1、第二章第二章 智能儀器的數據采集技術智能儀器的數據采集技術 數據采集系統的組成結構數據采集系統的組成結構模擬信號調理模擬信號調理傳統傳統A/DA/D轉換器及接口技術轉換器及接口技術 - - 型型ADCADC原理與接口技術原理與接口技術 數據采集系統設計及舉例數據采集系統設計及舉例 數據采集系統的誤差分析數據采集系統的誤差分析 數據采集系統簡稱數據采集系統簡稱DAS（Data Acquisition System），是指將溫度、），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行取樣、量壓力、流量、位移等模擬量進行取樣、量化轉換成數字量后，以便由計算機進行存化轉換成數字量后，以便由計算機進行存儲、處理、

2、顯示或打印的裝置。儲、處理、顯示或打印的裝置。第一節第一節 數據采集系統的組成結構數據采集系統的組成結構 傳感器傳感器模擬信號調理模擬信號調理數據采集電路數據采集電路微機系統微機系統圖圖2.1 數據采集系統的基本組成數據采集系統的基本組成 多路模擬輸入通道數據采集系統多路模擬輸入通道數據采集系統 同時測量多種物理量或同一種物理同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。量的多個測量點。 多路模擬輸入通道可分為多路模擬輸入通道可分為兩大類型兩大類型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 一、多路模擬信號集中采集式一、多路模擬信號集中采集式 1. 1. 集中式數據采集系統的典型結構之一集

3、中式數據采集系統的典型結構之一傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調理調理調理調理調理調理模模擬擬多多路路開開關關A/ /D計計算算機機控制邏輯控制邏輯S/HS/H多路共用采集電路分時采集多路共用采集電路分時采集2. 2. 集中式數據采集系統的典型結構之二集中式數據采集系統的典型結構之二傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調理調理調理調理調理調理S/HS/H模模擬擬多多路路開開關關S/HA/ /D計計算算機機控制邏輯控制邏輯多路同步取樣共用多路同步取樣共用A/DA/D分時采集分時采集3. 3. 集中式數據采集系統的典型結構之三集中式數據采集系統的典型結構之三多通道同步采樣多通道同步

4、采樣A/D，分時傳輸數據，分時傳輸數據多通道獨立取樣多通道獨立取樣A/D，有通道緩存，有通道緩存通信接口通信接口上位機上位機數據數據采集站采集站1數據數據采集站采集站2數據數據采集站采集站3數據數據采集站采集站N模擬信號或數字信號模擬信號或數字信號網絡式數據采集結構網絡式數據采集結構二、分布式采集二、分布式采集請總結每種數據采集系統結構的主要特點！第二節第二節 模擬信號調理模擬信號調理采集系統信號調理采集系統信號調理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任務：的任務：實現非電量信號向電信號的轉換、小信號放大、實現非電量信號向電信號的轉換、小信號放大、

5、濾波；濾波；零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等。和量程切換等。傳感傳感器器前置前置放大放大濾濾波波程控程控放大放大濾濾波波采集采集電路電路 典型模擬調理電路的組成框圖典型模擬調理電路的組成框圖 傳感器是信號輸入通道的第一環節，也是傳感器是信號輸入通道的第一環節，也是決定整個測試系統性能的關鍵環節之一。決定整個測試系統性能的關鍵環節之一。 正確選用傳感器：正確選用傳感器： 明確所設計的測控系統對傳感器的技術明確所設計的測控系統對傳感器的技術要求；要求； 了解現有傳感器廠家有哪些可供選擇的了解現有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器傳感器， 自

6、行設計傳感器自行設計傳感器 一、傳感器的選用一、傳感器的選用將被測量將被測量轉換轉換后續電路可用電量后續電路可用電量： 轉換范圍：轉換范圍：與被測量實際變化范圍相一致。與被測量實際變化范圍相一致。 轉換精度：轉換精度：符合整個測試系統根據總精度要求符合整個測試系統根據總精度要求而分配給傳感器的精度指標；而分配給傳感器的精度指標； 轉換速度（帶寬）：轉換速度（帶寬）：符合整機要求；符合整機要求； 能能滿足滿足被測介質和使用被測介質和使用環境的特殊要求環境的特殊要求，如耐，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質量輕和不耗電或耗電少等；、

7、體積小、質量輕和不耗電或耗電少等；1.1.能滿足用戶對能滿足用戶對可靠性和可維護性可靠性和可維護性的要求。的要求。( (一一) ) 對傳感器的主要技術要求對傳感器的主要技術要求對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體電阻、半導體PN結、結、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用等好多種。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側重考慮成本低、相配電路是否簡條件等情況下，應側

8、重考慮成本低、相配電路是否簡單、可靠性等因素進行取舍，盡可能選擇性能價格比單、可靠性等因素進行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。高的傳感器。 ( (二二) ) 選用什么類型傳感器選用什么類型傳感器 大信號輸出傳感器大信號輸出傳感器 : : 為了與為了與A/D輸入要求相適應，傳感器廠家輸入要求相適應，傳感器廠家開始設計、制造一些專門與開始設計、制造一些專門與A/D相配套的相配套的大信號輸出傳感器。大信號輸出傳感器。 傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器小信號放大小信號放大信號修正與變換信號修正與變換濾波濾波A/D微機微機微機微機I/V轉換轉換V/F光電耦合光電耦合小電流小電流小電壓小電壓大電

9、壓大電壓大電流大電流圖圖3.5 大信號輸出傳感器的使用大信號輸出傳感器的使用 2. 2. 數字式傳感器：數字式傳感器：采用頻率敏感效應器件構成，也可以由采用頻率敏感效應器件構成，也可以由敏感參數敏感參數R R、L L、C C構成的振蕩器，或模擬構成的振蕩器，或模擬電壓輸入經電壓輸入經 V/FV/F轉換等。轉換等。具有測量精度高、抗干擾能力強、便于具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優點。遠距離傳送等優點。 頻率量及開關量輸出傳感器的使用頻率量及開關量輸出傳感器的使用 傳感器傳感器放大放大整形整形光電光電隔離隔離計算機計算機傳感器傳感器整形整形光電光電隔離隔離計算機計算機頻率頻率輸出輸

10、出開關量開關量輸出輸出 集成傳感器是將傳感器與信號調理集成傳感器是將傳感器與信號調理電路做成一體。例如，將應變片、應變電路做成一體。例如，將應變片、應變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構成集成壓力傳感器。體，構成集成壓力傳感器。 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調理任務，簡化通道結構。信號調理任務，簡化通道結構。 3. 3. 集成傳感器集成傳感器4. 4. 光纖傳感器：光纖傳感器： 這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導纖維實現的，避免了電路都是通過光導纖維實現的，避免了電路系統的

11、電磁干擾。系統的電磁干擾。 光纖傳感器可以從根本上解決由現場通光纖傳感器可以從根本上解決由現場通過傳感器引入的干擾。過傳感器引入的干擾。 放大器為什么要放大器為什么要“前置前置”, ,即設置在調理即設置在調理電路的最前端？電路的最前端？前置放大器的放大倍數應該多大？前置放大器的放大倍數應該多大？二、運用前置放大器的依據二、運用前置放大器的依據當傳感器輸出信號比較小，必須選用前當傳感器輸出信號比較小，必須選用前置放大器進行放大。置放大器進行放大。KVVONIN/2200)()(KVKKVVININONVIN VOS前置放大器前置放大器K0后級電路后級電路KVISVIN0 VON放大器噪聲分析放大

12、器噪聲分析 總的等效輸出噪聲：總的等效輸出噪聲：總的等效輸入噪聲：總的等效輸入噪聲：20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ假定不設前放時，輸入信號被電路噪聲淹沒，即：假定不設前放時，輸入信號被電路噪聲淹沒，即：VISVIN，加入前放后，加入前放后，希望希望VISVIN，就必須使，就必須使VIN95dBuu - A/D轉換技術轉換技術uu 片內數字抗混疊濾波及電壓參考片內數字抗混疊濾波及電壓參考uu 最高采樣率最高采樣率50KHzuu 差動模擬輸入差動模擬輸入uu 單單+5V電源供電電源供電 CS5360 CS5360功能框圖功能框圖

13、 CS5380 CS5381 數字接口電路功能框圖數字接口電路功能框圖 基于基于FPGAFPGA的數字接口電路部分的設計的數字接口電路部分的設計 接口功能框圖接口功能框圖 串并轉換電路原理圖串并轉換電路原理圖 高速高速A/D轉換器轉換器逐次近似逐次近似A/DA/D法（幾十法（幾十MHzMHz）閃電式閃電式A/DA/D法（幾百法（幾百MHzMHz）分量程分量程A/DA/D法（幾百法（幾百MHzMHz）流水線流水線A/DA/D法（幾百法（幾百MHzMHz）諧振隧道二極管諧振隧道二極管A/DA/D法（法（1GHz1GHz以上）以上）視頻、數字示波器、頻譜測試、雷達視頻、數字示波器、頻譜測試、雷達 采

14、樣率采樣率10MHz10MHz以上以上參考書：席德勛，現代電子技術，高等教育教育出版社參考書：席德勛，現代電子技術，高等教育教育出版社第五節第五節 數據采集系統設計及舉例數據采集系統設計及舉例 一、系統設計考慮的因素一、系統設計考慮的因素 二、二、A/DA/D轉換器的選擇要點轉換器的選擇要點 三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 四、多路測量通道的串音問題四、多路測量通道的串音問題 五、主放大器的設置五、主放大器的設置 六、數據采集系統實例六、數據采集系統實例 一、采集系統設計考慮的主要因素一、采集系統設計考慮的主要因素v 輸入信號的特性輸入信號的特性 v 對數據采集系統性能的

15、要求對數據采集系統性能的要求v 接口特性接口特性輸入信號的特性：輸入信號的特性： 信號的數量信號的數量 信號的輸入方式（信號的輸入方式（單端、差動、單極性、雙極單端、差動、單極性、雙極性，接地、浮地性，接地、浮地） 信號的強弱及動態范圍信號的強弱及動態范圍 信號的頻帶寬度信號的頻帶寬度 信號是周期還是瞬態信號是周期還是瞬態 信號中的噪聲信號中的噪聲 共模電壓大小共模電壓大小 信號源的阻抗信號源的阻抗對數據采集系統性能的要求：對數據采集系統性能的要求： 系統的系統的采樣速率采樣速率 系統的分辨率系統的分辨率 系統的精度系統的精度 主機（主機（PCPC、MCUMCU、DSPDSP） 并行、串行、總

16、線并行、串行、總線 數據的編碼格式數據的編碼格式 接口特性接口特性 ：二、二、A/DA/D轉換器的選擇要點轉換器的選擇要點1.A/D1.A/D轉換位數轉換位數2.2.轉換速度轉換速度3.3.環境條件環境條件 4.4.接口接口1.A/D轉換位數轉換位數mmin,max,1lg20IIVVL 61Lm 1210m系統精度指標系統精度指標 的的10倍原則倍原則2. A/D轉換速度的確定轉換速度的確定 轉換速率轉換速率 =cott 1coDAttT/ocDAttNCfTmax/1三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 APiotdtdVVmaxmax,)(最大孔徑誤差最大孔徑誤差 APm

17、otfUU2max,tUUmicos在數據采集系統中，若要求最大孔徑誤差不超過在數據采集系統中，若要求最大孔徑誤差不超過q q，則由此限定的被轉換信號的最高頻率為則由此限定的被轉換信號的最高頻率為: :1max21mAPtfmmcmUqtfU221max21mctf不加采樣不加采樣/保持器保持器 加采樣加采樣/保持器保持器 1max21mAPtf一個一個12位位ADC，tc=25s信號頻率不能超過信號頻率不能超過1.5Hz。 tAP=10nsfmax=3750HzA/DA/D轉換時間轉換時間t tC C 內內S/HS/H理想情況下應保持不變理想情況下應保持不變存在輸出電壓的跌落存在輸出電壓的跌

18、落HDoCIdtdVI ID D為流過保持電為流過保持電容容C CH H的漏電流的的漏電流的代數和代數和: :模擬開模擬開關斷開時的漏電關斷開時的漏電流、保持電容本流、保持電容本身的介質漏電和身的介質漏電和介質吸附效應引介質吸附效應引起的電荷變化起的電荷變化。 四、多路測量通道的串音問題四、多路測量通道的串音問題 MUXMUX電路模型電路模型 模擬開關的斷模擬開關的斷開電阻開電阻R Roffoff不是不是無窮大和多路無窮大和多路模擬開關中存模擬開關中存在寄生電容的在寄生電容的緣故。緣故。 低頻等效電路低頻等效電路 高頻等效電路高頻等效電路RiRoffRon例例:設八路輸入轉換開關設八路輸入轉換開關, 導通電阻導通電阻100歐姆歐姆,關斷時單路漏電流關斷時單路漏電流1A。輸入信號是溫度傳感器輸出電壓，輸入信號是溫度傳感器輸出電壓，內阻內阻400歐姆。試估算漏電流產歐姆。試估算漏電流產生的誤差。生的誤差。(1)(1)為減少漏電流影響為減少漏電流影響, ,減小信號源內阻減小信