智能仪器设计_12

1、第八章第八章 数数据采集系据采集系统统 一一、系统设计考虑的因素、系统设计考虑的因素 二、二、A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点 三三、模模拟多路转换器拟多路转换器MUXMUX 四四、采采样保持器样保持器S/HS/H 五五、数、数据采集系据采集系统统举举例例 六、数六、数据采集系统误差的计算据采集系统误差的计算一一. .采采集系统设计考虑的主要因素集系统设计考虑的主要因素l 输入信号的特性 l 对数据采集系统性能的要求l 接口特性输入信号的特性：输入信号的特性：1.信号的数量2.信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地） 3.信号的强弱及动态范围4.信号的频带宽度5.信

2、号是周期还是瞬态6.信号中的噪声7.共模电压大小8.信号源的阻抗对数据采集系统性能的要求：对数据采集系统性能的要求：1. 系统的采样速率2. 系统的分辨率3. 系统的精度1.主机（PC、MCU、DSP）2.并行、串行、总线3.数据的编码格式 接口特性接口特性 ：二二.A/D.A/D转换器的选择要点转换器的选择要点1.A/D转换位数2.转换速度3.环境条件 4.接口三三. .模模拟多路转换器拟多路转换器MUXMUX1. 介绍：一种可控制的开关。举例：AD7501, AD7502AD7501(AD7503) 和 AD7502的功能框图AD7501(AD7503) 和AD7502通道选择真值 模拟开

3、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。 多路切换系统的低多路切换系统的低频等效电路频等效电路 2.多路测量通道的串音问题多路测量通道的串音问题(1)(1)为减少漏电流影响为减少漏电流影响, ,减小信号源内阻减小信号源内阻R Ri i，为，为此前级应采用电压跟随器；此前级应采用电压跟随器；(2) (2) 选用选用R Ronon极小、极小、R Roffoff极大的开关管；极大的开关管；(3) (3) 减少输出端并联的开关数减少输出端并联的开关数N N。 (4(4) )模拟开关不用的输入端接模拟开关不用的输入端接地地。(5(5) )减小串音应选用寄生电容小的减小串音应选用

4、寄生电容小的MUXMUX。为减小串音干扰，应采用如下措施：为减小串音干扰，应采用如下措施：四四. .采采样保持器样保持器S/HS/H的选择的选择 1.原理 A/D转换过程中，输入信号应保持不变。 采样/保持器可以取出输入信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。 采样/保持器有两种工作方式，即采样方式和保持方式。在采样方式采样方式下，其输出跟随模拟输入电压；在保持方式保持方式下，其输出将保持采样命令发出时刻的输入电压值，直到保持命令撤销为止。采样保持器原理示意图采样保持器原理示意图2.孔径时间：控制器发出保持命令后，保持开关需要延时一段时间才能真正断开，保持电容才开始起作用，这段时间为孔径时间。

5、孔径误差产生原理孔径误差产生原理APiotdtdVVmaxmax,)(3.最大孔径误差 APmotfUU2max,tUUmicos 在数据采集系统中，为保证转换精度，若要求最大孔径误差不超过一个量化单位q， ，则由此限定的被转换信号的最高频率为:1max21mAPtf)2(mmUq mmcmUqtfU221max21mctf不加采样不加采样/保持器保持器 加采样加采样/保持器保持器 1max21mAPtf一个12位ADC，tc=25s信号频率不能超过1.5Hz。 tAP=10nsfmax=3750Hz其中，t tc c为A/D转换时间。 A/D转换时间tC 内S/H理想情况下应保持不变, 但存

6、在输出电压的跌落。4.输出电压的跌落HDCIdtdVID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。 5. 常用采样保持器芯片LF198/LF298/LF398LF198/LF298/LF398原理图原理图LF398的典型应用电路的典型应用电路五五. .数数据采集系据采集系统举例统举例16路数据采集系统路数据采集系统六六数据采集系统误差的计算数据采集系统误差的计算 计计算数据采集系统误差时，必须对各部算数据采集系统误差时，必须对各部分电路进行仔细分析，找出主要矛盾，忽略分电路进行仔细分析，找出主要矛盾，忽略次要的因素，分别计算

7、各部分的相对误差，次要的因素，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。然后进行误差综合。 如如果误差项在果误差项在5 5项以上，按方均根形式项以上，按方均根形式综合为宜；综合为宜； 若若误差项在误差项在5 5项以下，按绝对值和的方项以下，按绝对值和的方式综合为宜。式综合为宜。按方均根形式综合误差的表达式为：按方均根形式综合误差的表达式为：按绝对值和方式综合误差的表达式为：按绝对值和方式综合误差的表达式为：式中，式中，MUX为多路模拟转换器的误差；为多路模拟转换器的误差； AMP为为放大器的误差；放大器的误差； SH为采样保持器的误差；为采样保持器的误差； ADC为为AD转换器的误差。转换器

8、的误差。2222ADCSHAMPMUXADCSHAMPMUX数数据采集系统的误差分配举例据采集系统的误差分配举例 设设计一个数据采集系统，一般首先给定精度计一个数据采集系统，一般首先给定精度要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，然后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择然后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元器件。元器件。 之之后，应根据通道的总精度要求，给各个环后，应根据通道的总精度要求，给各个环节分配误差，以便选择元器件。通常节分配误差，以便选择元器件。通常传感器传感器和和信信号放大电路号放大电路所占的所占的误差比例最大误差比例最大，其他各

9、环节如，其他各环节如采样保持器和采样保持器和AD转换器等误差，可以按选择元转换器等误差，可以按选择元器件精度的一般规则和具体情况而定。器件精度的一般规则和具体情况而定。选择元器件精度的一般规则是：每一个元器件的选择元器件精度的一般规则是：每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的精度指标应该优于系统规定的某一最严格性能指标的某一最严格性能指标的1010倍左右倍左右。例如，要构成一个要求。例如，要构成一个要求0.10.1级精度性能级精度性能的数据采集系统，所选择的的数据采集系统，所选择的A AD D转换器、采样保持器转换器、采样保持器和模拟多路转换器组件的精度都应该不大于和模拟多路转换器组件的精度

10、都应该不大于0.010.01。初步选定各个元器件之后，还要根据各个元器件初步选定各个元器件之后，还要根据各个元器件的技术特性和元器件之间的相互关系的技术特性和元器件之间的相互关系核算实际误差核算实际误差，并且按绝对值和的形式或方均根形式综合各类误差，并且按绝对值和的形式或方均根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定检查总误差是否满足给定 的指标。如果不合格，应的指标。如果不合格，应该分析误差，重新选择元器件及进行误差的分析综合，该分析误差，重新选择元器件及进行误差的分析综合，直至达到要求。下面举例说明。直至达到要求。下面举例说明。 例：设计一个远距离测量室内温度的模拟输例：设计一个远距离测量

11、室内温度的模拟输入通道。要求：入通道。要求： 已知满量程为已知满量程为100100，共有，共有8 8路信号，要求模路信号，要求模拟输入通道的总误差为拟输入通道的总误差为1.0(1.0(即相对误差即相对误差1 1) )，环境温度为，环境温度为25251515，电源波动为，电源波动为1 1。 模拟输入通道的设计可按以下步骤进行。模拟输入通道的设计可按以下步骤进行。 1方案选择方案选择 鉴于温度的变化一般很缓慢，故可以选择多通道共鉴于温度的变化一般很缓慢，故可以选择多通道共享采样保持器和享采样保持器和AD转换器的通道的结构方案，温度转换器的通道的结构方案，温度传感器及放大电路如下页图。传感器及放大电

12、路如下页图。2 2误差分配误差分配由于传感器和信号放大电路是整个通道总误差的由于传感器和信号放大电路是整个通道总误差的主要部分，故将总误差的主要部分，故将总误差的90(即即0.9的误差的误差)分配分配至该部分。该部分的相对误差为至该部分。该部分的相对误差为0.9，数据采集、，数据采集、转换部分和其他环节的相对误差为转换部分和其他环节的相对误差为0.1。3初选元器件与误差估算(1)传感器选择与误差估算 由于是远距离测量，且测量范围不大，故选择电流输出型集成温度传感器AD590K。由技术手册可查出： 1)AD590K的线性误差为0.20。 2)AD590K的电源抑制误差：当5VVS15V时，AD5

13、90K的电源抑制系数为0.2V。现设供电电压为10V，Vs变化为1，则由此引起的误差为0.02。 3)电流电压变换电阻的温度系数引入误差：AD590K的电流输出远传至采集系统的信号放大电路，需先经电阻变为电压信号。电阻值为1k，该电阻误差选为0.1，电阻温度系数为1010-6/。AD590K灵敏度为1A。在0时输出电流为273.2A。所以，当环境温度变化15时，它所产生的最大误差电压(当所测量温度为100时)为(273.210-6)(1010-6)15103V4.010-5V0.04mV (相当于0.04)(2)信号放大电路的误差估算 AD590K的电流输出经电阻转换成最大量程为100mV的电

14、压，而AD的满量程输入电压为10V，故需加一级放大电路。现选用仪用放大电路AD522B，放大器输入加一偏置电路。将传感器AD590K(在0时的输出值273.2mV进行偏移，以使0时输出电压为零。为此，尚需一个偏置电源和一个分压网络，由AD580LH及R2，RP1，及R3构成的电路如图。偏置后，100时AD522B的输出信号为10V，显然，放大器的增益为100。 1)参考电源AD580LH的温度系数引起的误差：AD580LH用来产生2732mV的偏置电压，其电压温度系数为2510-6/，当温度变化土15时，偏置电压出现的误差为： (273.210-3)(2510-6)15V 1.010-4V0.

15、1mV (相当于0.1)2)电阻电压引入的误差：电阻R2和R3的温度系数为1010-6/，15温度变化引起的偏置电压的变化为(273.210-3)(1010-6)15V4.010-5V0.04mV (相当于0.04)3)仪用放大器AD522B的共模误差：其增益为100，此时的CMRR的最小值为100dB，共模电压为273.2mV，故产生的共模误差为(273.210-3)10-5V2.710-6V2.7V (该误差可以忽略)4)AD522B的失调电压温漂引起的误差：它的失调电压温度系数为2V ，输出失调电压温度系数为25V ，折合到输入端，总的失调电压温度系数为2.25V。温度变化为15时，输入

16、端出现的失调漂移为(2.2510-6)15V 310-5V0.03mV (相当于0.03)5)AD522B的增益温度系数产生的误差：其增益为1000时的最大温度系数等于2510-6/。增益为100时，温度系数要小于这一数值，如仍取这一数值，且设所用增益电阻温度系数为1010-6/，环境温度变化15时的最大温度增益误差为(25+10)10-6151000.05在100时，该误差折合到放大器输入端为0.05mV，相当于0.05。6)AD522B线性误差：其非线性在增益为100时近似等于0.002，输出10V摆动范围产生的线性误差为100.002V210-4V0.2mV (相当于0.2)现按绝对值和

17、的方式进行误差综合，则传感器、信号放大电路的总误差为 (0.2+0.02+0.04+0.10+0.04+0.03+0.05+0.20)0.68若用方均根综合方式，这两部分的总误差为: 0.31估算结果表明，传感器和信号放大电路部分满足误差分配的要求。(3)AD转换器、采样保持器和多路转换器的误差估算因为分配给该部分的总误差不能大于0.1，所以AD转换器、采样保持器、多路转换器的线性误差应小于0.01。为了能正确地做出误差估算，需要了解这部分器件的技术特性。1)技术特性：设初选的AD转换器、采样保持器、多路转换器的技术特性如下：AD转换器为MAXl240，其有关技术特性如下：线性误差为0.012

18、(FSR)。微分线性误差为1LSB。增益温度系数(max)为0.2510-6/。失调温度系数(max)为0.6810-6/。电压灵敏度为3.6V0.0008。输入模拟电压范围为1.0V3.6V。 转换时间为5.5us7.5us。采样保持器为ADSHC-85，其有关技术特性如下：增益非线性为0.01。增益误差为0.01。增益温度系数为1010-6/。输入失调温度系数为100uV。 输入电阻为1011。电源抑制为200uAV。输入偏置电流为0.5nA。捕获时间(10V阶跃输入、输出为输入值的0.01)为4.5us。 保持状态稳定时间为0.5us。衰变速率(max)为0.5mVms。衰变速率随温度的

19、变化为温度每升高10，衰变数值加倍。多路开关为AD7501或AD7503，其主要技术特性如下：导通电阻为300。输出截止漏电流为10nA(在整个工作温度范围内不超过250nA)。 2)常温(25)下误差估算：常温下误差估算包括多路转换器误差、采集器误差和AD转换器误差的估算。多路转换器误差估算：设信号源内阻为100，则8个开关截止漏电流在信号源内阻上的压降为1010-98V0.08uV(可以忽略)开关导通电阻和采样保持器输入电阻的比值，决定了开关导通电阻上输入信号压降所占比例，即300/1011 = 3*10-9 (可以忽略)采样保持器的误差估算。线性误差为0.01。输入偏置电流（0.5nA）在开关导通电阻和信号源内阻上所产生的压降为