第2章(1)数据采集技术(前向通道)

第2章(1)数据采集技术(前向通道)第一页，共93页。

数据采集系统简称DAS

（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二页，共93页。第一节数据采集系统的组成结构

传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统图2.1数据采集系统的基本组成

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三页，共93页。

多路模拟输入通道数据采集系统

◆同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。多路模拟输入通道可分为两大类型：

◆集中式采集

◆分布式采集周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四页，共93页。

一、多路模拟信号集中采集式

1.集中式数据采集系统的典型结构之一传感器1传感器2传感器3调理调理调理模拟多路开关A/D计算机控制逻辑S/H多路共用采集电路分时采集周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五页，共93页。2.集中式数据采集系统的典型结构之二传感器1传感器2传感器3调理调理调理S/HS/H模拟多路开关S/HA/D计算机控制逻辑多路同步取样共用A/D分时采集周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六页，共93页。3.集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样A/D，分时传输数据多通道独立取样A/D，有通道缓存周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七页，共93页。二、分布式采集周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第八页，共93页。通信接口上位机数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N………………模拟信号或数字信号网络式数据采集结构周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第九页，共93页。第二节

模拟信号调理采集系统信号调理（SignalConditioning）的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十页，共93页。传感器前置放大滤波程控放大滤波采集电路

典型模拟调理电路的组成框图

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十一页，共93页。

传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。正确选用传感器：明确所设计的测控系统对传感器的技术要求；了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，

自行设计传感器

一、传感器的选用周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十二页，共93页。将被测量→转换后续电路可用电量：转换范围：与被测量实际变化范围相一致。转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标；转换速度（带宽）：符合整机要求；能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(一)对传感器的主要技术要求周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十三页，共93页。对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。

(二)选用什么类型传感器周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十四页，共93页。大信号输出传感器

为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。

传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图2.5大信号输出传感器的使用

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十五页，共93页。2.数字式传感器

采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等。

具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十六页，共93页。频率量及开关量输出传感器的使用

传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率输出开关量输出周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十七页，共93页。

集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。

3.集成传感器周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十八页，共93页。4.光纤传感器

这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第十九页，共93页。放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？二、运用前置放大器的依据

当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十页，共93页。VIN

VOS前置放大器K0后级电路KVISVIN0

VON放大器噪声分析

总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十一页，共93页。

假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN，加入前放后，希望VIS>V'IN，就必须使V'IN<VIN，

为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K0＞1，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十二页，共93页。两种调理电路的对比

（a）（b）由于

K＞1,所以，，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十三页，共93页。三、信号调理通道中的常用放大器

仪用放大器程控增益放大器隔离放大器周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十四页，共93页。(一)仪用放大器

仪用放大器的基本结构

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十五页，共93页。

在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要性能指标：

1.非线性度2.温漂

3.建立时间4.恢复时间

5.电源引起的失调

6.共模抑制比

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十六页，共93页。(二)程控增益放大器

程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十七页，共93页。程控放大器原理框图

选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。PGA202/204等是增益1、10、100、1000四档、由两条TTL逻辑控制。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十八页，共93页。(三)隔离放大器隔离模式：两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离；三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离；三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二十九页，共93页。应用场合:高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差；测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高;多个系统不能共地.周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十页，共93页。特点：1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十一页，共93页。GF289集成隔离放大器周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十二页，共93页。GF289典型接法

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十三页，共93页。第三节传统A/D转换器及接口技术

ADC的基本概念技术指标的含义比较型ADC、积分型ADC、V/F的转换原理典型芯片选择及接口设计（3、4的原理部分看书查阅资料自学）周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十四页，共93页。量化特性及量化误差1.ADC的基本概念周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十五页，共93页。

一般而言，n位ADC的理想传输函数由以下两个式子定义：Vr是模拟输入满量程周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十六页，共93页。理想ADC的传输特性和量化误差

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十七页，共93页。A/D转换器技术指标的含义分辨率转换时间精度误差周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十八页，共93页。(1)

分辨率

ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。用ADC输出数字量的位数n表示，代表ADC有2n个可能状态，可分辨出满量程值的1/2n

的输入变化量。此输入变化量称为1LSB（即一个量子Q）周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第三十九页，共93页。

(2)转换时间

A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。其倒数称为转换速率。与实现转换所采用的电路技术有关

与位数有关采集系统转换时间还与接口模式有关周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十页，共93页。

(3)

精度与误差

绝对误差(精度)

数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。

绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。

相对误差(精度)

数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比，用％表示。绝对误差/满量程值之比。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十一页，共93页。偏移误差（又称为偏移电压）

定义:为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值(1/2Vr／2n)(即1/2LSB所对应的电压值)之差.

在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在ADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为10-6/℃，其值约在几到几十范围内。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十二页，共93页。增益误差（满量程误差）指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。线性度误差积分线性度误差和微分线性度误差两种。a．积分线性度误差偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十三页，共93页。b．微分线性度误差定义为ADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于Vr/2n的偏离值。失码（MissingCord）或跳码(SkippedCord)，也叫做非单调性。

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十四页，共93页。ADC的积分线性度误差ADC的微分线性度误差周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十五页，共93页。ADC的失码现象

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十六页，共93页。温度对误差的影响

环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十七页，共93页。二、传统ADC的转换原理(一)比较型ADC

比较型ADC可分为反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型.周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十八页，共93页。逐次逼近式转换器原理

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第四十九页，共93页。(二)积分型ADC双积分ADC

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十页，共93页。(三)V/F型ADC

它主要由V/F转换器和计数器构成。V/F型ADC的特点是：与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十一页，共93页。三、常用ADC与微处理器的接口

从计算机接口理解模式周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十二页，共93页。(一)AD574A及其与微处理器的接口AD574A的管脚图周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十三页，共93页。ADC574A单极性和双极性输入接法

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十四页，共93页。AD574的控制状态表：AD574的8位输出数据格式周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十五页，共93页。AD574A与8031的接口周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十六页，共93页。AD574系列产品主要性能比较周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十七页，共93页。典型芯片—ADC0809介绍

ADC0809芯片介绍8位逐位逼近式8通道的AD转换器.A/D转换器分辨率为1/2^8≈0.39%模拟电压转换范围是0～+5V标准转换时间为100s采用28脚双列直插式封装周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十八页，共93页。ADC0809内部结构及引脚模拟量通道选择线周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五十九页，共93页。1.引脚(1)IN7～IN0:8路模拟量输入端.允许8路模拟量分时输入,共用一个A/D转换器.(2)D7～D0:8位数字量输出.D7为最高位,D0为最低位.由于有三态输出锁存,可与主机数据总线直接相连.(3)C、B、A:3位地址线即模拟量通道选择线.ALE为高电平时,地址译码与对应通道选择见表2-2.

(4)ALE:地址锁存允许信号(AddressLatchEnable),输入,高电平有效.上升沿时锁存3位通道选择信号.(5)START:启动A/D转换信号,输入,高电平有效.上升沿时将转换器内部清零,下降沿时启动A/D转换.(6)EOC(EndofConvention):转换结束信号,输出,AD转换完成,EOC变为高电平.(7)OE(OutputEnable):输出使能信号,输入,高电平有效.该信号用来打开三态输出缓冲器,将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上.周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十页，共93页。(8)CLOCK:外部时钟脉冲输入端.当脉冲频率为640kHz时,A/D转换时间为100s(9)Vref+,Vref-:参考电压源正、负端.取决于被转换的模拟电压范围,通常Vref+=+5V,Vref-=0V(10)Vcc:工作电源,+5V(11)GND:电源地表被选通道和地址的关系CBA选中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十一页，共93页。2.ADC0809功能分析CLK:时钟信号,可由单片机ALE信号分频得到.转换有以下几步:ALE信号上升沿有效,锁存地址并选中相应通道.Start信号有效,开始转换.A/D转换期间ST为低电平.EOC信号输出高电平,表示转换结束.OE信号有效,允许输出转换结果.周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十二页，共93页。

转换过程表述如下:

首先ALE的上升沿将地址代码锁存、译码后选通模拟开关中的某一路,使该路模拟量进入到A/D转换器中.

同时START的上升沿将转换器内部清零,下降沿启动A/D转换,即在时钟的作用下,逐位逼近过程开始,转换结束信号EOC即变为低电平.

当转换结束后,EOC恢复高电平,此时,如果对输出允许OE输入一高电平命令,则可读出数据.周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十三页，共93页。ADC0809的内部转换时序图2-22ADC0809的转换时序周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十四页，共93页。ADC0809和单片机的连接写信号、P2.7有效时,启动AD转换.转换结束后,输出高电平,向CPU发出中断请求读信号、P2.7有效时,允许输出AD转换结果.转换时钟由ALE分频得到.回顾:ALE以1/6晶振频率的固定频率输出的正脉冲,因此可以作为外部时钟或外部定时脉冲使用805174LS373ADC0809÷2CLKD0-D7≥1≥1111GEOCSTARTALEOERDP2.7WRINT1ALEP0A0-A7A0A1A2ABCVR(+)VR(-)+5VGNDIN0转换结果由此输出IN1IN2IN3IN4IN5IN6IN7或非门周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十五页，共93页。ALECLK2分频电路74LS74D触发器周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十六页，共93页。周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十七页，共93页。第四节-型ADC原理与接口技术过采样技术Σ-Δ调制技术增加了数字电路的比例，易于实现单片集成以较低的成本实现高精度的A/D变换器理论基础:信号采样量化理论周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十八页，共93页。若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q,量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率fs无关,功率密度谱在0~fs/2的频带范围内均匀分布。量化噪声电平与采样频率成反比,提高采样频率,可以降低量化噪声电平,而基带是固定不变的,因而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。理论基础:信号采样量化理论一、-型ADC原理周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第六十九页，共93页。1.过采样技术理想3位ADC转换特性

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十页，共93页。图一阶Σ-ΔADC2.Σ-Δ调制及噪声整形技术原理周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十一页，共93页。Σ-Δ调制器原理积分器及其数量－－阶数量化器及其数量－－级数周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十二页，共93页。3.数字滤波和采样抽取技术

D=4的采样抽取

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十三页，共93页。二、CS5360及其与微处理器的接口

1.CS5360简介u

真正的24位转换u

105dB的动态范围u

低噪声，总谐波失真>95dBu

Σ-ΔA/D转换技术u

片内数字抗混叠滤波及电压参考u

最高采样率50KHzu

差动模拟输入u

单+5V电源供电周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十四页，共93页。CS5360功能框图

CS5380\

CS5381周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十五页，共93页。

数字接口电路功能框图周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十六页，共93页。

基于FPGA的数字接口电路部分的设计

接口功能框图周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十七页，共93页。

串并转换电路原理图

周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十八页，共93页。高速A/D转换器逐次近似A/D法（几十MHz）闪电式A/D法（几百MHz）分量程A/D法（几百MHz）流水线A/D法（几百MHz）谐振隧道二极管A/D法（1GHz以上）视频、数字示波器、频谱测试、雷达采样率10MHz以上参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第七十九页，共93页。第五节数据采集系统设计及举例

一、系统设计考虑的因素

二、A/D转换器的选择要点

三、采样保持器S/H的选择四、多路测量通道的串音问题五、主放大器的设置六、数据采集系统实例周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第八十页，共93页。一、采集系统设计考虑的主要因素

输入信号的特性对数据采集系统性能的要求接口特性周鹏安徽工程大学电气工程学院电科教研室第八十一页，共93页。输入信号的特性：信号的数量信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地）

信号的强弱及动态范围信号的频带宽度信号是周期