《机械电子学》-第6章 系统接口与数据采集

6.1系统接口6.1.1系统接口的定义与应用正如第1章所述，机电系统由许多要素或子系统构成，各要素和子系统之间必须能进行物质、能量和信息的传递与交换，为此，各要素和各子系统相接处必须具备一定的联系条件，这些联系条件就可称为接口(Interface)。图6-1为系统接口的应用示意图，表明了机电一体化系统各构成要素之间的相互联系。下一页返回6.1系统接口6.1.2系统接口的分类广义的接口功能有两种，一种是变换、调整;另一种是输入/输出。根据接口的变换调整功能，可将接口分成以下四种。(1)零接口。不进行任何变换和调整，输出即为输入，仅起连接作用的接口，称为零接口。例如输送管、插头、插座、连接柱、传动轴、导线、电缆等。(2)无源接口。只用无源要素进行变换、调整的接口，称为无源接口。上一页下一页返回6.1系统接口例如:齿轮减速器、进给丝杠、变压器、可变电阻以及透镜等。(3)有源接口。含有有源要素、主动进行匹配的接口，称为有源接口。例如:电磁离合器、放大器、光电藕合器、D/A,A/D转换器以及力矩变换器等。(4)智能接口。含有微处理器，可进行程序编制或可适当地改变接口条件的接口，称为智能接口。例如:自动变速装置，通用输入/输出LSI,GPIB总线、STD总线等。上一页下一页返回6.1系统接口根据接口的输入/输出功能，可将接口分为以下四种。(1)机械接口。由输入/输出部位的形状、尺寸、精度、配合、规格等进行机械连接的接口，称为机械接口。例如:联轴节、管接头、法兰盘、万能接口、接线柱、插头与插座及音频盒等。(2)物理接口。受通过接口部位的物质、能量与信息的具体形态和物理条件约束的接口，称为物理接口。例如:受电压、频率、电流、电容、传递扭矩的大小、气体成分(压力或流量)约束的接口。上一页下一页返回6.1系统接口(3)信息接口。受规格、标准、法律、语言、符号等逻辑、软件约束的接口，称为信息接口。例如:GB,ISO,ASCII码、RS-2320,FORTRAN,C,C++等。上一页下一页返回6.1系统接口(4)环境接口。对周围环境条件(温度、湿度、磁场、火、振动、放射能、水、气、灰尘)有保护作用和隔绝作用的接口，称为环境接口。例如:除尘过滤器、防水连接器、防爆开关等。由于计算机和测量技术的高速迅猛的发展，信息接口在机电系统中的重要性越来越高，故有必要向读者详细地介绍信息接口。上一页返回6.2信息接口6.2.1背景现代机电系统包含若干的子系统，它们都依赖于数字数据通信。这些系统复杂的层次差异意味着数据通信的需求从两个装置之间的简单通信发展到由大量子系统组成的系统内的通信，每个子系统都与系统中的其他子系统直接地或间接地通过网络进行通信。图6-2给出了两个设备之间简单的数据通信系统的示意图。数据源产生要传送到日的地的数据，并可能将数据转换为一个特定的形式。下一页返回6.2信息接口开始系统所产生的数据格式并不一定适合在线路上传输，这时发射机就把数据转变成适合在特定类型的传输线路上进行传输的信号并发射出去。传输线路通常是电线，但也可以是包括射频、红外光和声音信号的物理媒介，并将两个系统连接起来。接收机接收信号并将它转换成适合在目的地系统上传递的数据形式。数据目的地则需要处理数据来复原最初的信息。上一页下一页返回6.2信息接口6.2.2信息接口的常用术语与定义两个子系统之间的交界叫接口，如图6-2所示，即使在一个简单的通信系统中也包括了为数众多的接口。1.位位是数据存储的最小单位。二进制数系统中，每个0或1就是一个位(bit)，其中8bit就称为一个字节(Byte)。计算机中的所有信息都以二进制的形式储存。2.字节计算机中存储数据的单元，1个字节等于8位二进制，是一个很具体的存储空间。上一页下一页返回6.2信息接口3.字符信息通过字符来表达。一个字符是一个字符集的成员。4.字符编码字符集中的字符在计算机中被编码为二进制数。其中使用最广泛的字符编码是美国信息互换标准编码(ASCII)。上一页下一页返回6.2信息接口5.串行与并行子系统之间传输的信息基本单位通常是字符。对于短距离数据传输，可用多条并行线来实现同一字符所有位的同时传输。对于在长距离上的数据传输，出于对并行线费用的考虑，通常将数据串行化通过一条单独的数据线以比特流的形式传输。上一页下一页返回6.2信息接口6.比特率与波特率比特率——每秒传送的比特(bit)数，数据传输的速度通常被表示成每秒传输的比特(bit数，即比特率，单位为b/s(BitPerSecond)。使用的较大的单位还有每秒千位(1000b/s)和百万位/s(1000000b/s)。波特率——单位时间内数据线上被传输的信号改变状态的次数。对于只用两种状态量的系统，信号比特率与波特率相等。有效的数据传输比特率和信号位比特率是有区别的。上一页下一页返回6.2信息接口波特率是模拟线路信号的速率，也称调制速率，如果数据不压缩，波特率等于每秒钟传输的数据位数，如果数据进行了压缩，那么每秒钟传输的数据位数通常大于调制速率，使得交换使用波特和比特/秒偶尔会产生错误。上一页下一页返回6.2信息接口7.同步与异步无论对于并口还是串口，同步都是必须解决的问题。通过一条传输线进行的通信既可以采用同步方式，也可以采用异步方式。在同步通信方式下，通过一个时钟同步数据的传输，因此传输发生有着固定的时间间隔。也正是由此，数据传输完成并不需要应答信号;在异步通信方式下，彼此通信的两个系统所使用的时钟并不同步，因此对于异步系统来说需要通过称为握手的方式来确认数据。上一页下一页返回6.2信息接口8.数据流控制在异步通信系统中的另外一个问题就是数据处理速度的问题。如果一个系统在数据处理上非常缓慢，就需要执行数据流控制以避免数据的丢失。而这样可能就需要增加额外的握手信号。同样的情况也出现在多任务系统中，由于其他的任务，系统处在大工作量的阶段可能不能及时处理输入进来的数据。上一页下一页返回6.2信息接口9.握手为了确保数据无误的有效传输，发送系统会使用单独的信号，以表示有效数据已经被提交给接口。由于并不知道接收设备会不会在数据传送的时刻及时对数据进行处理，发送设备必须在提交新的数据到接口前等待接收设备发出的应答信号。握手可以通过硬件和软件不同的方式来实现。上一页下一页返回6.2信息接口10.通信协议为确保通信系统正常运行，一个通信系统的运行受到一系列规则的制约。确保传输数据有效性和避免数据丢失的规则被称为通信协议。上一页下一页返回6.2信息接口11.错误处理数据通过通信线路的传输难免受到噪声的影响，因此保持数据的完整性就变得十分重要，也提出了很多不同的错误检测机制。最简单的补救措施就是在错误检测之后重新发送数据。许多复杂的通信协议也在协议层包括了复杂的错误修正机制。12.单工、半双工、全双工在最简单的情况下，通信可以通过一对单独的线路来实现。在这种方式下，数据的传输模式是单向传输，称之为单工通信。上一页下一页返回6.2信息接口在更多的应用中，需要通信是双方向的。如果通信线路的费用较高，可以两端加控制电路来分时控制一条单独的通信线路传输信号，但是需要在两端增加额外的电路，而且一段时间内只能有一个方向的数据传输。这种类型的数据传输被称为半双工通信。需要额外的握手信号来保证通信线路的时间复用。如果信号可以同时双向地在一条通信线路上传输，这种传输模式就叫做全双工通信。全双工通信如电话线路。上一页下一页返回6.2信息接口13.非平衡传输和平衡传输电气传输线路的实现可以通过两种基本方式，即平衡方式和非平衡方式。对于非平衡方式，一条单独的导线用来传输电压信号，这个信号是相对于地而言的。而地通常是所有信号的公共回路。如图6-3显示了非平衡传输系统的一个例子。符号D表示驱动端，符号R表示接收端。非平衡传输是相对廉价的，因为对于多传输线的情况，只需要一条公用回路线，但是这种类型的接口容易受到感应噪声和地噪声的影响，不适合长距离、高速数据通信。上一页下一页返回6.2信息接口地噪声与公共回路上电压的衰落有关，而感应噪声则由电磁场产生。这两种噪声都可能来自外部或来自邻近的传输电路。一种补救措施是使用同轴电缆、屏蔽电缆或对单个的信号使用单独的回路线。这些额外的措施也随之增加了接口的成本。平衡传输模式相对于非平衡模式有更好的噪声免疫力。用两条补偿信号线来传输数据信号，通过两个独立终端驱动器驱动一条双绞线实现。图6-4给出了一个两通道五线平衡数据传输的例子。符号T代表终端电阻。上一页下一页返回6.2信息接口在传输线的终端接收机使用终端电阻对于长距离的高速通信是非常关键的。如果没有终端电阻，传输线会引起严重的信号失真。感应噪声和地噪声出现在两条导线上，由于是共模信号，因此可以被差分接收机抑制。上一页下一页返回6.2信息接口在这种情况下，共模噪声信号被抑制，而负载数据的差分信号则被放大。因此，平衡数据传输线可以被应用于高传输率、长距离的场合。在图6-3和6-4中显示的平衡传输和非平衡传输都是通过两个单工接口，这种方式可以组成一个全双工点对点的通信通道。上一页下一页返回6.2信息接口14.点对点通信和多点通信如果通信发生在两个设备之间，我们就称这种通信连接为点对点连接。在机电系统中，经常要求主系统与众多的子系统通信。成本允许的情况下，可以通过多个点对点连接来实现。在每个点对点的设计中，主系统通过点对点的方式与每个子系统相连，也就需要各个子系统有单独的端口和通信线路。这种方式的连接如图6-5所示。另外也可以采用多点连接的方式，所有的设备连接在一条单独的传输线上，如图6-6所示。上一页下一页返回6.2信息接口在这种连接方式下，数据可以在网络中的任意两个设备间传递，这些设备必须既是接收机也是发射机，而发射机必须要求具有三态能力，不给线路增加额外的载荷。网络中的发射机通过复杂的通信协议来管理。多点通信的优点主要是相对单独通信有较低的成本，而缺点也就是相对复杂的通信协议和接口。上一页下一页返回6.2信息接口15.串行异步通信在异步串行通信中，数据以比特流的形式以不规则的时间间隔传输，二进制编码的字符被转换成串行数据流，并插入开始位和结束位。在数据流中也可以有选择地加入奇偶位。通常，计算机以字节、字等并行的方式描述信息，而与外部设备的通信主要是通过串行方式而并口和串口的转换则是通过被称为通用异步收发机(UART)的特殊集成电路实现的，UART如图6-7所示。图6-8给出了一个异步传输的典型数据流。上一页下一页返回6.2信息接口在空闲时间，传输线上是逻辑1(出于历史的原因也被称为“标记”)。数据流总是由置位逻辑0(也被称为“空”)的开始位来开始，在开始位之后是5~8个数据位代表一个字符，数据位后是一位可选择的奇偶位。而数据流通过一到两个逻辑1的停止位来结束，之后可以是空闲位也可以是下一个字符的开始位。空闲位对应于逻辑电平1。奇偶位是一个额外的插在数据位之后、结束位之前的位。它根据数据流的奇偶信息进行设置。上一页下一页返回6.2信息接口例如，如果是一个偶数数据，奇偶位的设置使得整个包括奇偶位的数据流中“1”的总数为偶数。奇偶位可被接收机用来检测错误。接收机从数据流的开始进行检测并正确采样数据流中的数位。检测到开始位后，接收机开始采样数位，理想的情况下是在每个数位的中点进行采样，如图6-8所示，这是一种理想采样的情况，接收机有50%的失真容差。在实际情况中，UART接收机用波特率发生器的频率采样信号时，信号的频率是传输信号波特率的16倍以上。上一页下一页返回6.2信息接口探测开始位的不确定性将使失真容差降低6.25%，达到43.75%。其他影响通信的因素包括传输线长度和类型、通信速度、线驱动器参数、传输线终点以及通信系统中的噪声水平等。16.通用异步收发机(UART)UART的基本功能是进行串并型数据的转换。通常UART包含一个接收机和一个发射机，二者可以同时独立运行。UART可以以半双工或全双工模式运行。由主机发来的并行数据被转换为异步串行的比特流。上一页下一页返回6.2信息接口UART自动加入开始位、可选的奇偶位和数位结束位，并通过发射机串行输出口(TxD)将数据流输出。图6-8给出了UART的典型设计，UART使用TTL兼容接口。TIA/EIA传输线驱动器和接收机则是针对具体的接口;因此，改变系统接口意味着改变传输线介质和相关的驱动器和接收机。而UART的使用则是独立于传输介质的。串行数据被接收机的串行数据输入端(RxD)接收并转换为并行数据。上一页下一页返回6.2信息接口在这一过程中，UART检测开始位、奇偶位(有的话)、停止位并报告任何错误信息。UART能够产生位串行异步通信所需要的所有信号。UART也同样可以报告一些错误条件，包括接收机溢出，奇偶校验错误，取景错误和断点错误等。当字节的接收速度比计算机的处理速度快的情况下，就会发生接收机溢出错误奇偶错误是指比特流的奇偶性在传输过程中被改变。取景错误是当采样的停止位不是逻辑电平1的时候产生的。断开错误是指通信线路的空闲时间等于或大于一个字符的持续时间时发生的。上一页下一页返回6.2信息接口6.2.3TIA/EIA串行接口标准1.RS-232串行接口RS-232是美国电子工业联盟(EIA)制定的串行数据通信的接口标准(1962年提出)。它被广泛用于计算机串行接口外设连接。现在由通信工业协会(TIA)和电子工业联盟(EIA)共同维护。计算机的快速发展对计算机与计算机之间的长距离传输提出了新的要求，而公共电话网则为这一通信任务提供了稳定而有效的设备。上一页下一页返回6.2信息接口由于计算机产生的是数字数据，而电话网络则是用来传输声音信号的，因此来自计算机的数字信号必须转换为调制信号才能在模拟网络中传输。Modem(调制解调器)就是将数字信号转化成调制的模拟信号的器件，然后通过电话线路传输，并通过电话线另外一端的Modem再次将模拟信号转换为数字信号。RS-232则正是被设计为计算机和Modem之间的接口。RS-232标准的正式名称是“数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。上一页下一页返回6.2信息接口其中的数据终端设备(DTE)代表计算机，而数据通信设备(DCE)代表Modem。图6-9给出了RS-232接口在系统中通过电话网络实现计算机到计算机通信的例子。每个端点的计算机代表数据终端设备(DTE)，而调制解调器则代表数据通信设备(DCE)。RS-232接口标准指定了DTE/DCE接口的机械特性、电气特性和功能特性。CCITTV.24接口也描述相雷同的功能特性并依赖于其他关于接口机械和电气特性的标准。上一页下一页返回6.2信息接口RS-232标准被广泛应用于两台计算机直接的点对点连接或计算机与机电系统中场元件的连接，在后一种情况中，我们使用的则是数据终端设备和数据终端设备间的直接接口。在这种情况下，并不需要调制解调器，连接两台数据终端设备间的电缆被称为“无调制解调器”电缆，它内置了调制解调器的功能，因此在连接中并不需要新添加调制解调器。机械特性是关于数据终端设备和数据通信设备间实际的物理连接的，这涉及管脚排布的标准和连接器的规格。上一页下一页返回6.2信息接口RS-232标准并未具体指定一种连接器的类型，但是通常使用一种25针D型(DB-25)连接器，这种连接器可以使用全部25针，如标准中所列出的那样在实际运用中，由于较少的数量的针脚被用到，因此出现了一种更常见的9针D型连接器(DB-9)作为一种替代方案。请注意，RS-232标准并未规定DB-9连接器的针脚排布，而且这种排布也与DB-25的针脚排布不同。上一页下一页返回6.2信息接口图6-10给出了DB-9连接器的针脚排布和数据终端设备和数据通信设备间的互联电路。图6-11则给出了DB-9连接器在数据终端设备直接相连情况下的管脚排布和互联电路图。在RS-232标准中规定的所有信号的详细功能描述已经超越了本章的范围，读者可以参考相关的标准。我们将描述最常用的信号，这些信号被运用于DTE/DCE以及DTE/DTE接口中。请注意，除了保护地电路和地信号电路外，电路所传递的信号都是单向的，如图6-11所示。功能特性规定了单个转换电路所执行的功能。上一页下一页返回6.2信息接口保护地(PG)—这条电路保证数据终端设备和数据通信设备在同一电位基点上。传输数据(TxD)—传输线信号由数据终端设备DTE到数据通信设备DCE。接收数据(RxD)—接收线信号由数据通信设备DCE传给数据终端设备DTE。请求发送(RTS)—这个信号要求数据通信设备传输数据。在半双工的通道中信号控制数据通信设备的数据传输方向。在一个单方向通道(单工)和全双工通道中该信号用来控制数据通信设备的传输状态(传输或非传输态)。该信号由数据终端设备DTE传递给数据通信设备DCE。上一页下一页返回6.2信息接口清除发送(CTS)—这个信号表示数据通信设备已经准备好接收并清除RTS信号。该信号由数据通信设备DCE发给数据终端设备DTE。数据准备好(DSR—这个信号表示数据通信设备已经准备好运行。该信号由数据通信设备DCE发送给数据终端设备DTE。地信号(SG)—这条线是所有信号线的共同的回路线。数据传输检测(DCD)—这个信号表示数据通信设备正在从另一个数据通信设备接收有效的调制信号。信号由数据通信设备DCE发送给数据终端设备DTE。上一页下一页返回6.2信息接口数据终端准备好(DTR)—这个信号表示数据终端设备上电并准备运行。该信号由数据终端设备DTE传递给数据通信设备DCE。RS-232是非平衡、单向的、点对点的接口。电气特性规定了信号的电压水平、信号改变频率以及转换电路的线阻抗。标准也规定了数字信号的不归零(NRZ)编码。该标准规定驱动器的设计保证终端负载电阻在3~7kΩ之间，驱动器必须能传送从+5~+15V的高电平和从-15~5V的低电平值，要求电气信号提供2V的信号容差，接收机的信号定义为高电平+3~+15V低电平-15~3V。上一页下一页返回6.2信息接口数据转换电路的高电平被定义成逻辑0(空)的，而低电平则被定义为逻辑1(标记)。另外，对于控制信号，高电平定义的是开状态，而低电平对应的是关状态。数据线和信号线的最大信号变化率被定义为30V/µs。最初的标准还规定了传输电缆的最大长度为15m。这个规定被EIA/TIA-232-D中最大负载电容值2500pF的标准所取代。最大电缆长度是由每单位长度电缆的电容值来决定;因此这个参数间接定义了接口电缆的最大长度。上一页下一页返回6.2信息接口RS-232接口的信号传输率(速率)的范围是从0~20kb/s。2.RS-422和RS-485接口TIA/EIA-422-B标准规定了平衡电压数字接口电路的电气特性，即对RS-422接口的电气特性进行了定义。RS-422指定了一种单向的、单驱动器的终端平衡接口。该标准允许在一条线路上超过10个以上的接收机。上一页下一页返回6.2信息接口由于RS-422接口改进了对噪声的抑制能力，使得它支持的数据传输率达到了10Mb/s以上，电缆的长度也超过1200m，虽然这两个参数不能同时达到。10Mb/s的最大数据传输率只有在电缆长度为12m时才能得到保证，而当电缆长度达到1200m时数据传输率只能保证在100kb/s,显然电缆长度和数据传输率的乘积是接口的一个限制参数。传输介质是双绞传输线。

TIA/EIA-485-A标准即“数字多点系统发生器和接收机的电气特性标准”，对RS-485接口的电气特性做出了规定。上一页下一页返回6.2信息接口RS-485是一个独特的标准，它允许一条双绞传输线上的多个节点间的双向通信。RS-485标准定义了一种低成本、多点平衡接口的电气特性、支持的电缆类型、电缆长度和数据传输率等指标与RS-422标准相同。RS-485部件的向后兼容性使得它可以替换RS-422标准的部件;然而，RS-422标准的部件不能应用在RS-485的系统中。RS-422通常应用于点对点的全双工通信系统中，而RS-485则应用于多点半双工通信系统中。上一页下一页返回6.2信息接口RS-485驱动器的显著特点是三态能力，这个能力允许同时使用多个驱动器。RS-485改进了驱动能力和输入电压范围，在同一传输线上可以同时支持32个以上的设备(驱动器、发射机)。图6-12是RS-485多点应用的典型例子。需要注意的是RS-422和RS-485标准只对电气标准做出了规定，并没有对机械和功能要求做出规定。完善的数据通信和设备与控制接口可参考相关文献。上一页下一页返回6.2信息接口6.2.4IEEE488——通用接口总线(GPIB)IEEE488标准所描述的接口，即本章所提到的通用接口总线GPIB，主要用于测试和测量系统中的设备及仪器连接。例如数字电压表、存储式示波器、打印机等设备。通常，这些设备也被称为通用接口总线设备。这些设备在控制器的协调下工作，很多现代系统都是由连接到数台计算机的通用接口总线设备组成的。在这样的系统中，由其中的一台计算机充当控制器。上一页下一页返回6.2信息接口这种接口最早由惠普公司于1965开发，当时命名为HPIB，并不作为通用的标准。1975年形成IEEE488并称为IEEE可编程器件标准数字接口。该标准规定了电气、机械、硬件等各个方面，即规定了其信号、功能和应用目标。设备制造商自由使用这一接口而没有严格遵循设备通信方面的标准协议。为了同一目标而生产的设备，由于制造商的不同造成了很多不同的指令。上一页下一页返回6.2信息接口有些设备通过对应的指令完成测量，而其他一些相同类型的设备却根本没有对应指令。而且，在设备数据传输和接收方面，也没有统一的数据格式。这种情况促成了IEEE488扩充标准的发展。新的标准于1987年发布，称为IEEE488.2标准，对IEEE488.1标准的编码、格式、协议和常用指令集进行了规范(IEEE488.1指最初的IEEE488标准)。兼容IEEE488.2的设备所提交的数据必须符合标准中对数据格式和编码的规定。上一页下一页返回6.2信息接口标准同时也制定了最少指令控制顺序和其他较少的可选指令，并同时提出了标准的状态报告模型，设备制造商必须贯彻这一模型，从而使设备程序员可以更容易判断设备的状态。虽然并没有成为正式标准，但是可编程设备标准指令(SCPI)于1990年被汇总起来作为各类不同设备的标准指令集。因此，生产数字电压表的不同制造商都会执行同样的通用接口总线。上一页下一页返回6.2信息接口1.通用接口总线硬件所有的GPIB设备都有特殊的电缆连接，每个端口为一个公型或母型连接器。这种连接器允许电缆上各设备间采用并联的形式。设备之间可以采用链式连接(也就是设备B接到设备A,设备C接到设备B,等等)或者采用星形连接(即设备A,B,C都连接到一个共同的节点上)。连接方式如图6-13所示。上一页下一页返回6.2信息接口最多允许15个设备连接到总线上，两个设备的最大间隔距离不超过4m，平均距离不能超过2m，并要求至少有2/3的设备有外接电源供电。GPIB电缆由24根线组成。其中的8根为数据线，3根用于握手信号，5根用于接口管理，剩下的8根为地线。在这些地线中一根是电缆屏蔽线，一根信号地线，三根握手信号地回路线，还有三根分别对应三个接口管理线的地回路线。所有的信号使用标准TTL负逻辑电平。其中，握手线和接口管理线在表6-1中列出。上一页下一页返回6.2信息接口2.控制器、发言者、听者控制器负责总线的一般管理。虽然在GPIB网络中允许存在众多的控制器，但是在给定时间内只能由唯一的责任控制器来管理总线。所有控制器发布到数据总线上的信息被称为“指令”，而其他由设备发送的信息则称为“数据”。任何时刻发送数据的GPIB设备被称为“发言者”，接收数据的设备称为“听者”。在任何给定的时间，可以有多个听者，但是只能有一个发言者。上一页下一页返回6.2信息接口一个系统可以有永远的发言者和听者;然而，如果功能允许，一个GPIB设备既可以是听者也可以是发言者。下面给出了信号线的简要说明，这将有助于对GPIB接口运行的进一步理解。3.接口管理线注意(ATN)—注意由责任控制器控制。当被置位时，表示数据线上的信号是一条指令所有的设备必须听取。当被清位时，表示数据线上为数据，通常由发言者传送给其他听者。上一页下一页返回6.2信息接口接口清零(IFC)—接口清零线由责任控制器置位，用来重新设置GPIB总线。在收到这个信号后，所有总线上的GPIB设备均进行初始化。远程控制使能(REN)——GPIB设备可以通过本地和远程方式控制。责任控制器置位REN，使所有设备处于远程编程模式下。例如DVM尺度的改变就可以通过一条GPIB指令来实现，而不是前端控制面板。服务请求(SRQ)—所有的设备除控制器外都可以异步置位SRQ请求控制器的服务。上一页下一页返回6.2信息接口控制器监控SRQ线并测试所有设备以决定要求服务的设备。结束确认(EOI)—发言者发出EOI信号指出发言者数据的结束，指示听者接收数据记录的结束。4.握手线通常情况下，一个完全的数据传输通过三个阶段的握手信号来达成:请求或准备、数据传输以及应答。在一些系统中，由于并不能保证数据传输的稳定性，因此可能还需要提供数据有效信号。在GPIB总线上，当一个发言者必须向一个听者传送数据时，控制器必须寻址一个设备指令其为发言者并指令其他相应设备为听者。上一页下一页返回6.2信息接口未准备好数据(NRFD——NRFD线由发送指令的控制器或正在发送数据的发言者控制。一个被指令为听者的设备将清除NRFD以告知发言者它已经准备好接受数据。对于所有的听者，其中最慢的设备将最后一个清除NRFD也因此决定了数据传输的速度。数据有效(DAV)—当所有的听者都清除NRFD准备接收数据后，发言者(或发送指令的控制器)将置位DAV信号告知所有的听者数据线DI01-DI08上的数据为有效数据。上一页下一页返回6.2信息接口响应DAV信号后，听者可以置位NRFD停止进一步的数据传输直到接受完传输的所有数据。未接收到数据(NDAV)——NDAV线作为应答信号由所有的听者驱动。当数据被所有的听者接受后，NDAV信号被清除。这时发言者才能删除数据并清除DAV信号。5.数据线DI01-DI08数据线由发布指令的控制器或发言者控制。当控制器指令一个设备成为发言者后，该设备会将数据放在DI01-DI08数据线上并至少维持T1s。上一页下一页返回6.2信息接口6.GPIB设备寻址所有连接到GIPB总线上的设备都有一个唯一的GPIB地址。一个设备可以有一个主地址和一个从地址，而大多数设备只有一个主地址，地址是一个0~30之间的十进制数。通常，设备的地址就像是设置控制器的开关。控制器通过在数据线上发送一位模式指定具有特定地址的设备成为发言者或听者。位模式的形式在表6-2中列出。数据位从D7~D0编号，每一位的值也在下面列出。符号A表示0或1。上一页下一页返回6.2信息接口D4~D0代表设备的地址。符号X表示未用到，忽略该位。当控制器指令设备成为发言者时，TA被置1;当控制器指令设备成为听者时，LA被置1。例如，若控制器指定一个地址为15的设备为发言者，则控制器必须发送如下位模式到数据线DI08-DI01。指令地址为15的设备为发言者:01001111=4F(十六进制)。同样指定地址为0的设备为听者:00100000=20清除当前发言者:01011111=5F清除所有听者:00111111=3F上一页下一页返回6.2信息接口注意，清除发言者和听者的指令很像设置听者和发言者的指令;然而地址31是不存在的。因此，地址31会影响清除发言者和听者。对于控制器，IEEE488.2标准提供了要求的和可选的控制序列。所有符合IEEE488.2标准的控制器必须支持所有的指令。标准同时提供了控制协议，协议由一系列的控制序列组成。对于设备，IEEE488.2规定了一系列的强制指令和查询。例如，当兼容IEEE488.2标准的设备接收到RST命令时，这些设备必须执行重置。上一页返回6.3数据采集数据采集系统的目的是把握和分析现实世界中的某些物理现象。光、温度、压力和扭矩等各种不同信号都能由数据采集系统采集到。同时，数据采集系统还可以提供电信号。这些信号既可以智能地控制机械系统，也可能产生激励以便数据采集系统测量系统的反应。数据采集系统为实验测试设计、理论及真实系统的认识和研究提供经验参考。图6-14展示了一种典型的基于计算机的数据采集模块。举例来说，现代汽车的设计和生产就非常依赖于数据采集。下一页返回6.3数据采集工程师首先使用数据采集方法检验汽车各配件的设计，包括测量整体的机械应力、风噪声及耐用性。而通过对发动机的振动和温度测量可以评估设计的质量。随后，设计者和工程师们利用这些数据对最初的原形进行优化设计。原形车在测试跑道进行不同条件下的测试，各种信息都通过数据采集来获得。经过不断的设计改进及数据采集，汽车最后交付生产。数据采集设备可以监视汽车装配，还可以检查整车是否符合规范。最初，一个数据采集仪器只能由一个操作者来单独控制。上一页下一页返回6.3数据采集当PC机出现后，数据采集仪器可以通过串口、并口或其他通用接口连接到计算机上。计算机程序可以自动控制这些仪器，并对采集来的数据进行保存、分析或显示。现在，这些数据采集的工具和仪器通过高速通信连接都集成在计算机上。计算机与仪器工具之间的兼容能力使它们能更紧密地连接在一起。由于数据采集仪器需要采集电信号，所以传感器必须先将物理信号转换成电信号。典型的例子如热电偶。上一页下一页返回6.3数据采集热电偶借助于不同的金属将温度转换为电压。随着温度的增加，热电偶产生的电压随之增加。随后，软件程序将读来的电压值换算成温度加以分析、显示和记录。很多传感器能产生电流而不是电压。电流信号优于电压信号，因为信号在传输到数据采集仪的过程中，经过微小的导线电阻而不会衰减。然而，产生电流信号的传感器有一大缺点，即数据采集仪只识别电压，而不是电流。一般来说，测量电流的数据采集仪用一个很小的固定电阻将得到的电流转换为可用的电压。上一页下一页返回6.3数据采集要采集的模拟信号可以分成两种基本类型:随机信号和确定信号。数据采集仪可以获取和产生这两种类型信号。随机信号不会重复出现，频谱光滑。麦克风静电噪声就是一个随机信号的例子。确定信号与随机信号不同，它可以由一系列正弦信号叠加而成。确定性信号可以分割成周期信号和瞬变信号。周期信号是在固定的间隔时间中重复同样的波形，而瞬变信号的产生和消亡只在一瞬间，不会按规律重复出现。上一页下一页返回6.3数据采集瞬变信号是非周期的，只是对某些激励所做出的有限时间的反应。数字输入和输出常常集成到数据采集硬件中，用来感知触点、控制继电器和灯具的通断以及测试数字设备。一般常用TTL和与TTL兼容的CMOS作数字电平。两者都为数字硬件提供SV的标准电平。数据采集仪的数据传输速率从非闸门到高速传输差别很大。非闸门数字输入和输出是指如果软件命令设定数字排列和监视状态，这种形式的输入/输出也被称作静态或直接数字I/O，其最大传输速度主要依赖于计算机硬件、操作系统及应用程序。上一页下一页返回6.3数据采集模式数字输入/输出是指在时钟信号控制数字模式的输入/输出。数据发送和接收速率取决于数据采集仪的特性、数据采集量，还有计算机本身的速度。基于计算机的数据采集硬件的I/O类型还有一种计数器/定时器I/O。计数器/定时器能测量和产生时间边沿数字脉冲。这些脉冲和数字输入/输出一样，同样是TTL和或与TTL相兼容的CMOS信号。用它们来测量和产生一定数量的时间边沿信号包括事件计数，脉冲序列，频移按键以及监视积分译码器等。上一页下一页返回6.3数据采集计数次数和响应的最大频率是计数/定时器的两大参数。计数次数一般以位表示，决定了计数器所能计数的最大值。例如，32bit的计数器能计数232-1=4294967295次事件，然后重新回到零值。响应的最大频率是指计数器响应信号的最快速度。80MHz的计数器对事件的计数速度是每12.5ns计数一次。实际上不会出现毫无噪声的完美信号。信号调节就是尽可能地去除数字或模拟信号中的不需要的部分。上一页下一页返回6.3数据采集实际的模拟信号中通常既包含确定信号，也包含随机信号，数字信号则不会是平整的方形。测量仪器，特别是用来测量高频模拟信号的，通常带有消除混叠噪声的过滤器。这种低通滤波器可以阻止所需信号频率以上的信号通过，从而增加了测量的准确性。数字通道和计数/定时器通道也需加上滤波器，以从信号中滤除毛刺，避免在上升或下降边缘的测量出现错误。隔离是另一种信号调节方法，它将测试硬件电路与待测信号隔离起来，消除了测试硬件和信号之间的巨大电势差异，从而保护测试硬件免受大的电压和电流造成的损坏。上一页下一页返回6.3数据采集数据采集仪的核心是数/模转换器(DAC)、模/数转换器(ADC)或者两者的综合ADC表示的电压值存在一段列表中，它的作用就是从列表中选择合适的值，来使其最接近具体时间采样来的真实电压。然后将这个值以二进制形式传到计算机上。而DAC则根据二进制列表产生出模拟电压，产生的电压一直保持到DAC从计算机读来另一个值为止。为了获取和产生模拟电压波形，DAC和ADC都需要按照准确的时间间隔来工作。因此，测试硬件中必须有时钟电路来产生恒定频率的脉冲序列以控制ADC和DAC。上一页下一页返回6.3数据采集计算机从ADC读数据和给DAC写数据都需要通过总线。总线是一组电导线，可以在计算机内部传送信息。典型的总线有PCI和USB。总线既可以传送控制信息，也可以与测试硬件交换二进制的测量数据。在选择总线时，最先考虑的是总线传输速率，通常以每秒兆字节(Mbytes/s)来表示。一个信号的模拟值可能占用不了1字节，也可能多达4字节，主要取决于测量硬件的类型。总线可在多个设备中共享，不用总线时，数据采集仪常常使用片内存储器来存储数据。上一页下一页返回6.3数据采集在高速的数据采集过程中，存储器可以保存所有的数据，并在采集结束后，将它们传递给计算机进行处理。当以多通道进行高速数据采集时，弄清信号之间的相位关系就显得尤为重要。如果用多通道数据采集仪获取或产生信号，有很多方法可以使系统同步，从而保证相位关系的稳定。一种方法就是在数据采集中共享ADC和DAC时钟，实时系统总线(RTSI)将各部分连接在一起共享时间电路。锁相环(PLL)是一种更复杂的同步方法。上一页下一页返回6.3数据采集给数据采集仪的所有部分都提供参考信号，内部时钟则和参考信号保持稳定的相位关系。这样就能保证确定的相位关系，即使对不同的样本取样或更新速度时采用不同的测试硬件。图6-15所示的是一个典型的数据采集硬件的各部分。实际模拟电压和由二进制数值列表中取得的近似电压之间的差值叫量化误差。在无噪声的理想数字仪器中，量化误差完全反映了实际电压和测量电压之间的差别。但是，没有测试硬件或测量环境是绝对理想的。上一页下一页返回6.3数据采集所以考虑到量化误差、不可避免的系统噪声及硬件局限等因素时，仪器描述的正确性就打折扣了。正确度和精确度常常被混淆。精确度指对恒定信号源多次测量所得到的误差。即使仪器很精确，但其所测与实际信号的确不同，虽然读数是一致的，但仍不会是正确的。数据采集系统的正确度会随温度、时间及使用方法的不同而改变。数据采集硬件能储存校正常数，以补偿偏移误差和增益误差。上一页下一页返回6.3数据采集如果不考虑电压的具体值，偏移误差是电压测量值与真实值之间的一个常量差值。增益误差则随着测量电压的增加而线性增加。数据采集系统需要理解的最后部分是其软件。驱动程序是一组指令的集合，程序员可以在整个应用中调用它。驱动程序通常由硬件生产商提供，程序员借助驱动程序的帮助，用编程语言来编制应用程序，如图6-16所示。编制好的应用程序可以提供给用户进行控制和采集硬件数据。这样，满足用户需求的专用仪器设计就完成了。上一页下一页返回6.3数据采集6.3.1A/D和D/A转换随着计算机的普及，工程师和科学家都认识到计算机将成为有力的工具。但是，几乎所有的现实世界中的现象(光、压力、速度、温度等)都是模拟信号，而计算机是基于数字信号的。因此，许多公司都开始投资模/数和数/模转换器(ADC和DAC)的开发。这些器件已成为测试设备的重要组成部分。1.采样要把模拟信号转换成数字信号必须先采样。上一页下一页返回6.3数据采集采样就是每隔一个特定的时间间隔提取一个信号值通常，采样时间要均匀，例如一个离散系统每5µs转换一个信号或者说采样频率是200kS/s。一个典型的采样电路包括两个主要部分—一是追踪保持电路(T/H)和ADC。因为实际的A/D转换需要一定的时间，所以必须保持被转换信号在一定时间内为定值，即尽管信号一直在发生变化，采样后追踪器保持采样值不变，直到转换完成后立刻释放当前值，准备追踪下一个值。另外，一个波形包含无数的采样点，不可能每一个值都能捕捉到，所以采样的一些信息丢失在所难免。上一页下一页返回6.3数据采集这一缺点称为低采样或采样过慢。想得到一个10kHz的正弦波，而采样频率只有5kS/s所得到波形并非预期的。不同的采样频率导致不同的结果。低采样会导致混叠现象。根据Nyquist采样理论，采样频率应至少是信号最高频率的两倍。一般来说，这个理论只能保证频率信息不丢失，如果要得到不失真的波形，采样频率至少要为信号频率的10倍。上一页下一页返回6.3数据采集2.ADC的技术规范量程——ADC的输入量程是ADC所能转换的电压范围。例如，ADC的量程是0~5V，也就是说ADC能转换0~5V之间的输入电压。量程的上下限值分别称为负量程和正量程。如果负量程为0V则ADC为单极;如果正负量程值相等，如-5~+5V，则ADC为双极。若有电压值超出该范围，ADC会提示溢出，大部分ADC会返回一个最接近端点电压的值。分辨率——数字转换器的分辨率就是可转换的最小电压值。而ADC的分辨率与它所产生的二进制的位数有关。上一页下一页返回6.3数据采集例如，一个12位ADC表示用12位二进制数表示被转换的模拟量，这种12位ADC可以转换4096=212)数量。另一种表示分辨率的方法是用十进制，量程为1V的6位伏特表所测量的值为-0.999999到+0.999999，最小刻度值为0.000001。译码协议——ADC表示输出的不同格式称为译码协议。二进制的ADC用全0表示负的最大值，用全为1表示正的最大值(如3位转换器表示转换范围从000~111)。线性误差——线性误差是ADC最大、最普遍的误差，只要校准或者与一个常量相加或相乘就可以修正。上一页下一页返回6.3数据采集虽然线性误差不会使ADC的转换出现偏差，却改变了ADC正常转换的范围。非线性误差——跟线性误差不一样，模拟信号和数字信号的非线性误差的补偿都是非常难的，减少非线性误差的最好方法就是选择专业的、设计优良的ADC。非线性误差按其形式可分为两类:微分非线性(DNL)和积分非线性(INL)。DNL测量最小可测变化中的一些无规律的实际数值，用于和理想数值进行比较。INL测量与理想线性变化的偏差。上一页下一页返回6.3数据采集关于ADC的微分非线性的另一个重要说明是数据丢失的微分非线性，丢失的数据会被认为一个长度为0LSB的数据，这时函数会在这个点跳过两个LSB,剪掉了ADC的局部数据。因此，如果没有数据丢失，ADC数据表可详细说明。另一种可以获得相同的信息的方法包含在INL中，被称作相对精度的测量方法。相对精度显示离理想转换的程度，也包括传递函数任意部分的量化的偏离理想的阶梯式误差，一个理想的无噪声的ADC，在最坏的环境下，相对精度法也要比INL强得多。上一页下一页返回6.3数据采集间隙误差——所有的ADC都需要信号，当ADC接收到信号将会出现一段时间的延时后信号才会保持，这一小段时间叫间隙延时，大多数的ADC都仅有十亿分之几秒。然而，大多数测量设备在ADC之前都有一些其他的电路，如放大器，它有消除ADC间隙延时的作用，例如，ADC有10ns的延时，放大器有160ns的延时，则系统的有效间隙延时是-150ns。噪声——噪声限制了ADC的分辨率，这是因为一个妨碍波形会出现在输入信号的波形里。最常见的噪声是热噪声。热噪声来源于所有的电子设备，高温和结构中的电阻会增加热噪声。上一页下一页返回6.3数据采集其他一些常见的噪声来源于与电路附近连接的电磁，例如逻辑和定时电路。通常噪声用电压峰一峰值或均方差，或者LSB峰一峰值或均方差来描述。噪声能进入ADC，也有方法使噪声脱离信号，只要假定噪声是独立信号。在DC测量中，最常用的减噪的方法是获得一系列的点和平均值。如果是所有频率中具有同等能量密度的随机自噪声，通过取样本平均值的平方根会减少噪声的总数量。上一页下一页返回6.3数据采集如果噪声是一个周期性的波形干扰，可以用触发器测量大量的波形数据，再平均这些波形数据就可以减噪。大多数数字式示波器有波形平均功能。大多数ADC的噪声说明都是为了获得安静、低阻抗信号ADC为了不受噪声干扰，应该将信号与屏蔽的输入装置连接，从而使信号不受电磁干扰。动态范围——动态范围是ADC能表示的最大信号与最小信号的比例，是ADC的满刻度值与可测试的最小噪声电平的比值，它通常用以下公式表示动态范围=201og(S/N)(dB)上一页下一页返回6.3数据采集式中，S是大信号电平;N是噪声电平。噪声电平包括ADC的量子化噪声，对于理想的ADC相当于1/LSBrms，一个完整的正弦波的振幅是2n-1LSB或者(n=ADC的位数)。因此，理想的ADC的动态范围是

既然没有理想的ADC，有效的ADC的位数(ENOB)就可以用上面的公式计算出来，ENOB表示ADC的实际的分辨率，其计算公式为

N0B=(动态范围-1.7609)/6.0206上一页下一页返回6.3数据采集例如，一个12位的ADC的动态范围为69dB，它的有效的ENOB是11.17位。ADC的类型——所有的ADC都是为了把模拟信号转变成数字信号，ADC有两个重要的参数:转变速度和分辨率，大多数情况下，速度和分辨率是互相折中的。例如，一个速度为100MS/s的转换器在24位下不是可用的，但也有100MS/s的转换器(可能只有8位)和24位的(可能只有1kS/s的速度)，所以根据实际应用来选择ADC是非常重要的。尽管有许多种ADC，但是它们还是有一些共性，ADC转换器的心脏都是比较器。上一页下一页返回6.3数据采集比较器是一个简单的1位ADC，它有两个模拟信号输入端口和一个数字输出端口，一个模拟输入信号是已知的基准电压，另一个输入或者高于或者低于它，这个信号会变成数字1或0有的ADC实际上是由多个比较器组成的，但它们的基本理论都是一样的。Flash闪存—闪存ADC是用得最快的ADC，每秒钟可采样数千兆次。然而，速度的提高是以分辨率的降低为交换的，闪存转换器的分辨率只有10位或者更低。一个n位分辨率的闪存转换器由2n-1个高速比较器并联组成，如图6-17。上一页下一页返回6.3数据采集两个基准电压间的2n-1个电阻供给一组相同输入范围的电压，每个电阻均与一个比较器相连，输入电压与每一个电平比较，当所有电压低于输入电压时，计算器输出为1，反之为0，这些数字值会传输到逻辑电路进而转换成一个n字节的数值。由于设计简单，闪存转换器速度虽快，但是随着分辨率的提高，比较器和电阻的数量都要同时增加，支持转换器的大小和功率也要相应的增加，这样转换器就受到了分辨率的限制。然而，因为各个转换器的电阻值只有百分之几的差别，所以闪存ADC的差分线性度很好。上一页下一页返回6.3数据采集连续逼近式寄存器——连续逼近式寄存器(SAR)ADC是最常用的ADC，它的分辨率可达8~16位，速度可达10MS/s。这些ADC成本低且通常有很好的积分线性度。SARADC的反馈回路中有一个高速DAC，如图6-18所示。SAR通过一系列的水平重复DAC的操作返回电压值与输入电压作比较，在此过程中，SAR建立n位的数字输出作为比较结果。SAR运行结束后，DAC的输出尽可能接近输入信号，DAC的数字输入就成为SARADC的输出。上一页下一页返回6.3数据采集SAR的一个较好的现实模拟方法是大平标尺。如果不知道质量的物体被放在大平的一端，在大平的另一端放置祛码直到大平平衡，这样就得到了该物体的质量。ADC的速度取决于DAC的反馈回路所能处理的能力。实际上，DAC要想获得理想的分辨率就必须对n位信号处理n次。为了实现更快的速度，SAR结构可以作为主要部分应用于不同的ADC，这就是多级式ADC,如图6-19,多级转换器由SAR和闪存转换器组成，能提供比SARs更快的采样速率和比闪存转换器更高的分辨率。上一页下一页返回6.3数据采集积分——积分ADC与闪存转换器正好相反，可以返回高分辨率读数，但是它的运行速度很慢。积分ADCs构造非常简单，它是由一个积分放大器、一个比较器、一个数字计数器和一个非常稳定的电容组成。最常用的积分ADC是双斜率ADC，在这种ADC中，电容先放电以保证没有任何电压作用。在某设定时间内，输入信号穿过电容，电容开始充电，充电时间为T1充电的速率与输入电压成一定比例。上一页下一页返回6.3数据采集充电结束后，电容转变为一个负的基准电压并开始以与基准电压成比例的速度放电，数字计数器仅仅记录电容器的放电时间T2既然T1和电容器的放电速度都已知，通过一个简单的比例关系就可得到输入电压。需要特别注意的是，转换器并不直接测量输入电压，而是通过测量放电时间和数字逻辑值计算得到。这种方法有消除噪声的优点。另外，大多数积分ADC通过多个交流行扫描周期扫描以消除电力系统所引起的杂散电磁场。Sigma-Delta——Sigma-Delta(SD)ADC是最普通的ADC之一，这应归于它的速度与分辨率曲线。上一页下一页返回6.3数据采集SDADCs在采样速率为几十万每秒的情况下有16~24位的分辨率。这样的速度和分辨率对于一些特定的应用软件是完美的，例如振动和音频分析。然而综合工艺使得ADC具有较低的精确度。图6-20显示了SDADC的结构设计。SDADC的心脏是一个1位的ADC，它以惊人高的速度采样。典型的1位ADC的采样速率为64倍或128倍的样本速率，这个过程叫“过采样”。上一页下一页返回6.3数据采集除了高速ADC外，SD结构在反馈回路中还包含一个模拟低通滤波器和一个DAC,否则会不可避免地使量子化噪声进入高频波段。噪声的这种光谱是整个过程的一部分，叫做噪声成形。反馈回路的输出实际只是一位转换流，然后进入数字滤波器数字滤波器将增加分辨率，同时降低数据速率。从反馈回路出来的数据将经过低通数字滤波器进行过滤。经过这个过程，SDADC就会输出感兴趣的频率段内的高分辨率结果，这样就除去了大部分固有的电磁噪声。上一页下一页返回6.3数据采集3.DAC技术规范数/模转换器DAC——和ADC相反，DAC是把数字信号转换为一定电压水平下的模拟信号的设备。尽管有许多将ADC应用于DACs的理论，但是DAC仍存在一些特定的术语和和现象。更新——更新可认为是DAC再采样。如果把一组数字值输入DAC而产生一个正弦波，需要说明波形是怎样产生的。简单地说，更新率是指DAC在单位时间内能输出的模拟信号数量，一般用每秒中的采样数。上一页下一页返回6.3数据采集量程——DAC的量程与ADC的定义是一样的，主要指DAC可输出电压的范围。分辨率——DAC的分辨率与ADC的定义是一样的，但观点是相反的。ADC的分辨率说的是多少位数可以描述一个模拟值，因此给出了我们所能获得的间隔。DAC的分辨率表示的是需要多少位的数字值输入DAC才工作。单调性——DAC最有用的技术规则之一是单调性。如果DAC是单调的，意味着模拟输出量是随着数字值的增加而增加，或者不变。上一页下一页返回6.3数据采集相反地，如果一个设备是不单调的，一个或者多个模拟值可能会小于其相应的数值。因此，DAC务必要在所有位上单调。置位时间和回转速率——置位时间和回转速率共同定义了DAC变化输出模拟值的速度，置位时间说明DAC的输出值达到指定的精确水平的时间，大多数DAC的置位时间是指电压从最小输出值变到最大值所需时间，回转速率是指每秒钟变化的电压值，是DAC输出值的最大改变速度。上一页下一页返回6.3数据采集因此具有快的回转速率和小的置位时间可以产生高频率的信号，这是因为获得精确的电压只需要非常短的时间。偏移误差和增益误差——偏移误差是指DAC输入的数字值是0时，输出的模拟值不为0的传递特性。从0到最大时的量程会偏离给定值，因为偏移会贯穿整个传递函数，偏移误差可以被认为是或高或低的偏离理论值的平移。增益误差是指线性偏离DAC的理论值，它可能由多种因素引起，从而引起理论值发生斜率变化。上一页下一页返回6.3数据采集DAC的结构——和ADC不一样，DAC不是在很大的范围内使用近似法来把输入的数字量转换成模拟量。几乎所有的DAC都使用开关网络、电阻网络和加法放大器的组合，这并不是说所有的DAC都有一样的设计，但所依据的开关原则是一样的。开关网络——DAC的开关网络可以被认为是转换的心脏，既然数字的每一位不是1就是0，那么这些位就可以控制单一的开关。这些开关又控制着一些模拟电路的模拟值的产生。例如，一个3-bitDAC应该包含三个开关，每个开关控制一位输入数据。上一页下一页返回6.3数据采集依据特定的编码，这些开关将关闭并从参考电源产生一个模拟量，而参考电源是使用数字表示的，如图6-21。依据DAC模拟电路的设计，开关可能将电流或基准电压和电阻网络连接。电阻网络——电阻网络在DAC中提供不同级的模拟输出电压，即DAC的输出。虽然在设计DAC时电阻结构不同，但是基本法则都相同。图6-21所示为双电阻四边形的方法。图中0~3位和4~7位被一个单电阻隔开。这两个独立的组都有1R-2R-4R-8R电阻值的电阻四边形，其中，R=10Ω。上一页下一页返回6.3数据采集如果开关处于位置1，按比例产生的电流将会通过相应的电阻。因此，如果开通0位，将会产生与1/1R成比例的电流;反之，如果开关2合上，将会产生与1/4R成比例的电流。两个四边形之间的电阻会使电流按16:1的比例衰减，所以即使位4产生与1/1R成比例的电流，一旦到达放大器就会得到按比例1/16R缩放的电流。上一页下一页返回6.3数据采集在这种情况下，0位是最高有效位，而7位是最低有效位。加法放大器——在图6-21中，运算放大器用作加法放大器。正如不同的位产生特定的电流，运算放大器用来采集电流的和，并产生输出电压。运算放大器的输出电压以模拟量表示并反馈到DAC。上一页下一页返回6.3数据采集6.3.2信号调理仪器使用的Kelvin第一定律指出，本质上测量仪器不能改变被测对象。测量仪器由输入传感器、信号调理单元、数据处理和显示单元组成。我们所说的仪器广义上理解为任何实际系统中的测量子系统。如果要求不失真地复现被测对象，对转换器提出的要求有:幅值线性度、相位线性度和足够的频率响应。信号调节装置的任务是接收传感器的输出信号并把信号以合适的形式输出到测量设备的其他部分。上一页下一页返回6.3数据采集模拟信号调理可以包括严格的线性操作、严格的非线性操作或者两者的结合。另外，信号调理装置还可以提供一些其他的用途，比如引入绝缘，为传感器提供参考电压或产生激励信号。主要的线性操作包括调幅、阻抗变换、线性滤波和调制。非线性操作包括获取输入信号的均方根、方根、绝对值或对数值。可以用来建立模拟信号调理电路的模块或集成电路(IC)很多。上一页下一页返回6.3数据采集这些模块包括运算放大器、仪表放大器、隔离放大器和其他非线性电路，如比较器、乘法器/除法器、对数/反对数放大器、直流均方根转换器和三角函数发生器。1.线性操作1)调幅在信号处理之前，从转换器输出的信号的振幅必须进行调幅——可以放大，也可以衰减。2)放大放大通常使用运算放大器、仪表放大器或隔离放大器来实现。上一页下一页返回6.3数据采集(1)运算放大器。传统的运算放大器有一个微分输入端口和一个输出端口。经常用理想运算放大器当做实际运放模型的第一次逼近，有无限的增益，无限的带宽，无限的输入电阻，无限的回转速度和无限的共模抑制比。还有零输出阻抗、零噪声、零电流漂移、零电压漂移。当然，实际的运放不可能全部满足这些要求。上一页下一页返回6.3数据采集选择运算放大器要考虑的重要参数包括:①直流电压增益K0;②小信号增益带宽积(GBWP)fT，对于大多数运放来说，fT=K0f1，其中，f1是运算器传递函数中的截止频率。GBEP是运放的闭环、高频特性;③回转率是运算放大器处理大信号的指标，其范围从1V/µs到几千伏特每微秒。其他参数如输入/输出阻抗、直流电压偏移量、直流电流偏移量、电压和电流的漂移、噪声特性等，在具体应用中选择运算放大器时必须考虑。运算放大器有很多种。上一页下一页返回6.3数据采集作为对普通运放的补充，很多运算放大器把一种或几种特性做到最优。运算放大器的一些种类有:①低噪声运算放大器，在对微弱噪声进行放大时很有用;②断续运算放大器，应用在要求直流非常稳定的场合;③快速运算放大器，应用于大回转率、大GBWP的场合;④功率放大器，当需要给负载提供大于几毫安的电流时要使用;⑤静电放大器，当要求输入阻抗>1013Ω和电流偏移量<1pA时要用。上一页下一页返回6.3数据采集在任何一本电路理论的教材中都有关运算放大器和其基本电路结构的介绍，读者可以找到详细的理论发展和许多有用的结构和应用。(2)仪表放大器。仪表放大器(IA)提供高输入阻抗、低输出阻抗、稳定增益、相对高的共模抑制比(CMR)和相对低的偏移和漂移，使模块性能最优化。仪表放大器适合于放大各种各样传感器的输出量，比如在电阻应变计中用来放大高共模电压下的微弱信号，也可以用于传感器和仪器的其他部分在一定程度上隔离的情况。上一页下一页返回6.3数据采集虽然仪表放大器可以用常规的运算放大器组成，一个三运放结构就是典型的证明，使用方便，价格便宜。一些IAs有数位可编程增益，还有的可以经由外部引脚用互连内部电阻的方式编程。更多基本的IAs通过外部电阻设置增益。(3)隔离放大器。隔离放大器用在高共模电压测试安全、准确和高共模抑制比的场合，也用于要求直流安全性和保证行频漏电流的时候，比如医疗设备。隔离放大器可以认为是由三部分组成:输入级、输出级和电源电路。上一页下一页返回6.3数据采集所有的隔离放大器的输入级都以流电所产生的方式与输出级隔离。通过调制解调实现输入级和输出级的通信。如果在电源电路和输出级之间连接直流电，隔离放大器可以提供两端口的隔离。如果电源电路和输入级、输出级隔离，隔离放大器提供三端口的隔离。3)衰减虽然大多数传感器输出的信号微弱，如热电偶、热敏电阻、电阻检测器、电阻应变计等，它们的输出需要放大，但是在很多情况下输入信号在送入系统的其他部分之前都需要先衰减。上一页下一页返回6.3数据采集(1)电压缩放。多数信号都是以电压的形式衰减。所以，衰减可以用分压器或变压器实现。分压器——在许多情况下简单的链式分压器就足够了。两元素阻抗链的传递函数Z1(s)和Z2(s)是输出电压V0(s)是通过Z1(s)的电压，输入电压Vi是通过两元素阻抗的电压和。当然设计分压网络时，源(传感器)和负载(系统其他部分)的阻抗必须考虑。上一页下一页返回6.3数据采集阻抗分配器——如果链中的元素是电阻，分配器可应用于从直流到电阻的阻抗在电路中不起作用的高频状态中。对于Z1(s)=R1和Z2(s)=R2，有

还有一些其他结构的阻抗分配器。Kelvin-Varley分配器就是一个例子，它的几个优点使其能在高精度要求的场合很适用。上一页下一页返回6.3数据采集电容分配器——如果链中的元素是电容，分配器的传递函数为

这种形式的分配器应用于低频到几兆赫的高频。普遍应用于大电压的比例缩放。电感分配器——如果链中的元素是电感，分配器的作用相当于自藕变压器。电感分配器应用于从几赫兹到几百千赫，误差可达到十亿分之几。电压变压器——电压变压器是电压在行频上按比例缩放的最普遍的方法。上一页下一页返回6.3数据采集标准双端口结构在电压在200kV以上时不适用。因为在过高的电压下，可以使用选择性的结构，如电容电压变压器和电压串联变压器。(2)电流缩放。电流缩放可以通过电流分路器或电流变换器实现。电流分路器实质上是一个已知的精确的电阻，使定量的电流通过。电流通过分路器产生的电压是定量的。分路器用于直流电和音频范围的频率内。上一页下一页返回6.3数据采集两个缺点是:①分路器消耗功率;②测量电路必须和分路器电势相同。电流变换器克服了电流分路器的缺点。电流变换器由特殊结构环形铁芯组成，在它之上的二次绕组被预先包装，通过它缠绕主绕组。单匝绕组很常见，多匝也有应用。上一页下一页返回6.3数据采集(3)其他衰减器。衰减器作为对上述电压和电流按比例缩放手段的补充，除减小电压和电流之外，它还有匹配电源和负载电路的能力。常用平台有T形、L形，有平衡的或非平衡的。上一页下一页返回6.3数据采集(4)阻抗变换。通常，传感器的阻抗必须转换成更易被测试系统的其他部分接收的值。在许多情况下，最大功率必须从传感器的输出转移到其他电路部分。在其他一些情况下，提供缓冲使传感器获得高阻抗，系统其他部分获得低阻抗，电压增益一致意义重大。匹配变压器、无源匹配网络如衰减平台、增益一致缓冲器都是达到阻抗变换的标准方法。增益一致缓冲器在IC中使用情况良好。上一页下一页返回6.3数据采集(5)线性滤波。尽管数字滤波比模拟滤波有很多优点，但是频