定的方法滤除进入系统的干扰，主要方法包括：接地、屏蔽、滤波、隔离等。1，接地电气设备中的“地”有两种含义，一是指“大地”，二是指“工作基准地”。“大地”指设备的金属外壳、线路等通过接地线与地球连接，可以保证设备和人身安全、提供静电屏蔽通路、降低电磁感应噪声。“工作基准地”是指系统内部各部分电路的基准电位，又称电源地。要求尽量减小接地回路中的公共阻抗压降，以减小公共阻抗耦合干扰。接地分为：工作接地——为各电路的工作提供基准电位点。安全接地——电气设备的金属外壳必须接地，目的是防止外壳出现过高的对地电压和漏电流，减小对设备、人身的危害。屏蔽接地——为抑制电磁干扰。2，屏蔽屏蔽技术是用金属隔离的原理把通过空间进行电场、磁场耦合的部分隔离开来，切断其空间场的耦合通道。可以屏蔽干扰源，也可以屏蔽易受干扰的设备。分为静电屏蔽、电磁屏蔽和磁场屏蔽三类。静电屏蔽——在处于静电场中的导体之间插入接地的金属屏蔽导体，切断电容耦合通道。

电磁场屏蔽——当导体中通以高频交变电流时，周围空间便产生相应变化的电磁场，这些变化的电磁场会在邻近的电路中引起电磁感应，或者向外辐射，从而干扰周围电路。如果在导体外环绕导体加一个接地的屏蔽罩，由于屏蔽罩内会产生涡流，其磁场方向与原磁场方向相反，因而可以屏蔽高频磁场。又由于屏蔽罩接地，故可以实现电场屏蔽。屏蔽罩应采用低电阻金属材料，如铝、钢等良导体材料；屏蔽罩越密，屏蔽效果越好。磁场屏蔽——对于低频磁场的干扰，用感生涡流所形成的屏蔽不是很有效，故一般采用导磁率高的材料，利用其磁阻小的特点，使干扰源产生的磁通限值在一个低磁阻回路里，即屏蔽体内，从而实现磁场屏蔽。屏蔽体越厚，屏蔽效果越好，可采用双层或多层屏蔽，以满足屏蔽效果要求。变压器隔离：由初级电流产生磁通，再由磁通产生次级电压，从而使初级回路与次级回路在电气上隔离。一般交流信号可以采用普通变压器隔离，脉冲信号采用脉冲变压器隔离。3，滤波——低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。4，隔离——从电路上把干扰源和易受干扰的测试系统隔离开来，从而使测试系统仅与现场保持信号联系，而不直接发生电的联系。常见的隔离方法有：变压器隔离、继电器隔离、光电隔离等。继电器隔离：利用继电器的线圈接受电气信号，利用触点输出信号，从而实现强电和弱电信号之间的电信号隔离。光电隔离——由光电耦合器件完成，以光为媒介传输信号。其输入端配置发光源，输出端配置受光器。常见的光电耦合器由发光二极管与光敏三极管等组成。光电耦合器的特点：