智能仪器技术 课件 5.6 数据采集系统之信号调理

数据采集系统揭幕数据采集之模拟信号调理信号调理：将待测信号通过放大、隔离、滤波等操作转换为采集设备能够识别的标准信息。典型的数据采集系统一般都需要信号调理硬件，用于将原始信号以及传感器输出接口到数据采集板上，可极大的改善数据采集系统的性能。（信噪比）信号调理信号放大电压放大仪用放大器运算放大器差动放大器程控放大器特殊放大器功率放大信号滤波无源滤波器：RC（低频）、LC滤波器（高频）有源滤波器：低通、高通、带通、带阻等数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计胸部导联肢体导联右小腿的夹子所起的作用就是排除静电耦合电容引起的位移电流产生的干扰。其余三个肢体夹子在后端分别连接到由放大器组成的放大电路中。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计人体心电信号的特点频率范围为0～250Hz，主要频率范围集中在0.O5～100Hz，幅度约为O～4mV(典型值为1mV),是一种低频率的微弱双极性信号。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计人体心电信号的特点频率范围为0～250Hz，主要频率范围集中在0.O5～100Hz，幅度约为O～4mV(典型值为1mV),是一种低频率的微弱双极性信号。心电信号中通常混杂有其它生物电信号，加之体外以50Hz工频干扰为主的体外电磁场的干扰，使得心电噪声背景较强，测量条件比较复杂。心电信号采集电路具有高精度、高稳定性、高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声及强抗干扰能力等性能。数据采集之模拟信号调理心电信号采集电路的任务:从噪声中提取微弱的心电信号，并将它放大到合适的电平提供给A/D转换电路。

案例:便携式心电监护仪采集系统设计想一想，如果完成这些任务应该如何设计？模拟信号调理数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计便携式心电监护仪采集系统硬件框图传感器数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计讨论1：前置放大器的作用是什么？数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计1.差模信号--有用的信号2.共模信号--干扰信号前置放大器的作用：---放大带有一定共模干扰的微弱的差模信号。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计需要什么样的放大电路呢？前置放大器的作用：---放大带有一定共模干扰的微弱的差模信号。--高输入阻抗、高共模抑制比误差小、稳定性好的放大电路。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计仪用放大器

使用了输入缓冲而让输入阻抗超级大，几乎可以与任何信号源匹配，适用于测量类电路。很低的直流偏置电压、低漂移、低噪声、高开环增益、高共模抑制比、高输入阻抗等优点。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计仪用放大器仪用放大器是一种高性能的放大器，可完成对低电平信号进行线性放大、阻抗匹配和抗共模干扰的任务。对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。AD620内部AD620内部数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计前置放大电路采用了AD公司的高性能运放AD620AD620是低价格、低功耗仪用放大器，只需一只外部电阻就可设置1～1000倍的放大增益。输入端采用超β处理技术，使AD620有较低的输入偏置电流、较高的建立时间和较高的精度，可用于高精确的数据采集系统。同时，由于AD620具有低噪音，低输入偏置电流和低功耗的特性，使它非常适合医疗仪器的应用系统(如ECG检测和血压监视)、多路转换器及干电池供电的前置放大器使用。AD620的引脚封装形式及基本接法数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计仪用放大器共模抑制比：评价运放去除共模信号，放大差模信号的能力。用字母CMRR表示。共模抑制比高说明运放对去除共模信号的能力越强，性能越好。AD620共模抑制比为100db已知从人体的左右手臂上获得心电信号，心电信号的幅度大约为2mV，使用导向把心电信号输入运放中就可以放大并从输出端用示波器观察心电波形。由于在输入运放之前，导向暴露在环境中，市电的50Hz工频干扰会耦合到导线中形成共模噪声信号，幅度约为5mV。为了能在示波器上观察到心电信号，并且要求心电信号的幅度为5V，噪声信号不超过50mV,则需要共模抑制比多大的运放[填空1]

db，运放AD620是否满足要求[填空2]（回答满足或不满足）

作答填空题2分数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计人体的心电信号主要频率在0.05Hz~100Hz内，根据心电信号滤波的特点和要求采用高通滤波器和低通滤波器来压缩通频带。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计低通滤波器设计低通滤波器的截止频率为150Hz,假定电容为470nF,则得电阻参数为：高通滤波器设计高通滤波器的截止频率为0.04Hz,假定电容为1uF,则得电阻参数为：数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计带通滤波器设计数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计消除工频干扰

Q值可调的非对称双T有源带阻滤波器，可实现用单一电位器调整陷波器的中心频率。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计

Q值可调的非对称双T有源带阻滤波器，可实现用单一电位器调整陷波器的中心频率。陷波器中心频率数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计心电信号的幅度范围为0.05~5mV，前置放大电路的输出电平较低，还无法满足放大要求，为了充分利用A/D分辨率，需要设计二级放大电路。数据采集之模拟信号调理案例:便携式心电监护仪采集系统设计本设计采用LF444的一路及R18、R19构成二级放大电路，通过改变R19的值，就可以调节二级放大电路的最佳放大倍数，从而调整对心电信号的总的增益倍数。能完成整体的心电采集设计吗？数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路作业：根据模拟信号调理电路的结构，设计一个电子听诊器的电路，说明每个电路的作用，参数怎么选择的。数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路高输入阻抗，反应时间短

频率响应范围宽

高抗共模干扰能力

低漂移、低噪声及低输出阻抗数据采集系统选择放大器的基本要求数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路被测信号一般不会与后续电路的工作范围直接吻合，多数可能是比较微弱的信号，因此先送入前置放大器初步放大到后续电路的工作范围内。对于比较大的被测信号，可以通过衰减手段将其调整到相应的工作范围内，在此环节的放大或衰减同时会考虑尽量减少干扰信号的影响的问题，一般会设计对干扰信号进行一定抑制。主放大器可将滤波后的信号进一步放大到合适范围，便于后续A/D转换器的工作。放大器数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路如果是简单信号，采用一级放大或衰减电路将信号调整到适合后续电路工作的电压范围内即可，这种情况下放大或衰减的倍数根据信号的自身特点很容易计算得到，可以直接将电路的参数调整到设计值。比较微弱的信号，要求运算放大器具有低噪声、低漂移、低输入偏置电流、非线性度小等特点，避免在放大过程中引入干扰。放大器数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路工作信号复杂一些的，考虑抗干扰等因素，将其设计成多级放大电路，在各级放大电路之间加入必要的滤波电路进行信号调理。对于多级放大电路，需要将放大倍数分解到各级当中，由于运算放大器的种类较多，根据信号的特点，一般需要对其工作频带、动态范围、放大倍数进行选择。放大器数据采集之模拟信号调理程控放大器为了在较宽的测量范围内保证必要的测量精度，经常采用改变量程的办法。当改变量程时，测量放大器的增益一般也相应地加以改变。这种变化可通过软件实现，它使仪器的量程能够方便地自动切换。放大器增益闭合不同的开关Si，接入不同的反馈电阻。数据采集之模拟信号调理隔离放大器隔离放大器输出端和输入端各自具有不同的电位参考点，即输入端和输出端没有直接耦合，而是通过光、变压器或电容等耦合元件耦合。按耦合器件的不同，可分为光电耦合、变压器耦合和电容耦合三种。数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路滤波器滤波电路以滤除信号主要频率范围以外的干扰信号，一般滤波电路采样带通滤波或低通滤波电路。信号的主要频率范围明确，可以设计带通滤波电路使只有这一频率范围的信号通过，起到很好的滤波作用。如果信号的频率范围不是特别明确，一般以滤除高次谐波、耦合等产生的高频杂波为主，采用低通滤波电路。数据采集之模拟信号调理传感器前置放大器滤波主放大器采集电路滤波器

高频干扰多就采用低通滤波器，低频干扰多就采用高通滤波器，有效信号有明确的频带范围可以采用带通滤波，干扰信号的频率很明确可以采用陷波电路（带阻滤波器）。首先清楚原始信号的一些基本参数，其次了解主要的干扰源的特点，据此有的放矢地进行设计。另外数据采集系统一般对工作速度有一定的要求，信号调理电路有助于提高信号质量，但也要注意不要对整体工作速度带来太大影响，一般不宜采用过于复杂、低速的滤波电路。数据采集电路传感器前置放大器滤波主放大器采集电路采样/保持器主要是配合A/D转换器工作，A/D转换器芯片内部包括这部分电路，就无需进行其他考虑；需要外接配套，则需选择合适的控制逻辑，使采样/保持电路的工作时序与A/D转换器的转换时间相对应，往往采用同一控制逻辑控制采样/保持电路和A/D转换器的同步工作。数据采集电路传感器前置放大器滤波主放大器采集电路A/D转换器为了保证数据采集系统的精度，首先需要选择A/D转换器的位数，位数高意味着转换分辨率高，能够更好地辨识原始信号。其次要考虑转换的速率，转换速率快才能提高整个数据采集系统的采样速度，同时较快的转换速率有利于系统保持对原始信号的跟踪。数据采集系统设计数据采集系统的特性输入信号特性在输入信号的特性方面主要考虑以下问题：

接口特性信号的数量、信号的特点、信号的类型、信号的强弱及动态问题、信号的输入方式（单端输入还是差动输入，单极性还是双极性，信号源接地还是浮地），信号的频带宽度，信号是周期信号还是瞬态信号，信号中的噪声及其共模电压大小，信号源的阻抗。接口特性包括采样数据的输出形式（是并行输出还是串行输出）、数据的编码格式，与什么数据总线相接等。数据采集系统设计数据采集系统的特性系统性能特性系统的通过速率：系统的通过速率又称为系统速度、传输速率、采样速率或吞吐速率，是指单位时间内系统对模拟信号的采集次数。通过速率的倒数是通过周期，通常又称为系统响应时间或采集周期，表明系统每采样并处理一个数据所占用的时间，它是设计数据采集系统的重要指标，特别对于高速数据采集系统尤为重要。

系统的分辨率：系统的分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量，通常用最低有效位值（LSB）、系统满刻度值的百分数（%FSR）或系统可分辨的实际电压值等来表示。数据采集系统设计数据采集系统的特性系统性能特性系统的精度：系统精度是指当系统工作在额定通过速率下，系统采集的数据和实际值之差，它表明系统误差的总和。应该注意，系统的分辨率和系统精度是两个不同的概念，不能将二者混淆。此外，还应考虑系统的非线性误差，共模抑制比，串模抑制比等。数据采集系统设计数据采集系统误差分析

采样频率引起的误差

奈奎斯特采样定理指出：在对连续时间信号进行采样时，为保证采样不失真，应使得采样频率fs不小于信号最高有效频率fH的两倍。如果不满足奈奎斯特采样定理，将产生混叠误差。为了避免输入信号中杂散频率分量的影响，在采样预处理之前，用截止频率为fH的低通滤波器，即抗混叠滤波器进行滤波。

另外，可以通过提高采样频率的方法消除混叠误差。在智能仪器或自动化系统中，如有可能，往往选取高于信号最高频率十倍甚至几十倍的采样频率。采样误差数据采集系统设计数据采集系统误差分析系统的通过速率与采样误差

多路数据采集系统在工作过程中，需要不断地切换模拟开关，采样/保持器也交替地工作在采样和保持状态下，采样是个动态过程。

采样/保持器接收到采样命令后，保持电容从原来的状态跟踪新的输入信号，直到经过捕获时间tAC后，输出电压接近输入电压值。采样保持器输出电压达到精度指标（与被测电压的误差在0.1%~0.01%范围之内）→捕获误差

控制器发出保持命令后，保持开关需要延时一段时间（孔径时间）才能真正断开，这时保持电容才开始起保持作用。如果在孔径时间内输入信号发生变化，则产生孔径误差。只要信号变化速率不太快，孔径时间不太长，孔径误差一般可以忽略。→孔径误差

数据采集系统设计数据采集系统误差分析采样/保持器进入保持状态后，需要经过保持建立时间ts,输出才能达到稳定。可见，发出采样命令后，必须延迟捕获时间tAC

再发保持命令，才可以使采样保持器捕获到输入信号。发出保持命令后，经过孔径时间tAP

和保持建立时间ts延迟后再进行A/D转换，可以消除由于信号不稳定引起的误差。多路模拟开关的切换也需要时间，这一时间是本路模拟开关的接通时间ton和前一路开关的断开时间toff

之和。如果采样过程不满足这个时间要求，就会产生误差。另外，A/D转换需要时间，即信号的转换时间tc

和数据输出时间to

。

数据采集系统设计数据采集系统误差分析数数，刚才我们说了多少个时间系统通过周期（吞吐时间）tTH如果系统中有放大器，上式中还应该加上放大器的稳定时间。数据采集系统设计数据采集系统误差分析为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程中的动态误差，模拟开关对N路信号顺序进行等速率切换时，采样周期至少为NtTH，每通道的吞吐率为设计数据采集系统及选择器件时，必须使器件的速度指标满足系统通过速率（吞吐时间）的要求，模拟开关、采样/保持器和A/D转换器的动态参数必须满足上式。否则在数据采集的过程中，由于模拟开关的切换未完成，或者采样保持器的信号未稳定，或者A/D转换器的转换、数据输出未结束，从而造成采集、转换的数据误差很大。数据采集系统设计数据采集系统误差分析模拟电路的误差

模拟开关导通电阻Ron的误差

模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。模拟开关的负载一般是采样/保持器或放大器。开关的导通电阻Ron越大，信号在开关上的压降越大，产生的误差也越大。另外，导通电阻的变化会使放大器或采样/保持器的输入信号波动，引起误差。误差的大小和开关的负载的输入阻抗有关。一般模拟开关的导通电阻为100～300Ω，放大器、采样/保持器的输入阻抗为106～1012kΩ左右，由导通电阻引起的误差为输入信号的1/(103～109)左右，可以忽略不计。

数据采集系统设计数据采集系统误差分析模拟电路的误差多路模拟开关泄漏电流Is引起的误差

模拟开关断开时的泄漏电流Is一般在1nA左右，当某一路接通时，其余各路均断开，它们的泄漏电流Is都经过导通的开关和这一路的信号源流入参考地，在信号源的内阻上产生电压降，引起误差。例如，一个8路模拟开关，泄漏电流Is为1nA，信号源内阻为50Ω，断开的7路泄漏电流Is在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为1×10-9×7×50=0.35μV数据采集系统设计数据采集系统误差分析模拟电路的误差采样保持器衰减率引起的误差

在保持阶段，保持电容的漏电流会使保持电压不断地衰减，衰减率dU/dt为

ID——流入保持电容CH的总泄漏电流；包括采样保持器中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流以及电容内容的漏电流。

CH——保持电容容值。数据采集系统设计数据采集系统误差分析模拟电路的误差

放大器的误差

数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大并归一化。如果数据采集系统采用分散式，则给每路设置一个放大器，将信号放大后再传输。如果采用集中式且不要求同步采样，多路信号可共用一个可程控放大器。由于多路信号幅值的差异可能很大，为了充分发挥A/D转换器的分辨率，又不使其过载，可以针对不同信号的幅度，调节程控放大器的增益，使加到A/D转换器输入端的模拟电压幅值满足UFS/2≤Ui≤UFS(UFS表示A/D转换器允许输入的最大模拟电压幅值)。数据采集系统设计数据采集系统误差分析模拟电路的误差数据采集系统误差的计算

在分析数据采集系统的误差时，必须对各部分电路进行仔细分析，找出主要矛盾，忽略次要的因素，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。

数据采集系统设计数据采集系统误差分析模拟电路的误差误差项在五项以上，按均方根形式综合误差的表达式为误差项在五项以下，按绝对值和方式综合误差的表达式为数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例设计一个数据采集系统

给定精度要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件；

根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元器件。

确定通道的结构方案后，根据通道的总精度要求，给各个环节分配误差，以便选择元器件。

初步选定各个元器件之后，根据各个元器件的技术特性和元器件之间的相互关系核算实际误差，并且按绝对值和的形式或方均根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定的指标。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例设计一个远距离测量室内温度的模拟输入通道。已知满量程为100ºC，共有8路信号，要求模拟输入通道的总误差为±1.0ºC（即相对误差±1%），环境温度为25ºC±15ºC，电源波动为±1%。根据要求，画出该采集系统的框图数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例设计一个远距离测量室内温度的模拟输入通道。已知满量程为100ºC，共有8路信号，要求模拟输入通道的总误差为±1.0ºC（即相对误差±1%），环境温度为25ºC±15ºC，电源波动为±1%。1.方案选择数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例2.误差分配

由于传感器和信号放大电路是整个通道总误差的主要部分，故将总误差的90％（即±0.9℃的误差）分配至该部分。该部分的相对误差为0.9％，数据采集、转换部分和其它环节的相对误差为0.1％。3.初选元器件与误差估算传感器的选择与误差估算

由于是远距离测量，且测量范围不大，故选择电流输出型集成温度传感器AD590K。由技术手册可查出：数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例

(1)AD590K的线性误差：AD590K的线性误差为0.20℃。

(2)AD590K的电源抑制误差：当+5V≤Us≤+15V时，AD590K的电源抑制系数为0.2℃/V。现设供电电压为10V，Us的变化为0.1％，则由此引起的误差为0.02℃。

(3)电流电压变换电阻的温度系数引入的误差：AD590K的电流输出传至采集系统放大电路，需先经电阻变为电压信号。电阻值为1kΩ，该电阻误差选为0.1％，电阻温度系数为10×10-6/℃，AD590K的灵敏度为1μA/℃，在0℃时的输出电流为273.2μA。所以，当环境温度变化15℃时，它所产生的最大误差电压（当所测量温度为100℃时）为数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例信号放大电路的误差估算

AD590K的电流输出经电阻转换成最大量程为100mV的电压，而AD转换器的满量程输入电压为10V，故需加一级放大电路，现选用仪用放大电路AD522B，在放大器输入端加一偏置电路。将传感器AD590K在0℃时的输出值273.2mV进行偏移，以使0℃时的输出电压为零。为此，尚需一个偏置电源和一个分压网络，由AD580LH以及R2、RP1、R3构成的电路如图5所示。偏置后，100℃时AD522B的输出信号为10V，显然放大器的增益为100。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例信号放大电路的误差估算(1)参考电源AD580LH的温度系数引起的误差;(2)电阻电压引入的误差;(3)仪用放大器AD522B的共模误差;(4)AD522B的失调电压温漂引起的误差;(5)AD522B的增益温度系数产生的误差;(6)AD522B线性误差.

数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例

(1)参考电源AD580LH的温度系数引起的误差：AD580LH用来产生273.2mV的偏置电压，其电压温度系数为25×10-6/℃，当温度变化±15℃时，偏置电压出现的误差为相当于0.1℃。

(2)电阻电压引入的误差：电阻R2和R3的温度系数为±10×10-6/℃，±15℃温度变化引起的偏置电压的变化为相当于0.04℃。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例

(3）仪用放大器AD522B的共模误差：其增益为100，此时的共模抑制比的最小值为100dB，共模电压为273.2mV，故产生的共模误差为该误差可以忽略。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例

(4)AD522B的失调电压温漂引起的误差：它的失调电压温度系数为±2μV/℃，输出失调电压温度系数为±25μV/℃，折合到输入端，总的失调电压温度系数为±2.5μV/℃。温度变化为±15℃时，输入端出现的失调漂移为相当于0.03℃。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例(5)AD522B的增益温度系数产生的误差：它的增益为1000时的最大温度系数等于±25×10-6/℃，增益为100时，温度系数要小于这一数值，如仍取这一数值，且设所用增益电阻温度系数为±10×10-6/℃，则最大温度增益误差（环境温度变化为±15℃）为在100℃时，该误差折合到放大器输入端为0.05mV，相当于0.05℃。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例(6)AD522B线性误差：其非线性在增益为100时近似等于0.002％，输出10V摆动范围产生的线性误差为相当于0.2℃。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例现按绝对值和的方式进行误差综合，则传感器、信号放大电路的总误差为若用方和根综合方式，这两部分的总误差为估算结果表明，传感器和信号放大电路部分满足误差分配的要求。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例A/D转换器、采样/保持器和多路开关的误差估算

因为分配给该部分的总误差不能大于0.1％，所以A/D转换器、采样/保持器、多路开关的线性误差一般应小于0.01％。为了能正确地做出误差估算，需要了解这部分器件的技术特性。(1)A/D转换器为AD5420BD，其有关技术特性如下：

线性误差为0.012％（FSR）；微分线性误差为±0.5LSB；增益温度系数（max）为±25×10-6/℃；失调温度系数（max）为±7×10-6/℃；电压灵敏度在±15V时为±0.004％，在±5V时为±0.001％；输入模拟电压范围为±10V；转换时间为5μs。数据采集系统设计数据采集系统误差分配举例(2)采样/保持器为ADSHC－85，其有关技术特性如下：

增益非线性为±0.01％；增益误差为±0.01％；增益温度系数为±10×