电气测量-6 第六章 数据采集技术

第六章 数据采集技术,本章主要介绍在数据采集技术中应用的模拟多路开关、测量放大器、采样保持电路以及单片数据采集系统的相关知识。参考资料申忠如等，电气测量技术，科学出版社,主要内容,第一节 多路数据采集技术概述第二节 模拟多路开关第三节 测量放大器第四节 采样保持电路第五节 单片数据采集系统第六节 数据采集系统的结构,第一节 多路数据采集技术概述,主要内容：一、数据采集技术的概念二、数据采集技术的应用三、数据采集技术的特点四、数据采集系统的构成,一、数据采集技术的概念,1、数据采集技术对多路模拟信号进行分时的数字化测量，从而获得大量数据的技术。2、主要技术：(1)多通道切换多路开关(2)分时功能多路开关(3)数字化测量采样/保持，A/D转换(4)大量数据的处理技术计算机技术,二、数据采集技术的应用,1、自动化生产过程大量反映工艺流程的模拟信号需要实时测量、实时控制。如化工、冶金、电力。2、科学装置或实验装置对某一科学装置或实验装置往往需要几乎在同一时间内测量若干参数的变化，从而确定参数间的函数关系，或整体评价装置的各种性能指标。如发动机、飞行器。3、其它医疗、环保、农业技术、武器控制系统、音响系统。,三、数据采集系统的特点,1、数字化测量的扩展(1)空间扩展：对许多模拟信号逐一进行测量；应用多路切换开关实现多通道测量；众多不同大小的信号需要进行归一化和线性化处理。(2)时间扩展：对被测量进行长时间测量，以一定的时间间隔测定各时刻的瞬时值；应用采样保持电路以及数字存储装置实现；,2、应用数字化技术(1)干扰：信号传输过程中，模拟信号比数字信号更易于受到干扰；(2)衰减：信号传输过程中，模拟信号存在衰减，数字信号并不衰减其信息；(3)误差：利用模拟电路对模拟信号信息进行处理（滤波、存储、运算等）时产生较大误差。,四、数据采集系统的构成,实际使用的微型计算机数据采集系统由四部分组成:1、数据采集器：包括多路开关MUX、测量放大器IA、取样保持放大器SHA、模数转换器ADC等环节。被测信号由输入通道多路开关以一定次序接入，经过放大、采样，再量化成为数字信号。2、微机接口电路：用来传送数据采集系统运转所需的数据、状态信息以及控制信号。3、数模转换器：将微机输出数字信号再转换为模拟信号，以实现系统要求的显示、记录、控制任务。4、应用软件。,第二节 模拟多路开关,主要内容：一、概述二、机械触点式开关三、固体式模拟开关四、单端多路转换器和分组转换五、集成多路模拟开关六、模拟开关的应用,一、概述,1、作用多路模拟开关用于轮流切换各被测（或控制）回路与模数（或数模）转换电路间的通路，从而达到几路甚至几十路信号分时共用公共模数、数模转换电路的目的。2、理想模拟多路开关特性(1)开关接通时导通电阻等于零，无附加残余电动势，能不失真地传输模拟信号；(2)开关断开时，电阻等于无穷大，无泄漏电流，使各路信号源相互之间以及与数据采集装置之间完全隔离。,3、选择和设计实际模拟开关的影响因素(1)通道数目：通道数目增加，开关的寄生电容和泄漏电流的影响也增大，从而降低传输精度和切换速度，增加通道之间的相互影响。(2)信号源的源阻抗：在保证一定传输精度的情况下，源阻抗越大，泄漏电流应越小。(3)模拟信号源的输入方式：如果输入信号源本身具有较大共模电压，要对共模信号进行抑制，或使用差分输入方式。(4)输入信号的极性和数值：合理设计多路模拟开关驱动电路的形式和参数。(5)通道串扰：电子模拟开关的极间电容和寄生电容是造成对输出信号串扰的原因，串扰电压正比于加在“断开”通道上信号的频率和幅度，以及“导通”通道的信号源的源阻抗。(6)切换速度：决定被传输信号的变化速度。被传输模拟信号的频带越宽，要求切换频率越高，A/D转换速度也应提高。,二、机械触点式开关,1、特点(1)包括干簧继电器、水银继电器、机械振子式继电器等。(2)具有理想的静特性。(3)驱动部分和开关触点是隔开的，具有很高的电压隔离作用。(4)动态特性差（速度慢）。(5)动作时产生弹跳。(6)寿命短。,2、干簧继电器(1)结构在玻璃密封外壳内有一对由金、铑或银等贵重全属构成的扁平触点。玻璃壳内充惰性气体。触点是常开的，当线圈内通过电流时，簧片被磁化而使触点吸合。(2) 驱动电路Vc为线圈的激励电源，Vd为开关吸合与断开的控制电压，二极管D用于短路掉开关断开时线圈内产生的反冲电动势。,(3)简单模型当开关闭合时，导通电阻Ron可小于0.1；当开关打开时，断开电阻Roff接近1G；继电器触点之间以及触点和驱动线圈间的击穿电压可达几百或几千伏；继电器触点间及触点和驱动线圈间的电容很小。(4)干簧继电器的典型参数工作速度 200500次秒吸合时间 7501000s释放时间 50700s接通电阻 10150 m 断开电阻 1012 ,三、固体式模拟开关,1、类型 固体式模拟开关又常称为半导体模拟开关，有双极型晶体管开关(BJT)、结型FET开关、MOSFET开关等几类。2、结型场效应管模拟开关(JFET)(1)特点构成的模拟开关导通电阻可以小到5100，没有残余电压，可用来执行高精度电压切换。可用于构成分立元件的开关，也可以构成集成开关组件。当作为串联电压开关使用时，信号电压加在源极(S极)，漏极(D极)接负载，控制开关切换的驱动电压加在栅极(G极)和源极(或漏极)之间。,(2) N沟道耗尽型JFET当栅源偏压VGS(即驱动控制电压)为零时，S、D极之间的导电沟道最宽，因而开关的导通电阻最小。当VGS为某一负偏压但尚未达到JFET的夹断电压VP时，在栅极和沟道之间因出现耗尽区而使沟道截面变小，开关导通电阻增大当VGS VP时，负偏压使沟道夹断，开关截止。为使开关性能最佳，当其导通时应保证VGS =0。而当其截止时应保证VGS VP 。,3、MOS型场效应管模拟开关(1) 特点： MOS型场效应管又称金属-氧化物-半导体场效应晶体管(简称MOSFET)。 主要优点：栅-漏极间泄漏电流极小且较少随温度变化，适用于切换低电平信号；另一优点为易于集成在单片晶体上，因而成本低、尺寸小、易于制成集成的多路输入切换器；缺点是导通电阻较大，且随被切换电压而变。 MOS型场效应管模拟开关是电压控制的单极型器件，目前大量生产的是增强型MOSFET。除P沟道MOSFET以外，还有N沟道MOSF ET，分别简称为PMOS和NMOS。,(2) P沟道增强型MOSFET当栅、源间负偏压尚未达到开关的开启电压VT时，源、漏极之间不存在导电沟道，开关是截止的。当偏压大于开启电压VT时，源、漏极之间出现导电沟道，开关开始导通。随着偏压的继续增加，导电沟道宽度不断扩大，源、漏极导通电阻逐渐减小。,四、单端多路转换器和分组转换,1、m个单端输入的多路转换器原理,2、漏电流的影响：(1)以地为参考的各输入信号具有信号源电阻Rsi；(2)各模拟开关输出端对地总的等效电容为Cd。(3)设m个通道的信号Vs1Vsm经由一个m通道多路转换器分别切换到负载Rl上；(4)通道1的开关导通，导通电阻Ron1，其余开关截止。(5)各截止开关的漏极漏电流Id都将经由a点进入信号源Vsi和负载Rl。(6)漏电流在a点产生的误差电压为,3、寄生电容的影响(1)当切换多路高频信号时，截止通道的高频信号会通过通道之间的寄生电容Cx和开关源、漏极之间的寄生电容CDS在负载端产生泄漏电压，这种现象称为串扰。(2)寄生电容CDS和Cx越大，信号频率越高，串扰就越严重。,(3)模拟开关对地总的等效电容Cd的影响若每一路模拟开关对地总的等效电容为Cd，则每一通道导通时输出端的对地电容都增加了(m-1)Cd；每个通道开关的导通时间、截止时间和稳定时间都比单个模拟开关有所增加，可用的最高切换速率也随之下降。4、结论当需要切换的通道数较多时，可以将单个模拟开关输出端直接并联，组成单端多路转换器。输出端的寄生电容和漏电流将大大增加，不仅降低多路转换开关的切换速率，而且降低切换精度。因高频泄漏而产生的串扰也会随之增大。,5、多级切换将m个输入分成P组，每组n个开关。当选择第一组开关中的任一输入时，开关Rb1同时闭合。,五、集成多路模拟开关,(一)CD4051单端8通道多路开关,(二)CD40524通道多路开关,六、模拟开关的应用,1、待放大信号的选接缺点：开关的导通电阻、信号电压以及环境条件的变化会引起附加的增益误差和较大的非线性误差。,2、开关放在输入电阻与相加点之间(1)由于开关两端的电压只有几个毫伏的变化，这就降低了在开关处所看到的信号电压变化，从而维持比较恒定的导通电阻Ron。(2)开关电容出现在相加点会引起放大器不稳定。,3、构成切换增益的放大器,第三节 测量放大器,主要内容：一、概述二、测量放大器的典型电路三、测量放大器的增益调节四、测量放大器的指标五、测量放大器的应用,一、概述,1、测量放大器测量放大器是在测量系统中应用的、具有高输入阻抗、低输出阻抗、能够调节信号幅值范围、提高抗干扰能力的专用放大器。2、功能(1)输入缓冲：提供高输入阻抗给信号源。(2)信号放大：通过改变增益调整信号幅值范围。(3)共模抑制：采用差动输入方式时，可提供很高的共模抑制能力。(4)单端输出：平衡的差动输入和单端输出。,二、测量放大器的典型电路,1、典型电路闭环增益,2、特点(4)可以得到如下结论：只需调节电阻R2就可调节放大电路增益。R1,R2,R3对共模抑制无影响，可提高第一级增益。R4，R5的误差将降低共模抑制能力，应降低第二级增益。,三、测量放大器的增益调节,1、原因对不同幅值范围的信号，如使得测量放大器的增益随选中通道变化，可以对多路开关的各通道使用同一个放大器电路。2、调节方式(1)缓冲放大器各通道使用固定增益1。(2)电阻可控测量放大器通过调整外接电阻R2来改变放大器增益由1到1000，但此增益对所有通道一致。当数据采集系统未采用计算机控制时，可采用该方案。(3)软件编程测量放大器允许用软件建立由1到1024的增益变化。当现场信号源提供很宽的信号电平范围、整个系统在计算机控制下运行时，可采用此方案。,3、软件编程测量放大器(1)一级放大,(2)二级放大当系统要求宽量程增益时，构成二级可编程放大器。前级差动放大器提供增益1，10，100，第二级提供由0到15所有整数增益。整个测量放大器提供46个可能增益范围由0到1500。,四、测量放大器的指标,1、非线性度放大器输入、输出关系曲线与理想直线的偏差。在增益为1时，如果一个12bit系统有±0.025非线性，在增益为500时，非线性偏差可达± 0.1，相当于系统精度低于10bit。2、分辨率放大器能够分辨的最小信号变化。分辨率主要被直流偏置的不可预料性所限制：偏置漂移随温度可以由1到50V/变化。分辨率也决定于增益：一个有2V漂移的放大器，当增益为l 000时，在ADC输入端将产生一个20 mV的偏置(在10范围内)，相当于输入范围为010V时12bitADC的8个LSB值。,3、建立时间在发生一个输入信号阶跃后，放大器输出电压达到与保持在一个给定误差范围所要求的时间。误差范围通常约定为毫伏，典型值为±10V，或以全量程输出的百分数给出，如± 0.01。,4、放大器的恢复时间在撤去引起过载的信号后，放大器由饱和恢复到输出信号达到最终值时所要求的时间。5、共模抑制比(CMRR)放大器两个输入端具有等量电压变化Vci时所测出的输出电压变化Vcm，一般用共模抑制比CMRR20lg(Vcm / Vci)来衡量，例如， (Vcm / Vci)为10000时，对应的共模抑制比CMRR为80dB。,五、测量放大器的应用,1、应用经常被用在模拟信号的调理电路中，其优点是：可用软件对放大器的增益进行控制，自动校正零点误差；可以方便地对输入信号实行偏移，可以有效地抑制远地信号源和ADC接地点之间的共模电压所造成的干扰。2、AD522(1)指标参数AD522的输出失调电压漂移小于10V/，输入失调电压漂移小于0.5 V/，共模抑制比CMRR大于80 dB，最大增益非线性度为0.001，输入阻抗为109，其使用温度“A”、“B”档为-25+85，而“S”档可达-55+125。,(2)典型应用电桥放大器,第四节 采样/保持电路,主要内容:一、采样的基本概念二、采样定理三、采样/保持电路的应用四、采样/保持电路的构成五、采样/保持电路的主要参数六、集成采样保持芯片,一、采样的基本概念,在将连续信号转换成离散信号过程中，采样是常用手段。在电路实现上，采样通常用电子开关（采样门）来实现。对一个连续时间信号vi(t)（输入信号）的采样过程可用下图表示。,采样门受周期为T0，脉冲宽度为的采样脉冲p(t)控制。当采样脉冲p(t)有效，采样门s开通，输入信号vi(t)被采样。在采样脉冲p(t)无效期间，采样门s断开。在p(t)的控制下，将连续信号vi(t)转换成离散信号vs(t)。采样信号vs(t)与输入信号vi(t)之间的关系可以表示为：,二、采样定理,1. 对采样过程的基本要求：采样得到的离散信号必须包含原信号的全部信息，能够无失真地复现原信号。2. 采样定理：可以用一组以相等时间间隔采样所得的信号瞬时值代表一个连续信号，并可由它们恢复原来形状；但对信号进行采样的频率必须大于两倍的信号最高次谐波频率。,(a) fs>>2fx(b) fs>2fx(c) fs=2fx(d) fs=2fx(e) fs<<2fx结论：只有以大于被采样信号频率两倍以上的频率采样，复原以后才能得到唯一的正确结果。,3. 采样信号的复原：(1)方法：低通滤波器(2)低通滤波器特性：滤波器将使采样值中含有的与采样频率相同的或其高次谐波的信号成分大大衰减,而原信号各频率成分较少衰减。(3)结果：输出端得到原信号的复原值，幅值有所衰减。(4)截止频率影响：与滤波器截止频率相近的谐波成分幅值衰减较大，使得复原波形畸变。(5)fc选取：使fc>>2倍fx最高次谐波频率。原信号各频率成分均远离截止频率fc，降低衰减和畸变。,三、采样/保持电路的应用,1. 模数转换（ADC）(1)转换时间：从对输入信号采样瞬时开始，直到获得有效的数字输出代码为止的时间。(2)孔径误差：在转换时间内将连续变量进行离散化过程中，如果在孔径时间ta内模拟量仍在变化，其量化过程会产生一定误差，即孔径误差（V）。,(3)孔径误差计算：即：由于转换时间的存在，产生孔径误差。解决问题的方法：在ADC前加采样保持电路，使得在转换时间内模拟量保持不变。,四、采样/保持电路的构成,1. 基本结构(a)开环快速采样保持电路(b)闭环形式的采样保持电路2. 工作过程控制开关K闭合：Vin经A1为CH充电，输出跟踪模拟输入电压。此时工作在采样方式。控制开关K断开： 保持电容CH维持其电压，输出保持在保持命令发出时刻的输入电压。此时工作在保持方式。,五、采样/保持电路的主要参数,1. 捕获时间：由保持状态转到采样状态开始，到保持电容电压变到被采样值所需的最短时间。影响因素：放大器A1的响应时间，保持电容充电时间常数，输入信号变化率。意义：捕获时间越短，需要工作在采样方式的时间也越短，可以提高采样速度。,2. 泄漏电流保持阶段：关断电阻Roff、电容泄漏电阻RCL、负载电阻RL(A2输入阻抗)会使CH电压下降。用泄露电流Is表示保持电压的下降速率，定义为：3. 溃通：保持期间输入信号出现在输出端的比例。原因： Roff、K两端分布电容,4. 孔径时间(1)定义：从发出保持命令到真正打开控制开关所需的时间。(2) 影响：由于延时t2-t1的存在，使实际保持电压与希望的保持电压之间存在误差。(3)含义：孔径时间越短，被采样变量在t1到t2之间变化越小，误差小。,六、集成采样保持芯片,1. 常用集成采样保持芯片LF198/LF298/LF398,2. 典型应用电路,思考题,组成：取样门S（传输系数K），取样电容CS，交流放大器A1(增益A1)，延长门，保持电容Cm，直流放大器A2（增益1），反馈电路B(增益B)输入信号： 输入Vi,采样脉冲控制S，延长门脉冲控制延长门,思考题分析,(1)采样脉冲使S闭合，Cs充电至KVi(2)A1输出：KA1Vi(3)延长门闭合：Cm充电至KA1Vi(4)A2输出：KA1Vi(5)采样门打开：Cs电压稳定在KA1BVi(6)若KA1B=1，则Cs电压=Vi维持不变(7)即使延长门打开，Vo=KA1ViVo Vi,第五节 单片数据采集系统,主要内容：一、概述二、AD363的结构三、AD363的操作原理四、AD363的应用,一、概述,1、单片数据采集系统随着大规模集成电路的发展，AD转换器的功能越来越强，有的带有多路开关，如ADC 0809；有的甚至把多路开关、放大器、采样保持器全部集成起来，放在一块芯片上，构成一个完整的数据采集系统，即单片数据采集系统。2、AD363AD363是一个由集成电路组成的完整的16通道、12位数据采集系统。它由两个独立的功能模块组成，每一个模块都是金属双列直插式结构。模拟输入模块包含两个8通道多路开关、差动放大器、采样保持器、通道地址寄存器和控制逻揖。AD转换模块包含一个完整的12位逐次逼近式AD转换器，其中包括内部时钟、精密10V参考电压、比较器、缓冲放大器和12位DA转换器。,3、AD363的主要性能指标(1)输入电压范围：双极型±2.5V、 ± 5.0V、 ± 10V；单极型0+5V、0+10V；(2)ADC转换时间：max 25s(典型22 s)；(3)通过速率：30kHz；(4)相对精度： ±0.02满量程(5)增益误差： ±0.05满量程(6)采样保持电路的孔径时间：max 100ns (典型50ns)(7)采样保持电路的捕获时间(到± 0.01%) max 18ns,二、AD363的结构,(一)模拟输入模块(1)模拟输入模块中的多路开关可以接成8通道差动形式，也可以接成单端16通道形式。(2) 内部模拟开关的连接方式可以由数字输入进行控制，以便选择不同的连接方式。不改变外部接线便可实现单通道和差动形式的转换。(3)当通道选择锁存器输入为逻辑”l”时，地址信号通过寄存器直接选择相应的输入端，当通道选择锁存器输入为逻辑“0”时，该地址信号被保持在寄存器中，内部逻辑用来控制单端/差动方式输入的选通信号，并使多路开关的相应位接通。(4)差动放大器用来缓冲多路开关的输出，并可在单端差动方式中提供高的输入阻抗。(5)采样/保持器是一个高速的整体装置。当采样/保持器控制命令为逻辑“l”时，采样/保持器处于保持状态，完成A/D转换。(6)通常采样/保持器的控制端与A/D转换器的状态标志相连，该状态标志转换完成时为“0”，正在转换时为“l”。,(二)A/D转换模块(1)AD363所使用的A/D转换模块为AD572，12位，转换时间为25s，内部含有参考电源、时钟、比较器和缓冲放大器。(2)+10V的参考电压由齐纳二极管提供，并由运算放大器对该电压进行放大和缓冲。电压的精度为±10mV；输出电流为4mA。 A/D转换器中的D/A转换器为DAC562，采用权电阻解权网络。(3)A/D转换器中还包含有用于单极性二进制输出、偏移二进制和用于双端输入的补码输出，而且内部还有用于响应速度比较低的短脉冲，在高速测量系统中，可用高输入阻抗缓冲放大器。,三、AD363的操作原理,(一)A/D转换的工作过程1将相应的通道选择地址锁存到地址寄存器，并以足够的时间使多路开关闭合2对ADC发出转换启动信号，ADC在状态标志信号线上出现一个“高”电乎，表示正在进行转换。AD转换器接到启动信号后便开始进行AD转换。3ADC的状态标志控制采样和保持。当ADC“忙”时，采样保持器处于保持状态。4ADC转换需要25s，由于采样/保持器保持有相应的模拟量，所以在转换时可以改变地址。因此，多路开关的建立时间可以恰好与转换过程一致，而不影响转换速率。5ADC的状态标志为“0”时，转换结束，采样/保持器回到采样方式。采样/保持器稳定后，可以发下一个启动脉冲。,(二)单端差动方式控制ADC通过内部模拟开关来控制模拟量的输入方式16通道单端输入或者8通道差动输入。通过控制模拟输入模块的管脚来控制。可以分别选择两种工作方式，也可以单端/差动混合使用 “0”：单端输入(16通道)； “1”：差动输入(8通道)(三)输入通道寻址方式1、16个单端通道可以通过相应的数字量AE、A2、A1和A0四个输入通道选择地址位来控制。2、在差动方式下，可通过A2、A1和A0三位的数字来寻址8个通道，此时AE必须为逻辑“1”状态。3、由内部逻辑监控单端/差动方式输入的状态，并根据需要寻址单个的多路开关或成对的多路开关。4、当通道地址改变时，允许在6s时间内使模拟量输入模块达到最终值的± 0.01% (包括所有元件的建立时间)。,(四)短脉冲控制1、作用：短脉冲控制(ADC模块，管脚14) 用于控制A/D转换的位数及转换时间。当需要12位精度时，14脚接+5V(ADC模块、管脚16)。2、短周期管脚连接及在12位、10位或8位情况下A/D转换的最大时间：,(五)数字输出的方式1、AD363数据输出方式有并行和串行两种。2、并行输出数据码对单极性来讲是2进制码、偏移二进制码或补码，主要根据位1(ADC模块，管脚12)和它的反逻辑位1(管脚13)以哪个作为最高位来决定。3、串行数据编码对单极性输入为二进制码，而对双极性输入则为补码。串行数据按位(先是最高位，后是最低位)进行输出。(六)增益调整增益调整对所有的输入范围都是由10V参考输出(ADC管脚18)和增益调整输入(ADC管脚17) 之间所连接的100电位器组成。,(七)偏差调整AD363的偏差电压既可以在模拟输入模块调整，也可以在ADC模块中调整。下图表示在模拟输入模块调整的电路：,四、AD363的应用,第六节 数据采集系统的结构,主要内容：一、共享采样/保持器，共享A/D二、独立采样/保持器，共享A/D三、独立采样/保持器，独立A/D四、差动数据采集系统,一、共享采样/保持器，共享A/D,1、各被测参数共用一个采样/保持器和一个A/D转换器；2、可通过扩展多路开关增加通道数；3、每个通道的采样时间由多路开关的开关时间、采样/保持器的采样时间和建立时间、A/D转换器的转换时间以及测量放大器的建立时间等决定。4、为了节省时间，可在采样/保持器保持一个通道的信号后，多路开关立即转去处理下一个通道的信号。5、采样方式可以按顺序或随机进行，但对于要求同时实时测量模拟参数的系统会带来一定的误差。,二、独立采样/保持器，共享A/D,1、对多路输入信号分开进行采样/保持；2、采用多个采样/保持器，所以捕获时间可以忽略。3、可以保证同时取得各参数的数据，描绘同一时刻各参数之间的关系。4、此种方法亦称作同步数据采集系统。,三、独立采样/保持器，独立A/D,1、每个通道有独自的采样/保持器与A/D转换器；2、通常用于高速系统，允许各通道同时进行转换，用在对系统的各项数据需要同时测量的系统中。,四、差动数据采集系统,1、采用差分多路开关，适于低电平输入信号的系统。2、对于低电平信号，必须考虑由热电势及共模电压等引起的误差，因而采用差分输入，且在采样保持之前进行差分放大。3、为了消除各接点、引线端及开关等的接触电阻的影响和其它干扰，各通道都必须加屏蔽及防护，同时可采用软件补偿方法进行校正和滤波等措施,