第二章数据采集技术.ppt

第二章智能仪器的数据采集技术,数据采集系统的组成结构模拟信号调理传统A/D转换器及接口技术-型ADC原理与接口技术数据采集系统设计及举例数据采集系统的误差分析,数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。,第一节数据采集系统的组成结构,传感器,模拟信号调理,数据采集电路,微机系统,图2.1数据采集系统的基本组成,多路模拟输入通道数据采集系统同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。多路模拟输入通道可分为两大类型：集中式采集分布式采集,一、多路模拟信号集中采集式,1.集中式数据采集系统的典型结构之一,多路共用采集电路分时采集,2.集中式数据采集系统的典型结构之二,3.集中式数据采集系统的典型结构之三,多通道同步采样A/D，分时传输数据,多通道独立取样A/D，有通道缓存,网络式数据采集结构,二、分布式采集,请总结每种数据采集系统结构的主要特点！,第二节模拟信号调理,采集系统信号调理（SignalConditioning）的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。,典型模拟调理电路的组成框图,传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。正确选用传感器：明确所设计的测控系统对传感器的技术要求；了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，自行设计传感器,一、传感器的选用,将被测量转换后续电路可用电量：转换范围：与被测量实际变化范围相一致。转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标；转换速度（带宽）：符合整机要求；能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；能满足用户对可靠性和可维护性的要求。,(一)对传感器的主要技术要求,对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。,(二)选用什么类型传感器,大信号输出传感器:为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。,图3.5大信号输出传感器的使用,2.数字式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。,频率量及开关量输出传感器的使用,集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。,3.集成传感器,4.光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。,放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？,二、运用前置放大器的依据,当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。,VIN,VOS,放大器噪声分析,总的等效输出噪声：,总的等效输入噪声：,假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VISVIN，加入前放后，希望VISVIN，就必须使VIN95dBu-A/D转换技术u片内数字抗混叠滤波及电压参考u最高采样率50KHzu差动模拟输入u单+5V电源供电,CS5360功能框图CS5380CS5381,数字接口电路功能框图,基于FPGA的数字接口电路部分的设计,接口功能框图,串并转换电路原理图,高速A/D转换器,逐次近似A/D法（几十MHz）闪电式A/D法（几百MHz）分量程A/D法（几百MHz）流水线A/D法（几百MHz）谐振隧道二极管A/D法（1GHz以上）,视频、数字示波器、频谱测试、雷达采样率10MHz以上,参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社,第五节数据采集系统设计及举例,一、系统设计考虑的因素二、A/D转换器的选择要点三、采样保持器S/H的选择四、多路测量通道的串音问题五、主放大器的设置六、数据采集系统实例,一、采集系统设计考虑的主要因素,输入信号的特性对数据采集系统性能的要求接口特性,输入信号的特性：信号的数量信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地）信号的强弱及动态范围信号的频带宽度信号是周期还是瞬态信号中的噪声共模电压大小信号源的阻抗,对数据采集系统性能的要求：,系统的采样速率系统的分辨率系统的精度,主机（PC、MCU、DSP）并行、串行、总线数据的编码格式,接口特性：,二、A/D转换器的选择要点,1.A/D转换位数2.转换速度3.环境条件4.接口,1.A/D转换位数m,系统精度指标的10倍原则,2.A/D转换速度的确定,转换速率=,三、采样保持器S/H的选择,最大孔径误差,在数据采集系统中，若要求最大孔径误差不超过q，则由此限定的被转换信号的最高频率为:,不加采样/保持器,加采样/保持器,一个12位ADC，tc=25s信号频率不能超过1.5Hz。,tAP=10nsfmax=3750Hz,A/D转换时间tC内S/H理想情况下应保持不变,存在输出电压的跌落,ID为流过保持电容CH的漏电流的代数和:模拟开关断开时的漏电流、保持电容本身的介质漏电和介质吸附效应引起的电荷变化。,四、多路测量通道的串音问题,MUX电路模型,模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。,低频等效电路,高频等效电路,Ri,Roff,Ron,例:设八路输入转换开关,导通电阻100欧姆,关断时单路漏电流1A。输入信号是温度传感器输出电压，内阻400欧姆。试估算漏电流产生的误差。,(1)为减少漏电流影响,减小信号源内阻Ri，为此前级应采用电压跟随器；(2)选用Ron极小、Roff极大的开关管；(3)减少输出端并联的开关数N。若N=1，则VN=0。(4)减小串音应选用寄生电容小的MUX。(5)模拟开关不用的输入端接地。,数据采集系统实例误差分析,教材P51-58,深化你所设计数据采集系统：1.详细给出系统电路图；2.给出设计指标，