9-1-9-6计算机组成9章总

1,第九章数据采集技术,主要内容数据采集概述，什么是数据采集模拟信号的数字化处理多路模拟开关、测量放大器采样/保持电路模/数转换器、数/模转换器数据采集的抗干扰技术传感器、数据采集系统设计（自学内容）,2,2001年4月1日，一架美国海军EP-3型侦测机在南中国海进行侦察，中国海军航空兵派出2架歼-8II战斗机进行监视和拦截，其中一架僚机在海南岛东南70海里上空与美机发生碰撞、坠毁，飞行员王伟跳伞，下落不明，后确认牺牲，美国军机迫降海南岛陵水机场执行侦查任务收集中国军事情报。,物质、能量、信息是人类赖以生存的三大要素。,3,2008年9月25日，神舟七号飞船在酒泉卫星发射中心发射。点火583秒，飞船与火箭在高度约200公里处成功分离。发射测控网共设13个站，其中上升段有3个站：发射场的东风站、渭南站和青岛站，这三个站负责飞船在上升段的测量，覆盖率达到100%。入轨段有两条测量船：远望一号和远望二号对象测控数据采集与目标控制,4,类似的例子很多，如物联网。上述实例中，进行情报收集或完成测控任务，完全依赖于信息技术。信息技术的核心包括信息获取、通信传输以及计算机数据处理技术，其中信息获取是基础和前提，而信息获取的主要手段是数据采集技术；数据采集技术随着微电子技术、电子技术、计算机技术的进步得到迅速发展，发挥着越来越重要的作用。数据采集技术与计算机技术密切相关，根据大纲要求，在计算机原理课程中增加数据采集技术的内容。,5,一、数据采集的基本概念1、数据采集计算机处理的对象是数字量，而外部世界的大部分信息是连续变化的物理量，例如温度、压力、位移、速度，要将这些信息送入计算机进行处理，就必须先把这些连续的物理量离散化，即进行量化编码，变成数字量才能实现。数据采集就是将被测对象的各种参量通过传感器做适当转换后，由非电量变换成电量，再经过信号调理、采样、量化、编码和传输等步骤，输入计算机进行处理或存储记录的过程。,9.1概述,6,2、数据采集系统用于数据采集的成套设备称为数据采集系统，计算机是数据采集系统的核心，完成对整个采集过程的控制、对采集的数据进行处理的任务。3、数据采集系统任务数据采集系统的任务主要有三项：把模拟信号转换为计算机能识别的数字信号，送入计算机通过计算机进行计算和处理，得到有用的信息实现对过程或目标（某些物理量）的监视与控制,7,二、数据采集系统的基本组成数据采集系统包括硬件和软件两大部分，硬件部分又可分为模拟部分和数字部分。硬件基本组成示意图如下。常把传感器输出到A/D转换器输出的信号通道称为模拟通道。,传感器,放大器,滤波器,多路模拟开关,计算机I/O接口,1,传感器,放大器,滤波器,采样/保持,ADC,2,传感器,放大器,滤波器,n,DAC,放大驱动,执行机构,被控对象,8,1、传感器传感器的作用是把非电量的物理量转变成模拟电信号，例如电流、电压、频率或脉冲等。举例：热电阻可以把变化的温度转换为变化的电压；转速传感器把转速转换为电脉冲，等。2、放大器放大器用来放大和缓冲输入信号。传感器输出的信号较小，通常在几毫伏到几十毫伏之间，人体生物电信号为微伏量级。需要放大，以满足ADC满量程输入的要求，如510V。放大器还起到阻抗变换器的作用，来缓冲输入信号。放大器的种类比较繁杂。,9,3、滤波器滤波器用来衰减噪声，以提高输入信号的信噪比。传感器和电路中的器件会产生噪声，人工发射源通过耦合使信号通道感染噪声，其它用电器产生的谐波污染等。数据采集必须有效去除噪声才能获得可信的数据。4、多路模拟开关多路模拟开关为电子开关，用来分时选通来自多个输入通道中的某一路信号，以实现多路巡回检测。功能：扩展输入路数，减少后续电路器件数(S/H、ADC等只需1套）。可节省成本和体积，但会降低采集速度，增大误差，适合变化缓慢的物理信号。,10,5、采样/保持电路（S/H）A/D转换器完成一次转换需要一定的时间，这段时间内，A/D转换器的模拟输入信号不能变化，否则不能保证转换精度。采样/保持电路的主要作用是快速拾取模拟输入信号，并保持其幅值恒定，以提高A/D转换器的转换精度；如果把S/H电路放在多路开关之前，可实现对多路模拟瞬时信号同时采样。6、模数转换器（ADC）模数转换器的主要作用是把模拟信号转换为数字信号，其输入是采样/保持电路的输出，输出是计算机接口的输入。ADC是模拟输入通道的关键电路，是影响系统采样速度和精度的主要因素之一。,11,7、计算机I/O接口A/D转换结果要送入计算机处理，而数据处理后还要送出计算机，都需要借助于计算机I/O接口完成。8、定时与控制逻辑在数据采集系统中，各器件的定时关系是非常严格的，如果定时不合适，会严重影响系统的采样精度。例如，在多路模拟开关、采样/保持，AD转换之间，哪个开启、开启多长时间有严格的规定。定时与控制逻辑侧重于为完成数据采集任务所进行的控制功能，是面向系统的。定时与控制逻辑在结构图中没有画出。,12,三、数据采集系统的主要指标对数据采集系统性能指标的要求主要取决于具体应用的目的和应用的环境。以下介绍几个常用指标的含义。1、系统分辨率数据采集系统可以分辨的输入信号的最小变化量。通常用最低有效位值（LSB）占满量程的百分比表示，或用系统可分辨的最小电压值或满量程可划分的级数表示。以10V满量程为例：,13,2、系统精度系统精度是系统的实际输出值与理论输出值之差，通常表示为满量程的百分数。系统精度是系统各种误差的总和，模数转换器的精度是系统精度的极限值。实际情况是，系统精度达不到数模转换器的精度。3、采集速率采集速率也叫吞吐率，是指在满足精度指标的前提下，系统对输入模拟信号在单位时间内所完成的采集次数。采样速率是采样周期的倒数，采样周期表征了系统每采集一个有效数据所需的时间。采样周期内需完成采样、量化、编码、传输、处理等的全部工作。,14,4、动态范围某个物理量的变化范围，即信号的最大幅值和最小幅值之比的分贝数。设允许输入信号的最大幅值Vimax，最小幅值Vimin，则动态范围表示为：VimaxIi=20lgVimin5、非线性失真非线性失真也叫谐波失真，当系统输入一个频率为f的正弦波时，其输出中出现很多频率为kf（k为正整数）的新的频率分量，这种现象称为非线性失真。用谐波失真系数衡量。,A1基波振幅Ak第k次谐波振幅,15,四、数据处理的任务数据采集是以传感器技术、信号检测与处理、电子学、计算机技术等为基础而形成的一门综合应用技术学科，除硬件设备外，往往需要软件的支持，以对所采集的数据进行分析与处理，并完成信息的表示等，是软件要完成的任务。数据类型的不同、应用领域的不同，数据处理方法会有很大差别。本章的重点放在数据采集原理上，而对具体的数据处理方法将不作详细介绍。,16,1、信号分类（）信息通过信号来传递，信号是信息的载体，是信息的表现形式。数据采集的对象是信号；数据处理的目的是获取信息。信号数据信息了解信号的分类有利于找到规律，便于数据处理。（1）按信号特性分类,信号,确定信号,随机信号,周期信号,非周期信号,平稳随机信号,非平稳随机信号,17,确定信号：能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，如正弦曲线、指数曲线等。周期信号：按一定周期重复出现的信号。非周期信号：不按固定周期出现的信号。随机信号：不能用确定的图形、曲线、数学解析式等准确描述的信号，但服从某种统计规律，如产品的合格率等。平稳随机信号：统计特性不随时间变化。非平稳随机信号：统计特性随时间变化。上述信号还可以继续分类，如周期信号可分为谐波信号和复杂周期信号等，这里不再讨论。,18,（2）按信号形式分类模拟信号幅度的取值是连续的，为时间上连续变化的信号，如电压、温度等，输入计算机前需要经过采样、量化和编码，进行离散化。状态信号物质系统所处的状况，一个状态可由一组物理量来描述。状态信号则可由二进制代码来表示。水在不同的温度下会有不同状态，温度0：固态，温度100：气态。固态、液态和气态可用00、01、10状态信号来表示；开关的状态可用0和1表示。数字信号幅度的取值是离散的，幅值表示被限制在有限个数值之内。例如某种量的二进制编码就是一种数字信号。根据信号的分类和应用的不同，处理方法也不尽相同。,19,2、数据处理的类型数据处理有多种类型，对于数据采集系统而言有以下分类。（1）按处理方式分类实时处理：在采集数据的同时，对数据进行某种处理，实时处理也称为在线处理。对于高速数据采集，实时处理必须快，否则会丢失数据。脱机处理：非实时处理，处理时间不受限制，可以按要求进行复杂处理。（2）按处理性质分类预处理：去除数据奇异项，数据滤波，数据转换等。二次处理：对数据的进一步处理，获得有用的信息。,20,3、数据处理的任务数据处理是必须的，主要任务如下：（1）消除干扰信号在数据的采集、传送和转换过程中，会受到干扰和噪声的影响，所采集的数据中会含有干扰信号，需要采用各种方法最大限度地消除数据中的干扰成分，保证数据的精确度。消除干扰信号的方法很多，可采用硬件的方法，例如硬件低通滤波器等；也可采用软件的方法，例如软件中值滤波算法、惯性滤波等。,21,（2）进行物理解释诸如温度、压力等被采集量经传感器转换为电量，该电量在经过采样、量化和编码等环节之后，送入计算机中变为一组代码，无明确的物理意义。数据处理任务之一就是要将其还原成原来对应的物理量。（3）分析数据的内在特征对采集的数据进行加工（如傅立叶变换），或在关联的数据之间进行某种运算（如计算相关函数），从而得到能表达数据内在特征的二次数据，获取有用的信息。（4）数据表示与数据存储通过某种形式对处理结果做出适当的、直观的表示，以便于信息的理解，如图形、曲线、表格等。完成数据的存储。,22,9.2模拟信号的数字化处理,在数据采集系统中，同时存在着两种不同形式的信号：模拟信号和离散信号。在进行数据采集时，首先遇到的问题是如何把传感器所测量的连续模拟信号转换为离散数字信号。转换过程需经历两个断续过程。1、时间断续对连续的模拟信号x(t)，按照一定的时间间隔Ts，抽取相应的瞬时值，这个过程称为采样。连续的模拟信号x(t)经采样后转换为时间上离散的模拟信号xs(nTs)，其幅值仍是模拟信号，称为采样信号。相当于用时间刀切割原信号的结果。,23,2、数值断续把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量，这个过程称为量化，相当于拿数值尺度量，采样信号xs(nTs)经过量化后变换为量化信号xq(nTs)，再经过编码，转换为离散的数字信号x(n)，成为时间和幅值离散化的信号，简称为数字信号。下图是信号的转换过程。,24,可能因采样点过多，导致占用大量的计算机内存，影响处理速度，严重时将因内存不够而无法工作。可能因采样点太少，采样点之间的距离太大，引起原始数据值失真，不能原样再现原来连续变化的模拟量x(t)，从而造成误差。这个原则就是所谓的香农采样定理。以下先介绍采样过程。,那是否可以随意对连续的模拟量作离散化处理呢？理论和实践证明，对连续的模拟量信号作离散化处理必须遵守一个原则，如果不遵守该原则，会产生一些问题：,25,一、采样过程,在时间和幅值上连续的模拟量x(t)，通过一个周期性开闭（周期为Ts，闭合时间为）的采样开关K后，输出一串在时间上离散的脉冲信号xs(nTs)，该过程称为采样过程。,采样后的脉冲信号xs(nTs)称为采样信号，0、1Ts、2Ts各点称为采样时刻，称为采样时间，Ts称为采样周期，Ts的倒数fs=1/Ts称为采样频率，Ts。,26,采样开关输入信号与输出信号的关系为：因为2)雷达数据采集和处理分开进行，数据需要存储，存储容量S为模拟信号频率越高，测量时间越长，需要的存储容量越大。,35,2、间歇采样间歇采样过程如下图所示。只要合理调整采样时间段tSi与间歇时间段tGi的比例关系，就能记录下所有的采样数据。设各采样时间间隔相等，tS1=tS2=，各间歇时间段也相等，tG1=tG2=，间歇时间与采样时间之比=tGi/tSi，采样时间为t，所需的数据存储容量为间歇采样，少量信息丢失对速度检测精度不会产生直接影响。,(越大，信息丢失越多),36,3、变频采样变频采样是指在采样过程中频率可以变化，是为保持测速精度近似不变而提出的。定义测速精度为误差与真值之比，则有其中，N为所取连续采样点数，fs为采样频率，fd为多普勒信号频率。通常，目标的多普勒信号频率（速度）随时间的增大而减小。如果采样频率不变，测速精度随fd的减小而会变差。,变频采样实际是用阶梯曲线fs(t)去逼近光滑曲线fd(t)，频率变化次数越多、每段时间越短，逼近效果越好，测速精度也越好。变频采样先决条件：知道信号频率随时间的变化关系。,37,4、下采样有时目标的多普勒信号频率，在整个测量过程中变化不大，为带通信号，可作特殊处理。设信号xa(t)的频率范围为：式中，为带宽。当（k为奇整数）或（k为整数）时，可取采样周期，即时，采样信号的频谱不会发生混叠。为了不失真地恢复信号，可通过一个理想的带通滤波器，其频率特性为：在进行数据处理时，称带通信号采样为下采样。优点：下采样的采样频率低，具有测量精度高、数据量小的优点。,38,四、量化与量化误差,1、量化来自传感器的连续模拟信号经过采样后，变成时间上离散的采样信号，但其幅值在采样时间内仍是连续的，因此，采样信号仍然是模拟信号。为了用计算机处理信号，须将采样信号转换成数字信号。量化就是把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整数倍比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位的倍数来代替该幅值。这一过程称为量化过程，简称量化。,39,最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压FSR（FullScaleRange）与2n的比值，用q表示：q=FSR/2nn为量化器的位数。例2.1当FSR=10V，n=8时，q=39.1mV；当FSR=10V，n=12时，q=2.44mV；当FSR=10V，n=16时，q=0.15mV。由此可见，量化器位数n越多，量化单位q就越小。把量化后的信号称为量化信号，把量化信号的数值用二进制代码来表示，称为编码。量化信号编码后转换为数字信号，完成量化和编码的器件是模数转换器（ADC）。,40,量化方法人民币的最小单位是分，任何商品的价格都是分的整倍数。对于不到一分钱的部分，通常有2种处理办法：忽略不计或者四舍五入。类似地，A/D转换器也有两种量化方法。1）只舍不入的量化用量化单位均分幅值轴，信号小于量化单位的部分一律舍去。量化信号用xq(nTs)表示。当0xq(nTs)q时，xq(nTs)=0；当qxq(nTs)2q时，xq(nTs)=q；以此类推。,41,2）有舍有入的量化采样信号小于q/2的部分舍去；采样信号大于q/2的部分计入。量化信号用xq(nTs)表示。当-q/2xq(nTs)q/2时，xq(nTs)=0；当q/2xq(nTs)3/2q时，xq(nTs)=q；以此类推。可以看出，采样信号xq(nTs)偏置了q/2。,42,量化误差由量化引起的误差称为量化误差，记为e：e=xs(nTs)-xq(nTs)式中，xs(nTs)为采样信号；xq(nTs)为量化信号。量化误差e的大小与所采用的量化方法有关，下面分别讨论。,1）只舍不入法的量化误差只舍不入法引起的量化误差e只能是正误差，为0q之间的任意值，而且机会均等。因而它是在0,q上均匀分布的随机变量。,最大误差emax=q平均误差方差,43,2）有舍有入法的量化误差有舍有入法的量化误差e有正有负，为之间的任何值，而且机会均等。因而是在，上均匀分布的随机变量。,平均误差最大量化误差方差,结论：量化误差是一种原理性误差，只能减小而无法完全消除,44,3）量化误差对数据采集系统动态平滑性的影响现在不考虑采样过程，研究模拟信号x(t)被量化后的情况。量化信号是阶梯状的。当量化单位q与模拟信号幅值足够小时，量化误差的影响可作为噪声考虑，称为量化噪声。e=x(t)-xq(nTs)量化噪声是跳跃状的，峰峰值为q，随有用信号被送入计算机。,45,总结以上情况，可得出结论：1）模拟信号经过量化后，产生了阶越状量化噪声；2）量化噪声的峰峰值等于q；3）量化噪声的变化频率取决于量化单位q和模拟信号x(t)的变化情况，q越大、x(t)变化越缓慢，噪声的频率也越低。可采用低通滤波器虑除高频噪声，但是当A/D变换器的位数较少、量化单位q较大、模拟信号变化又很缓慢时，量化噪声不仅幅度大，而且频率低。低通滤波器难以抑制低频、大幅度噪声，严重影响系统输出的平稳性，若以此作为控制信号控制某对象，平滑性欠佳。,46,五、编码,模/数转换的最后阶段是编码。所谓编码就是把量化信号的电平用数字代码来表示，编码有多种形式，最常用的是二进制编码。二进制编码由多个位组成。编码最左端的位称为最高有效位，用MSB表示；编码最右端的位称为最低有效位，用LSB表示。二进制编码就是用0和1组成的n为数码来代表量化电平。在数据采集中，被采集的模拟信号存在着极性，例如单极性信号，电压从0V5V变化；而双极性信号，电压则从-5V5V变化。在应用时，可根据被采集信号的极性选择适当的编码方式。因前面课程已讲过编码原理和方法，不在本章继续讨论。,47,第九章作业（1）,1、数据采集的主要任务是什么？2、数据处理的主要任务是什么？思考题：数据采集系统的基本结构与主要功能。,48,9.3模拟多路开关,一、概述模拟多路开关，简称多路开关，是一种重要的器件，在多路被测信号共用一路A/D转换器的数据采集系统中，常用来将多路被测信号分时传送到A/D转换器进行转换，以便计算机能对多路被测信号进行处理。,多路开关可分为两类：机电式，主要用于大电流、高电压、低速切换场合；电子式，主要用于小电流、低电压、高速切换场合；是一种集成化无触点开关，寿命长、体积小、对系统干扰小，在数据采集系统中得到了被广泛采用。,49,电子式多路开关根据结构可分为三种：双极型晶体管开关：工作速度快、导通电阻大，属于电流控制器件，功耗大、集成度低，只能一个方向传递信号电流。结型场效应晶体管开关：从两个方向对信号进行开关控制，接通时间可做到10-100ns，导通电阻5-100欧；结型场效应管为分立器件，需要专门的电平转换电路来驱动，使用时不方便。绝缘栅场效应晶体管开关：最常用的是CMOS场效应管，其导通电阻Ron随信号电压变化波动小，一般小于100欧，开关接通时间短，小于100ns。与驱动电路集成容易。集成电路开关：将场效应多路开关、地址计数器、译码器及控制电路等集成在一块芯片上而构成的器件。数据采集系统主要使用电子式多路开关。,50,二、多路开关的工作原理双极型晶体管开关工作原理示意图如下所示。,当Uc1=0时，晶体管截止，晶体管导通，输出信号其它同理。控制信号Uc1Uc8不能同时有两个以上为零。,51,场效应管开关工作原理示意图如下所示。,P沟道绝缘栅场效应开关管。当Uc1=1，开关控制管导通，场效应管导通，U0=Ui1；其它原理相同。,52,集成多路开关工作原理如下。,由计算机送出四位二进制数，例如选择第1路输入信号，计数器置成0001，四-十六译码器译码，第1条输出线高电平，场效应管T1导通，U0=Ui1，选中第1路。,如果要连续选通第1路-第3路信号，可在计数器计数端加脉冲，来一次脉冲+1，依次输出0001、0010、0011。,53,三、多路开关的主要指标1）RON：导通电阻；2）RONVS：导通电阻温度漂移；3）IC：开关接通电流；4）IS：开关断开时的泄漏电流；5）CS：开关断开时，开关对地电容；6）COUT：开关断开时，输出端对地电容；7）tON：选通信号EN达到50%到开关接通的延迟时间；8）tOFF：选通信号EN达到50%到开关断开的延迟时间；9）tOPEN：开关切换时间。两通道均为断开时，从一个通道接通状态转换到另一个通道接通状态，并达到稳定所用的时间。,54,四、多路开关集成芯片在数据采集系统中常用的模拟多路开关集成芯片有AD公司的AD7501、AD7503，RCA公司的CD4051，MOTOLOLA公司的MC14051等。1、AD7501AD7501采用16脚双列直插式封装，8通道单刀式结构，脚14、15分别接15V电源，脚2接地。,AD7501是有8个输入通道（S1-S8）；1个输出通道（OUT）的CMOS多路开关。由三个地址线(A2、1、0)和EN进行1/8选择。,55,AD7501真值表,注：片上所有逻辑输入与TTL及CMOS电路兼容；单向多到一。,56,2、CD4501（自学）（）CD4501采用16脚双列直插式封装，8通道单刀式结构，允许双向使用，可用于多到一、一到多的双向输出切换。,57,CD4501真值表,58,3、CD4502CD4502芯片采用16脚双列直插式封装，4通道双刀结构，可以同时驱动2个通道，允许双向使用，用于多到一、一到多切换。,其中，有2根地址线A、B，控制线INH=0时，芯片使能。,59,CD4502真值表,60,五、多路开关的选用模拟多路开关的作用主要是信号切换，例如在一某时刻接通某一路，让该路信号输入而让其它路断开。选择时，需要考虑：,通道数量：通道数量对传输信号的精度和切换速度有直接影响。通道数目越大，寄生电容和泄漏电流越大，通道间干扰也越多。泄漏电流：如果信号源内阻很大，并且传输的是电流，就要更多考虑多路开关的泄漏电流，泄漏电流越小越好。切换速度：传输高速信号的场合，多路开关的切换速度要高，并且兼顾采样/保持、A/D转换的速度等。开关电阻：理想状态的多路开关导通电阻为零、断开电阻为无穷大，但很难做到。一般应选择导通电阻足够低的多路开关。另外，也需要考虑多路开关的漂移性和每路电阻的一致性等。,61,六、多路开关的配置模拟多路开关将多路输入信号切换到公共采样/保持器或A/D转换器的方法有两种。1、单端法单端法是把所有输入信号的一端接至同一个信号地，再将信号地与A/D转换器的模拟地相接；输入信号的另一端接至多路开关输入端。,接法1：可保证系统的共模抑制能力，通道数不变。但仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位、信号源均置于同样的噪声环境，否则会引入附加的差模干扰。应用范围较窄。,62,接法2：应用在所有输入信号相对于系统模拟地的测量上，而且信号电平显著大于在系统中的共模电压Ucm，此时系统的共模抑制能力基本没有发挥，但系统可得到最大的通道数。,注：上述两种接法为单端接法。其中，接法1的信号地与模拟地共点，而接法2的信号地与模拟地不共点。,63,2、双端法双端法是把所有输入信号的两端各自分别接至多路开关的输入端，如下图所示。,当信号源的信噪比较小时，必须使用这种接法，抗共模干扰能力强，适用于采集低电平信号，但实际通道减少一半。,64,注意：多路开关从一个通道切换到另一个通道时，会发生瞬变现象，输出产生尖峰电压，假如此时采集该信号，会引入误差。为了消除误差，可用软件延时或进行滤波。,例：设计一个数据采集传输通道，要求单端接法时能提供32个通道，双端接法时能提供16个通道。解：用4个多路开关U1-U4（CD4501）组成32个单端通路（CH0-CH31）。CPU输出一个字节控制字存入D寄存器（74LS273），其中D0-D2作为地址线分别与A、B、C相连，D3-D6作为U1-U4的控制信号INH。,65,1）如果选单端输入，可短接KA的1-2、3-4和KB的2-3、5-6，则可提供32路输入通道CH0-31。2）如果选双端输入，可输入16路信号，每路占2个端子开关，CH0-15为信号正端，CH16-31为信号负端，短接KA的2-3，再短接KB的1-2、4-5。此时D3为芯片U1、3的控制信号INH，D4为芯片U2、4的控制信号INH。,66,9.4测量放大器,在数据采集系统中，被监测的物理量经过传感器变换成模拟信号，往往是很微弱的，需要用放大器放大。市场上可以购买到各种放大器，如通用运算放大器、测量放大器等。通用运算放大器一般存在失调电压和温漂，不能直接用于信号放大；而测量放大器则能较好地实现放大功能。测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件，具有输入阻抗高、输出阻抗低、抗共模干扰能力强、温漂低、失调电压低和稳定增益高等特点，在微弱信号监测系统中被广泛用作前置放大器。,67,一、测量放大器的电路原理测量放大器由三个运放构成，如下图所示。其中，A1、A2构成两个同相比例放大器，为第一级，具有高输入阻抗，由于电路结构对称，可抑制零点漂移；A3构成差动放大器，为第二级，把双端输入变成对地的单端输出。,68,1、测量放大器的增益测量放大器采用对称结构，取R1=R2，R3=R4，R5=R6。由于R1=R2，RG的中点是地。,同理,69,对于二级，运放的两个输入端都有输入，则为差动输入。,70,可见，只要改变RG的值，即可改变测量放大器的放大倍数K。同时，为了提高测量精度，测量放大器必须具有很高的共模抑制比，并且要求使用高精度的电阻元件。,所以，可得到测量放大器增益：,71,2、抗共模干扰能力对于直流共模信号，由于IG=0，当R3=R4=R5=R6时，U0=0，所以测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。对于交流共模信号，输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容C1、C2，显然Ri1C1和Ri2C2分别对地构成回路，Ri1C1Ri2C2时，交流共模信号在运放两输入端产生分压Ui1和Ui2，Ui1Ui2，所以IG0，对输入信号产生干扰。,72,要抑制交流共模信号干扰，可以在输入端加一个输入保护电路，并把信号线屏蔽起来，称为“输入保护”。当时，由于屏蔽层和信号线间对交流信号是等电位的，C1、C2的分压作用就不存在，从而降低了共模交流信号的影响（在正常使用情况下，C1C2）。,73,二、测量放大器的主要技术指标1）非线性度：实际输出-输入曲线与理想直线的偏差。当增益为1时，如果一个12位A/D转换器有0.025%的非线性偏差，则当增益为500时，非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转换器变成10位以下的转换器，如果测量系统采用12位A/D转换器，一定要选择非线性度偏差小于0.025%的测量放大器。2）温漂：测量放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常测量放大器的输出电压会随温度变化而发生1-50V/，这也与测量放大器的增益有关。例如，温漂为2V/，当增益为1000时，测量放大器输出电压产生约20mV的变化。3）建立时间：从阶跃信号驱动瞬间到测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需时间。它影响速度。,74,4）恢复时间：放大器撤除驱动信号瞬间到放大器由饱和状态恢复到最终值所需时间，它直接影响数据采样速度。5）电源引起的失调：电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。测量放大器一般作为数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标是设计稳压电源的主要依据之一。6）共模抑制比：放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比（CommonModeRejectionRatio，CMRR）。差模信号电压放大倍数越大，共模信号电压放大倍数越小，则CMRR越大，此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，共模抑制比CCMR（理想情况），实际上电路不可能完全对称，共模抑制比也不可能趋于无穷大。,75,三、测量放大器集成芯片集成放大器芯片种类较多，其中，美国AnalogDevices公司的AD521和AD522是按照上述原理设计的集成测量放大器。其它测量放大器虽然电路有差别，但外部性能基本是一样的。1、AD521AD521是集成测量放大器，14引脚双列直插式封装，如下图。,引脚功能,基本连接方法,76,OFFSET（4，6）：用于调整放大器零点，方法是芯片4、6端接10k电位器的两个固定端，电位器滑动端接负电源U-（5）;RG（2，14）：外接电阻RG，用于调整放大倍数。放大倍数计算公式为其放大倍数可在1-1000的范围内调整。RS（10，13）：外接电阻RS，用于对放大倍数进行微调。选用RS=100k15%时，可得到比较稳定的放大倍数。,77,AD521（J为例）的技术规范,78,2、AD522（自学）（）AD522是集成精密测量放大器，在G=100时，其非线性度为0.005%，在0.1Hz100Hz频带内，噪声的峰-峰值为1.5mV,其共模抑制比CMRR100dB(G=100)。AD522采用14脚双列直插式封装。,4、6用于调整放大器零点，线路同AD521；2、14连接调整放大倍数的电阻RG，13脚连接信号传输线的屏蔽网，以减少干扰。,79,四、测量放大器的使用在使用测量放大器时，要特别注意为偏置电流提供回路，否则偏置电流会对杂散电容充电，使输出电压漂移而得不到控制。以下以AD521芯片为例，讨论测量放大器的实际应用。AD521与热电偶、变压器、交流耦合信号的连接如下图所示。,(a)与热电偶直接相连,（b）与变压器相连,80,当用测量放大器，如AD521，处理来自热电偶、变压器或交流耦合源的输入信号时，必须使输入端对地有一条通路。上例中，AD521输入端（1或3）直接或通过电阻与电源的地线构成回路。,（c）与交流信号通过电容相连,81,五、隔离放大器隔离放大器多用于共模抑制比要求较高的模拟信号的传输过程中，例如对微弱模拟信号采集，现场干扰比较大，对信号的传递精度要求又高，可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。1、隔离放大器的结构隔离放大器是一种既有一般普通运放的特性，又在其输入端和输出端无直接耦合通路的放大器，其信息传输是通过磁路来实现的。隔离放大器一般由五部分组成：高性能输入运算放大器，调制器和解调器，信号耦合变压器，输出运算放大器，电源。,82,下图为美国AD公司生产的Model277隔离放大器的内部结构框图。Model277也含有上述五个部分，且分为两个各自屏蔽的模块。,两个模块分别是输入模块和输出模块，祥见下页介绍。,83,输入模块输入模块由运放、调制器、电源组成。其中，运算放大器A1和调制器将输入的模拟直流信号放大后，再变成频率一定的交流信号。电源由DC/AC逆变器提供高频交流电压，交流电压用于调制器，整流后的直流电压一方面供给输入运算放大器，另一方面还可对外输出15V的直流电(经1、9、5)，最大电流可到15mA。6、7、8脚为运放A1的调零端。输出模块输出模块由运算放大器A2、解调器、逆变器组成。其中，解调器将来自耦合变压器的次级交流信号变成直流信号，经运算放大器A2放大输出；逆变器将来自15、16脚的直流电源变成高频电源后，一方面送解调器，保证解调器与调制器同步工作，另一方面经耦合变压器向输入端电源提供高频交流电压。13脚为调零端，如果不用就接地；12、10之间接入不同电阻，可得不同闭环增益，直接相连增益为1。11脚通常直接或经电阻接地，与16脚形成通路。,84,进一步解释（自学）（）277是美国AD公司的一种通用隔离放大器，其前后级各由高性能的运算放大器A1、A2构成，前级由浮置电源供电，并输出浮置电压（15V），可供传感器等使用。A1的3、4端为差动输入端，6、7、8端为调零端，2是A1的输出端，用于构成各种反馈放大。输出级A2的反相端接有100k欧的电阻，在增益调整引脚12与输出引脚10之间外接不同阻值电阻，可得到不同的闭环增益。13端的1兆欧电阻用于调整零点误差，如不调零，应将13引脚接地以减小干扰的影响。14、15和16引脚为外加正负直流稳压电源端，其中16引脚是公共端，且与A2的同向端11引脚相连接，构成输出级的地。277隔离放大器的输入与输出级靠变压器耦合。,85,2、Model277隔离放大器的主要参数输入回路开环增益：106dB失调电压：1.5V温漂系数：3V/偏置电流：60nA差动输入阻抗：4M共模输入阻抗：100M输出回路隔离电阻：1012小信号带宽：2.5kHz满功率带宽：1.5kHz供电电源电压：14V16V供电电源电流：+35mA，-5mA工作温度范围：-25+85,86,3、隔离放大器的应用Model277芯片用作同相比例放大器的电路如下图所示。该隔离放大器的增益K约等于输出回路增益K2和输入回路增益K1的乘积，。,87,第九章作业（2）,1、模拟多路开关的作用是什么？2、为什么在数据采集系统中要使用测量放大器？3、某数据采集系统具有8个模拟通道，各通道输入信号频率可达5kHz，要求至少以每个采样周期10个采样点的速度进行采样。问：1）多路开关的切换速率是多少？2）可选用什么类型的多路开关？,88,9.5采样/保持器（电路）,采样保持电路（采样/保持器），又被称为采样保持放大器(Sampling-and-HoldAmplifier,SHA)。模拟信号进行A/D转换时，需要一定的时间。在这个转换时间内，模拟信号要保持不变，这样才能保证转换精度，尤其是输入信号的频率较高时。采样/保持器就是完成这种功能的电路，它相当于一个“模拟信号存储器”。有些集成A/D转换器内部含有采样保持器，为系统设计提供了便利，也可以自行设计或选用集成电路芯片来构成系统。,89,一、采样/保持器的工作原理采样/保持器是指在输入逻辑电平的控制下，处于“采样”和“保持”两种工作状态的电路。,在“采样”状态下，电路的输出跟踪模拟输入信号；在“保持”状态下，电路的输出保持着前一次采样结束瞬间的模拟输入信号，直到进入下一次采样状态为止。,90,最基本的采样保持器的构成模拟开关存储元件（保持电容）缓冲放大器图中，K为模拟开关；CH为保持电容；A为缓冲放大器；而Vc为模拟开关控制信号，确定采样还是保持的状态。,采样/保持器的工作原理当Vc为采样电平时，开关K导通，模拟信号Vi通过K向CH充电，A的输出电压V0跟踪模拟输入信号的变化；当Vc为保持电平时，开关K断开，输出电压V0保持在模拟开关断开瞬间的模拟输入信号值。高输入阻抗的缓冲放大器A把CH和负载隔离，也有保持作用。,91,二、采样/保持器的类型和主要性能参数1、采样/保持器的类型采样/保持器按结构可分为两种基本类型：串联型和反馈型。,串联型采样/保持器串联型采样/保持器的基本结构如下图所示。运算放大器A1和A2为输入、输出缓冲放大器，用来提高采样/保持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接；K为模拟开关，CH为保持电容。,92,当开关闭K合时，输入信号Vi通过A1对CH高速充电，CH的电压将跟踪Vi的变化；当开关K断开时，采样/保持器从跟踪状态变为保持状态，CH没有放电回路，在理论上CH的电压将一直保持在K断开瞬间Vi的值上。优点：结构简单。缺点：失调电压为两个运放失调电压之和，且比较大，影响采样/保持器的精度；同时，跟踪速度也比较低。,93,反馈型采样/保持器反馈型采样/保持器的基本结构如下图所示。其输出电压V0反馈到输入端，使A1和A2共同组成一个跟随器。,跟踪时，开关K1闭合、K2断开，A1和A2共同跟踪输入电压Vi的变化；保持时，开关K1断开、K2闭合，电容CH的电压保持在K1断开瞬间的Vi值，输出电压V0对应该电压值。,94,闭环控制电路中，包含在环内的干扰都可以通过反馈而有效消除。因此，反馈型采样/保持器的失调电压是运放A1的失调电压，而A2的失调电压被消除，所以它的精度要高于串联型采样/保持器，被普遍使用。开关K2的设置是为了提高动态性能。若无K2，保持阶段A1处于开环状态，当转入采样时，需要一定的延时才能跟踪输入信号的变化，使采样/保持器的性能变差。另外，与保持电容CH串联的电阻r，用于抑制电路可能产生的振荡，但r一般取值较小，为几十欧姆。保持电容CH一般取为0.01-0.1F，且为吸收效应小的电容器。,95,2、采样/保持器的主要能能参数1）孔径时间TAP：保持命令发出到模拟开关有效切断所经历的时间，称为孔径时间。事实上，由于这个时间的存在，实际保持值与希望输出值之间存在一定误差，称为孔径误差。如果保持命令与A/D转换命令同时发出，转换值将不是保持值。为了量化的准确，最好在发出保持命令后延迟一段时间，等采样/保持器输出稳定后再启动A/D转换。当输入信号频率较低时，孔径时间对采样精度的影响比较小。,96,2）孔径时间不确定性TAP：指孔径时间的变化范围。孔径时间使采样时间延迟，如果每次采样的延迟时间都相同，则对总的采样结果的精确性不会有影响；但如果孔径时间是变化的，则对精度就会造成影响。改变保持命令发出时间，可消除孔径时间的影响。因此，仅需考虑TAP对精度及采样频率的影响。3）捕捉时间TAC：当采样/保持器从保持状态转换为跟踪状态时，其输出从保持的值到达当前输入信号的值所需的时间，包括逻辑控制开关的延迟、到达稳定值的建立时间以及保持到终值的跟踪时间等。该时间影响采样频率的提高而对转换精度无影响。,97,4）保持电压的下降：当采样/保持器处于保持状态时，由于保持电容器CH的漏电流使保持电压值下降，下降率：式中，I为保持电容器的漏电流。5）馈送：在采样/保持器处于保持状态时，保持电容器CH上的电压应与输入电压Vi无关。但由于断开的模拟开关K存在寄生电容CS，输入电压Vi的交流分量将通过CS加到CH,上，也将引起输出电压V0的微小变化，这就是馈送。增大CH有利于减小馈送，但不利于采样频率的提高。,98,例：用采样/保持芯片AD582和A/D转换芯片AD0804组成一个采集系统。已知AD582的捕捉时间TAC=6s，孔径时间TAP=50ns，ADC的转换时间TCONV=100s，时钟频率为640kHz。计算系统可采集的最高输入信号频率。解：根据香农采样定理，一个有限带宽的模拟信号可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失任何信息，该采样频率应至少两倍于信号的最高频率，所以,99,三、采样/保持器集成芯片常用的集成采样/保持芯片有多种，这里只介绍AD582。该芯片是美国AnalogDevices公司生产的通用型采样/保持器。由一个高性能运放、低漏电流的模拟开关和一个结型场效应管集成的放大器组成，采用14脚双列直插式封装。,100,AD582的特性如下：1）有较短的捕获时间，最短达6s，电容越大，捕获时间越长，它影响采样频率。2）有较高的采样/保持电流比，可达107，该值是电容充电电流与保持模式电容漏电流之比，表征采样/保持器的质量。3）有较高的输入阻抗，约30M。4）有可达Us输入信号电平，适用于12位A/D转换器。5）有相互隔离的模拟地、数字地，提高了抗干扰能力。6）有差动式逻辑输入端。7）可与任何独立的运算放大器连接。,101,AD582的实用电路：下图是输出不反向，电路增益可由外接电阻来选择，增益为。,102,四、电路设计中应注意的问题1、接地：采样保持器是一种模拟电路与数字电路混合而成的集成器件，一般都备有分离的模拟地和数字地。在接线时应将模拟地与数字地分别接到模拟电源和数字电源的参考点上，避免数字电路的突变对模拟电路的影响。2、漏电耦合影响：采样保持器由逻辑控制信号控制芯片从跟踪模式进入保持模式，由于印刷电路板布线之间存在漏电流，逻辑控制信号会耦合到模拟输入端，引起误差。在布线时，逻辑输入端的走线应远离模拟输入端，或模拟输入端用地线包围起来，以隔断漏电流的通路。3、寄生电容影响：采样保持器的电容器CH一般是外接的，由于逻辑控制信号与CH之间存在寄生电容，会引起误差。可把CH的非接地端用环路包围，以减小寄生电容的影响。,103,9.6模/数转换器,目前，利用计算机数字系统处理模拟信号的情况越来越普遍。计算机处理的是离散化的数字量，而实际遇到的大多是连续变化的模拟量。模拟量要输入计算机，必须首先转换成数字量。模/数转换器，简称A/D转换器，或ADC，是把采集到的采样模拟信号经量化和编码后，转换为数字信号的一种器件或设备，在将模拟量转换成数字量的过程中，起着极其重要的作用，其使用也极其普遍。,104,一、A/D转换器的分类A/D转换器的种类很多，也有不同的分类方法，如高/中/低精度A/D，高/中/低速A/D。但按工作原理分为直接比较型和间接比较型两类。1、直接比较型将采样模拟量与基准电压比较，得到数字编码的离散量。直接比较型包括：连续比较、逐次逼近、斜坡电压比较等，常用的是逐次逼近型。逐次逼近采用瞬时比较法，抗干扰能力差，但转换速度快。2、间接比较型输入的采样模拟量不直接和基准电压比较，而是先将二者都变成中间物理量，再进行比较，然后将比较得到的时间或频率进行数字编码。由于“先转换后比较”，故形式更加多样，如双斜式、脉冲调宽型、积分型、自动校准积分型。特点是抗干扰能力强，但速度慢。,105,二、A/D转换器的主要技术指标1、分辨率：指A/D转换器所能分辨模拟量的最小变化量。假设A/D转换器有n位，满量程电压为FSR，分辨率定义为例如，一个满量程电压为10V的12位A/D转换器，能分辨模拟输入电压的最小值为2.44mV，10/212=2.44(mV)。A/D转换器分辨率的高低取决于位数的多少，因此，一般都简单地用A/D转换器的位数n来间接代表分辨率。2、量程：指A/D转换器所能转换模拟信号的电压范围，例如，05V，-5+5V，010V，-10+10V等。3、线性度：又称为非线性度，指ADC实际的转移特性曲线与理想直线的最大偏移。,分辨率=,106,4、精度：转换后所得结果相对于实际值的准确度。1）绝对精度：输出数码所对应的实际模拟输入电压与理想输入电压值之差。绝对误差一般在LSR/2范围之内。2）相对精度：绝对精度与满量程电压值之比的百分数。5、转换速率：A/D转换器在保证转换精度的前提下，能够重复转换的速度，即每秒转换的次数。转换时间则是完成一次转换所需的时间，是转换速率的倒数。6、量化误差：量化误差是由ADC的有限分辨率引起的。用数字(离散)量表示连续量时，由于数字量字长有限而无法精确地表示连续量所造成的误差，字长越长，精度越高。,107,三、逐次逼近式A/D转换器1、工作原理：逐次逼近式转换器由比较器、逐次逼近寄存器SAR、D/A转换器、基准电源、时序和逻辑控制电路组成。,1）ADC从高到低逐次给SAR的每一位“置1”（即加上不同权重的砝码），S