成信工智能仪器设计课件第2章 智能仪器的数据采集技术

第二章智能仪器的数据采集技术

智能仪器的数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、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

实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。一、集中采集式

图2.2集中式数据采集系统的典型结构

二、分散采集式(分布式)(a)分布式单机数据采集结构

通信接口上位机数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N…………………………模拟信号和数字信号(b)网络式数据采集结构图2.3分布式数据采集系统的典型结构第二节

模拟信号调理

在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（SignalConditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。传感器前置放大低通陷波高通至采集电路图2.4典型调理电路的组成框图

一、传感器的选用传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器——系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。(一)对传感器的主要技术要求1.具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。2.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，转换速度应符合整机要求。3.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。4.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(二)可供选用的传感器类型对于一种被测量，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、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。1.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。传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图2.5大信号输出传感器的使用

2.数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图2.6频率量及开关量输出传感器的使用

3.集成传感器：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人通道的信号调理任务，简化通道结构。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。在信号输入通道中采用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。二、运用前置放大器的依据多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？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？VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSVON图2.7前置放大器的作用

图2.8两种调理电路的对比

由于K＞1,所以，，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。三、信号调理通道中的常用放大器

在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。(一)仪用放大器

图2.9仪用放大器的基本结构

仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。

在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。1.非线性度它是指放大器实际输出输入关系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，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位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于0.024%的仪用放大器。2.温漂温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(1~50)

V/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。3.建立时间建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。4.恢复时间恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。5.电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。6.共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，则共模抑制比CMRR可用下式计算：CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但CMRR的计算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随增益的增加而增大。(二)程控增益放大器程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。图2.10程控放大器原理框图

(三)隔离放大器隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时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。由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。图2.12GF289集成隔离放大器第三节A/D转换器及接口技术

A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子Q的基本单位来度量。图2.15量化特性及量化误差

一般而言，n位ADC的理想传输函数由以下两个式子定义：

图2.16理想ADC的传输特性和量化误差

A/D转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。

(1)分辨率

ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。

(2)转换时间

A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。

(3)精度

①绝对精度绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。②相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。③偏移误差。ADC的偏移误差定义为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值1/2(Vr／2n)(即0.5LSB所对应的电压值)之差（又称为偏移电压）。④增益误差增益误差是指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。⑤线性度误差ADC的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性度误差两种。a．积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。b．微分线性度误差微分线性度误差就是说明这种问题的技术参数，它定义为ADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于Vr/2n的偏离值。图2.17ADC的积分线性度误差

图2.18ADC的微分线性度误差

与微分线性度误差直接关联的一个ADC的常用术语是失码（MissingCord）或跳码(SkippedCord)，也叫做非单调性。图2.19ADC的失码现象

⑥温度对误差的影响环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。二、ADC的转换原理(一)比较型ADC比较型ADC可分为反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型图2.20逐次逼近式转换器原理

(二)积分型ADC图2.21双积分ADC双积分式ADC的优点：对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。微分线性度极好，不会有非单调性。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的,即从本质上说，不会发生丢码现象。积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。

过采样Σ-ΔA/D变换器由于采用了过采样技术和Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI技术发展的要求。第四节Σ-Δ型ADC转换器原理及接口技术

4.1Σ-Δ型ADC转换器理论基础1基本概念2过采样技术3Σ-Δ调制技术4数字滤波和采样抽取技术1基本概念Σ-ΔA/D转换器的电路结构由简单的模拟电路（一个比较器、一个开关、一个或几个积分器、模拟求和电路组成）Σ-Δ调制中积分器的数量定义为Σ-Δ调制器的阶数，用N表示Σ-Δ调制中量化器的数量定义为Σ-Δ调制器的级数2过采样技术图2.27理想3位ADC转换特性

对交流信号的采样，过采样结果的平均值表示A/D转换器的结果便能得到比同样A/D转换器高得多的采样分辨率图2.23 过采样技术原理图

3Σ-Δ调制及噪声整形技术图2.24 带模拟滤波和数字滤波的过采样

积分器一阶Σ-ΔADC图2.25一阶Σ-ΔADC图2.26Σ-Δ调制器的频域线性化模型

图2.27 整形后的量化噪声分布2阶Σ-ΔADC图2.28 二阶Σ-ΔADC4数字滤波和采样抽取技术图2.30M=4的采样抽取

FIR滤波与IIR滤波，作用是一是抗混叠，二是滤出前面产生的高频噪声Δ-Σ调制器，其量化对象是相邻的两个采样点的幅值差，并将其编码为1位的数字信号输出。如果要用X1(t)表示X(t),t轴等间隔，Y轴等间距Δ，要求采样频率高。Δ的正负由差值信号确定de(t)/dt

表示量化噪声，可用低通滤波器消除。E(t)可用量化编码来实现。4.2Σ-Δ型ADC转换器工作原理V2确定D的输出正负，由D确定参考电压的正负4.3Σ-Δ型ADC转换器阶数、过采样、精度的关系1阶模拟信号与参考电压的最小绝对差值是图2.29信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系

CS5360及其与微处理器的接口1.CS5360简介u

真正的24位转换u

105dB的动态范围u

低噪声，总谐波失真>95dBu

Δ-ΣA/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电源供电图2.36CS5360功能框图

图2.37CS5360串行输出数据格式0图2.38CS5360串行输出数据格式1图2.39CS5360串行输出数据格式22.CS5360与CPU的接口电路设计在设计CS5360的接口电路时，需要考虑的一个主要问题是如何将其转换输出的24位串行数据读出并存储。有两种方案可以考虑：一是将CS5360的数据输出接口直接与MCU的I/O口相连，利用MCU内部提供的串行接口或者采用软件来实现数据的读出和保存，该方案对MCU的速度要求相对较高；另一方案是设计专门的硬件电路来实现数据的读出和存储，适用于采用低速MCU的应用场合。

图2.40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

图2.41接口功能框图

图2.42串并转换电路原理图

图2.43工作时序图

积分型、电荷平衡型和跟踪比较型A/D转换器转换速度较慢，转换时间从几十毫秒到几毫秒不等。这种形式只能构成低速A/D转换器，一般适用于对温度、压力、流量等缓变参量的检测和控制。

逐次比较型A/D转换器的转换时间可从几微秒到几百微秒不等，属中速A/D转换器，常用于工业多通道单片机检测系统和声频数字转换系统等。

转换时间最短的高速A/D转换器是那些用双极型或CMOS工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型A/D转换器，转换时间仅20～100ns。高速A/D转换器适用于雷达、数字通信、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。4.4高速数据采集与数据传输一、程序控制的数据传输方式

查询方式、延时等待方式、中断方式等均属该方式。每传输一个数据，CPU都要执行若干条指令，不适于高速数据采集及成批交换数据的场合。二、DMA控制的数据传输方式

即在DMA控制器控制下的直接存储器存取方式。在这种方式下，外设与内存之间的数据传输过程不再由CPU控制，而是在DMA控制器的控制和管理下进行直接传输，从而提高了传输速度。DMA传输示意图

在DMA传输过程中，传输数据的途径是I/O设备接口、总线和存储器接口，并不经过DMA控制器，因而速度很快。DMA方式传输一个字节一般只需要两个时钟周期的时间。除此之外，CPU在现行指令的每个机器周期结束即可响应DMA，响应DMA请求的最大延时不会超过一个机器周期。

采用DMA传输方式后使数据传输的速率有很大的提高。但在DMA传输过程中，由于CPU“脱开”系统总线不再工作，因而CPU的工作效率较低。此外，传输速率还受到DMA控制器芯片最高工作频率的限制，例如DMA控制芯片8237A的最大工作频率为3MHz。为了提高CPU的工作效率，许多现代高性能DSP芯片内含有多个onchipDMA控制器，并提供专门的DMA传输总线，这样，处理器核的运行与DMA数据传输可并行工作，工作效率很高。三、基于高速数据缓存技术的数据传输方式1、基于双口RAM的高速数据缓存方式2、基于FIFO的高速数据缓存方式

在高速数据采集系统中，微处理器控制的数据传输速率及有关数据处理的速度与前端A/D转换器的采集速度往往不一致的；另外，在多微处理器系统应用场合，各微处理器系统的工作也不可能完全同步。当它们之间需要高速传输数据时，可以在两者之间加入数据缓存器进行缓冲。三、基于高速数据缓存技术的数据传输方式1、基于双口RAM的高速数据缓存方式

双口RAM即双端口存储器，它具有两套完全独立的数据线、地址线、读/写控制线，允许两个独立的系统或模块同时对双口RAM进行读/写操作。因此，不管是在流水方式下的高速数据传输，还是在多处理系统中的数据共享应用中，双口RAM都在其中发挥重要作用。

以IDT7024为例介绍双口RAM的组成原理及典型应用。

IDT7024为4K×16位静态双口RAM，其最快存取时间有20/25/35/55/75ns多个等级，可与大多数高速处理器配合使用，无需插入等待状态。1、基于双口RAM的高速数据缓存方式双口RAMIDT7024的组成框图A/D转换器采用14位A/D转换器LTC1419，其最高转换速率为800kHz，能满足实时采样的要求。双口RAM采用IDT7024，其右端口作为采集数据输入端口，写地址及控制信号由可编程逻辑器件EPM7064产生；其左端口作为采集数据输出端口，输出数据线分高8位和低8位分别与单片机的8位数据线相连，读地址及控制信号由单片机给出。2、基于FIFO的高速数据缓存方式FIFO（FirstInFirstOut）意思就是先进先出。

FIFO存储器的特点是：同一存储器配备有两个数据端口，一个是输入端口，只负责数据的写入；另一个是输出端口，只负责数据的输出。对这种存储器进行读/写操作时不需要地址线参与寻址，数据的读取遵从先进先出的规则，并且读取某个数据后，这个数据就不能再被读取，就像永远消失了一样。

FIFO内部的存储单元是一个双口RAM，内部有两个读/写地址指针和一个标志逻辑控制单元。读/写地址指针在读/写时钟控制下顺序地从存储单元按照一种环形结构依次读/写数据，从第一个存储单元开始到最后一个存储单元，然后又回到第一个存储单元。标志逻辑控制单元能根据读、写指针的状态，给出RAM的空、满等内部状态的指示。三、基于高速数据缓存技术的数据传输方式2、基于FIFO的高速数据缓存方式

该FIFO数据采集系统没使用PAE和PAF标志，采用先写满再读数据的简单方法

写操作由加在WCLK端的时钟控制，对应时钟信号的上升沿，采集的数据从Ｄ0～Ｄ8端顺序写入到存储器阵列中。当数据写满后，FF变为低电平，FF的低电平信号通过单片机关闭时钟门74HC00而中止写操作，尔后电路便可以进入读数过程。读数操作过程由单片机控制。当数据被读空后，EF变为低电平。这时，EF信号就会打开时钟门，于是电路就进入新的一轮写数据操作。第二章数据采集技术（2）第4节A/D转换实例一、任何型号的A/D转换器芯片都可以与CPU相连接，但要根据A/D转换器和CPU的功能特点设计选择接口方式。完成一次模/数转换的程序如下，执行后把读到的12位转换结果的高8位储存在R2寄存器中，低4位储存在R3寄存器中，供后面程序处理。TRANS: MOVR0,#7CHMOVX@R0,A;启动12位模/数转换LOOP:JBP1.0,LOOP;查询转换是否结束

MOVR0,#7DH;

控制命令高8位数据读出

MOVXA，@R0;MOVR2，A；高8位数据存在R2中

MOVR0，#7FH；控制低4位数据读出

MOVXA，@R0;MOVR3，A；低4位数据存在R3中，注意R3中D4-D7位为有效数据，即格式为：****0000，*为有效数据。第5节数据采集系统设计与实例5.1系统设计考虑的因素5.2A/D转换器选择的要点5.3采样/保持器的选择5.4多路测量通道的串音问题5.5主放大器选择5.6一个实例5.1系统设计考虑的因素主要根据测试对象及系统的技术指标（一）输入信号的特性（二）对采集系统性能的要求（三）接口特性输入信号的特性：数量、动态范围、信号的大小、静动态特性、输入方式、噪声、共模、阻抗（二）对采集系统性能的要求系统的采样速率；单位时间对模拟信号的采集次数；是系统每采样并处理一个数据所占用的的时间（采样周期）的倒数。分辨率：输入信号最小变化量系统的精度：系统误差的总和5.2A/D转换器选择的要点1A/D转换器的位数模拟电压动态范围转换精度每个元件的精度值应优于系统精度的10倍左右2A/D转换器的速度启动转换到转换结束转换结束到新的启动转换3根据环境条件选择A/D4选择A/D转换器的输出状态

采样／保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。它主要由模拟开关S、电容CH和缓冲放大器A组成，它的一般结构形式如图所示。5.3采样/保持器的选择1.采样-保持电路工作过程●当VL为高电平（VL=1）时：开关S导通，输入模拟信号Vi对保持电容CH充电,当VL=1的持续时间tw远远大于电容CH的充电时间常数时，在tw时间内,CH上的电压Vc跟随输入电压Vi的变化，使输出电压Vo=Vc=Vi，这段时间为采样时间。●当VL为低电平（VL=0）时：开关S断开，由于运算放大器的输入阻抗很高，存储在上CH的电荷不会泄露，CH上的电压Vc保持不变，使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间为保持时间。当VL为低电平（VL=0）时：开关S断开，由于运算放大器的输入阻抗很高，存储在上CH的电荷不会泄露，CH上的电压Vc保持不变,使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间为保持时间。采样和保持电路输出随输入变化波形采样／保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它具有两个稳定的工作状态：(1)跟踪状态。在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。(2)保持状态。对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。采样时间tAC（AcquisitionTime）当采样／保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样／保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。采样时间包含逻辑输入控制开关的延时时间、采样信号建立时间及达到采样值的跟踪时间。孔径时间tap

保持指令发出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。是由模拟开关从闭合到完全断开需要一定的时间，当接到保持指令时，采样/保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输入值上，而会跟着输入变化一段时间。采样/保持全过程孔径不定时间△tAP（ApertureJitter）孔径时间的变化范围，即孔径时间不是恒定的，而是在一定范围内随机变化的。开关断开时，CH上的值不稳定，在tAP后，输出还有一段波动，经过一段稳定时间（tST）后才保持稳定。为了量化的准确，应在发出保持指令后延迟一段时间（延迟时间应≥稳定时间），再启动A／D转换。保持电压的下降率当采样/保持器在保持状态时，由于保持电容CH的漏电流使保持电压值下降，下降值随保持时间增大而增加，其下降的速率：设置S/H的原则信号最大变化率量化电平没有S/H，最高频率设置S/H的原则最大孔径误差加S/H最大采样频率5.4多路测量通道的串音问题5.5主放大器选择如A/D转换器输入电压为E，满度输出数字为则A/D转换器的量化误差为如果第i通道的第j次采样电压是，则其相对误差为引入放大器，若其放大倍数为K。举例：8路模拟量输入（交变信号，f=100Hz），电压范围为0～10V，转换时间小于50μs，分辨率5mV（满量程的0.05%），通道误差小于0.1%。

ADC的选择：选择12位A/D转换器AD574，其转换时间为25μs，分辨率为满量程的0.025%，转换误差为0.05%，输入信号范围为0～10V或0～20V，均满足设计要求。

多路模拟开关:选择8路模拟开关CD4051，开关漏电流约为0.08nA，当信号源内阻为10kΩ时，误差电压是0.8μV，可忽略不计。开关接通电阻约为200Ω，由于采样保持器的输入电阻一般在10MΩ以上，因此当最大电压为10V时，开关电阻上的压降仅为0.2mV，也可忽略不计。

采样保持器：如果不接入采样保持器，由式（3-21）可知，输入信号最高频率为(保证1/2LSB的转换精度)

其中，转换时间tC=25μs，因此应增加采样保持器，选择LF398。LF398的孔径时间tAP=35ns，输入信号最高频率为满足输入信号频率要求。

LF398的非线性度为±0.01%，即为±0.1mV，也符合设计要求。保持电容选取聚苯乙烯或聚四氟乙烯电容，容量为1000～2000pF。由上述器件构成的模拟量输入通道电路如图3-38所示。采样保持器的工作模式由AD574的状态信号线STS控制。AD574转换期间STS=1，LF398处于保持模式，转换结束STS=0，LF398转为采样模式。74LS373用来锁存各通道地址。AD574选择12位转换双字节输出，启动转换地址为7F00H，读转换结果高8位及低4位的地址分别为7F02H、7F01H。（3）AD574控制状态表

模拟量输入通道数据采集的调试程序如下(设采样数据存储在20H为起始地址的单元中)MOVR0，#20H；置存储区首地址

MOVB，#10H；置0通道号START:MOVA,BMOVP1,A

NOPNOPNOP

CLRP1.4

MOVDPTR,#7F00H;启动ADC进行12位转换

MOVX@DPTR，ALOOP1：JBP3.3,LOOP1;判转换是否结束

MOVDPTR,#7F02H

MOVXA，@DPTR;读高8位转换结果

MOV@R0，A;存高8位转换结果

INCDPTR

INCR0;修改存储指针MOVXA，@DPTRMOV@R0，A;存低四位转换结果INCR0;修改存储区指针INCB;修改通道号CJNEB，#20START;判16个通道是否转换完毕RET2.6数据采集系统的误差分析

数据采集系统中的元器件很多，从数据采集、信号调理、模数转换，直至信号输出，经过许多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很复杂。误差分析需要结合具体系统、电路和元器件来进行。

数据采集系统的误差主要包括模拟电路误差、采样误差和转换误差。1、采样误差采样频率引起的误差采样频率必须大于信号最高有效频率的两倍抗混叠低通滤波器经验上使用频率大于10倍左右系统的通过速率引起的误差通过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集次数。系统的通过速率的倒数为吞吐时间，表明系统每采样并处理一个数据所占用的时间。系统通过周期（吞吐时间）TTH可用下式表示：多路模拟开关接通时间Ton和断开时间Toff、采样保持器的捕获TAC

、孔径时间TAP

和保持建立时间Ts、A/D转换时间Tc和数据输出时间Tout。为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程的动态误差，模拟开关对N路信号顺序进行等速率切换时，采样周期至少为，每通道的吞吐率为：2、模拟电路误差模拟开关导通电阻RON的误差模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的变化会使放大器或采样保持器的输入信号波动，引起误差。多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差

模拟开关断开的泄漏电流IS一般在1nA左右，当某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄漏电流IS都经过导通的开关和这一路的信号源流入地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。例如：一个8路的模拟开关，泄漏电流IS为1nA，信号源内阻50Ω，断开的7路泄漏电流IS在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：采样保持器衰减率引起的误差保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：ID为流入保持电容CH的总泄漏电流，ID包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。放大器的误差

数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差、零位误差等。3、A/D