智能仪器的数据采集系统设计课件

第4章 智能仪器数据采集系统设计,智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由主机电路进行存储、处理、显示或打印的装置。,4.1 数据采集系统的组成,图4.1 数据采集系统的基本组成,实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。,一、集中采集式,多通道一般数据采集系统，通过多路转换器MUX将各路 模拟量轮流送给SHA和ADC进行模数转换。,多通道同步型数据采集系统，它在每个通道上都加一个SHA，并受同一 触发信号控制，这样可以做到同一时刻内将采集信号暂存在各自的保持 电容上，以后由微型机逐一取走并经ADC送入存储器中。,二、分散采集式(分布式),多通道并行数据采集系统，它是许多单通道数据采集系统的组合，共同 由控制电路进行控制。他的灵活性强，可满足不同精度，不同速度数据 采集的要求。,在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合 数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。,二、 仪用放大器,仪用放大器又称为测量放大器，是一种带有精密差动电压增益的器件，由于他具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其在检测微弱信号的的系统中被广泛用作前置放大器。,仪用放大器的基本结构,U5,仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R3，R5R6。,仪用放大器的增益可按下式确定：,由第一级放大器A1和A2可得：,差动输入输出级放大器A1、A2对差动信号输入的增益为1+2R1/RG。由于结构对称，且允许被放大信号直接加到输入端，因而保证了很强的共模抑制能力。,AD620 是AD公司的一款仪用放大器，他是一个低成本, 高精度的单片仪器放大器, 8 脚，有双列直插封装和SOIC 贴片封装，AD620的管脚如图5-4所示。,AD620 的两个内部增益电阻为24.7K欧, 因而增益方程式为：,对于所需的增益, 则外部控制电阻值为：,表5-1 AD620参数,信号采集系统中，信号变化的幅度比较大，那么放大以后的信号幅值有可能超过A/D转换的量程，所以必须根据信号的变化相应调整放大器的增益。 在智能仪器中，可变增益放大器的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。,三、 程控增益放大器,图5.10 程控放大器原理框图,四、隔离放大器 实际应用中，经常遇到信号源(传感器)和系统间不允 许有直接的电信号连接。,隔离放大器是利用光、电容和变压器的耦合技术，实现放大器输入和输出的欧姆隔离。,4.4 模拟多路开关及接口,多路开关的主要用途是把模拟信号分时的送入A/D转换器，或者把经计算机处理后的数据由D/A转换器转换成的模拟信号，按一定的顺序输出到不同的控制回路中。 前者称为多路开关，完成多到一的转换（多路调制器）。后者称为反多路开关或多路分配器，完成一到多的转换（多路解调器）。 多路开关有机械触点式开关（最常用的是干簧继电器）和半导体模拟开关。 前者主要用于大电流、高电压、低速切换场所；后者主要用于小电流、低电压、高速切换场所。半导体多路开关由于是一种集成化无触点开关，不仅寿命长、体积小，而且对系统的干扰小，因而目前智能仪器多采用这种开关，下面以CD4051为例说明多路开关在数据采集系统中的使用方法。,八通道双向多路开关CD4051,CD4051的真值表,多路开关的扩展,4.5 采样保持电路,采样与保持器是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保持”两种工作状态的电路。在“采样”状态下电路的输出跟踪输入模拟信号，在“保持”状态下电路的输出保持着前一次采样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为止。通常，采样保持器用作锁存某一时刻的模拟信号，以便进行数据处理（量化）或模拟控制。,采样/保持器输入输出特性,采样保持电路的技术指标,1. 孔径时间（tAP） 孔径时间是指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间。 2. 捕捉时间（tAC） 捕捉时间是指从开始采样到采样保持器输出达到当前输入信号的值所需要的时间。显然A/D转换的采样时间必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分的采集到输入模拟信号。 3. 保持电压的下降 4.馈通,4.6 A/D转换器及接口设计,4.6.1 A/D转换器概述,A/D转换器ADC(Analog-Digital Converter) A/D转换器：是指将模拟量转换为数字量的器件， 这个模拟量泛指电压、电阻、电流、 时间等参量，但在一般情况下，模拟 量是指电压。 A/D转换器常用的几项技术指标： A/D转换器的分类：,A/D转换器常用的几项技术指标,1、分辨率与量化误差 2、转换精度 3、转换速率 4、满刻度范围,分辨率：是衡量ADC分辨输入模拟量最小变换程度的技术指标即指A/D转换器可转换成数字量的最小电压（量化阶梯）。一般来说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。 分辨率习惯上用输出二进制数或BCD码数的位数来表示 如AD574可输出二进制12位即可用212 个数进行量化故 AD574的分辨率为12位 用百分比表示：1/212100%=0.025% 输出数字量与模拟量关系:,1、分辨率与量化误差,量化误差是由于ADC有限字长数字量对输入模拟量进行离散取样（量化）而引起的误差，其大小理论上为一个LSB。 量化误差和分辨率是统一的， 提高分辨率可以减小量化误差,2、转换精度,转换精度反映了一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想ADC也存在着量化误差，因此实际ADC转换精度所对应的误差指标是不包括量化误差在内的。,偏移误差,偏移误差：指输出为零时，输入不为零的值，所以有时又称零点误差。 偏移误差通常由放大器的偏移电压或偏移电流引起，一般可在ADC的外部加接调节电位器，将偏移误差调至最小。,满刻度误差,满刻度误差：又称增益误差，指ADC满刻度时输出的代码所对应的实际输入电压值与理想输入电压值之差。 满刻度误差一般是由参考电压、放大器的放大倍数、电阻网络误差等引起。满刻度误差也可通过外部电路来修正。,非线性误差,非线性误差:指实际转移函数与理想直线的最大偏移。 注非线性误差不包括量化误差、偏移误差和满刻度误差。,微分非线性误差,微分非线性误差：是指转换器实际阶梯电压与理想阶梯电压之间的差值。,转换速率是指ADC在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动转换到转换结束得到稳定的数字量输出所需的时间，二者互为倒数。 例如：A/D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间为200ns。 常见有超高速（转换时间1ns）、高速（转换时间1s）、中速（转换时间1ms）和低速（转换时间1s)等。,3、转换速率,4.满刻度范围,满刻度范围是指ADC所允许输入电压范围。如（05V），（010V），（-5V+5V）。 满刻度值只是个名义值，实际的ADC的最大输入值总比满刻度值小1/2n。这是因为0值也是2n个转换器状态中的一个。 例如8位ADC，其满刻度值为10V，而实际允许的最大输入电压值为 255/25610=9.96V。,A/D转换器的分类,逐次逼近式ADC转换时间与转换精度比较适中，转换时间一般在s级，转换精度一般在0.1%上下。他们被广泛应用于中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。这类器件与双积分式A/D转换器相比抗干扰能力较差，价格也较高。 积分式ADC核心部件是积分器，因此速度慢通常低于20次/s，其转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转换精度可达0.01%或更高。广泛应用于各类数字仪表（如数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统中。,并行式ADC,并行式又称闪烁式（瞬时比较编码式A/D转换器），由于采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换时间可达ns级，但抗干扰性较差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。这类ADC可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中，并且在数字通信技术和高速数据采集技术中得到了重视和应用。,改进型ADC,5.6.2 逐次比较式A/D转换器与微型计算机接口,一、逐次逼近式A/D原理概述 二、ADC0809芯片及其接口,二、ADC0809芯片及其接口,ADC0809是8位逐次逼近式AD转换器，具有8个模拟量输入通道，它能分时的对8路模拟量信号进行A/D转换，结果为8位二进制数。 最大不可调误差小于1LSB，典型时钟频率为640kHz，每一通道的转换约需6673个时钟周期，因此转换时间约为100s。ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280kHz。 1. ADC0809的引脚及结构 2. ADC0809的时序 3. ADC0809与8051的接口及程序设计,ADC0809的内部结构逻辑图,IN0IN7:8个通道的模拟量输入端。可输入 05V待转换的模拟电压。 A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输 入；当CBA=111时，IN7输入。 ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关地址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一路。 START：启动转换信号输入端。从START端输入一个正脉冲，其下跳沿启动ADC0809开始转换。脉冲宽度应不小于100200ns。 D0D7：8位转换结果输出端。三态输出，D7是最高位，D0是最低位。,REF（-）、REF（+）：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为5V。 VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用5V单一电源供电。 CLK：外部时钟输入信号，时钟频率决定了A/D转换器的转换速率， ADC0809每一通道的转换约需6673个时钟周期，ADC0809的典 型时钟频率为640kHz，转换时间约为100s。 EOC：转换结束信号输出端。当EOC为高电平时表示转换结束，启动 A/D转换时它自动变为低电平。 OE：输出允许端。OE为低电平时，D0D7为高阻状态，OE为高电平 时，允许转换结果输出。,实现A/D转换的控制方式,程序查询方式 延时等待方式 中断方式,转换程序的功能是将由IN0端输入的05V模拟信号转换为对应的数字量00HFFH，然后再存入8051内部RAM的30H单元中。令8051的晶振频率为12MHz。,程序查询方式,程序查询方式就是首先由微处理器向ADC发出启动信号，然后读入转换结束信号，查询转换是否结束，若转换结束，可以读入数据，否则在继续读入转换结束信号进行查询，直至转换结束再读入数据。 这种程序设计方法比较简单，可靠性高，但由于微机把许多时间都消耗在“查询”上，因而效率低。实际应用系统对于这点时间还是允许的，因此，这种方法应用比较普遍。,延时等待方式,所谓延时等待方式是指在向A/D发出启动信号后，先根据所采用的A/D转换器所需的转换时间(例如ADC0809为100s)进行软件延时等待，延时程序执行后，A/D转换过程也已结束，便可读入数据。 在这种方式中，为了保险起见，通常延时时间应略大于A/D转换所需要的时间，占用了较多的时间，因而多用于微处理器处理任务比较少的场合。这种方法的优点是可靠性高，不占用查询端口。,中断方式,在中断方式中，微处理器启动A/D转换后可转去处理其他事情， A/D转换结束后便向微处理器发出中断申请信号，微处理器响应中断后再来读入数据。 这种方式下，微处理器与A/D转换器并行工作，提高了工作效率。,4.6.3 积分式A/D转换器与微型计算机接口,积分式A/D转换器是一种间接式A/D转换器，其工作原理：先用积分器把输入模拟电压转换成中间量（时间T或频率f），然后再把中间量转换成数字。,双积分式A/D转换器优点： 抗干扰能力强：因为A/D转换的结果与输入信号的平均值成正比。 性能/价格比高：由于在转换过程中的两次积分中使用了同一积分器，又使用了同一时钟去测T1，T2。因此对积分器和时钟的稳定性等指标都要求不高，成本降低。 缺点： 速度慢。 积分器和比较器的失调偏移不能在两次积分中的低消，会造成较大的转换误差。,MC14433A/D芯片及其接口,主要技术指标 原理及引脚图 时序 与8051的接口及程序,MC14433是美国Motorola公司推出的单片3 1/2位A/D转换器，其中集成了双积分式A/D转换器所有的CMOS模拟电路和数字电路。具有外接元件少，输入阻抗高，功耗低，电源电压范围宽，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只要外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。 MC14433最主要的用途是数字电压表，数字温度计等各类数字化仪表及计算机数据采集系统的A/D转换接口。,EOC:转换结束标志端，每一转换周期结束后，该端输出一脉宽为1/2时钟周期的正脉冲。,DU:转换更新控制端。当向该端输入一正脉冲时，则当前转换周期的转换结果将被送入到输出锁存器，否则输出锁存器讲保留原来的数据。若DU与EOC连接，则每一次转换结果都将被自动送出。,Q0,Q1,Q2,Q3:A/D转换结果输出端。采用BCD码，其中Q0为LSB，Q3为MSB。,DS1,DS2,DS3,DS4:多路调制选通脉冲信号输出端,DS1期间，输出端Q3Q0除表千位信息外，还有超欠量程和极性标志信号，具体规定为： Q3表千位数，Q3=“0” 对应1，反之对应0 Q2表极性，“1”表正，“0”表负。 Q0=“1”表超或欠量程，当Q3=“1”时欠量程，为“0”超量程,3.8.2 并行DAC及接口,一、工作原理,二、D/A转换电路输入与输出形式,D/A转换器的数字量输入端可以分为： 不含数据锁存器； 含单个数据锁存器； 含双个数据锁存器,D/A转换器的输出电路有单极性和双极性之分： 单极性输出电路： 双极性输出电路：,单极性输出电路,8位DAC,输出输入关系：,双极性输出电路,输出输入关系：,3.8.3 DAC0832及其与微机接口,8位分辨率的D/A芯片，内部有两级锁存功能； 无内部参考电源，需外接； 输出是电流型，要获得电压输出需外加转换电路。,1、直通式工作方式应用,2、单缓冲方式应用,这种方式主要应用于有 一路模拟输出，或有几 路模拟量输出但不需要 同步的场合。,MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,#DATA MOVX DPTR,A,3、双缓冲方式应用(两路以上的模拟量同步输出),MOV DPTR,#0FEFFH MOV A,R2 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FDFFH MOV A,R3 MOVX DPTR,A MOV DPTR,#0FBFFH MOVX DPTR,A,波形发生器的设计,#include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define DAC 0x7fff /定义DAC输出地址 uchar code SINTAB=0x7F,0x89,0x94,0x9F,0xAA,0xB4,0xBE,0xC8,0xD1, 0xD9,0xE0,0xE7,0xED,0xF2,0xF7,0xFA,0xFC,0xFE,0xFF; uchar bdata Tbase=0x20; sbit KST=Tbase0; /阶梯波标志 sbit KTRI=Tbase1; /三角波标志 sbit KSQ=Tbase2; /方波标志 sbit KSIN=Tbase3; /正弦波标志,sbit K1=P10; /K1键 sbit K2=P12; /K2键 sbit