《智能仪器设计 》课件-14数据采集

测控技术与仪器专业必修课*智能仪器设计授课人：宋凯单位：电气学院11干扰传播路径：

静电、电磁感应，辐射电磁，漏电流，公共阻抗

抗干扰措施屏蔽技术：电磁屏蔽、电缆屏蔽层隔离技术：切断地环路电流干扰滤波技术：阻止电源干扰、抑制串模干扰

接地技术：作用、方式和原则内容回顾23抗干扰措施主要有以下几种：模拟信号通过各类隔离放大器进行隔离；数字信号用光电耦合器隔离；模拟地和数字地分开，避免公共地阻抗对模拟信号和数字信号产生耦合作用；用电流传输代替电压传输；采用双绞线、同轴电缆或屏蔽线进行传输；长线传输的阻抗匹配。抗干扰措施内容回顾4单点接地内容回顾5单点接地内容回顾6多点接地内容回顾(1)滤波器技术模拟滤波器数字滤波器(2)选择器件

双积分式A/D转换器

采用高抗干扰逻辑器件

附加电容器，吸收高频干扰信号(3)信号预处理

进行前置放大，以提高信号噪声比

在传感器中完成A/D转换，使信号变

传输数字信号后进行传输(4)电磁屏蔽

对测量元件或变送器进行电磁屏蔽

选用带有屏蔽层的电缆作信号线，

并保证接地良好串模干扰的抑制7利用双端输入的运算放大器作为输入通道的前置放大器，抑制共模干扰；采用变压器或光电耦合器，把各种模拟负载与数字信号源隔离开，被测信号通过变压器耦合或光电耦合获得通路，而共模干扰由于不能构成回路而得到有效抑制；当共模干扰电压很高或要求共模漏电流非常小时，常在信号源与仪表的输入通道之间插入一个隔离放大器。采用浮地输入双层屏蔽放大器来抑制共模干扰。共模干扰的抑制89.4智能仪器软件抗干扰技术

程序运行监视系统（WatchDogTimer）直译为“看门狗”，作用是当程序进入死循环后，自动使CPU复位，使系统恢复正常运行。通过软件、硬件结合对系统进行监控，完成系统运行监控功能的电路或软件称为“看门狗”电路或”看门狗”定时器。“看门狗”技术的特性本身能独立工作，基本上不依赖CPU;CPU在一个固定的时间间隔和该系统打一次交道，以表示系统目前工作正常；CPU陷入死循环，能及时发现并使系统复位。1.看门狗技术软件抗干扰技术9软件“看门狗”技术软件“看门狗”是利用单片机片内闲置的定时器/计数器作为“看门狗”，在单片机程序内适当地插入“喂狗”指令，当程序运行出现异常或进入死循环，利用软件将程序计数器赋予初值，强制使程序重新开始。软件“看门狗”的最大特点无须外加硬件电路，经济性好。但如果片内定时器/计数器被占用，就需要寻求其他设计方式。软件抗干扰技术10例如：用T0作“看门狗”，定时约为16ms，可以在初始化时用以下代码建立“看门狗”。MOVTMOD,#01H设置T0为16位定时器SETBET0允许T0中断SETBPT0设置T0为高优先级中断MOVTH0，#0E0H定时约为16msSETBTR0启动T0SETBEA开中断

“看门狗”启动后，系统工作程序必须定时访问它，且两次间隔不大于16ms,即执行“MOVTH0，#0E0H”。当程序陷入死循环，16ms内就可以引起一次T0溢出，产生高优先级中断，从而跳出死循环，T0中断可转向出错处理程序，由出错处理程序完成系统复位。软件抗干扰技术11硬件“看门狗”技术专门的硬件看门狗是一些集成化的或集成在单片机内的专用看门狗电路，它实际上是一种特殊的定时器。当定时时间到，发出溢出脉冲。采用专用芯片组成硬件系统监控电路，下面以MAX公司芯片说明。MAX705/706/813L具备“看门狗”定时器功能，其“看门狗”定时器时序如图所示。软件抗干扰技术12软件抗干扰技术13硬件“看门狗”电路的优缺点：优点：硬件电路简单，控制方便，最为常用。可有效地克服主程序或中断程序由于陷入“死循环”而带来的不良后果。缺点：如果程序进入了某死循环，而这个死循环又含有“喂狗”指令，单片机将无法复位。或当CPU受到干扰引起寄存器状态改变，导致中断关闭，单独看门狗将无法胜任。软件抗干扰技术142.掉电保护技术掉电保护也是一种软件、硬件结合的抗干扰措施。电网的瞬间断电或电压突然下降，将使微机系统陷入混乱状态。一方面实时的数据丢失；另一方面混乱的系统可能执行混乱的操作。因此，掉电保护的工作也从这两方面入手，即保护现场实时数据和及时关闭微机系统。掉电保护系统的硬件由电源电压监测系统、后备电池和低功耗RAM组成。软件抗干扰技术153.指令冗余技术软件抗干扰技术16（1）定义在仪器运行过程中，外界干扰的影响、堆栈溢出、中断出错等都会使程序跑飞，为了使“跑飞”的程序安定下来，可在程序中加入软件陷阱。软件陷阱是指令冗余的一种应用形式，用于捕捉“跑飞”的程序（2）实现办法用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有个专门的错误处理程序，尽管程序此时不该执行这里，但可使程序执行混乱现象得以抑制。4.软件陷阱技术软件抗干扰技术17软件陷阱程序程序执行混乱往往是由于错误的程序计数器指针落在了多字节指令的中间，进而执行了不可知指令。单字节指令相对安全，因此在某条指令前面插入两条NOP指令。软件陷阱为一条长跳转指令LJMPERROR，NOPNOPLJMPERROR软件陷阱一般安排在程序的以下4个位置。未使用的大量ROM；未使用的中断区；表格程序区软件抗干扰技术1819软件抗干扰技术

“软件陷阱”一般安排在下列四种地方。

a.未使用的中断向量区

MCS-51单片机的中断向量区为0003H~002FH,如果系统程序未使用完全部中断向量区,则可在剩余的中断向量区安排“软件陷阱”,以便能捕捉到错误的中断。如某系统使用了两个外部中断INT0、INT1和一个定时器溢出中断T0,它们的中断服务子程序入口地址分别为FUINT0、FUINT1和FUT0,。软件抗干扰技术20b.未使用的大片EPROM空间程序一般都不会占用EPROM芯片的全部空间,对于剩余未编程的EPROM空间,一般都维持原状,即其内容为0FFH。0FFH对于MCS-51单片机的指令系统来说是一条单字节的指令:MOVR7,A。如果程序“跑飞”到这一区域,则将顺利向后执行,不再跳跃（除非又受到新的干扰）。因此在这段区域内每隔一段地址设一个陷阱,就一定能捕捉到“跑飞”的程序。软件抗干扰技术21c.表格有两种表格:一类是数据表格,供MOVCA,@A+PC指令或MOVCA,@A+DPTR指令使用,其内容完全不是指令。另一类是散转表格,供JMP@A+DPTR指令使用,其内容为一系列的3字节指令LJMP或2字节指令AJMP。由于表格的内容与检索值有一一对应的关系,在表格中间安排陷阱会破坏其连续性和对应关系,因此只能在表格的最后安排陷阱。如果表格区较长,则安排在最后的陷阱不能保证一定能捕捉“跑飞”来的程序,有可能在中途再次“跑飞”,这时只好指望别处的陷阱或冗余指令来捕捉。软件抗干扰技术22d.程序区程序区是由一系列的指令构成的,不能在这些指令中间任意安排陷阱,否则会破坏正常的程序流程。但是,在这些指令中间常常有一些断点,正常的程序执行到断点处就不再往下执行了,这类指令有LJMP、SJMP、AJMP、RET、RETI,这时PC的值应发生正常跳变。如果在这些地方设置陷阱就有可能捕捉到“跑飞”的程序。软件抗干扰技术23开关量信号采样流程5.输入输出的软件抗干扰技术软件抗干扰技术24数据三中取二表决流程6.系统的恢复技术软件抗干扰技术2526看门狗指令冗余软件陷阱对付程序跑飞的措施用一条引导指令强行将捕获的程序引向一个指定的地址，在那里有个专门的错误处理程序，尽管程序此时不该执行这里，但可使程序执行混乱现象得以抑制。软件陷阱一般安排在程序的以下4个位置。未使用的大量ROM；未使用的中断区；表格程序区内容小结思考题与习题智能仪器中有几种类型的干扰？它们是通过什么途径进入仪表内部的？对于输入／输出的数字量如何实现软件抗干扰？软件抗干扰中有哪几种对付程序“跑飞”的措施？它们各有何特点？什么事软件陷阱？软件陷阱一般应设在程序的什么地方？内容小结27智能仪器：带有微处理器兼有检测和信息处理功能的仪器28智能仪器概念及基本组成结构内容回顾●内嵌式

●扩展式第3章数据采集技术3.1数据采集系统的基本组成结构3.2模拟信号调理3.3模拟多路转换器（MUX）3.4采样保持电路29数据采集技术30数据采集技术传感器传感器测量电路S/HA/D多线路开关输入输出接口测量电路S/H存储器CPU总线(2)模/数转换单元(1)传感器及其信号调理电路(3)微处理器及其接口……数据采集系统的基本组成3.1数据采集系统的组成结构

构成数据采集系统的常用方法为：采用多片单一功能器件和分立元件，构成信号

调理、采样保持、A/D转换，与微处理器连接后

形成数据采集系统；采用单片数据采集芯片；

采用集成式微控制器芯片（内部集成ADC）；采用数据采集卡及其驱动软件。

数据采集技术31(a)单通道数据采集系统数据采集技术数据采集系统的结构：（5种结构）3233单通道数据采集系统实例模拟量输入输出虚拟仪器控制实验数据采集技术(b)多通道一般型数据采集系统(c)多通道同步型数据采集系统数据采集技术3435多通道一般型数据采集系统实例*可燃气体数据采集报警控制系统数据采集技术36多通道同步型数据采集系统实例基于USB总线的便携式数据采集系统数据采集技术(d)多通道独立型数据采集系统数据采集技术3738传感器接口排气阀截止阀压力调节阀压力操作调整区测量显示区按钮开关操作区测试端子区附件箱气压泵手柄多通道独立型数据采集系统实例——直升机发动机扭矩测量系统数据采集技术网络接口服务器数据采集站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(e)网络式数据采集结构数据采集技术39请总结每种数据采集系统结构的主要特点！40多通道一般型优点：多路信号共用一个S/H和ADC，电路结构简单、成本低缺点：由于多路信号是分时进行采集和A/D转换的，因此采集速度低；由于是分时采集，不能获得多路信号同一时刻的数据，对于要求多路信号严格同步采集的系统是不适用的数据采集技术41多通道同步型优点：由于各通道有独立的S/H电路，可以实现同步采集和分时A/D转换缺点：由于多路信号的A/D转换仍然是分时进行的，工作速度仍然较低多通道独立型优点：每一通道有独立的S/H、ADC电路，可以实现同步采集和高速采集缺点：成本较高，如何保证同步？数据采集技术

模拟量输入通道的放大器、滤波器、多路模拟开关、S/H、ADC，在实际系统中并非都需要。例如，如果输入信号电平较高，就可以省去放大器；如果输入信号的变化速率比ADC转换速率低得多，就不必使用S/H。注意：42网络式优点：采集通道数多，采集数据量大，便于横向扩展，数据易于存储、集中管理缺点：设计复杂、成本高、重点要考虑站点间数据同步的准确性和效率数据采集技术

传感器是指能把非电量转变成便于利用和输出的电信号，用于获取被测信息，完成信号的检测和转换的器件。其性能直接影响整个仪器的性能。按转换原理分类物理传感器和化学传感器物理传感器应用压电、热电、光电、磁电等物理效应将被测信号的微小变化转换成电信号（视频1-3*）特点可靠性好、应用广泛3.2模拟信号调理（1）传感器的分类43数据采集技术3.2.1传感器化学传感器应用化学吸附、电化学反应等现象将被测信号转换成电信号特点可靠性、规模生产的可能性、价格等因素的影响按输出信号分类模拟传感器、数字传感器*和开关传感器

44数据采集技术模拟集成传感器：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入通道的信号调理任务，简化通道结构。45模拟集成传感器实例MEMS集成气体传感器阵列芯片（视频4-6*）温敏单元湿敏单元气敏单元数据采集技术模拟式传感器

: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。

大信号输出传感器的使用数据采集技术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微处理器微处理器I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流46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，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。

数据采集技术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频率量及开关量输出传感器的使用4748瓦斯报警器红外气体传感器数字式传感器实例数据采集技术49数字式传感器实例数据采集技术智能办公桌（数字式感应压力传感器）

由于同一物理量可能有多种原理的传感器可供选用，可根据被测量的特点、传感器的使用条件如传感器的量程、体积、测量方式（接触式还是非接触式）、信号的输出方式、传感器的来源（国产还是进口）、价格等首先考虑选用性价比高的传感器。（2）传感器的选用原则50(a)传感器的类型数据采集技术例如：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。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑以上因素进行取舍。51(b)传感器的性能指标线性范围输出与输入成正比的范围线性范围越宽，量程越大精度定性分析，选用重复精度高的传感器定量分析，选用绝对精度高的传感器灵敏度灵敏度提高，混入被测量中的干扰信号也会被放大本身应具有较高的信噪比稳定性传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性传感器结构和使用环境是影响传感器稳定性主要因素频率响应特性决定被测量的频率范围频率响应特性好，可测的信号频率范围宽数据采集技术对传感器主要性能指标的要求转换精度符合整个测试系统（根据总精度要求而分配

传感器的精度指标）转换速度应符合整机要求能满足用户对可靠性和可维护性的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转换范围与被测量实际变化范围相一致数据采集技术52

在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现小信号放大、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，相应的执行电路统称为信号调理电路。

3.2.2信号调理电路数据采集技术53传感器前置放大低通陷波高通至采集电路典型调理电路的组成框图数据采集技术54（1）信号调理电路的组成

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？数据采集技术55（2）运用前置放大器的依据数据采集技术

在测量时，来自传感器的信号一般都是比较弱的低电平信号，不适合直接进入A/D转换器。放大器的作用是将微弱信号进行放大，以便能充分地利用ADC的满刻度分辨率*。此外，还要求放大器能抑制干扰和降低噪声，并满足响应时间的要求。在数据采集系统中应选用何种放大器应依情况不同而异，总的要求如下：a．高输入阻抗，反应时间快；b．频率响应范围宽；c．高抗共模干扰能力；d．低漂移、低噪声及低输出阻抗。

56I数据采集技术

在传感器的两个输出端（信号线和地线）经常产生较大的干扰信号（脉冲、噪声），有时是完全相同的干扰信号（同幅度/同相位），让两线电压同时上升或下降，称为共模干扰*。

只让信号线变化，是差模干扰（串模干扰）*。共模抑制比（差放电路抑制共模信号及放大差模信号的能力）57或用分贝数表示（a）直流信号；（b）串模干扰；（c）共模干扰；（d）串模干扰与共模干扰共同作用串模干扰与共模干扰58数据采集技术数据采集技术电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声VON折算到该电路的输入端（即除以该电路的增益K），得到的电压值称为该电路的等效输入噪声。VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSV′ON前置放大器的作用59II由于前置放大器的噪声与后级电路的噪声是互不相关的随机噪声数据采集技术电路的总输出噪声为：VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSV′ON前置放大器的作用60数据采集技术总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪声为：VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSV′ON前置放大器的作用61假定不设前置放大器时，输入信号刚好被电路噪声淹没，即VIS＝VIN；加入前置放大器后，为使输入信号VIS不再被电路噪声所淹没，即VIS

＞

V′IN，就必须使V′IN

＜

VIN

，即：数据采集技术VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSV′ON前置放大器的作用为使电路总的等效输入噪声比后级电路的等效输入噪声低，在电路前端加入的电路必须是放大器，且必须是低噪声的，即K0＞1，小信号才能不被电路噪声所淹没。因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。6263数据采集系统中的前置放大器为什么一般设置在调理电路的最前端？请用公式推导说明。作业？数据采集技术放大器前置/后置两种调理电路的对比滤波器后置等效图滤波器前置等效图宋凯64智能仪器设计

2026/10/16内容回顾65数据采集技术传感器传感器测量电路S/HA/D多路转换器输入输出接口测量电路S/H存储器CPU总线模/数转换单元传感器及其信号调理电路微处理器及其接口……数据采集系统的组成结构66多通道一般型优点：多路信号共用一个S/H和ADC，电路结构简单、成本低缺点：由于多路信号是分时进行采集和A/D转换的，因此采集速度低；由于是分时采集，不能获得多路信号同一时刻的数据，对于要求多路信号严格同步采集的系统是不适用的内容回顾多通道同步型优点：由于各通道有独立的S/H电路，可以实现同步采集和分时A/D转换缺点：由于多路信号的A/D转换仍然是分时进行的，工作速度仍然较低67多通道独立型优点：每一通道有独立的S/H、ADC电路，可以实现同步采集和高速采集缺点：成本较高，如何保证同步？内容回顾网络式优点：采集通道数多，采集数据量大，便于横向扩展，数据易于存储、集中管理缺点：设计复杂、成本高、重点要考虑站点间数据同步的准确性和效率68内容回顾（2）运用前置放大器的依据判断传感器信号“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？a．充分地利用ADC的满刻度分辨率b．高输入阻抗，反应时间快；c．频率响应范围宽；d．高抗共模干扰能力；e．低漂移、低噪声及低输出阻抗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前置放大器倍数选择内容回顾6970数据采集系统中的前置放大器为什么一般设置在调理电路的最前端？请用公式推导说明。作业？数据采集技术放大器前置/后置两种调理电路的对比滤波器后置等效图滤波器前置等效图

由于

K＞1，所以，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

数据采集技术71数据采集技术III.放大器倍数的选择若A/D转换器满度输入电压为E，满度输出数字量为DFS，则A/D的量化绝对误差为q（LSB），即：如果输入模拟的采样电压为Vi，那么这个采样电压的量化相对误差为：为了避免弱信号采样电压在A/D转换时达不到要求的转换精度，就必须将它放大K倍后再进行A/D转换，满足转换精度的要求，即72数据采集技术放大器的增益K应满足两个条件：既不能使A/D溢出，又要满足转换精度的要求，即所需放大器增益K：73通用运算放大器仪用放大器程控增益放大器隔离放大器内容回顾74（3）常用测量放大器光电耦合、变压器耦合和电容耦合数据采集技术(a)通用运算放大器75常用的运放都有哪些*？输入失调电压、输入失调电压的温漂；输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温漂；差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比；输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压；开环带宽、单位增益带宽、全功率带宽；转换速率、建立时间；等效输入噪声电压；差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗；76数据采集技术77数据采集技术78运放LM358OP07TL062TLV2252TLC4502输入失调电压5mV60μV3mV200μV10μV输入失调电压温漂20μV/℃0.3μV/℃10μV/℃0.5μV/℃1μV/℃共模抑制比80dB126dB86dB75dB100dB供电方式单电源双电源双电源单电源单电源价格（元）0.510.8220几款常用运放性能比较

思考：单电源如何变双电源？数据采集技术79单电源如何变双电源？数据采集技术CD4011-四2输入与非门输出方波+半桥整流滤波电路80薄膜热线式风速传感器数据采集技术厚膜半导体气体传感器81射随*滤波限幅ADC气体传感器信号调理电路数据采集技术带温度补偿恒流式热线风速传感器测量电路*风速RT恒流源电路温度补偿电路数据采集技术8283数据采集系统实例美国佐治亚理工大学TongueDriveSystem视频1-6*ARMstm3210通道,12位ADC数据采集技术84(b)仪用放大器

在智能仪器中，常常需要精确放大带有一定共模干扰的微弱的差模信号，要求放大电路输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好。

这种用来放大传感器输出的微弱电压或电流信号的放大器称为仪用放大器。数据采集技术仪用放大器由A1、A2、A3构成，其对称性结构使整个放大器具有很高的共模抑制能力，是智能测量仪器中最常用的放大电路。此时放大器的输出电压为：通常为保证放大器的共模抑制能力，电路参数对称，即85仪用放大器原理86常用仪用放大器AnalogDevice公司：AD512、AD620、AD623

MAXIM公司：MAX4195、4196、4197BB公司：INA114、118、128数据采集技术●工作温度

-40℃～+85℃●内部输入保护能够长期耐受±40V电压●工作电压范围宽（±2.5V～±6V），可

使用5V单电源供电系统●只需一个外部电阻就可以设置1至1000

之间的任意增益值●失调电压低（25μV）●漂移小（0.1μV/℃）●输入偏置电流低（0.25nA）●共模抑制比高（G=1000时≥110dB）主要性能：数据采集技术8788基本连接方法

在靠近电源引脚处连接的去耦合电容主要用于噪声或高阻电源场合。输出G为增益数据采集技术传感器灵敏度5mv/gauss大地磁场约为0.5gauss放大倍数A=200LM385稳压芯片提供1.2V偏置电压AD623仪用放大器磁阻传感器信号调理电路数据采集技术89数据采集技术90(c)程控放大器智能仪器含有微处理器，用仪器内置的程序控制放大器的增益，称为程控增益放大器（PGA）。程控放大器由运放及模拟开关控制的电阻网络组成，模拟开关的地址由硬件电路或微处理器控制。分类程控反相放大器、程控同相放大器、集成程控放大器等91程控反相放大器虚线框为模拟开关，模拟开关的闭合位置受控制信号C1、C2的控制，反馈电阻又随开关位置而变，从而实现放大器的增益由程序控制。当放大倍数小于1时，程控反相放大器构成程控衰减器。数据采集技术92程控同相放大器利用8选1集成模拟开关CD4051构成程控同相放大器图中，C、B、A为通道选择输入端，其状态由程序（D2、D1、D0的状态）控制，C、B、A不同的编码组合决定开关与哪一通道接通，从而选择R0～R7之间的某个电阻接入电路。实现程控增益的功能。数据采集技术数据采集技术93集成程控放大器*其中开关网络由译码—驱动器及双四通道模拟开关组成可实现两级增益改变94数据采集技术数据采集技术95(d)隔离放大器

隔离放大器(IsolationAmplifier)即输入端和输出端没有直接的电耦合，而是通过光、变压器或电容等耦合元件耦合。输入端和输出端的绝缘电压一般达1000V以上，绝缘电阻达数十ΜΩ。数据采集技术96隔离放大器的符号按耦合器件的不同，可分为光电耦合、变压器耦合和电容耦合三种。输入、输出级之间不能有电的连接，即前、后级不能共用电源和地线注意：97输入级激励发光管，由光电管将光信号耦合到输出级，实现信号的传输，保证了输入和输出间的电气隔离。光耦隔离放大器

光电耦合隔离放大器以光为耦合媒介，输入与输出在电气上完全隔离，通过光信号的传递实现电信号的传递。基本原理数据采集技术98公司产品型号BBISO100、ISO130、3650、3652HPHCPL7800/7800A/7800B、HCNR201*ToshibaTLP521-1、TLP521-2、TLP521-4FairchildHCPL-2530,HCPL-2531变压器耦合（内置DC/DC变换器）BBIS0212、ISO213ADAD202，AD204、AD210、AD215、ADUM1200常用集成光耦/变压器耦合隔离放大器*数据采集技术99TLP521光耦隔离电机驱动与电路控制信号隔离电机驱动及光耦隔离电路数据采集技术100

变压器耦合隔离放大器的输入部分和输出部分采用变压器耦合，信息传送通过磁路实现。变压器耦合隔离放大器常用变压器耦合隔离放大器BB公司：ISO212、3656AD公司：AD202、AD204、AD210、AD215

ADUM1200数据采集技术电容耦合隔离放大器——线性隔离

采用电容耦合的隔离放大器如BB公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122等。●额定隔离电压≥1500V（交流60Hz连续）●隔离阻抗●输入电压范围±12.5V●输入电阻200kΩ●输出电源范围±12.5V数据采集技术101102抗干扰工控机测量系统信号隔离电路原理图隔离放大器实例数据采集技术第3章数据采集技术3.1数据采集系统的基本组成结构3.2模拟信号调理3.3模拟多路转换器（MUX）3.4采样保持电路103数据采集技术数据采集技术3.3模拟多路开关（模拟多路转换器）在智能仪器中，往往需要同时或依次采集多路信号，也就是利用模拟多路开关轮流切换每个被采集的信号与ADC的通路。

这种开关称为模拟多路开关或模拟多路转换器。104数据采集技术类型导通电阻截止电阻开关时间舌簧继电器JFETCMOS0.1Ω100Ω1.5kΩ1014Ω109Ω108Ω1ms200ns500ns模拟多路开关器件实际上由多个模拟开关组成，由译码电路实现控制。目前电子模拟多路开关多用舌簧继电器、JFET及CMOS器件105（1）模拟多路开关分类双极型晶体管场效应管通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的影响；通道数量越多，寄生电容和泄漏电流越大。泄漏电流指开关断开时流过模拟开关的电流；一般希望泄漏电流越小越好。导通电阻指开关闭合时的电阻；导通电阻会损失信号，使精度降低。开关速度指开关接通或断开的速度；对于频率较高的信号，要求模拟开关切换速度快。芯片电源电压范围电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小；反之，导通电阻越大。（2）模拟多路开关的性能指标106数据采集技术107（3）集成模拟多路开关

目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如CD4051（双向*、8路）、CD4052（单向、差动4路）、AD7501（单向、8路）、AD7506（单向、16路）等。数据采集技术108（3）集成模拟多路开关对于8路模拟开关AD7501，导通电阻300Ω；泄漏电流为10nA，假设信号源内阻为10Ω，则8路开关关断时的漏电流在信号源产生的压降为（）。数据采集技术思考题：2.4μV0.8μV2.48μV2.4mV《智能仪器设计》

实验课程姓名：宋凯地点：电机楼30035-4手机箱：kaisong@课程总成绩的组成1、平时考核成绩，占10%2、实验成绩，占10%3、课程设计，占10%4、课程结业综合考试，占70%智能仪器实验课程的考核方法

不来做实验，不让参加考试！智能仪器实验课程的考核方法

不来做实验，不让参加考试！实验课程目的1教学安排和学时分配2内容导航实验课程要求3实验课程内容：实验一和实验二4实验指导书：主要知识点概述和实验说明5实验课程目的主要单元教学内容结合相应的综合性实验，加深理解并切实掌握所学的知识和技术；发现并解决实验中出现的问题，积累工程实践经验；培养独立开展设计实验的能力，综合单元实验成果，形成较完整的仪器系统，培养综合集成设计能力和技术实现能力。实验教学安排和学时分配2个综合实验合计8学时（其中：实验6学时、教学2学时）课内外紧密结合，保证实验项目实施；设立了课程设计开放课题，提高设计水平。实验内容一览表序号实验项目名称实验类型学时主要仪器设备备注1模拟量输入输出虚拟仪器控制实验综合性实验

4示波器、数字万用表、微机、单片机开发系统、Labview软件进入实验前自学单片机开发系统实验、Labview图形化软件设计2用状态矩阵法设计监控程序实验综合性实验4单片机开发系统、信号发生器、示波器等

先期学习用状态矩阵法设计监控程序3时域波形的参数测量实验操作实验

2DSP开发系统、信号发生器、示波器等

个人提出申请

4基于FPGA的高精度频率计设计设计性实验

2FPGA开发系统、信号发生器、示波器等

个人提出申请

Proteus单片机开发系统#思考：以前单片机课程中做过哪些实验，都用过哪些功能？智能仪器结构*思考：智能仪器基本结构包括那几大部分？何谓智能？实验课程要求（1）明确实验目的：以单片机/微机的智能仪器或测控装置的设计与实现为目标（2）根据实验指导书说明，了解实验电路、进行实验连线（3）绘制软件程序流程图，编写软件程序，对系统软件进行在线仿真调试（4）记录实验数据、获取实验结果（5）整理分析实验数据，完成思考题（6）撰写实验报告实验一模拟量输入输出虚拟仪器控制实验通过实验掌握MCU与A/D、D/A、UART的接口电路及控制方式

通过实验掌握控制A/D、D/A、UART的程序设计方法

通过实验掌握Labview通讯程序设计以及仪器界面设计方法

实验目的TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位串行A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。REF+、REF-:正、负基准电压VCC：系统电源GND：接地端/CS：芯片选择输入DATAOUT：转换结果数据串行输出端ANALOGIN：模拟信号输入端I/OCLOCK：外接时钟输入端TLC549引脚图及各引脚功能介绍TLC549工作时序#思考：A/D转换器输出的数字量所对应的模拟值？D/A转换器主要性能参数

#分辨率：最小输出电压和最大输出电压之比，位数越多，分辨率越高思考：4位DAC的分辨率，8位DAC的分辨率？转换精度：一般用误差大小表示：包括零点误差、漂移误差、增益误差、噪声和线性误差、微分线性误差等综合误差非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间最大偏差，一般要求非线性误差小于±1/2LSB转换速率/建立时间：数字量为满刻度值时，DAC的模拟输出电压达到某个规定值（比如，90%满量程或±1/2LSB满量程）时所需要的时间，建立时间越大，转换速率越低DAC0832是8分辨率的并行D/A转换集成芯片。以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。输出的是电流值，需要结合运算放大器把电流转化为电压值。分辨率为8位电流稳定时间1us可单缓冲、双缓冲或直接数字输入只需在满量程下调整其线性度单一电源供电（+5V～+15V）低功耗，20mWDAC0832主要特性参数DAC0832工作时序DAC0832转换电路原理图VI定义及分类虚拟仪器(VI-VirtualInstrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台单个仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等。按接口总线类型不同划分如下：数据采集卡式DAQRS232/RS485虚拟仪器并行接口虚拟仪器USB虚拟仪器GPIB虚拟仪器VXI虚拟仪器PXI虚拟仪器以太网虚拟仪器虚拟仪器的特点丰富和增强了传统仪器的功能。虚拟仪器将信号分析、显示、存储、打印和其他管理集中交由计算机来处理仪器由用户自己定义开放的工业标准。虚拟仪器硬件和软件都制定了开放的工业标准，使资源的可重复利用率提高，功能易于扩展，管理规范，生产、维护和开发费用降低便于构成复杂的测试系统。可通过网络构成复杂的分布式测试系统，进行远程测试、监控、和诊断。可节约仪器购买和维护费用VI与传统仪器的比较传统仪器虚拟仪器关键是硬件关键是软件开发与维护费用高开发与维护费用低技术更新周期长技术更新周期短价格高价格低，并且可重用性与可配置性强厂商定义仪器功能用户定义仪器功能系统封闭、固定系统开放、灵活，与计算机的进步同不易与其他设备连接容易与其他设备连接虚拟仪器体系虚拟仪器典型体系结构虚拟数字示波器的软面板实验一VI测量界面思考题*比较一下DAC输出的模拟电压值与用万用表实测模拟电压值之间的差异，分析不同的原因及误差的来源PC串口发送、接收缓冲器原理及工作方式实验二用状态矩阵法设计监控程序实验ABSETGATECOFSRESETDFUTTA-B了解和初步掌握用状态矩阵法设计监控程序的方法

掌握按键的处理和程序的模块化设计方法

根据仪器整机功能需要设计键盘和显示单元模块，定义键盘功能，编写键盘扫描和LED显示等子程序，掌握仪器监控程序设计和调试方法

实验目的电压频率计面板按键功能说明按RESET键（软复位）------使仪器初始化并启动测量初始化后按A键---测频率（F）B键---测周期（T）C键---测时间间隔（TA-B）D键---测电压（U）按GATE键后，再按A、B、C、D键，则规定相应的闸门时间或电压量程按SET键后，再按A、B、C、D键，送入一个偏移量按奇数次OFS键，进入偏移工作方式，把测量结果加上偏移值后进行显示；按偶数次（包括0）OFS键，为正常工作方式，测量结果直接显示内容回顾*按键监控程序设计方法直接分析法->一键一义状态矩阵法（状态变量法）->一键多义（按键复用）状态矩阵法在不同的状态下，同一个按键具有不同的含义。引入状态概念后，只需在存储器内开辟存储单元“记住”当前状态，而不必记住以前各次按键情况，就能对当前按键的含义作出正确的解释，因而简化了程序设计状态矩阵法程序设计步骤1）绘制状态图；2）编制状态表；3）编码按键；4）设计程序流程图用状态矩阵法设计监控程序（1）根据仪器功能画出键盘状态图0133SET*A~D*23GATE*A~D**RESETA~DOFS*图中，方框表示状态，统流线旁的字母表示按键，“＊”表示该状态内未被指明的所有键用状态矩阵法设计监控程序以按A~D键后的状态变迁为例来说明。仪器通电后处于0态。按A、B、C或D键后迁移到3态，进行频率、周期、时间或电压测量。按SET键后进入1态，进行偏移常数设置，这时可按A、B、C或D键迁移到3态，按其它任意键回到0态。在2态时，A~D键用作闸门时间或电压量程切换。由此可见，在0、1、2这三种不同的状态下，同按A~D键，能产生不同的功能。用状态矩阵法设计监控程序（2）根据状态图编制状态表状态键功能下态动作（子程序）0SETGATERESETA~DOFS*123333SUB1SUB2SUB3SUB4SUB5SUB81A~D*30SUB6SUB82A~D*30SUB7SUB83*0SUB8按键动作子程序SUB1：显示“SET”SUB2：显示“GATE”SUB3：显示“RESET”SUB4：A键显示“A-[T]”B键显示“B-[T]”C键显示“C-[TAB]”D键显示“D-[U]”SUB5：显示“OFS-1”或“OFS-2”SUB6：A键显示“SET-A”B键显示“SET-B”C键显示“SET-C”D键显示“SET-D”SUB7：A键显示“GATE-A”B键显示“GATE-B”C键显示“GATE-C”D键显示“GATE-D”SUB8：无动作，等待用状态矩阵法设计监控程序（3）对按键进行编码按键键码ABCDSETGATEOFSRESET00H01H02H03H04H05H06H07H当前按键键码=存储键吗？无效键吗？PREST=0？当前按键键码=存储键吗？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？PREST=0？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？PREST=0？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？表指针加1出口PREST=0？执行本次按键动作，调用SUB表查完？当前按键键码=存储键吗？从状态表取出键码由PREST求现态首地址中断入口YYNN（4）设计程序流程图NYPREST

下态用状态矩阵法设计监控程序有两点需要说明：1．为了避免不必要的两次重复按键，通常将0态设计成不稳定态，用虚线框表示。当发现取来的下态为0时，就自动再查一次状态表。2．若输入的是主功能命令键（如测电压、测频率等命令，通常这些命令要重复执行），则把相应的标志置入MAINFN单元，并连续执行其测量程序。若输入的是非主功能命令键，则当完成中断服务程序后，或等待，或恢复原来的测量功能。如：若在2态按了不合法键SET键，则转到0态后再查一次表，转到1态，进行偏移设置操作。当前按键键码=存储键吗？无效键吗？PREST=0？当前按键键码=存储键吗？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？PREST=0？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？PREST=0？无效键吗？当前按键键码=存储键吗？表指针加1出口PREST=0？执行本次按键动作，调用SUB表查完？当前按键键码=存储键吗？从状态表取出键码由PREST求现态首地址中断入口YYNNNYPREST

下态按键中断入口是主功能键吗？存主功能标志MAINFGYN读取键码根据PREST求现态首地址用状态矩阵法设计的监控程序的优点应用一张状态表，统一处理任何的按键组合。使按键序列的编译过程简洁、直观，设计的程序容易阅读翻译、解释按键序列与执行子程序分隔开来，因此键盘监控程序的设计不受其它程序的影响若仪器键盘功能改变，监控程序无需重写，只需修改状态表当键盘功能愈强，按键复用次数愈多时，此法的效率愈高思考题*本实验题目，若采用直接分析法，请绘制工作流程图如何利用1602液晶模块替代LED数码管实现按键监控程序的显示功能实验指导书及程序实例《电气电子仪器设计-实验指导书》，宋凯，哈尔滨工业大学，电子版

《实验程序1-模拟量输入输出虚拟仪器控制》，宋凯，哈尔滨工业大学

《实验程序2-用状态矩阵法设计监控程序》，宋凯，哈尔滨工业大学

宋凯151智能仪器设计

2026/10/16151内容回顾152内容回顾传感器传感器测量电路S/HA/D多路转换器输入输出接口测量电路S/H存储器CPU总线模/数转换单元传感器及其信号调理电路微处理器及其接口……数据采集系统的组成结构1531、数据采集系统的结构？(有哪几种，特点？)2、放大器（1）为什么要“前置”，即设置在调理电路的最前端？（2）放大器倍数的选择；（3）通用运算放大器的主要参数三、数据采集技术内容回顾a．充分地利用ADC的满刻度分辨率b．高输入阻抗，反应时间快；c．频率响应范围宽；d．高抗共模干扰能力；e．低漂移、低噪声及低输出阻抗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前置放大器倍数选择内容回顾154内容回顾(a)通用运算放大器155输入失调电压、输入失调电压的温漂；输入偏置电流、输入失调电流、输入偏置电流的温漂；差模开环直流电压增益、共模抑制比、电源电压抑制比；输出峰-峰值电压、最大共模输入电压、最大差模输入电压；开环带宽、单位增益带宽、全功率带宽；转换速率、建立时间；等效输入噪声电压；差模输入阻抗、共模输入阻抗、输出阻抗；3.4采样保持电路数据采集技术采样保持电路常称为采样保持放大器（SampleandHoldAmplifier，SHA）。SHA是一种根据状态控制指令，截取输入模拟电压的瞬时值（采样过程），并把这一瞬时值保留一段需要的时间（保持过程）的功能单元。156（1）采样保持器的工作原理数据采集技术157A为理想运算放大器CH为保持电容VT为场效应管，S为其控制信号vi为模拟输入信号vo为保持信号158当S为高电平（S=1）时：采样过程VT导通，输入模拟信号vi对CH充电，当S=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。数据采集技术159当S为低电平（S=0）时：保持过程VT截止，由于电压跟随器的输入阻抗很高，存储在CH上的电荷不会泄露，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。数据采集技术160采样-保持电路输入输出信号波形采样脉冲的频率即采样频率fs越高，采样越密，采样值越多，采样信号的包络线越接近输入信号的波形数据采集技术数据采集技术（2）采样保持器的主要参数161(a)孔径时间tAP保持指令发出瞬间到开关有效切断所经历的时间。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。

162(b)孔径误差采样／保持器实际保持的输出值与理想输出值之差。数据采集技术163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。(c)孔径不定时间△tAP和稳定时间tST开关断开时，CH上的电压值不稳定，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≥tST），再启动A/D转换。数据采集技术数据采集技术164(d)捕捉时间tAC

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。165在保持状态下，由于保持电容器上电荷的泄漏而使保持电压下降，在集成芯片中，通常用泄漏电流来表示；也可用电压下降率来表示，保持电压的下降率计算公式：(e)保持电压下降率数据采集技术（3）保持电容的选择数据采集技术

捕捉时间和保持电压下降率是选择保持电容容量时应该考虑的两个主要因素。查阅采样保持器器件手册上的曲线、表格可以得到电容量与两个参数之间的关系，结合实际需要就可选择电容量，它一般在1000pF～1μF之间。保持电容可选用漏电流小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容，其数值直接影响采样时间及保持精度。增加保持电容的容量可提高精度，但会使采样时间加长。166（4）保持器设置原则数据采集技术设待转换的信号为这一信号的最大变化率为如果信号的正负峰值正好达到ADC的正负满量程，而ADC的位数（不含符号位）为m，则ADC最低有效位LSB代表的量化电平（量化单位）q为167如果ADC的转换时间为tc，为保证±1LSB的转换精度，在转换时间tc内，被转化信号的最大变化量不应超过一个量化单位q，即则不加采样/保持器时，待转换信号允许的最高频率为数据采集技术168数据采集技术例如：一个12位ADC，

tc=25μs，用它来直接转换一个正弦信号并要求精度优于1LSB，则信号频率不能超过1.5Hz。

可见，除了被转换信号是直流电压或变化极其缓慢即满足上式，可以用ADC直接转换不必在ADC前加设采样/保持器外，凡是频率不低于由上式确定的fmax的被转换信号，都必须设置采样／保持器把采样幅值保持下来，以便ADC在采样/保持器保持期间把保持的采样幅值转换成相应的数字量。169数据采集技术在ADC之前加设采样／保持器后，因采样／保持器采样转到保持状态需要一段孔径时间tAP，使采样／保持器电路实际保持的信号幅值并不是原来预期要保持的信号幅值（即保持指令到达时刻的信号幅值）。两者之差即孔径误差：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170孔径时间tAP越小，孔径误差就越小，被转换信号的允许频率就越高。设待转换的信号为

，如果ADC的转换时间为tc，为保证±1LSB的转换精度，在转换时间tc内，被转换信号的最大变化量不应超过一个量化单位171课上作业

课上作业请回答问题：若不加采样/保持器，请给出待转换信号允许的最高频率表达式若采用一个12位ADC，tc=25μs，用它来直接转换（不加采样/保

持器）该正弦信号并要求精度优于1LSB，请计算此时被转换的

信号频率最大值是多少？采用上述ADC，测量频率为10kHz的正弦信号，若采用采样/保

持器，采样/保持器采样转到保持状态的孔径时间tAP最大可以是

多少？说明理由。第3章数据采集技术3.5A/D转换器及其接口设计3.6逐次逼近型A/D转换器3.7双积分型A/D转换器3.8∑-△型A/D转换器172数据采集技术1733.5A/D转换器及其接口设计ADC的主要技术指标ADC的选择A/D转换器数据采集技术模拟量经多路开关和采样／保持后，必须把模拟量变成数字量才能送入计算机，完成上述转换任务的器件称作模拟／数字转换器，简称A/D转换器或ADC（AnalogDigitalConverter）。174数据采集技术在设计一个测量仪器系统时，对于A/D转换器的选择，首先要考虑的问题*？？a．模拟输入电压的量程是多大？b．能测量的最小信号是多少（分辨率）？c．非线性误差是多少？d．每完成一次转换需要多少时间？e．对输入信号有什么要求？是否需要预处理？175

(1)转换精度

(a)分辨率和量化误差

分辨率：数字量变化1个最小量时对应的模拟量的变化量。对于n位的A/D转换器，其分辨率Q为

数据采集技术1763.5.1ADC的主要技术指标【例】对于一个12位AD转换器，其分辨率为n越大ADC分辨率越高177量化误差：量化舍入过程中实际输出的数字量与理论上应该输出的数字量之间的差别，也称量化噪声，由分辨率有限引起，范围±1/2LSB。数据采集技术178量化特性及量化误差曲线*数据采集技术0Q2Q3Q4Q5Q101100011010001数字输出+Q/2-Q/2量化误差000

(b)转换误差

①偏移误差数据采集技术179输入信号为零时输出信号不为零的值对应的输入值②满刻度误差

数据采集技术180当输出满刻度时，对应的输入与理想的满量程输入值之差③非线性误差数据采集技术181实际特性曲线和理想特性曲线输出值的最大误差点对应的输入值之差数据采集技术182

(2)转换时间

转换时间定义为A/D转换器完成一次转换所需的时间。转换时间主要取决于转换器的类型，不同的转换器转换时间相差很多。ADC类型转换时间并型比较型几十ns逐次逼近型10-100μsΣ-Δ型100-1000μs双积分型ms级※3.5.2ADC的选择数据采集技术183(1)ADC的位数选择若需要转换的模拟输入电压最大值和最小值分别为Vi,max和Vi,min，ADC前置放大器*增益为Kg，n位ADC满量程为E，则应使（小信号不被量化噪声淹没）（大信号不使ADC溢出）数据采集技术由于多路开关,采样/保持器和ADC组成的数据采集系统的总误差是这三个组成部分的分项误差的综合值，则选择元器件精度的一般规则是：每个元器件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。

例如，要构成一个相对误差为0.1％的数据采集系统，所用多路开关,采样/保持器和ADC的误差都应小于0.01%。ADC量化误差为±1/2LSB，即满度值的1/2n+1，因此可根据系统精度指标δ，按下式估算所需ADC的位数n184185【例】某数据采集系统，要求有0.1%级精度性能指标（即δ

=0.1%)，在设计该数据采集系统时，怎样选择模/数转换器（ADC）的位数？需采用n=14位的ADC数据采集技术

思考：ADC的位数可以是奇数吗？(2)ADC的速率选择数据采集技术ADC的转换速率即单位时间内所能完成的转换次数，由转换时间tc和休止时间*to（从转换结束到再次启动转换的时间，数据读取时间）二者共同决定。186转换速率的倒数称为转换周期，记为TA/D。若A/D转换器在一个采样周期TS内依次完成N路模拟信号采样值的A/D转换，则数据采集技术若需要测量的模拟信号的最高频率为fmax，则抗混叠低通滤波器截止频率

fh

应选取为根据信号采样理论（其中C为设定的截频系数，一般C>2），则187根据上式，在选择A/D转换器时应考虑以下因素：a．减少通道数N，最好采用分散采集方式，即

N=1；b．减少截频系数C，增大抗混叠低通滤波器陡度；c．选用转换时间tc短的ADC芯片；d．将由CPU读取数据改为直接存储器存取（DMA），

以缩短休止时间to。数据采集技术188189【例】设计要求：8路模拟量输入（交变信号，fmax=200Hz），电压范围为0~20V，转换周期小于50μs，ULSB=10mV，量化误差小于0.1%。Kg

=0.5E=10Vn

=10fs>2500Hz数据采集技术tc(3)ADC与微处理器的接口数据采集技术数据输方式：并行和串行*两种ADC的控制方式：程序查询，延时等待，中断数据的编码格式：左对齐、右对齐时钟的提供：外接晶振，外接MCU电源要求：5V，3.3V参考电压的接法：外部参考电压，VREF+，VREF-190内容总结本节小结传感器传感器测量电路S/HA/D多路转换器输入输出接口测量电路S/H存储器CPU总线模/数转换单元传感器及其信号调理电路微处理器及其接口……数据采集系统的组成结构191192ADC的选择位数选择速率选择与微处理器的接口本节小结转换精度（分辨率和量化误差，二者定义及公式推导）转换速度（转换周期=转换时间+读取时间）串并方式、对齐方式、启动方式等

宋凯193智能仪器设计

2026/10/16193内容回顾采样保持器的主要参数194(a)孔径时间tAP保持指令发出瞬间到开关有效切断所经历的时间。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。

195(b)孔径误差采样／保持器实际保持的输出值与理想输出值之差。内容回顾196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。(c)孔径不定时间△tAP和稳定时间tST开关断开时，CH上的电压值不稳定，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≥tST），再启动A/D转换。内容回顾内容回顾197(d)捕捉时间tAC

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。198在保持状态下，由于保持电容器上电荷的泄漏而使保持电压下降，在集成芯片中，通常用泄漏电流来表示；也可用电压下降率来表示，保持电压的下降率计算公式：(e)保持电压下降率内容回顾内容回顾在设计一个测量仪器系统时，对于A/D转换器的选择，首先要考虑的问题*？？a．模拟输入电压的量程是多大？b．能测量的最小信号是多少（分辨率）？c．非线性误差是多少？d．每完成一次转换需要多少时间？e．对输入信号有什么要求？是否需要预处理？199200内容回顾第3章数据采集技术3.6逐次逼近型A/D转换器3.7双积分型A/D转换器3.8∑-△型A/D转换器数据采集技术201202数据采集技术并行比较型A/D转换器原理图

输入电压与数字量并行同步比较，比较器个数：2n-1，速度快，成本高203数据采集技术逐次逼近型A/D转换器原理图数字量逐渐增加再通过DA与模拟输入比较，如先从最高位开始置1，然后由高位到低位依次置1，类似于砝码称重204数据采集技术8位逐次逼近型A/D转换器波形图输入模拟量vi=6.84V逐次逼近型A/D转换器完成一次转换所需时间与其位数和时钟频率有关，位数愈少，时钟频率愈高，转换时间越短。转换速度较快，精度高。205数据采集技术双积分式A/D转换器基本原理间接式ADC，两次积分，对输