石油工程测控基础-隋秀香 测 控 基 础(8)-数据采集

第七章计算机控制系统第二节数据采集和数据处理技术在工程领域中，一个系统在动态进行时经常对压力、振动位移、速度、加速度等信号进行测试，测试就是对这些信号进行采集、处理，由于这些信号就是某个物理量随时间变化的一个连续函数，它包含大量信息，利用这些信息，就可以辨析一个系统，分析一个系统、控制一个系统，因此关键是提取信息、处理信息。计算机是提取和处理信息的最好工具，然而计算机处理的是数字量，模拟信号如何变成计算机接收并可进行处理的离散数字量呢？数据采集和数据处理系统

计算机数据采集和数据处理系统对大量生产过程的参数进行检测、记录、数据计算、报警及对大量数据进行实时分析。数据采集与处理系统框图数据采集和数据处理技术（续）第一节多通道模拟开关

多路开关的作用主要用于将被测模拟量按某种方式分别地输入到公用放大器或A/D转换器上。如在某一时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开，从而达到信号切换的目的。目前用得较多得是由晶体管和场效应管组成得电子无触点开关。模拟集成开关是指在一个单片上包含多路开关的集成开关。常用模拟多路开关有：单端8通道：AD7501、AD7502、AD7503、CD4051差动4通道：AD7502、CD4052

数据采集和数据处理技术（续）多通道模拟开关（续）以AD7501为例，是单片集成的CMOS8选1多路模拟开关，它有三根二进制输入端A0、A1、A2，改变A0、A1、A2数值，可译出8种不同状态，分别选中一个开关接通。当禁止端INH为高电平时不论A0、A1、A2为何值，8个通路均不通。下表是真值表。多通道模拟开关第二节采样保持电路1、孔径误差传感器将非电物理量转换成电量，经过放大、滤波等一系列处理后，经模数转换变成数字量，才能送入计算机系统。在对模拟信号进行模数转换时，从启动转换到变换结束的数字量输出，需要一定时间，例如对正弦信号在t0时刻进行采样，理想值应为零，但是由于在A/D转换时间△t内模拟量发生了变化，所以A/D输出不再为零，有此引起得误差叫孔径误差，见下图。所以必须在A/D转换开始时将信号电平保持住（保持状态），而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化（采样状态），能完成这种功能的器件叫采样保持器。在模拟量输出通道，为使输出得到一个平滑的模拟信号，或对多通道进行分时控制时，也常使用采样／保持器。

数据采集和数据处理技术（续）2、采样保持器在模拟信号输入通道中，是否需要加采样／保持器，取决于模拟信号的变化频率和A／D转换的孔径时间；对快速过程信号，当最大孔径误差超过允许值时，必须在A／D转换器前加采样／保持器，高频率信号进行采集，就需加采样／保持器。但如果采集的是缓变信号，可不加采样／保持器。总之，是否加采样／保持电路，完全取决于使用对象采样保持器的作用是：在采样期间，其输出能跟随输入的变化而变化；而在保持状态，能使其输出值保持不变。采样保持电路（续）原理如下图所示，为一最简单的采样保持电路，由模拟开关、储能元件和缓冲放大器组成。当施加控制信号后，开关K闭合，模拟信号Vi通过限流电阻向电容c充电，在电容值合理的情况下，V0随vi的变化而变化；之后控制信号去除，K断开，由于电容c有一定的容量，此时输出V。保持输入信号在K断开瞬时的电平值，A/D转化器才得以对保持在电容CH上得电压进行整量化。由于充电时间远小于A/D转换时间，保持器的电压下降率又较低，于是大大减少了孔径误差。采样保持电路（续）

如图，在t1时刻前，处于采样状态，此时K为闭合状态，输出信号V。跟输入Vi保持同步变化；而在时间t1，K断开，此时处于保持状态，输出电压恒值保持在A2不变；而在t2时刻，保持结束，新一个采样时刻到来，此时相当于K重新闭合，Vo又随vi同步变化，直至时刻t3新的保持信号到来，K断开，V0保持A3的电位不变。

采样保持电路（续）因此，利用采样／保持器，在启动A／D变换时，保持住输入信号，从而可避免A／D转换孔径时间带来转换误差.在进行多路信号瞬态采集时，由上述分析也可知，电容c对采样保持的精度很大影响，如果电容值过大，则其时间常数大，当信号变化频率高时由于电容充放电时间大，将会影响输出信号对输入信号的跟随特性，而且在采样的瞬间电容两端的电压会与输入信号电压有一定的误差；而当处于保持状态时，如果电容的漏电流太大，负载的内阻太小，都会引起保持信号电平的变化。在电容的选择时，使其选择容量大小适数适中，并选用漏泄小的电容。采样保持电路（续）电路采样并保持信号的示意波形如图所示采样保持电路（续）采样保持电路可以用分离元件组成，也可直接选用集成采样／保持器，在选用时，要考虑下列因素，孔径时间：在采样保持器中，由于模拟开关有一定的动作滞后，从保持命令发出到模拟开关断开的时间叫孔径时间，它会导致A／D采样时间被延迟。捕捉时间：采样／保持器的状态逻辑控制信号由保持电平转换成采样电平后，其输出电压由原保持值过渡到此时输入信号值所需的时间称为捕捉时间，它包括模拟开关的导通延迟时间和建立跟踪的稳定过程时间。显然，A／D转换的采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号。

采样保持电路（续）集成采样／保持器采样／保持器可以由分离元件组成，其中对于低速场合可以采用继电器作为开关以减小开关漏电流的影响；在高速场合也可用晶体管、场效应管来作为开关，然而，一般目前常采用性能优越的集成式采样／保持器。目前已生产出多种集成采样/保持器，可用于一般目的的AD582、D583系列等；用于高速场合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等；用于高分辨率场合钓有SHA1144等，为了使用方便，有些采样保持器的内部还设有保持电容加AD389、AD585等。采样保持电路（续）第三节逐次逼近式A/D转换器逐次逼近式A／D转换是按对分搜索原理去逼近被测电压的。所谓对分搜索法就是先取可转换电压最大值的1/2与输入电压比较，然后再缩小l/2鼓索范围，在余下的1/2范围内进一步作对分搜索，以此类推，直至数模转换生成的模拟量与被测模拟量的差别小于某一误差范围为止。以三位数字量为例，首先以半满量程与被测量进行比较，也就是令数码的最高位为“1”经D／A转换与被测电压比较，如发现小于被测值，则仍留这位“l”，否则，应取消“1”而代之以“0”。之后再令次高位为“1”进行比较，如此由高到低逐位进行比较，一直到最低位为止.图7－5所示为3位逐步逼近的对分搜索示意图。可见此处的对分搜索就是由数字量的高位(MSB)至最低位(LSB)逐位依次为“1”与被测模拟量进行比较的过程；A/D转换器（续）A/D转换器（续）下面举例说明其转换过程，例如：D/A转换的参考电压VREF=10.24V,被转换的Vi＝8.30V,要求将Vi转换成8位二进制数码,其转换过程如下:第一次试探。在时钟fcp的驱动下，环形计数器对数据寄存器的最高有效位(MSB)加码，建立1000…0码，同时，D／A转敦器即把它转挨成相对应的模拟电压Vf1=VREF*1/2,反馈到比较器酌比较端，之后，去／留码逻辑电路对比较的结果作出去码或留码的判别与操作；Vi>Vf，应留码“1’。第二次试探。在第二个时钟脉冲驱动下，环形计数器(移位寄存器)右移一位，并使数码寄存器次高位加码，建立X100…·0码，最高位的X是“1”还是“0，J，取决于第一次试探结果，第二次试探D/A转换器产生的量化电压Vf，再反馈到比较器与Vi进行比较，如Vi大于等于Vf2则次高位留码。否者应去码。该例中对应的Vf2＝VREF(1/2+1/4)＝7.68V，A/D转换器（续）故Vi>Vf2，应留码。如此由高位到低位逐位试探，一直到最低位完成时为止，逐次逼近A／D转换的过程可以用表7－1说明之。可见量化的反馈电压Vf一次比一次更逼近Vi，经过8次试探与比较逻辑之后，数据寄存器中所建立的最终数码11001111即为转换结果。实际上，此数码对应的量化电压值Vf＝8.28V，它与输入电压Vi＝8.30V还相差0.02V。不过两者差值已小于1LSB所对应酌量化电压0·04V了。把这个逼近过程用时序图表示，如图7－7所示。逐次远近A／D转换的结果可以从数据寄存器的并行输出端上取得。A/D转换器（续）A/D转换器（续）A/D转换器（续）A／D转换器的特性参数1、ADC芯片的分辨率是指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力。习惯上以输出二进制的位数来表示，如：AD574和分辨率为12位即该转换器的输出数据包含12位二进制数，实际上，它的分辨率为1LSB＝1/212，能够分辨输入电压的最小变化量实际为VFS/（2n－1），一般写成VFS/2n，显然一个输入要求为0～5V的12位A/D转换器能分辨的最小电压实际为5/(212－1）二5／4095=0.00122V=1.22mV，(一般也可写作5／4096)。2、转换时间：完成一次转换所需要的时间。数据采集和数据处理技术（续）计算机并口（打印口）第四节计算机并口不论台式机还是便携机都配有一个标准的并行打印机适配器接口，通过对该端口内三个I/0端口控制，可以实现数据的输入/输出。利用一个25针的D型插座实现并行口与外设的连结，其引线如图1所示，下面介绍三个I/0端口功能：图1并行口引线图PC打印机适配器有8位数据D0~D7,它分别对应图1中的标号2~9，可通过读写378HI/O端口，对外引线上的数据进行读/写。对该口进行一次写操作，就有一个8位数据被写到一个8位寄存器锁存，并输出至外引线。对该口进行读操作，只能用于打印口自检。PC打印机适配器有4根控制线，它分别对应图1中的标号1、14、16、17，可通过写37AI/O端口把数据输出到外引线插座，输出信号经过寄存器锁存。内容如表1：图中D4为用于正常打印时终端允许控制，此处不用。从外引线INIT输出的信号逻辑与D2相同，而其它三位相反。

计算机并口（续）PC打印机适配器有5位状态输入线，它分别对应的标号是15、13、12、10、11，可通过读379HI/O端口把外引线上的状态信号读入计算机，该端口输入缓冲器与状态输入线及对应的标号如表2:以上为外设送给计算机的状态信号，D7位与外引线逻辑相反，而D3~D6与外引线逻辑相同。输入数据D7D6D5D4D3D2D1D0外引线╳╳╳标号1110121315计算机并口（续）3接口设计

打印机适配器有8位数据，可以通过读/写378HI/O端口对外引线上的数据进行读写。有5根状态线，通过读379HI/O端口把外引线上的状态信号读入计算机。有4根控制线，通过写37AHI/O端口把数据输出到外引线插座。借助于打印机适配器的三个口，设计的译码电路流程如下：

计算机并口（续）控制线译码器数据线触发器译码器译码线要通过并口实现对外部数据的采集和设备的控制，必须有足够的地址译码线。图2是接口译码板电路设计。图2接口译码电路计算机并口（续）74LS154是4线--16线译码器，利用计算机并口提供的控制信号C0--C3作为U1的地址译码线，通过改变C0---C3可以使其输出的Y0---Y13、YC、YS之一为低电平，如果外设需求多的话，这输出的16根线显然不能满足要求，为此进行了进一步扩展，使用了第二片74LS154即U2。先通过控制口使U1的输出Yc为低电平，将D0---D3送入U4，U4即74LS245是八双向总线发送器/接受器，随后数据通过U4进入U3，U3即74LS174是六上升沿D型触发器（Q端输出，公共清除），再令U1的输出Ys为低电平，这样U2被选通，同时Yc输出高电平脉冲使D0---D3在U3锁存并作为U2的地址译码线，通过改变D0---D可以使其输出的Y14--Y29之一为低电平。由以上分析可知，该译码电路利用控制口和数据口使译码输出线为Y0--Y13和Y14--Y29共有30条，极大的满足了外设的需要。计算机并口（续）放大放大多路转换开关采样保持

A/D转换

计算机调零1立压信号调零1套压信号可编程增益放大滤波计算机并口（续）采集电路设计采集电路的设计框图如图采集电路的设计如图。计算机并口（续）令Y0为低电平，选通74LS174，写数据口378H的低4位D0---D3，将其锁存在74LS174作为多路选择开关的选择输入线，改变D0--D3送可任意选择与多路选择开关相连的16通道之一输出到采样保持器，并进入A/D转换器，A/D转换器将其转换成12位数据DB0—DB11。74LS244是八缓冲器。它的输出与适配器的状态口相连。由于利用了状态口I3、I4、I5、I6数据位，所以需分三次才能将DB0—DB11读入计算机。先使Y6为低电平，DB0—DB3通过74LS244送入状态口，读状态口379H将DB0—DB3读入计算机；同理，令Y5为低电平，读状态口379H，DB4—DB7读入计算机；随后使Y4为低电平，读状态口379H，DB8—DB11读入计算。而并行口的10、12、13和15管脚所对应的数据位是I6、I5、I4、和I