第9章数据采集系统

1、清华大学电机系唐庆玉清华大学电机系唐庆玉1997年制作年制作如发现有人剽窃必定追究！如发现有人剽窃必定追究！第第9章章 数据采集系统数据采集系统千岛湖风光9.1 典型的测控系统组成典型的测控系统组成9.2 多路模拟开关多路模拟开关9.3 采样保持器采样保持器9.4 数模变换器数模变换器9.5 模数变换器模数变换器9.6 计算机数据采集系统简介计算机数据采集系统简介千岛湖画面属唐庆玉个人创千岛湖画面属唐庆玉个人创作，青山緑水蓝天白云，剽作，青山緑水蓝天白云，剽窃必究窃必究9.1 典型的测控系统组成典型的测控系统组成典型的测控系统组成框图典型的测控系统组成框图ADCADC或或A/DA/D： Ana

2、log to Digital Converter Analog to Digital Converter DACDAC或或D/AD/A： Digital to Analog ConverterDigital to Analog Converter9.2 多路模拟开关多路模拟开关 在实际的系统中，被测量的回路往往是几路或几在实际的系统中，被测量的回路往往是几路或几十路，不可能对每一回路的参量配置一个十路，不可能对每一回路的参量配置一个A/DA/D转换器，转换器，常利用多路开关，轮流切换各被测回路与常利用多路开关，轮流切换各被测回路与A/DA/D间的通间的通路，以达到各回路分时占用路，以达到各回路

3、分时占用A/DA/D转换电路的目的。转换电路的目的。 模拟开关是一种能够按照控制指令对模拟信号传模拟开关是一种能够按照控制指令对模拟信号传输进行通、断控制的电子器件。输进行通、断控制的电子器件。 模拟开关多用场效应管来构成，开关接通时还会模拟开关多用场效应管来构成，开关接通时还会有一导通电阻，在断开状态时仍会有一小的关断电有一导通电阻，在断开状态时仍会有一小的关断电流。流。CC4051CC4051是一个允许双向使用的是一个允许双向使用的CMOSCMOS多路开关集成芯多路开关集成芯片，它既可用于片，它既可用于8 8路到一路的切换路到一路的切换( (用于用于A/D)A/D)，又可，又可用于一路到用

4、于一路到8 8路的切换路的切换( (用于用于D/A)D/A)。 9.3 采样保持电路采样保持电路 采样保持电路常用于输入信号变化较快或具有采样保持电路常用于输入信号变化较快或具有多路输入信号的数据采集系统中。在多路输入信号的数据采集系统中。在A/DA/D转换过程中，转换过程中，因为每次转换过程需要一定的时间，所以需要采样因为每次转换过程需要一定的时间，所以需要采样保持电路的配合，以便有一个稳定的采集量。采样保持电路的配合，以便有一个稳定的采集量。采样保持器的工作过程由外部控制信号来决定，工作过保持器的工作过程由外部控制信号来决定，工作过程分采样和保持两个周期。程分采样和保持两个周期。 采样：采

5、样：就是要求输出信号能快速而准确地跟随就是要求输出信号能快速而准确地跟随信号的变化；信号的变化； 保持：保持：则是在两次采样间隔时间内保持上一次则是在两次采样间隔时间内保持上一次采样结束时的状态。采样结束时的状态。9.4 D/A 转换器转换器 D/A功能功能: 将数字量将数字量线性地线性地地转换成模拟量地转换成模拟量 D/An =4位位8位位10位位12位位16位位n位位数字量数字量模拟量模拟量05V或或010V 为了将数字量转换为模拟量，必须将二进制数的为了将数字量转换为模拟量，必须将二进制数的每一位代码按每一位代码按“权权”值转换成相应的模拟量值转换成相应的模拟量，然后将，然后将代表各位二

6、进制数的这些模拟量相加，这样便得到与代表各位二进制数的这些模拟量相加，这样便得到与数字量成正比的模拟量。数字量成正比的模拟量。设输入数字量为设输入数字量为D=d3d2d1d0 d3 U3, d2 U2, d1 U1, d0 U0输出模拟量为输出模拟量为 Uo=U3+ U2 + U1+ U0=k Dk是一个常数；是一个常数；D为为n位二进制数。位二进制数。DAC转换特性：输入与输出的对应关系转换特性：输入与输出的对应关系最小输出电压最小输出电压ULSB ： 相临两组代码转换出相临两组代码转换出来的模拟量之差（来的模拟量之差（2V)。分辨率：分辨率： 电路所能分辨出的电路所能分辨出的最小输出电压与

7、最大输最小输出电压与最大输出电压之比。出电压之比。分辨率分辨率=ULSB Uomax=1 2n-1四位二进制的分辨率？四位二进制的分辨率？ 若最大输出电压仍为若最大输出电压仍为14V，最小输出电压将变大还是变小？最小输出电压将变大还是变小？000 001 010 011 100 101 110 111DDDACuo24101206814uo/V设设D为三位二进制为三位二进制要求要求uomax=14Vn位二进制位二进制DAC框图框图基准电压基准电压UR输出输出U0电阻解码网络电阻解码网络数字模拟开关数字模拟开关 数字寄存器数字寄存器 dn 1 d0DAC有权电阻网络型有权电阻网络型T型电阻网络型

8、型电阻网络型倒倒T型电阻网络型型电阻网络型数模转换器的分类：数模转换器的分类： 1.倒倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器转换器 下图是四位倒下图是四位倒T型电阻网络型电阻网络D/A转换器的原理转换器的原理图，它由图，它由R-2R构成的倒构成的倒T型电阻网络、模拟开关、型电阻网络、模拟开关、求和放大器求和放大器A及基准电压源及基准电压源UR组成。组成。RUIR从从A、B、C、D各点向左看其等效电阻均为各点向左看其等效电阻均为R，电源的总，电源的总电流为电流为:RF S2A d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII同理同理: I2=

9、d2 I/4, I1= d1 I/8, I0= d0 I/16若若d3=1,则通过则通过S3流入运放的电流流入运放的电流I3=I/2， 若若d3=0, I3=0, 因此因此, I3= d3 I/2)16/8/4/2/(0123IdIdIdIdI ARF S2A d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII)161814121(0123ddddI)2222(2001122334RddddRUI RUIR)16/8/4/2/(0123IdIdIdIdI RF S2A d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2

10、I8I16I16ABCDII输出电压为：输出电压为： IRF如果是如果是n位位D/A转换器，并设转换器，并设RF=R，则，则Uo的表达的表达式为：式为： oU)2222(2001122334FRddddRRU )2222(200112211 ddddUUnnnnnRoinindU2210iR 2. 集成集成DAC 0832简介及应用简介及应用 集成集成DACDAC电路芯片种类很多。按输入二进制的位数电路芯片种类很多。按输入二进制的位数分类有八位、十位、十二位和十六位等。例如分类有八位、十位、十二位和十六位等。例如DAC0832DAC0832，是一个具有两个输入数据缓冲区的倒是一个具有两个输入数

11、据缓冲区的倒T T型型8 8位位D/AD/A转换芯转换芯片，其结构框图如图片，其结构框图如图9.4.39.4.3所示所示 (1) DAC 0832简介简介 (2) DAC0832的输出方式的输出方式 DAC0832为电流输出型为电流输出型D/A转换器，可提供单转换器，可提供单极性和双极性两种输出方式，电路如图极性和双极性两种输出方式，电路如图9.4.5所示。所示。 单极性输出单极性输出：在其电流输出端接一运算放大器从：在其电流输出端接一运算放大器从A点输出。输出电压点输出。输出电压uA=IOUT1Rfb。当。当UREF接接+5 V(或或-5 V)时，时，uA的电压范围是的电压范围是0 -5 V

12、(或或0 +5 V)。双极性输出双极性输出：在单极性输出的基础上再增加一级运算：在单极性输出的基础上再增加一级运算放大器，便构成了电路，从放大器，便构成了电路，从B点输出。考虑到点输出。考虑到R1：R2：R3=2：1：2，这样，恰恰使，这样，恰恰使B点的输出特性在点的输出特性在A点输点输出的基础上位移了二分之一。出的基础上位移了二分之一。假设假设UREF=+5 V，则，则uA =0 -5 V，而，而uB=-5 +5 V。)2()(1323REFAREFABUuURRuRRu(1) 分辨率分辨率 电路所能分辨的最小输出电压电路所能分辨的最小输出电压ULSB与与满刻度输出电压满刻度输出电压Uoma

13、x之比，之比，121omaxLSBnUU分辨率分辨率当当Uomax一定时，一定时，n越大，分辨能力越高。越大，分辨能力越高。12110 12111 n=10的的DAC分辨率分辨率=n=11的的DAC分辨率分辨率=3. DAC的主要参数(2) 转换误差转换误差一般是指输入端加满刻度的数字量一般是指输入端加满刻度的数字量时，时，DAC输出电压的理论值与实际值之差。输出电压的理论值与实际值之差。转换转换误差误差一般应低于一般应低于 。LSB21U例如，某控制系统中有一例如，某控制系统中有一D/A转换器，如果系统要求该转换器，如果系统要求该D/A转换器的转换误差（转换器的转换误差（相对误差相对误差）小

14、于）小于0.25%，试问应，试问应选择多少位的选择多少位的D/A/转换器？转换器？解：解：转换误差转换误差Uomax0.25%转换误差转换误差UomaxLSB21UUomaxLSB21UUomax0.25%LSBUUomax0.5%121100%05%n .n=7.64D/A转换器位数至少为转换器位数至少为8位。位。（3） 转换速度转换速度转换速度是指从数码输入到模拟电压稳转换速度是指从数码输入到模拟电压稳定输出之间所经历的响应时间。一般取输入定输出之间所经历的响应时间。一般取输入由全由全0变为全变为全1或由全或由全1变为全变为全0时，其输出达时，其输出达到稳定值所需的时间，也称转换时间。到稳

15、定值所需的时间，也称转换时间。9.5 A/D转换器转换器(1)A/D功能功能: 将模拟电压将模拟电压成正比成正比地转换成数字量地转换成数字量A/DUI输入模拟电压输入模拟电压D7D0输出数字量输出数字量0 5V0000000011111111分辨率分辨率:5V/255=0.0196V/每每1个最低有效位个最低有效位1. A/D功能及分类功能及分类(2)A/D转换器分类转换器分类 并联比较型并联比较型 特点特点: 转换速度快转换速度快,转换时间转换时间 10ns 1 s 逐次逼近型逐次逼近型 特点特点: 转换速度中转换速度中,转换时间转换时间 几几 s 100 s 双积分型双积分型 特点特点:

16、转换速度慢转换速度慢,转换时间转换时间 几百几百 s 几几ms根据内部电路不同根据内部电路不同,分为以下三类分为以下三类: 逐次比较型逐次比较型ADC，又称逐次逼近型，又称逐次逼近型ADC。其工作原理类似与天平的称重过程（如称其工作原理类似与天平的称重过程（如称13克克的重物）。的重物）。2. 逐次比较型逐次比较型A/D转换器转换器序号序号 砝码（砝码（8、4、2、1克）克）砝码取留砝码取留18留留24留留32去去41留留组成：组成：3位位DAC、电压比较器、模、电压比较器、模5环形计数器、钟控环形计数器、钟控RS触发器。触发器。UR=5V，Ui=3.2V，初始化（图中未初始化（图中未画画)Q

17、AQBQC=000 Q1Q2Q3Q4Q5=00001 当第一个脉冲当第一个脉冲Q1Q2Q3Q4Q5=10000。因为因为Q1=1，则，则QAQBQC=100 Uo=5/2322=2.5V因为因为UoUi，比较器，比较器输出输出UB=1。 第三个第三个CP后，后，Q1Q2Q3Q4Q5=00100。由于。由于Q3=1，QC被置被置1；此时因为；此时因为UB=1，门，门G2被打开，被打开，Q3通过门通过门G2使使QB=0；同时；同时Q1=Q2=0，使，使QA保持保持1状态不变。因而状态不变。因而QAQBQC=101，Uo=5/23（22+20）=3.125V因为因为UoUi，比较器的输出，比较器的输

18、出UB=0。& 第四个第四个CP后，后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。由于由于UB=0，封锁了，封锁了门门G1G3，同时由，同时由于于Q1Q2Q3=000，所，所以以QA 、QB 、QC保保持原状态不变，即持原状态不变，即QAQBQC=101。 第五个第五个CP来后，来后，Q1Q2Q3Q4Q5=00001。由于由于Q5=1，使，使QAQBQC通过门通过门G6、G7、G8，输出转换，输出转换结果结果d2d1d0=101。再来一个再来一个CP脉冲后，脉冲后，Q1Q2Q3Q4Q5=10000，又重新开始转换。，又重新开始转换。&2集成集成ADC 目前一般用的多数是单片集成目前一般

19、用的多数是单片集成ADCADC，其种类很多，其种类很多，如如AD571AD571，ADC0801ADC0801，ADC0809ADC0809等。下面介绍等。下面介绍CMOSCMOS、8 8通通道、道、8 8位模数转换器位模数转换器ADC0809ADC0809。 ADC0809ADC0809是按逐次逼近原理工作的，它除了具有基是按逐次逼近原理工作的，它除了具有基本的本的A/DA/D转换功能之外，内部还包括转换功能之外，内部还包括8 8路模拟输入通道，路模拟输入通道，为了实现为了实现8 8路信号的分时采集，在片内设置了路信号的分时采集，在片内设置了8 8路模拟路模拟选择开关以及相应的通道地址锁存和

20、译码电路，输出选择开关以及相应的通道地址锁存和译码电路，输出具有三态缓冲能力，能与微机总线直接相连。具有三态缓冲能力，能与微机总线直接相连。C B A选中通道0 0 0 IN00 0 1 IN10 1 0 IN20 1 1 IN31 0 0 IN41 0 1 IN51 1 0 IN61 1 1 IN73. A/DA/D转换器的主要技术参数转换器的主要技术参数 分辨率：分辨率：ADC的分辨率是指输出数字量变化一个的分辨率是指输出数字量变化一个最低有效位最低有效位(LSB)所对应的输入模拟电压的变化量。例所对应的输入模拟电压的变化量。例如如ADC输入模拟电压变化范围为输入模拟电压变化范围为010V

21、，输出为，输出为10位位数码，则分辨率为数码，则分辨率为mVUn77. 912101210分辨率也可用百分数表示，即分辨率也可用百分数表示，即 %100121n 一般来说，位数愈多，则每一位二进制代码所一般来说，位数愈多，则每一位二进制代码所代表的模拟量越小，其分辨能力也越高。代表的模拟量越小，其分辨能力也越高。121100.097%转换速度转换速度 A/D转换器的转换速度主要取决于转换电路转换器的转换速度主要取决于转换电路的类型。的类型。并联比较型：并联比较型：速度最快，如速度最快，如50ns逐次比较型逐次比较型：1100s之间之间双积分型：双积分型：数十数十数百数百ms之间。之间。9.6计算机数据采集系统简介计算机数据采集系统简介 A/D转换器与计算机的连接转换器与计算机的连接A/D转换器转换器转换完成信号转换完