第6章数据采集技术.docx
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第6章数据采集技术
第六章数据采集技术
对于智能仪器来讲，输入的信号大多数是模拟信号，而且模拟信号处理要比数字信号复杂的多。
模拟信号的输入也叫做数据采集系统。
由于许多内容，在前边相关课程中已经学过，如放大电路，A/D转换等，所以有的内容不讲或者讲些实例，或讲一些使用的内容。
第一节输入信号的形式
模拟信号是比较复杂的，由传感器输出的信号，大多数是mV级的电压信号，如应变仪，热电偶等；也有信号较强的。
许多传感器输出的是0－20mA或4－20mA的电流信号，因为电流对辐射噪声和引线电阻上的压降不敏感，信号可以传输较远的距离。
（为什么选择4-20mA而不是0-20mA呢？
为了减少接线的复杂性，传感器选择2线要比多线简单的多，2线既要传输信号，又要给传感器供电，所以设计者从中盗窃4mA电流给传感器放大电路供电，这样4-20mA的标准就确定了。
）
一般是将电压信号转变为电流信号，在进入微处理器以前，还得变成电压信号。
变换的方法：
1.无源I/V变换
最简单的是用精密电阻，如用250Ω的精密电阻，可以将4－20mA转换成1－5V。
无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻来实现，加上RC滤波和稳压二极管限幅等保护。
右图为0－10mA转变成0－5V的电路，
对于0-10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2＋RP=500Ω，这样当输入电流在0-10mA量程变化时，输出的电压就为0-5V范围，RP用于调整输出电压值。
该方法提供的电流较小。
要求信号输出时阻抗很大，即输出电流几乎为零。
要求后面的电路输入阻抗很大。
2.有源I/V变换
有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成，如图所示。
利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。
该同相放大电路的放大倍数为：
A=1+R4/R3
若输入电流I的0－10mA，R1=200Ω，由R1将电流变成0－2V电压,取R3=100kΩ，R4=150kΩ，就对应电压输出V的0－5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4－20mA的输入电流对应于1－5V的电压输出。
R5不影响放大倍数，对输出电流进行限制的。
3、采用专用芯片进行转换；
专用芯片有ISO-A4-P3-05、RCV420等。
RCV420可以将4－20mA信号转换成0－5V电压信号。
也有电压/电流转换芯片，如AD693，MAX472等。
第二节、数据采集系统的方案
模拟信号输入通道的作用是将由传感器送来的模拟量进行电平转换、滤波、放大、采样保持、模／数转换之后，输入微处理器中。
完整的模拟信号输人通道由滤波器、放大器、采样／保持器、模／数转换器等组成。
模拟信号输入通道的工作方式有以下5种，实际应用中选用哪种输入方式，应根据系统的要求决定。
Ø单通道不带采样／保持器的A／D转换
这种电路适合于输入信号变化缓慢的场合，其转换速度一般，方框图如图所示。
Ø单通道带采样／保持器的A／D转换
这种转换电路的转换精度很高，速度快，适合于高精度的数字转换电路。
抗混叠滤波：
按香农采样定理，要求采样频率ωs大于2倍的信号频率ωm，即
，信号频率ωm应该是带限频率，即在（-ωm，ωm）是有限值，以外为0，否则将会发生混叠，混叠信号无法用数字滤波的办法滤波，只能用硬件滤波。
Ø多通道A／D转换
每个通道都带有自己的采样／保持器以及放大器、滤波器、A／D转换电路。
每个通道可以独立工作，相互不影响，采集速度快，占用资源多。
Ø多通道共享A／D转换
这种采样输入形式，共用A/D转换部分，可以同时采集信号。
但一个时间段只能有一路信号进行转换。
适合于多种信号的转换精度、转换速度要求不是太高的场合，它占用CPU的输入口较少，CPU对每个通道的访问，可以由软件决定，也可以由硬件决定，是一种比较经济的工作方法。
Ø多通道共享采样／保持器与A／D转换器
注意：
为了减少噪声，一般将放大放在滤波的前面。
前面的电路也应该如此。
这种方式A／D转换和CHA共用，输入方式适合于对同一信号不同量程的A／D转换，它也比较经济，占用CPU端口少，可以简化单片机系统，不能同时采集信号。
第三节、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。
1、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（变化幅度范围、变化频率范围）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（一般应优于系统精度的十倍左右），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。
2、传感器的选用
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、相应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。
Ø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。
好多大信号实际上是小信号在传感器中放大。
Ø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。
Ø
智能传感器：
智能传感器就是以微处理器为核心，结合敏感元件、信号调理电路。
具有检测、判断和信息处理功能。
在内部对信号进行处理成需要的信号显示或通过通信方式传递出去。
第四节、信号放大
1、基本要求
1）高输入阻抗，反应时间快。
2）频率响应范围宽。
3）高抗共模干扰能力。
4）低漂移、低噪声及低输出阻抗。
2、通用测量放大器
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。
仪用放大器是一种高性能的放大器。
其对称性结构可同时满足对放大器的抗共模干扰能力、输入阻抗、闭环增益的时间和温度稳定性等不同的性能要求。
上图为仪用放大器电路，图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增益的。
仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R3，R5＝R6。
则放大器输出电压为：
R3=R5，即第二级运算放大器增益为1，则输出电压为：
影响放大器精度的几个指标：
Ø输入失调电压：
当输入电压为零时，输出端出现的直流电压折算到输入端的数值，一般为毫伏级，普通的可以到10mV；
Ø输入失调电压温度漂移和输入失调电流温度漂移。
常用的测量放大芯片：
AD620
特点：
1）体积小，只有8个引脚。
2）仅用一个外接电阻设置增益，增益范围为1～1000，
G=（49.4kΩ/RG）+1。
（R1=24.7kΩ）
3）电源电压范围宽:
±2.3～±18V。
4）性能优于3个独立的运算放大器。
5）低功耗，电源电流最大为1.3mA。
6）优良的直流性能：
7）低噪声。
8）输入信号带宽120kHz（G=100），到0.01%的建立时间为15μs。
应用：
由AD620B组成的+5V单电源供电的压力测量电路
Ø应变测量电路
Ø增益：
G=（49400/499+1）=99.998
Ø由于用的ADC芯片要求输入0-3V，运放AD705接成电压跟随器，将模拟地提高到2V。
3、程控测量放大器
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常由单片机的程序控制。
这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
右图为程控增益放大器的原理图。
把上图中的外接电阻RG换成一组精密的电阻网络，由控制接口控制放大器中的电阻。
右图是一种程控增益放大电路。
由多路模拟开关控制电阻的切换。
多路模拟开关可以用AD7501等。
根据支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益，
例如第二个开关导通，将26.67K的电阻接入电路，则增益为：
A1=1+2×40000/26670=3.9996
当开关分别接通时，增益分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。
通过改变电阻，可以得到不同的增益。
在智能仪器中，常见的是变4个增益，分别为1、10、100、1000。
图中模拟开关用单片机控制，能方便的进行量程自动转换。
此类集成电路芯片有AD524，LH0084,PGA102,PGA103,PGA202/203等。
4、隔离放大器
1）什么情况下要用隔离放大器
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。
在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采用隔离技术。
2）隔离放大器的原理
由于隔离放大器采用了浮离式设计，即在信息传递过程中不共地。
常用的隔离方法由变压器耦合隔离与光电耦合隔离，采用线性光耦，可以直接耦合；变压器耦合，要先调制成交流信号，通过变压器耦合后，在解调为直流信号。
3）隔离放大器的特点：
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。
第五节、模拟多路开关
1、模拟多路开关的特性
理想特性：
1）断开电阻无穷大；
2）导通电阻为零；
3）频带宽度无穷大：
4）功耗为零；
5）通、断的过渡过程时间为零；
非理想特性：
1）模拟多路开关关断时，若开关两端的绝缘电阻（模拟多路开关关断电阻）不够大，则关断通道的信号将对导通通道的信号产生影响。
2）模拟多路开关导通时，开关两端存在导通电阻。
由于导通电阻串联在被测信号通路内，因此，可能使被测信号产生电压损失。
但是，模拟开关导通电阻的大小并不是唯一影响被测信号精度的主要因素，影响被测信号精度的主要因素是导通电阻与模拟开关负载电阻的比值。
3）不同种类的模拟开关，其换接速度也不同，被测信号频带越宽，要求模拟多路开关换接速度越快。
4）采用模拟多路开关时，并行输入的多路被测信号被集中引入多路开关。
当通道数增加时，模拟多路开关的寄生电容随之增大，开关关断电阻不够大的影响也随之增大。
这样，通道间的串扰增加，即开关的换接速度及被测信号的测量精度将受到影响。
2．模拟多路转换器MUX
目前广泛采用的模拟多路开关有两类：
一类是电磁式的；另一类是电子式的，数据采集中常用电子式的。
电子式模拟开关由半导体集成电路构成，有晶体管、结型场效应管和CMOS模拟开关等。
模拟多路转换器由译码电路和模拟开关组成。
主要优点是：
换接速度快，驱动功率极小。
主要缺点是：
开关导通电阻较大（几十至几百欧姆）并会产生一定的波动（因此，要求模拟多路开关输出端的负载阻抗足够大）；
3）常用的电子式模拟多路开关及工作原理
美国NS公司的CD4501和CD4502（分别为八选一和双四选一多路开关）；美国AD公司的AD7501和AD7502（分别为八选一和双四选一多路开关）。
下图为多路模拟开关原理图。
4）AD7501的管脚及状态表
AD7501是CMOS八选一模拟多路开关，其管脚如图3．24所示。
X1－X8：
八个输入端；
Xout:
公共输出端;
A0－A2:
用于选择八路模拟输入信号中的某一路；
EN:
用于选择芯片。
其状态表如表3．4所示。
EN=1时，允许芯片工作；EN=O时，禁止芯片工作。
A0、A1、A2经常直接由单片机端口进行控制，来选择那一路工作。
第六节、采样保持（SampleHoldAmplifier）
1、采样保持器实际上就是把连续变化的量变成离散量，然后再进行处理。
2、由于A/D转换需要一定的时间。
为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。
原则:
当在A/D转换过程中信号变化超过一个A/D分辩率（1LSB），要采用采样保持。
3、数据采样定理：
采样频率越高，采样信号y*（t）越接近原信号y（t），为了使采样信号y*（t）既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。
香农定理指出：
为了使采样信号y*（t）能完全复现原信号y（t），采样频率f至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍，即f2fmax。
实际应用中，常取f（5－10）fmax
4、工作原理
采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容C等组成。
采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对C快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容C将保持电压VOUT恒定。
5、性能指标
（1）获取（捕捉）时间（AcquisitionTime）
把SHA由保持状态转换到采样状态并达到真实反映Vi（在指定的误差范围之内）所需的总时间定义为获取（捕获）时间tAc，它包括模拟开关导通延迟时间和建立跟踪的过渡过程时间（后者与电容器的充电时间常数，放大器的响应时间等有关）。
显然，采样周期必须大于tAC才能保证采集的模拟信号正确。
（2）孔径时间tAP（ApertureTime）
在保持命令发出后直到模拟开关完全断开所需的时间为孔径时间tAP。
由于tAP的存在，采样时间被额外地延长了，即在tAP期间，输出仍跟踪输入变化。
这就使实际保持的电压与发出保持命令时刻的电压之间产生误差。
显然，tAP越小，产生的误差也越小。
（3）保持电压的变化
在保持状态下（即A／D转换过程中），由于电容本身的漏电流、缓冲放大器的输入电流，模拟开关截止时的漏电流等会使保持电压不断地变化。
增大电容C会使tAC增加。
选用高输入阻抗的运放作缓冲放大器（以减小缓冲放大器的输入电流），选择优质电容（如聚四氟乙烯电容器）作为C（减小电容内部的漏电流）并选用漏电流小的模拟开关。
6、常用SHA举例‘
LF398的结构及典型接法如图所示。
LF398的性能：
A1和A2的输入阻抗高（1010Ω）；
高输入阻抗带来的好处是：
1）允许使用高阻抗信号源而不会降低采样精度；
2）信号源电阻的变化（如多路开关导通电阻通常在一定范围内会发生变化）也不会降低采样精度；
3）保持电压的变化低（在保持电容为1μF时，保持电压的变化可低至5mV／min）
转换速率高（获取时间为6μs,精度达到0.01%）。
LF398供电电压为±5－±18V。
引脚7和8配合使用可控制LF398采样／保持模式的切换，当7脚接地时，只要8脚接入大于1．4V的控制电平，电路就处于采样状态，反之即处于保持状态大。
该过程一般由单片机进行控制，当A/D转换结束，进入采样阶段；采样阶段适当延时，就可以进入下一轮保持、A/D转换。
采样阶段的最短时间（捕捉时间）与电容有很大的关系，当捕捉精度为0.1%,C为1000pF时，时间为4μs；C为0.01μF时，时间为20μs。
6脚外接保持电容，它的选取对采样保持电路的技术性能指标至关重要，大电容可使系统得到较高精度，但采样时间加长。
小电容可提高采样频率，但精度较低。
第七节、A/D转换器及接口技术
1.概述
A/D转换器用以实现模拟量向数字量的转换。
按转换原理可分为4种:
比较型、积分型、V/F型、Δ-Σ型A/D转换器。
1）比较型ADC的工作原理（不讲）
一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。
转换的原理就像用天平称重量，但砝码的重量从天平最大称重量的1/2开始，然后砝码按1/2递减，若被称重量大于砝码重量就按前一次砝码重量的1/2加砝码，否则将该砝码去掉，换成前一次1/2重量的砝码。
由控制电路控制逐次逼近寄存器，从最高位开始一位一位的设置试探值，根据比较器比较的结果对设置的试探值进行取舍；由D/A转换器将数字量有转换成模拟量送入比较器比较。
比较型转换速度较高、高分辨率及较高的精度，易于和微机接口。
得到极为广泛的应用。
智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC。
2）积分型ADC的工作原理（不讲）
下图是积分型工作的基本原理图。
转换的基本原理是：
在固定的时间内给电容器充电，若信号电压越高，积分器输出电压就越高；然后让积分器在特定条件下放电，由于放电条件固定，所以放电时间正比于输入信号的大小。
用计数器计下放电的时间，该时间就是转换的结果。
在转换开始信号控制下，开关接通模拟输入端，输入的模拟电压VIN在固定时间T内对积分器上的电容C充电（正向积分），时间一到，控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上，此时电容C开始放电（反向积分），同时计数器开始计数。
当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号，由控制逻辑停止计数器的计数，并发出转换结束信号。
这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。
放电时间T1或T2又正比于输入电压VIN，即输入电压大，则放电时间长，计数器的计数值越大。
因此，计数器计数值的大小反映了输入电压VIN在固定积分时间T内的平均值。
双积分ADC以其高精度、高分辨率和低转换速度为特点，用于信号变化缓慢，有强电干扰的场合。
3）V/F型ADC和∑－△型ADC
该两种A/D转换只讲特点。
电压/频率式转换器--简称V/F转换器，是把模拟电压信号转换成频率信号的器件。
V/F型ADC的特点是：
（1）与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；
（2）分辨率较高；
（3）特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合，可以调制成光脉冲，用光纤传送。
可以调制成射频信号，进行无线传播，实现遥控；
（4）接口简单，占用微处理器资源少。
应用：
非快速过程，要求精度较高的A/D转换中。
在电子秤等方面应用较多。
芯片有LM331,AD537、AD651等
Σ-Δ型ADC：
传统的A/D变换技术在实现极高精度（大于16位）的A/D变换器时在性能、代价等方面受到了极限性的挑战，而且由于难以与数字电路系统实现单片集成，因而不适应VLSI（超大规模集成电路）技术的发展。
近年来Δ-Σ模数转换器正以其分辨率高（24位）、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用，特别是在既有模拟又有数字的混合信号处理场合更是如此。
过采样Σ-ΔA/D变换器由于采用了过采样技术和Σ–Δ（和－差）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。
输出为串行数据。
特点：
（以AD7714为例）
（1）器件直接从传感器接收小电压信号，输出串行数字信号。
可以直接接收全桥应变片电路的信号，使信号处理电路大为简化。
（2）高达24位无误码。
0.0015%的非线性度。
（3）采用单一3V或5V电源供电；
（4）5通道输入。
（5）增益可编程
由于Σ-Δ的优越性显著，应用愈来愈多。
2、A/D转换器的几个性能指标
（1）分辨率
分辨率是指A/D转换器对微小输入信号变化的敏感程度。
分辨率越高，转换时对输入量微小变化的反应越灵敏。
通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位等。
分辨率为n，表示它可以对满刻度的1/2n的变化量作出反应。
即：
分辨率=满刻度值/2n
如输出8位数字量的分辨率=1/28=0.39%，如果输入电压为0—5V，则分辩电压为：
1LSB=5/255=0.0196V≈0.02V
（2）转换精度
A/D转换器的转换精度可以用绝对误差和相对误差来表示。
绝对误差：
对应于一个给定数字量A/D转换器的误差，其误差的大小由实际模拟量输入值和理论值之差来度量。
该值限定为量化带中点对应的模拟电压。
绝对误差包括量化误差，零点误差和非线性误差等。
量化误差是原理性误差，分辩率为1LSB，量化误差为±1LSB/2；
零位误差是模拟信号为零时数字信号的值，反映变换曲线沿横坐标的漂移；可修正
线形误差是模拟信号与数字信号始、末点重合时，中间最大的误差。
相对误差：
绝对误差与满刻度值之比，一般用百分数来表示，对A/D转换器常用最低有效值的位数LSB（LeastSignificantBit））来表示，1LSB=1／2n。
（3）转换时间
A/D转换器完成一次转换所需的时间称为转换时间。
如逐位逼近式A/D转换器的转换时间为微秒级，双积分式A/D转换器的转换时间为毫秒级。
当电源电压变化时，将使ADC的输出发生变化。
这种变化的实际作用相当于ADC输入量的变化，从而产生误差。
通常ADC
（4）电源灵敏度
对电源变化的灵敏度用相当于同样变化的模拟输入值的百分数来表示。
例如，电源灵敏度为0.05%/ΔVs%时，其含义是电源电压变化为电源电压VS的1％时，相当于引入0.05％的模拟输入值的变化。
3、几种ADC集成芯片及其应用
1）ADC0809及其接口电路
ADC0809是采用CMOS工艺制造的双列直插式单片8位A/D转换器。
分辨率8位，模拟电压转换范围是0-+5V，标准转换时间为100s，采用28脚双列直插式封装（DIP）。
结构如下：
（1）ADC0809有三大部分组成：
第一部分：
8个模拟量输入通道，有通道地址译码锁存器，输出带三态数据锁存器。
第二部分：
一个逐次比较型A/D转换器；
第三部分：
三态输出缓冲锁存器。
（2）各引脚功能如下：
C
B
A
选中通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
ØIN0～IN7：
8路模拟量输入端。
允许8路模拟量分时输入，共用一个A/D转换器。
ØALE：
地址锁存允许信号，上升沿时锁存通道选择信号。
ØA、B、C：
3位地址线即模拟量通道选择线。
ALE为高电平时，地址译码与对应通道选择见表。
ØSTART：
启动A/D转换信号，高电平有效。
上升沿时将转换器内部清零，下降沿时启动A/D转换。
ØEOC：
转换结束信号，输出，高电平有效。
ØOE：
输出允许信号，高电平有效。
该信号由CPU的读信号打开三态输出缓冲器，将A/D转换得到的8位数字量送到数据总线上。
ØCLOCK：
外部时钟脉冲输入端。
典型值640kHz（10kHz-1280KHz），在640kHzA/D转换时间为100s。
ØD0～D7：
8位数字量输出。
D0为最低位，D7为最高位。
由于有三态输出锁存，可与主机数据总线直接相连。
Ø
VREF+，VREF-：
基准电压源正、负端。
取决于
升级会员 