数据采集系统

第4章数据采集系统,数据采集系统的作用和结构图,将从信号调理电路获取的模拟信号转换成数字信号，以便微机系统对数字信号进行处理。整个数据采集系统必须在微机系统的协调管理下才能正常工作。,微机信号采集系统的构成框图,4.1多路选择开关,用来切换模拟电压信号输入的关键元件。理想的多路开关其开路电阻为无穷大，其接通时的导通电阻为零。常用的多路开关有CD4051(或MC14051)，AD7501等。多路选择开关的主要作用是将多路模拟信号分时轮流送给后端数据采集电路进行A/D转换。这样多路模拟输入信号可以共用一个A/D转换器。,真值表,CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=5V，VSS=0V，当VEE=5V时，只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号，就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。,多路模拟开关的扩展电路,韶山型SS7D电力机车微机控制用多路开关,4.2采样保持器,A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。如果输入信号变化很慢，如温度信号；或者A/D转换时间较快，使得在A/D转换期间输入信号变化很小，在允许的A/D转换精度内，就不必再选用采样保持器。,1.采样保持的基本特性,捕捉时间：从发出采样指令的时刻起，直到输出信号稳定地跟踪上输入信号为止，所需的时间定义为捕捉时间关断时间：从发出保持指令的时刻起，直到输出信号稳定下来为止，所需的时间定义为关断时间。(引起孔径误差),捕捉时间长，电路的跟踪特性差，关断时间长，电路的保持特性不好，它们限制了电路的工作速度。,对采样保持电路的主要要求：精度和速度,2.采样保持器基本原理,（1）串联型采样保持器,采样保持电路的基本组成：模拟开关模拟信号保持电容缓冲放大器,由于运放误差影响，精度差,反馈型采样保持器原理及波形,（2）反馈型采样保持器,CH的选择很重要,容量为5101000pF为避免在保持阶段A1出现饱和,需要在A1的反相端和输出端接一个二极管.,采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如上图(a)、(b)所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。,显然，保持电容CH的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为式中：ID-为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容CH值-增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为5101000pF。,模拟开关：要求模拟开关的导通电阻小，漏电流小，极间电容小和切换速度快。保持电容：要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。如聚苯乙烯、钽电容和聚碳酸脂电容器等。运算放大器：选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率（上升速率）快的运算放大器；输入运放还应具有大的输出电流。,元件参数及性能要求：,常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如下图(a)、(b)所示。这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的采样电平为“0”，保持电平为“1”，而LF198的则相反。,集成采样保持器,3、集成采样保持器应用（反馈型）,LF398,AD582,在A/D通道中，采样保持器的采样和保持控制电平应与后级的A/D转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由A/D转换器直接提供。总之，采样保持器在采样期间，不启动A/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度。,4.3A/D转换器,A/D转换器的作用是将模拟量转换成与其有一定关系的数字量，A/D转换器是微机系统与信号调理电路的桥梁。A/D转换器分类方式：1.按照转换量的关系（1）直接转换型（2）间接转换型（V-T，V-F）2.按照转换时间（1）低速型（转换时间为mS级）（2）中速型（转换时间为uS级）（3）高速型（转换时间为nS级）,一、A/D转换的原理,1逐位逼近式A/D转换原理,一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例，说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。如下图所示。,逐位逼近式A/D转换原理图,当启动信号作用后，时钟信号在控制逻辑作用下:首先使寄存器的最高位D31，其余为0，此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO8，送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN=9进行比较，控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VINVO，则保留D3=1；再对下一位D2进行比较，同样先使D21，与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器，转换为VO12再进入比较器，与VIN9比较，因VINVO，则使D20；再下一位D1位也是如此，D11即1010，经D/A转换为VO=10，再与VIN9比较，因VINVO，则使D10；最后一位D01-即1001经D/A转换为VO9，再与VIN9比较，因VINVO，保留D01。比较完毕，寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果，存在输出锁存器中等待输出。,一个n位A/D转换器的模数转换表达式是式中nn位A/D转换器；VR+、VR-基准电压源的正、负输入；VIN要转换的输入模拟量；B转换后的输出数字量。即当基准电压源确定之后，n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN呈正比。,例题3-2：一个8位A/D转换器，设VR+=5.02V，VR=0V，计算当VIN分别为0V、2.5V、5V时所对应的转换数字量。解：把已知数代入公式：0V、2.5V、5V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801ADC0805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等，混合集成高速型12位单路AD574A等。,2双积分式A/D转换原理,双积分式A/D转换原理图,双积分式A/D转换原理如上图所示，在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。因此，计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值。此种A/D转换器的常用品种有输出为3位半BCD码（二进制编码的十进制数）的ICL7107、MC14433、输出为4位半BCD码的ICL7135等。,3电压/频率式A/D转换原理,V/F转换的方法-实现V/F转换的方法很多，现以常见的电荷平衡V/F转换法说明其转换原理,(a)电路原理图,A1是积分输入放大器，A2为零电压比较器，恒流源IR和开关S构成A1的反充电回路，开关S由单稳态定时器触发控制。当积分放大器A1的输出电压VO下降到零伏时，零电压比较器A2输出跳变，则触发单稳态定时器，即产生暂态时间为T1的定时脉冲，并使开关S闭合；同时又使晶体管T截止，频率输出端VfO输出高电平。,根据反向充电电荷量和正向充电电荷量相等的电荷平衡原理，可得整理得则VfO端输出的电压频率为,这个fO就是由Vi转换而来的输出频率，两者成线性比例关系。由上式可见，要精确地实现V/F变换，要求IR、Ri和T1应准确稳定。积分电容C虽没有出现在上式中，但它的漏电流将会影响到充电电流Vi/Ri，从而影响转换精度。为此应选择漏电流小的电容。,二A/D转换器的性能指标,（1）分辨率分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。A/D转换的位数为n，分辨率表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。即：分辨率=满刻度值/2n,A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。所谓绝对误差，是指对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。绝对误差包括增益误差、零点误差和非线性误差等。相对误差是指绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低位数的有效值LSB（LeastSignificantBit)）来表示，1LSB=12n。,（2）转换精度,（3）转换时间A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。如逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。(4)量程：所能转换模拟输入电压的范围，双极性和单极性。（5）输出逻辑电平（6）工作温度范围,下面介绍几种典型芯片及其与微机的接口电路。,ADC0809芯片介绍8位逐位逼近式A/D转换器分辨率为1/280.39%模拟电压转换范围是0-+5V标准转换时间为100s采用28脚双列直插式封装,三.典型A/D转换器应用,ADC0809的内部结构,模拟输入部分,控制逻辑,地址译码输入选通,基准电压输入端,ICL7135芯片介绍4位半双积分A/D转换器+/-5V电源电压自动判别信号极性有过、欠压输出信号采用位扫描与码输出采用28脚双列直插式封装,A三态总线输出问题(数据接口)有的ADC芯片带有三态输出缓冲器，其控制端为OE(输出允许)。若不带三态缓冲器的ADC芯片(如AD570芯片)与微机接口，必须使用三态器件，如：8255A，74LS273等。B时间配合问题(控制接口)A/D芯片一般有三个信号要求控制：启动转换信号(START)，转换结束信号(EOC)，允许输出信号(OE)。,A/D转换器的接口电路主要是解决主机如何分时采集多路模拟量输入信号，即主机如何启动A/D转换，如何判断A/D完成一次模数转换，如何读入并存放转换结果的。,四.AD转换器与微机系统接口技术,（1）延时等待接口电路,延时方式比较简单，但前提是必须预先精确地知道A/D转换芯片完成一次A/D转换所需的时间。但在转换期间独占了CPU时间。,（2）查询法接口电路,（3）中断法接口电路,选择分辨率（38位/912位/13位以上）确定精度（误差范围）A/D转换时间和输入路数输入/输出特性和范围电源种类和功耗工作环境接口是否方便，是否带三态锁存,五.A/D转换电路硬件设计准则,模拟量输出通道是计算机控制系统实现控制输出的关键，它的任务是将CPU输出的数字信号转换成模拟信号去驱动相应的执行机构，以达到控制的目的。,附:模拟量输出通道,分用D/A转换器结构,共用D/A转换器结构,微型计算机,D/A转换,接口电路,功率放大,V/I变换,1.D/A转换器结构及原理,单片D/A转换器的基本组成包括参考电压源，电阻解码网络，电子开关阵列和相加运算放大器四部分组成。,数字量以串行或并行方式输入，并存储在数码缓冲寄存器中；寄存器输出的每位数码驱动对应数位上的电子开关，将在解码网络中获得的相应数位权值送入求和电路；求和电路将各位权值相加，便得到与数字量对应的模拟量。,(1)权电阻网络D/A电路,权电阻网络DAC原理图,权电阻,双向模拟开关,数字量输入,模拟量输出,权电阻的排列顺序和权值的排列顺序相反。,运算放大器,即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,权电阻网络D/A转换器的特点,优点：结构简单，电阻元件数较少；缺点：阻值相差较大，制造工艺复杂。,(2)R-2R梯形电阻网络D/A电路,数字量输入,模拟量输出,电阻解码网络中，电阻只有R和2R两种，并构成倒T型电阻网络。当di=1时，相应的开关Si接到求和点；当di=0时，相应的开关Si接地。但由于虚短，求和点和地相连，所以不论开关如何转向，电阻2R总是与地相连。这样，倒T型网络的各节点向右看的等效电阻都是2R，整个网络的等效输入电阻为R。,求和点,倒T型电阻网络D/A转换器原理图,倒T型电阻网络D/A转换器的特点：优点：电阻种类少，只有R和2R，提高了制造精度；而且支路电流流入求和点不存在时间差，提高了转换速度。应用：它是目前集成D/A转换器中转换速度较高且使用较多的一种，如8位D/A转换器DAC0832，就是采用倒T型电阻网络。,即：输出的模拟电压uO正比于输入的数字量Dn，从而实现了从数字量到模拟量的转换。,2.数/模转换器主要技术指标,D/A转换器的主要技术指标包括静态指标、动态指标及环境和工作条件指标