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1、周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二章 智能仪器的数据采集技术(前向通道) 数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 传统A/D转换器及接口技术 -型ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、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。周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室第一节 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 周鹏 安
2、徽工程大学电气工程学院电科教研室多路模拟输入通道数据采集系统同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。多路模拟输入通道可分为两大类型：集中式采集分布式采集周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室一、多路模拟信号集中采集式 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一传感器1传感器2传感器3调理调理调理模 拟 多 路 开 关A/D计 算 机控制逻辑S/H多路共用采集电路分时采集周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室2. 集中式数据采集系统的典型结构之二传感器1传感器2传感器3调理调理调理S/HS/H模 拟 多 路 开 关S/HA/D计 算 机控制逻辑多路同步取样共用A/D分时采集周鹏 安徽工程大
3、学电气工程学院电科教研室3. 集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样A/D，分时传输数据多通道独立取样A/D，有通道缓存周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室二、分布式采集周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室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模拟信号或数字信号网络式数据采集结构周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室第二节 模拟信号调理采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室传感
4、 器前置 放大滤 波程控 放大滤 波采集 电路典型模拟调理电路的组成框图 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。正确选用传感器： 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求； 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器， 自行设计传感器一、传感器的选用周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室将被测量转换后续电路可用电量：1.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；3.转换速度（带宽）：符合整机要求；4.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
5、、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(一) 对传感器的主要技术要求周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室对于一种被测量，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、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。 (二) 选用什么类型传感器周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室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
6、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 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室2. 数字式传感器采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室频率量及开关量输出传感器的使用 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 输出开关量 输出周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室集成传感器
7、是将传感器与信号调理电路做成一体。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。 3. 集成传感器周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室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。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。 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室放大器为什么要“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？二、运用前置放大器的依据当传感器输出信号比较小，必须选用 前置放大器进行放大。周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室VINVOS前置放大器K0后级电路KVISVIN0VON
8、放大器噪声分析 总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VISVIN，加入前放后，希望VISVIN，就必须使VIN95dB u - A/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50KHz u 差动模拟输入 u 单+5V电源供电周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室CS5360功能框图CS5380 CS5381周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室数字接口电路功能框图 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室基于FPGA的数字接口电路部分的设计 接口功能框图 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科
9、教研室串并转换电路原理图 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室高速A/D转换器 逐次近似A/D法（几十MHz） 闪电式A/D法（几百MHz） 分量程A/D法（几百MHz） 流水线A/D法（几百MHz） 谐振隧道二极管A/D法（1GHz以上）视频、数字示波器、频谱测试、雷达采样率10MHz以上参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室第五节 数据采集系统设计及举例一、系统设计考虑的因素二、A/D转换器的选择要点 三、采样保持器S/H的选择四、多路测量通道的串音问题 五、主放大器的设置 六、数据采集系统实例 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室
10、一、采集系统设计考虑的主要因素v 输入信号的特性 v 对数据采集系统性能的要求v 接口特性周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室输入信号的特性： 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.信号源的阻抗周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室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 ：周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室二、A
11、/D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.接口周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室1.A/D转换位数m系统精度指标的 10倍原则周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室2. A/D转换速度的确定 转换速率 =周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室三、采样保持器S/H的选择 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室最大孔径误差 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:周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室不加采样/保持器 加采样/保持器 一个12位ADC，tc=25s 信号频率不能超过1.5Hz。 tAP=10nsfm
12、ax=3750Hz周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室A/D转换时间tC 内S/H理想情况下应保持不变存在输出电压的跌落ID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。 周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室四、多路测量通道的串音问题 MUX电路模型 模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。 低频等效电路 高频等效电路RiRoffRon周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室(1)为减少漏电流影响,减小信号源内阻Ri，为 此前级应采用电压跟随器；(2) 选用Ron极小、Roff极大的开关管；(3) 减少输出端并联的开关数N。若N=1，则VN=0。(4) 减小串音应选用寄生电容小的MUX。(5) 模拟开关不用的输入端接地。周鹏 安徽工程大学电气工程学院电科教研室数据采集系统实例误差分析 教材P51-58深化你所设计数据采集系统：1.详细给出系统电路图；2.给出设计指标，逐一说明或论证。（能够采集的信号特征，达到采样率、分辨率等，电 源，成本）；3.主要误差估算，分析达到的精度；4.画出采集程序流程图；5.改进或创新之处。
