数据采集通道接口设计课件

第2章测试系统的数据采集

与控制接口技术2.1测控通道的特点与结构形式2.2数据采集通道接口设计2.3控制通道接口设计2013年10月24日1

基本知识：1.在工程测试中，被测物理量大多数是模拟量。2.现代测试系统以计算机为核心，而计算机只能接收、处理和输出数字量。3.现代测试系统必须配置数据采集通道，在大多数情况也需配置控制通道。4.测控计算机包括单片机、其它微控制器、PC机、便携式计算机、工控机等。2013年10月24日22.1

测控通道的特点与结构形式3本节主要内容：2.1.1数据采集通道的特点2.1.2控制通道的特点2.1.3测控通道的结构形式1.数据采集通道的结构形式2.控制通道的结构形式2013年10月24日

2013年10月24日4现代测试系统的操作过程：

将被测信号输入数据采集通道，经计算机进行数据采集和加工处理后，显示、打印，或输出控制信号到控制通道，控制目标动作。2013年10月24日52.1.1数据采集通道的特点1.常与测控计算机分开，放到被测对象现场。2.数据采集环境和采集对象多样，其设计方案可以各不相同。

3.对于小信号检测，需要考虑抗干扰设计。2.1.2控制通道的特点1.小信号输出，大功率控制，需功率放大电路。2.当被控对象为强电磁部件时，需要采取抗干扰措施。2013年10月24日62.1.3测控通道的结构形式

1.数据采集通道的结构形式1）输入信号为模拟信号

要用A/D或V/F转换器，将输入信号转换为计算机能识别的数字信号。同时，A/D或V/F转换器都有满量程输入时的幅度要求，且一般要求输入信号为电压信号，若传感器输出的信号不能满足这些要求，就要进行前置处理，如放大、变换等。

2）输入信号为离散信号

对离散信号，

如数字信号、开关信号、脉冲信号，须经电平变换后，用并行、串行或其他数字接口进行传输。

数据采集通道基本结构如图2-1所示。72013年10月24日2013年10月24日82.控制通道的结构形式1）被控对象为数字或开关量控制装置

计算机输出的数字信号，通过I/O接口经功率驱动后，可以直接控制数字或开关量控制装置。2）被控对象为模拟量控制装置

计算机输出的数字信号，需经D/A转换器转换为模拟电压或模拟电流控制信号，才能对模拟信号控制装置进行控制。

3）通道抗干扰及功率驱动

为提高控制通道抗的干扰能力，在通道中应加光电隔离；对大功率控制装置，应加功率驱动器。控制通道的基本结构如图2-2所示。92013年10月24日2.2数据采集通道接口设计2013年10月24日10

本节主要内容：2.2.18位A/D转换器与PC的接口2.2.212位A/D转换器与PC的接口2.2.3高速数据采集接口2.2.4隔离式数据采集接口

首先介绍数据采集通道的基本组成。

数据采集通道是外部模拟信号进入计算机的必经之路，是计算机测试系统必不可少的前向通道。

数采通道组成：包括多路模拟开关（MUX）、采样/保持（S/H）电路、模/数（A/D）转换器及其接口电路。数据采集通道的组成框图如图2-3所示。

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1.多路模拟开关

用途：切换多路模拟量与公共的A/D转换器之间的通道，实现多通道分时转换。

应用：被测的多路信号变化缓慢、不要求高速采集、采用公共A/D转换器的场合。

主要技术指标：导通电阻、导通时间、关断时的泄漏电阻、关断时间。

产品：常用CMOS集成化多路模拟开关，如AD7501、AD7503（8路输入，1路输出）、AD7506（16路输入，1路输出）。132013年10月24日

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2.采样/保持电路

用途：

在A/D转换期间保持输入信号不变，以保证A/D转换的精度。

状态：具有采样和保持两个状态。处于采样状态时，电路的输出始终跟随输入模拟信号；处于保持状态时，电路的输出保持着前一次采样结束前瞬时的输入模拟量。

原理：采样/保持电路原理如图2-4所示。2013年10月24日

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组成：保持电容器CH，输入和输出缓冲放大器A1、A2，工作方式控制开关S。

主要技术参数：采样时间TAC，孔径时间TAP。2013年10月24日

16产品：有多种集成采样/保持器。

用于一般目的：AD582、AD583、LF398等。

用于高速场合：HTS-0025、HTS-0010、HTC-0300D等。内设保持电路：AD398、AD585等。2013年10月24日

3.A/D转换器（ADC）

转换过程：采样、量化、编码。

转换原理：逐次逼近式、双积分式等。

主要技术指标：转换精度、分辨率、转换时间或转换速度。

转换精度：分绝对精度和相对精度，即A/D转换后的结果相对于实际值的最大偏差，以及该偏差相对于满量程值的百分比。172013年10月24日分辨率：A/D转换器所能分辨的被测量的最小值。一般用转换器输出数字量的位数表示。一个n位A/D转换器的分辨率等于最大允许的模拟输入量（满度值）除以2n。

转换时间：A/D转换器从启动转换到转换结束所需的时间。

转换速度：A/D转换器每秒内所能完成的转换次数。

选择ADC时考虑的主要指标：分辨率、转换时间。182013年10月24日2013年10月24日192.2.18位A/D转换器与PC的接口

1.ADC0809的特点、结构、引脚功能ADC0809由美国模拟器件公司生产。

特点：ADC0809是单片集成8位A/D转换器，采用CMOS工艺及逐次逼近转换原理，转换1次约100μs。具有8路模拟输入通道，通道地址能进行锁存和译码，控制逻辑与微处理机兼容。转换后的数据具有三态输出和锁存功能，与微处理机可以直接相连。结构组成：ADC0809内部结构框图如图2-5所示。它主要由多路模拟开关、转换器、三态输出数据锁存器组成。202013年10月24日

212013年10月24日222013年10月24日引脚布置：ADC0809采用28脚双列直插封装，其引脚布置如图2-6所示。

23引脚功能：

IN0～IN7—模拟电压输入端。

ADDA、ADDB、ADDC—通道端口选择线。ADDA为低地址，ADDC为高地址。

ALE—地址锁存允许信号。对应ALE上升沿，锁存ADDA、ADDB、ADDC地址状态，选通相应的模拟信号输入通道。

START—启动转换信号。在施加的正脉冲的上升沿复位ADC0809；在下降沿启动芯片开始A/D转换；在A/D转换期间，START应保持低电平。2013年10月24日EOC—转换结束信号。EOC=0，正在进行转换；EOC=1，转换结束。使用中该状态信号既可作为查询的状态标志，又可作为中断请求信号使用。OE—输出允许（使能）信号。用于控制三态输出锁存器输出转换得到的数据。OE=0，输出数据线呈高阻；OE=1，将输出寄存器中的数字代码放到数据总线上，输出转换得到的数据，供CPU读取。CLK—时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提供，因此有时钟信号引脚。通常使用频率为500kHz的时钟信号2013年10月24日24

25D7～D0—数字量输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机或计算机的数据线直接相连。D0为最低位，D7为最高位。

Vcc—+5V电源。

Vref—参考电源的参考电压。用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近的基准。其典型值为+5V（VREF(+)=+5V,VREF(-)=-5V）。

2.ADC0809的工作时序ADC0809的工作时序如图2-7所示。2013年10月24日262013年10月24日27启动信号START的前、后沿与ADC0809两个重要时间TEOC和TCONV有关。TEOC：从START的上升沿起到EOC的下降沿止的时间。

TCONV：从START的下降沿起到EOC的上升沿止的时间。这是DAC0809的转换时间。

应用时，应将ALE和START两引脚合并。

借助EOC，可通过查询或中断方式确认A/D转换是否完成。采用查询方式时，要等TEOC时间过后再查询，才能得到正确结果。2013年10月24日28

3.ADC0809的操作过程

1）通过ALE和ADDA、ADDB、ADDC地址信号线，把预选通的模拟量输入通道地址送人ADC0809并锁存。

2）发送A/D转换启动信号START，在脉冲上升沿复位，在下降沿开始转换。

3）A/D转换完成后，EOC=1，可利用这一信号向CPU请求中断，或在查询方式下待CPU查询EOC信号为1后，发出OE信号读取A/D转换结果。

4.接口电路

ADC0809与PC的接口电路如图2-8所示。2013年10月24日292013年10月24日

302.2.212位A/D转换器与PC的接口（自学）2.2.3高速数据采集接口关于采样频率：

当需要采集频率较高的模拟信号时，计算机测试系统的采集接口要有较高的采样速率。对于实际的数据采集系统，采样频率至少应为被测信号最高频率的5～10倍。2013年10月24日

31计算机数据采集系统的采样频率：f=1/(tCONV+tACQ+tTRANC)式中，tCONV、tACQ、tTRANC分别为A/D转换时间、采样时间、数据传输与操作等的辅助时间。

为了获得较高的采样率，除了选择高速A/D转换器外，还需要减少辅助时间。2013年10月24日32高速数据采集方案:主要有2种。一是采用DMA技术；二是采样双端口RAM技术。

1.采用DMA技术的高速数据采集DMA技术：

直接存储器存储技术。在专用电路控制下，在存储器和外设之间直接进行数据传送。它无须CPU参入，大大缩短了数据传输时间，提高了数据采集速率。

DMA高速数据采集原理如图2-15所示。2013年10月24日

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系统工作过程：

1）CPU把存储器地址传送字节写进DMA控制器（DMAC）进行初始化编程。

2）当高速A/D转换器转换好一个数据后，向DMAC发出请求，DMAC向CPU发出“总线请求”信号，当CPU响应后由DMAC占据总线，高速A/D转换器和数据存储器RAM被置于DMAC的直接控制之下。2013年10月24日35

3）DMAC一方面对外设送响应信号，使高速的A/D转换器数据允许读出，将数据送上数据总线；另一方面则根据DMAC初始化程序所设置的地址值，向地址总线送出存储单元的地址信号及存储器的控制信号，完成一次DMA周期的写操作。

4）完成一次DMA操作仅需4～5个时钟周期。2013年10月24日

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2.采用双端口RAM技术的高速数据采集

双端口RAM：

具有数据输入口和数据输出口的RAM。

采用双端口RAM作数据采集系统的数据缓存时，先将信号采集并存储到其中，然后再成组向计算机传送，发挥高速器件功能。

系统组成：基于双端口RAM的数据采集系统组成框图如图2-16所示。2013年10月24日

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系统主要由A/D转换器、双端口RAM、逻辑控制模块、计算机接口组成。2013年10月24日

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系统工作工程：

1）计算机通过接口启动逻辑控制模块，发出控制信号启动A/D转换器进行采样，并将转换结果存入双端口RAM。

2）当双端口RAM中的数据达到一定数值时，逻辑控制模块向计算机发出请求。计算机接到请求后将数据读入内存，并向逻辑控制模块发出命令，决定是否继续采样。3.高速数据采集接口设计举例（自学）2013年10月24日

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2.2.4

隔离式数据采集接口设计数据采集系统，必须要考虑如何消除测量中的干扰。在数据采集系统中，经常运用隔离技术抑制共模电压干扰。原理：采用隔离法抑制共模干扰的方法和器件有多种，但原理相同，即将隔离传输器插入信号通道中，切断共模电流的回路，消除共模电压对系统的影响。2013年10月24日

40隔离法抗共模干扰原理如图2-21所示。

常用的隔离器件：光电隔离器、脉冲变压器。绝缘性能应达到500～1000V以上。2013年10月24日图2-21隔离法抗共模干扰的原理

41隔离方式分类：

根据隔离器件的工作原理分，有光电隔离，变压器隔离；根据隔离器件在系统中的位置分，有总线隔离、放大器隔离、采样隔离。

各种隔离方式工作原理：

1.总线隔离方式总线隔离方式原理如图2-22所示。

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特点：

1）隔离传输器（光电耦合器或脉冲变压器）处于采集模拟量的输入通道的后部，传输的是数字信号，并将信号现场地与计算机系统地隔开。

2）可消除共模干扰电压影响，避免计算机系统地线上脉冲电流冲击对模拟量输入通道的干扰。3）传输数字信号，隔离技术简单，容易实现，成本较低，在数字采集系统中获得广泛应用。4）实现的条件是使隔离前的电路地线与计算机系统地线很好地浮离，包括结构浮离和电源浮离。2013年10月24日

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2.放大器隔离方式放大器隔离方式原理如图2-23所示。2013年10月24日图2-23放大器隔离方式45

特点：

1）隔离放大器作为前置放大或集中放大器件，传输的是连续的模拟信号。

2）可分为输入电路、隔离传输器、输出电路三部分。

3）隔离传输器起着对模拟信号进行不共地传输的作用。

4）隔离放大器可分为光电耦合隔离放大器和变压器耦合隔离放大器。2013年10月24日

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5）光电耦合器件具有较大的非线性，要使其线性地放大传递各种模拟信号，须对被传递信号进行调制解调、非线性补偿等处理。这些工作由输入电路、输出电路完成。

6）隔离放大器配置灵活，但价格较高，多用于数据采集系统中的集中放大。

7）在放大器隔离方式中，也有一部分有源电路与系统浮离，也有结构浮离和电源浮离的要求。2013年10月24日47

3.采样隔离方式采用隔离方式原理如图2-24所示。2013年10月24日

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特点：

1）隔离采样开关在通道被选通后工作，将通道输入的模拟信号进行隔离传输。

2）传输的是时间上离散的模拟信号。

3）无须信号处理电路，结构简单。

4）隔离部分处于数据采集系统模拟量输入的最前端，实现浮离简便、可靠。

5）每个通道都需配备一个隔离开关，成本与通道数有关。2013年10月24日

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隔离采样开关的形式:

主要有2种。一是采用隔离变压器采样开关，二是采用飞渡电容式采样开关。

隔离变压器采样开关工作过程：由通道连通信号控制脉冲形成器，将输入信号转换为幅值等于信号电平的脉冲信号，然后由变压器传输。

飞渡电容式采样开关的工作原理是：利用电容器上保持的电压来传递信号。2013年10月24日50

在数据采集系统中，采用隔离技术可有效抑制共模电压干扰，但隔离方式不同会给系统带来不同影响，设计时应引起重视。

目前，大多数厂家生产的隔离式数据采集卡是总线隔离式采集卡，其组成框图如图2-25所示。图中，光电隔离包括对多路开关译码信号进行隔离，对A/D芯片的启动信号进行隔离，对A/D转换完毕的数据信号进行隔离。2013年10月24日51

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4.光电隔离型采集接口设计方法

1）MAX176A/D转换器主要性能

MAX176是美国MAXIM公司制造的12位串行A/D转换器，片内含有采样/保持器，能将-5V～+5V之间的模拟信号快速捕获，并转换为数字信号（捕获时间为0.4μs，最长转换时间为3.5μs）。

MAX176的引脚如图2-26所示。

2013年10月24日MAX1762013年10月24日53

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引脚功能：

VDD：+5V电源端。AIN：模拟信号（-5V～+5V）输入端。VREF：-5V参考电压输入端。GND：接地端。DATA：数据输出端。

CLOCK：时钟脉冲输入端。

CONVT：转换控制输入端。Vss：-12V或-15V电源端。2013年10月24日

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工作时序：MAX176的工作时序如图2-27所示。2013年10月24日

56工作原理：当转换控制端CONVT到来一个脉冲上升沿时，片内的采样保持器由采样模式转变为保持模式，保持住模拟输入信号并启动转换过程。在MAX176内部时钟电路控制下，进行模/数转换。CONVT端保持4μs以上的高电平时间，以确保转换过程结束后再变为低电平。2013年10月24日

57当CONVT由高电平变为低电平后，MAX176进入数据输出过程，CLOCK端每来一个脉冲下降沿，DATA端就输出1位数据。首先输出的是前导位1，接下来输出的是转换结果的符号位，1表示负值，0表示正值，再接下来的11位为转换结果的数值位。

当CLOCK端的第13个脉冲的下降沿到来之后，一次完整的模/数转换、数据输出过程结束，采样保持器又回到采样模式。2013年10月24日

58MAX176的转换结果为补码形式，如将+5V转换为7FFH，0V转换为000H，-5V转换为800H。

（正数的补码和源码相同，负数的补码是反码加1）

2）MAX176与PC的接口

MAX176与PC之间的光电隔离数据采集接口电路如图2-28所示。2013年10月24日

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60图中，通过对8255可编程并行接口芯片编程，设置PC0、PC1为输出线，PC7为输入线。它们各通过高速光电隔离器6N137与MAX176的CONVT、CLOCK、DATA相连。启动转换时，PC通过PC0发出启动信号CONVT，4μs后，MAX176转换完毕；PC通过PC1输出CLOCK信号，接收来自MAX176的串行数据。当接收完第13位数据后，PC停止发送CLOCK信号，MAX176因无外部时钟信号而停止输出数据。2013年10月24日2.3控制通道接口设计本节主要内容：2.3.1模拟量控制通道接口1.D/A通道的结构形式2.接口设计2.3.2离散信号控制通道接口1.开关量输出接口2.隔离式离散信号输出接口2013年10月24日61

622.3.1模拟量控制通道接口当被控对象的控制信号为连续的模拟信号时，要用D/A转换器将数字信号变换为电压或电流连续信号。D/A转换器主要性能指标：

转换精度：在D/A转换器的输入端加上给定的数字量时，所测得的实际模拟量输出与理论输出值之间的差异程度。是增益误差、零位误差和非线性误差等的综合。2013年10月24日

63分辨率：数字量输入变化一个最小单位时，所对应的模拟量输出的变化与满度输出值之比。通常用D/A的位数来表示。

线性度：实际的输入输出特性曲线与理想的输入输出直线的偏离程度。通常用D/A转换器的非线性误差来表示。

转换时间：当输入数字量产生变化时，其模拟输出达到稳态值所需的时间。2013年10月24日

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1.D/A通道的结构形式

有单通道和多通道2种结构形式。

多通道结构又有2种形式：一是每个通道有单独的D/A转换器，如图2-19所示；二是多个通道共用1个D/A转换器，如图2-30所示。第1种形式常用于各种模拟输出量可分别刷新的快速通道；第2种形式用多路模拟开关轮流接通各通道，常用于输出通道不多，对速度要求不太高的场合。

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2.接口设计

1）8位D/A转换器DAC0832与PC的接口DAC0832是美国NationalSemiconductor公司生产的双列直插封装8位D/A转换器，具有两个输入数据寄存器，可直接与PC接口，使用方便，应用广泛。2013年10月24日

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（1）芯片结构及工作原理芯片的结构框图如图2-31所示。

组成原理：芯片内有一个8位输入寄存器和一个8位DAC寄存器，形成二级缓冲方式。这样可在D/A转换输出前一个数据的同时，接收下一个数据，并送到8位输入寄存器，提高D/A转换速度。更重要的是，在多片DAC0832分别进行D/A转换时，能够同时输出模拟电压量。2013年10月24日

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（2）引脚功能

DAC0832芯片的引脚如图2-3所示。2013年10月24日69

70引脚功能：

：片选信号，低电平有效。与ILE信号结合起来可对

是否起作用进行控制。

ILE：允许输入锁存，高电平有效。

：写信号1，低电平有效。用来将计算机数据总线输出的数字锁存于输入寄存器。在

有效时，

和ILE须同时有效。

：写信号2，低电平有效。用来将输入寄存器中的数据传送到8位DAC寄存器中。当有效时，

须同时有效。

：传送控制信号，低电平有效。2013年10月24日

71DI0～DI7：8位数字量输入，DI0为最低位，DI7为最高位。IOUT1：输出电流1，当输入数字为全“l”时，输出电流最大。IOUT2：输出电流2。IOUT1与IOUT2的关系为IOUT1+IOUT2=常数。

Rfb：反馈电阻输入端，可连外接的运算放大器的反馈电阻。2013年10月24日

722013年10月24日VREF：基准电压输入，-10～+12V。VCC：电源电压，+5～+15V。

AGND：模拟地。DGND：数字地。（3）接口方式①DAC0832输出单极性电压的接口方式如图2-33所示。

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图中，DAC0832输出电流IOUT1，经运算放大器可转换成电压输出。按图中接口方式，当输入数字量为00H～FFH时，输出电压VOUT为0～-5V的单极性电压。②DAC0832输出双极性电压的接口方式如图2-34所示。2013年10月24日74

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