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1、第11章 检测信号的采集与显示,【内容提示】 到上一章为止，传感器及其信号调理问题已经基本讨论完毕，余下是输出使用环节，它包括信息的采集（对使用而言）和数据的显示。近年来，检测器输出信号被计算机大量采用，计算机数据通信接口成为检测器输出信号的主要去处之一，于是，数据的采集质量对于计算机后续的加工、处理和实施显得至关重要。同时，检测信号的显示对于监督、管理和维护也不容忽视。本章讨论检测信号的数据采集与显示，其内容包括采样保持器、AD转换和数据显示等。,11.1 概述,测信号的数据采集（data acquisition）是将检测器获得的模拟量进行采样 (sampling)、量化（quantizin
2、g），并转化成数字量，以便计算机进行加工、运算和控制的过程。一般数据采集系统由多路模拟开关 (multiplex analogue switch)、采样保持器 (samplingholder，SH)、模数转换器 (analog to digital converter，ADC，或AD转换器) 和计算机系统组成，如图11-1所示。,实际的数据采集系统通常需要同时测量多个物理量，或者同一物理量的多个不同测点。所以多路模拟输入通道似乎更具普遍意义。按照各路是共用一套SH和AD转换器，还是各用一套SH和AD转换器，多路模拟输入通道可分为集中采集式和分布采集式两大类。显然，图11-1属于集中采集式中的一
3、类，其特点是节省硬件资源，但实时性差.,图11-1 数据采集系统的组成,图11-2属于分散采集式，其特点是灵活可靠、高速和高精度。,图11-2 分布式多通道数据采集系统结构形式,对于集中数据采集系统来说，多路开关实现多个参数逐个地、分时地接通并送入SH和AD转换器，即完成多路输入到一路输出的转换。从广义来说，多路开关分为双向多路开关和单向多路开关。双向多路开关既能实现多到一的转换，又能作为反向多路开关，完成一到多的转换，如CD4051就是一种双向 8 通道多路开关；单向多路开关仅能实现多到一的转换，这里的多路模拟开关就用这种类型。多路开关要求接通电阻小（100 ) ,断开电阻大 ( 左右)，接
4、通和断开时间与传输信号变化速率相当，各输入通道之间有良好的隔离。目前多路开关主要有机械触点式和半导体集成式两种，前者结构简单、导通阻抗小、断开阻抗大，但切换速度慢，适合大电流、高电压、低速高精度数据采集系统；后者体积小、寿命长、切换速度快，但导通电阻大，承载的电流电压有限，适应于低电压、小电流、频繁切换的场合。,11.2 信号的采集保持,为了将检测器输出的模拟信号输送给计算机应用，需要将模拟信号转变为数字信号，即进行AD转换。从转换的角度来说，要求从转换启动到数字量输出这段时间，模拟信号基本保持不变，否则，转换精度难以保证。实现这种在AD转换开始时，将输入信号电平保持住，转换结束之后，输出又能
5、跟踪输入信号变化的器件，就叫采样保持器。如果检测器的模拟信号变化很慢，也可以不用采样保持器。,11.2.1 采样保持器的基本工作原理与类型,在数据采集系统中，采样保持器的作用是：稳定快速变化的输入信号，以利于模数转换器的工作，减少采样误差；存储模拟多路开关输出的模拟信号，使模拟多路开关能服务多个待转换的信号。,1. 基本工作原理,采样保持器的一般性结构如图11-3所示，主要由模拟开关 K、电容Ch 和缓冲放大器 A,组成。其工作分为两个过程：一是采样期（也称跟踪期），二是保持期，然后交替进行下去。下面结合图 11-4 进行叙述。,图11-3 采样保持器一般性结构图,采样期间，控制电压 为高电平
6、，模拟开关K闭合，模拟输入 通过开关向电容 Ch 充电，使得 。当 时， 变为低电平，开关 K 断开，此时， 保持断开瞬间的 ，并等待AD转换器转换，直至 。当 时刻来临时，保持过程结束，新的采样周期开始，于是重复 期间的活动，并循环下去。,在以上叙述中，控制电压 是控制采样和保持状态的关键。除此之外，电容 Ch 对采样保持的精度有较大影响，若电容值过大，则时间常数大，当模拟信号频率过高时，电容的充放电时间过长，从而影响对输入信号的跟踪性。另外，如果电容的漏电流过大，负载内阻过小，都会引起保持信号电平的变化。所以电容的选择和质量很重要。,2采样保持器的类型,实际应用中，常常按结构将采样保持器分
7、为串联型和反馈性两种。,图11-4 采样-保持器工作示意图,串联型采样保持器的结构如图11-5所示。其中，A1 和A2 分别为输入和输出缓冲放大器，其目的是提高采样保持器的输入阻抗、减小输出阻抗，以便于信号源和负载连接；K为模拟开关，由控制电压 控制其开关；Ch 为保持电容。,开关 K 闭合时，采样保持器处在采样状态，由于A1为高增益放大器，其输出电阻和开关 K 的导通电阻均很小，输入电压 经 A1 向电容 Ch 快速充电，于是电容电压跟踪输入电压 ；当开关 K 断开时，由于 Ch 无放电回路，从而输出保持电容电压，直到下次开关 K再次闭合。,串联型采样保持器的特点是：结构简单，但它的失调电压
8、比较大，为两个运算放大器,图1-5 串联型采样保持器的结构图,失调电压值之和，影响其精度，跟踪速度也比较慢。,反馈型采样保持器的结构如图11-6所示。其中，输出电压 通过 R 反馈到输入端， 和 分别为它们的失调电压，开关 K1 和 K2 工作时处在相反的状态。,图11-6 反馈型采样保持器结构图,当 k1 闭合，k2 断开时，运算放大器 A1和 A2 组成跟随器，电路处在跟踪状态，此时电容两端的电压为,当k1 断开，k2 闭合时，电路处在保持状态，此时输出电压为,在保持状态期间，K2的闭合使得放大器A1输出仍跟踪输入，避免A1进入饱和状态，使得电路再次进入跟踪状态时，A1立即跟踪输入 。反馈
9、型采样保持器的跟踪速度因引入反馈而比较快，当输入和输出不相等时，差值被A1放大，并对电容充电。,11.2.2 采样保持器集成芯片,目前采用的采样保持器大多都为集成芯片，电路中的电容另配，外接在芯片上。常用的采样保持器有多种，如AD582、LF198、LF298和LF398等。下面以AD582为例加以讨论。 AD582是美国Analog Devices 公司生产的采样保持器，其管脚及大体结构如图11-7所示。基本组成为一个高性能运算放大器、一个模拟开关和一个由场效应管集成的放大器。产品采用14脚双列直插式封装，各管脚功能说明如下：,管脚1和9分别为同相输入和反相输入，若接管脚 1，则输出输入同相
10、，若接管脚 9，则输出输入反相，管脚 6 和 8 接保持电容 ，管脚3和4外接直流调零电位器，调节第一级差动运算放大器工作电流，管脚10 接电源15V、管脚 5 接电源15V，管脚11和12为采样保持的逻辑控制输入端，若管脚 12 为逻辑 “0”，则电路处在采样状态，为逻辑 “1”时为保持状态。管脚2、7、13和 14 悬空未用。,图11-7 AD582管脚分布及内部大致结构图,AD582的实际应用电路如图11-8 所示，它属反馈型采样保持器。外接电容接在A2的输出端（8号管脚）和反相输入端（6号管脚）之间，这样接的好处是相当于扩大了电容量，即由原 扩大为 ，这里 为运算放大器 A2 的放大倍
11、数（根据 Miller effect，即密勒效应）。于是，该芯片可外接较小电容而获得较高采样频率。外接的10K可调电阻为调零电位器，0.05 为旁路电容。整个电路增益为,当 断开、 短接时，增益为1。,值得注意的几点： 1）采样保持器的作用是为AD转换器提供转换过程中恒定不变的采样值，以保证,转换精度，其位置处在检测器输出和AD转换器之间；,2）在一次数据采集过程中，包括一次采样和一次AD转换，所以它们完成一次动作所需要的时间和应小于采样周期，即,其中， 为采样保持器捕捉时间，即从保持状态转到跟踪状态时，采样保持器的输出从保持的值变到当前输入值所需的时间； 为采样保持器设定时间，在精度不高的数
12、据采集系统中，由采样转入保持的指令也是启动AD转换的指令，此时可不考虑 ； 为AD转换时间， 为采样周期。,图11-8 AD582应用电路,3）在采样保持器的集成电路中，一般都有分离的模拟地和数字地，接线时应将模拟地和数字地分别引接到模拟电源和数字电源的参考点上，以免信号的突变而相互影响。,11.3 AD转换,11.3.1 AD转换器的分类与技术指标,模数转换器是一种将模拟信号经量化和编码后，转换为数字信号的器件。随着计算机及其网络技术的发展和应用，需要将检测器输出的模拟信号通过模数转换器的工作，变为计算机可以识别和处理的数字信号。因此，模数转换是数据采集系统中重要的一环，它涉及转换原理、转换
13、技术指标和应用等方面的问题。 AD转换器的类型较多，如果按其转换输出数据的方式分，有并行和串行两种，其中并行又分为8位、10位、14位和16位等；如果按转换原理分，有逐次逼近式和双斜积分式。 AD转换的主要技术指标有：分辨率、采样位数、转换精度和转换时间等。 1）分辨率 分辨率是指AD转换器可分辨模拟输入信号的最小变化量，它是AD转换器对输入信号微小变化响应能力的度量。设AD转换器的位数为n，满量程电压为 ，则其分辨率为,假如一个检测器的输出电压范围为0-10V，用12位AD转换器的分辨率为,显然，AD转换器的位数越高，其分辨率的数值越小，即可辨认输入信号变化量值越小。本质上，分辨率就是转换器
14、能分辨的模拟信号的最小变化值。实践中，人们一般简单地用AD转换器的位数n来间接表示分辨率。,2）采样位数 采样位数就是AD转换器输出二进制数的位数。上面谈到的多少位AD转换器就是输出二进制的位数。这里引出一个与采样位数紧密相关的、称作最小（低）有效数字量（least significant bit, LSB）的概念,其中， 和 分别为输入电压最大和最小值，n 为采样位数。显然它与分辨率相关，AD转换器的采样位数越多，分辨率越高（数值越小），转换区间内的分度越细，表示的模拟信号就越精确。,3）精度,AD转换器的精度是对应于输出数字的实际模拟输入与理想模拟输入之差。例如，一个12位AD转换器，理论
15、上模拟输入电压为 5V1.2mV 时，对应的输出数码为100, 000, 000, 000，如果实际上在 4.9974.999V 范围内的模拟输入电压都产生这一输出数码，则,精度 (误差),总的来说，精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度。精度与分辨率是两个不同的概念，精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确程度，而分辨率是指转换器所能分辨,的模拟信号的最小变化值。,4）转换时间与转换速率,按规定的精度将模拟信号转换为数字信号并输出所需要的时间就是转换时间，通常用微秒（microsecond， s）或者毫秒（millisecond，ms）来表示其单位。,AD转换器的转换时间取决于转换的位数
16、、转换的方法，以及采用的器件。对于某些转换器来说，其转换时间与模拟量的大小无关，仅取决于转换器的位数，因而转换时间是恒定的，如逐次逼近AD转换器。而另一些转换器的转换时间与待转换信号的大小有关。 转换速率是每秒转换的次数，即重复进行数据转换的速度。对于瞬时值响应的转换器来说，转换速率取决于所要求的精度和被转换信号的频率。 检测器的输出一般是混有交变干扰的直流（或缓慢变化）信号，若转换时间延长，则有利于抑制干扰，即牺牲转换时间可提高转换精度。,11.3.2 AD转换器的类型与转换原理,1逐次逼近AD转换器,这是一种直接型AD转换器，它按天平称重的思路，将模拟输入量与参考值进行逐次比较，并转换成响应的数字量，其量的模拟值在比较过程中一步
