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1、第第2章章数据采集基础知识数据采集基础知识2.1数据采集系统的概念及其结构数据采集系统的概念及其结构2.2输入信号类型及其检测输入信号类型及其检测2.3模拟信号的数字化模拟信号的数字化2.4信号调理信号调理2.5放大器放大器2.6多路模拟开关及采样保持器多路模拟开关及采样保持器2.7A/D、D/A转换转换2.8数据采集设备数据采集设备2.9信号调理设备与数据采集设备的通信信号调理设备与数据采集设备的通信2.9被测信号与数据采集设备之间的连接被测信号与数据采集设备之间的连接2.1数据采集的基本概念数据采集的基本概念l在科研、生产和日常生活中，对温度、压力、流量、速度、位在科研、生产和日常生活中，
2、对温度、压力、流量、速度、位移等移等模拟量模拟量进行测量和控制时，需要通过传感器把上述物理量进行测量和控制时，需要通过传感器把上述物理量转换成能够模拟物理量的电信号转换成能够模拟物理量的电信号(即模拟电信号即模拟电信号)，将，将模拟电信模拟电信号号经过处理并转换成计算机能识别的经过处理并转换成计算机能识别的数字量数字量，送入计算机，称，送入计算机，称之为数据采集。之为数据采集。它是计算机在监测、管理、和控制一个系统它是计算机在监测、管理、和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。的过程中，取得原始数据的主要手段。l数据采集：被测对象的各种参量通过各种传感元件经过适当转数据采集：被测对象的
3、各种参量通过各种传感元件经过适当转换后，经换后，经采样采样、量化量化、编码编码、传输传输等步骤，最后送到控制器进等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。行数据处理或存储记录的过程。l数据采集系统数据采集系统(DAS,DAQ：DateAcquisitionSystem)2.1数据采集的基本概念数据采集的基本概念l现代数据采集系统主要特点：现代数据采集系统主要特点：大规模集成电路及计算机技术的飞速发展，硬件成本降低。大规模集成电路及计算机技术的飞速发展，硬件成本降低。一般由计算机控制，采集质量和效率提高。一般由计算机控制，采集质量和效率提高。数据采集与处理工作紧密结合，系统工作实现一体
4、化。数据采集与处理工作紧密结合，系统工作实现一体化。数据采集系统的数据采集系统的“实时实时”性，能满足实际应用环境的要求。性，能满足实际应用环境的要求。一般都配有一般都配有AD、DA转换器，可处理模拟量和数字量。转换器，可处理模拟量和数字量。数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。总线技术广泛应用，对采集系统的发展起重要作用。总线技术广泛应用，对采集系统的发展起重要作用。2.1数据采集系统的概念及其结构数据采集系统的概念及其结构数据采集数据采集的概念：的概念：将温度、将温度、压力、流量、位移等模力、流量、位移等模拟量采集量采集转换成成为数字量后，
5、数字量后，由由计算机算机进行存行存储、处理、理、显示或打印的示或打印的过程，相程，相应的系的系统称称为数据采集系数据采集系统。图2.1数据采集系统结构图微机测控系统微机测控系统2.1数据采集系统的概念及其结构数据采集系统的概念及其结构多路分多路分时采集分采集分时输入入结构构集中采集式集中采集式2.1数据采集系统的概念及其结构数据采集系统的概念及其结构分布式单机数据采集系统的结构分布式单机数据采集系统的结构分散采集式分散采集式2.1数据采集系统的概念及其结构数据采集系统的概念及其结构网络式数据采集结构网络式数据采集结构分散采集式分散采集式2.2输入信号的类型与检测输入信号的类型与检测信息信息状状
6、态速率速率幅幅值形状形状频率率onofft1-0-t0.985ttf信号信号模模拟量量数字量数字量开开/关信号关信号脉冲脉冲队列列直流信号直流信号时域信号域信号频域信号域信号模拟信号模拟信号模模拟直流信号直流信号温度温度压力力流量流量应力力DC精度精度模模拟频域信号域信号振振动语音音声声呐分辨率分辨率采采样频率率精度精度触触发对采集卡的要求采集卡的要求模模拟时域信号域信号雷达回波雷达回波血血压变化化汽汽车点火波形点火波形分辨率分辨率采采样频率率精度精度触触发0.985ttf数字信号数字信号onofft1-0-t开关信号开关信号输入入：检测一个开关的打开一个开关的打开/闭合合输出：出：打开打开/
7、关关闭一个一个阀门驱动能力能力通道数通道数脉冲脉冲队列列输入：入：读光光编码器的器的输出信号出信号输出：出：产生一个方波生一个方波时钟频率率分辨率分辨率对采集卡的要求采集卡的要求2.3模拟信号的数字化模拟信号的数字化1时间断断续-采集信号采集信号采采样间隔隔t，采，采样点在点在时域上是分散的。域上是分散的。 2数数值断断续：量化量化：把采：把采样信号信号xs(nTs)以某个最小数量以某个最小数量单位的整倍数来度量，位的整倍数来度量，这个个过程称程称为量化，量化后信号量化，量化后信号变换为xq(nTs)。编码：把量化信号：把量化信号xq(nTs)经过编码，可，可转换为离散的数字信号离散的数字信号
8、x(n)。模拟信号离散化处理时遵循的原则模拟信号离散化处理时遵循的原则(1)采采样点增多，占用点增多，占用计算机的大量内存算机的大量内存单元，可能会因内存不元，可能会因内存不够而无法工作；而无法工作；(2)采采样点太少，各采点太少，各采样点之点之间相距太相距太远，使原始数据，使原始数据值的失真，的失真，信号复原信号复原时不能复不能复现原来原来连续变化的模化的模拟量，从而造成量，从而造成误差。差。l对模模拟信号离散化信号离散化时，依据采，依据采样定理定理进行。行。2.3.2采样过程及采样定理采样过程及采样定理l采采样过程程:把把时间和幅和幅值上上连续的模的模拟信号信号x(t)，通，通过一个周期一
9、个周期性开性开闭（周期（周期为Ts，开关，开关闭合合时间为）的采）的采样开关开关S之后，在之后，在开关开关输出端出端输出一串在出一串在时间上离散的脉冲信号上离散的脉冲信号，把，把这一一过程称程称为模模拟信号的数字化信号的数字化过程，也称程，也称为采采样过程。程。l采采样过程可程可认为是一个脉冲是一个脉冲调制制过程，采程，采样开关可看做是一个开关可看做是一个调制器。制器。这种脉冲种脉冲调制制过程是将程是将输入的入的连续模模拟信号信号x（t）的）的波形波形转换为宽度非常窄而幅度由度非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列，如入信号确定的脉冲序列，如图2-3所示。所示。输入信号与入信号与输出信号之出信号
10、之间的关系表达式的关系表达式:式中式中x(t)-采采样开关开关输入的入的连续模模拟信号；信号； -采采样开关控制信号开关控制信号T-采采样周期；周期；-采采样时间采样定理采样定理：连续信号连续信号离散信号离散信号l连续时间信号，可以表示信号，可以表示为无限多个无限多个谐波的叠加波的叠加。l信号信号x(t)和和频谱X(f)的关系的关系为：（2-1）（2-2）由由恢复出恢复出，频谱和采和采样间隔隔必必须满足足：有截止有截止频率率(即最高即最高频率率)，即当，即当时，（2-3） 或或 （2-4）采样定理采样定理：连续信号连续信号离散信号离散信号如下：如下：在在满足足这两个条件的情况下，由两个条件的情
11、况下，由恢复恢复（2-6）（2-7）l采样定理：连续信号采样定理：连续信号x(t)的频谱为的频谱为X(f)，以采样间隔，以采样间隔Ts采样得采样得到的离散信号为到的离散信号为x(nTs)。如。如x(t)和和X(f)满足条件式满足条件式(2-3)和式和式(2-4)，则由离散信号，则由离散信号x(nTs)完全确定频谱完全确定频谱X(f)，关系式为，关系式为(2-6)，并，并且且x(nTs)完全确定连续信号，具体关系式为完全确定连续信号，具体关系式为(2-7)。采采样频率：采率：采样周期的倒数；表示采周期的倒数；表示采样快慢的物理量；多少快慢的物理量；多少时间采一个点采一个点/每秒采每秒采样多少个点
12、；多少个点；香香农(Shannon)采采样定律：定律：fs2*fmaxfs：采：采样频率；率；fmax：信号最高：信号最高频率；一般率；一般fs2.5*fmax；工；工程上一般取程上一般取fs68*fmax。奈奎斯特奈奎斯特(Nyquist)频率：信号中最高率：信号中最高频率率fmax；(f0fs/2)。奈奎斯特取奈奎斯特取样率：率：fs2*fmax(f0fs/2)。采采样定律的特例：等效定律的特例：等效时间采采样采样注意事项采样注意事项l采样频率的选择采样频率的选择l采样率决定了模数转换（采样率决定了模数转换（A/D）的频率。较高的采样率可在给）的频率。较高的采样率可在给定时间内采集更多的点
13、，可更好地还原原始信号。而采样率过定时间内采集更多的点，可更好地还原原始信号。而采样率过低则可能会导致信号畸变：混频（低则可能会导致信号畸变：混频（alias）。）。充分采样率时的信号充分采样率时的信号过低采样率时的信号过低采样率时的信号各种采样率的效果各种采样率的效果混频偏差混频偏差l采采样率率过低的低的结果是果是还原信号的原信号的频率看上去与原始信号不同。率看上去与原始信号不同。这种信号畸种信号畸变叫做混叠（叫做混叠（alias）。出）。出现的混的混频偏差（偏差（aliasfrequency）是）是输入信号的入信号的频率和最靠近的采率和最靠近的采样率整数倍的差率整数倍的差的的绝对值。采采样
14、频率率fs是是100HZl混混频偏差偏差ABS（采（采样频率的最近整数倍率的最近整数倍输入入频率）率）混混频偏差偏差F2=|200140|=60Hz混混频偏差偏差F3=|(2)200320=80Hz混混频偏差偏差F4=|(3)300550|=50Hz混叠信号消除混叠信号消除l采采样率必率必须大于被采大于被采样信号信号频率的两倍。率的两倍。实际应用中，即使已用中，即使已经确定必确定必须被被测的信号有一个最大的的信号有一个最大的频率率值，杂散信号可能会散信号可能会带来比奈奎斯特来比奈奎斯特频率高的率高的频率。率。这些些频率很可能会混率很可能会混杂在需要在需要的的频率范率范围中，中，导致致错误的的结
15、果。果。l为了保了保证输入信号的入信号的频率全部在率全部在给定范定范围内，需要在采内，需要在采样器和器和ADC之之间安装一个低通安装一个低通滤波器（可以通波器（可以通过低低频信号，削弱高坡信号，削弱高坡信号的信号的滤波器）。因波器）。因为它通它通过对高高频信号（高于奈奎斯特信号信号（高于奈奎斯特信号频率）率）进行削弱，减少了混行削弱，减少了混频信号的干信号的干扰，所以，所以这个个滤波器被波器被称称为抗混抗混频滤波器，波器，这个个阶段数据仍然段数据仍然处于模于模拟状状态，所以抗，所以抗混混频滤波器是一个模波器是一个模拟滤波器。波器。2.3.3量化与量化误差量化与量化误差l连续模模拟信号采信号采样
16、后，后，变成了成了时间上离散的采上离散的采样信号，但其幅信号，但其幅值在采在采样时间内内连续，因此采，因此采样信号是模信号是模拟信号。信号。为便于便于计算算机机处理，理，须转换为数字信号，将幅数字信号，将幅值用二用二进制代制代码表示。而二表示。而二进制代制代码位数有限，故在位数有限，故在编码之前首先要之前首先要对采采样信号信号进行量化。行量化。l把采把采样信号的幅信号的幅值与某个最小数量与某个最小数量单位的一系列整倍数比位的一系列整倍数比较，以最接近于采以最接近于采样信号幅信号幅值的最小数量的最小数量单位倍数来代替位倍数来代替该幅幅值。称称为“量化量化过程程”或或“量化量化”。l最小数量最小数
17、量单位称位称为量化量化单位。量化位。量化单位定位定义为量化器量化器满量程量程电压FSR（FullScaleRange）与）与2n的比的比值，用，用q表示，因此有表示，因此有q=FSR/2n，n为量化器的位数。量化器的位数。l量化信号的数量化信号的数值用二用二进制代制代码来表示，称来表示，称为编码。28量化信号量化信号量化信号量化信号数字信号数字信号量化方法量化方法“只舍不入只舍不入”的量化的量化“有舍有入有舍有入”的量化的量化量化误差量化误差l量化量化误差：由量化引起的差：由量化引起的误差差e=xs(nTs)-xq(nTs)“只舍不入只舍不入”法引起的量化法引起的量化误差差“只舍不只舍不入入”
18、法的量化误差法的量化误差l“只舍不入只舍不入”法的量化误差只能是正误差，是法的量化误差只能是正误差，是0q之间的之间的任意值，是任意值，是0，q上均匀分布的随机误差。上均匀分布的随机误差。l平均误差为：平均误差为： 量化误差最大值：量化误差最大值：方差为：方差为：，标准差：，标准差：“有舍有入有舍有入”法引起的量化误差法引起的量化误差平均误差：平均误差：。最大量化误差：。最大量化误差：方差为：方差为：标准差：标准差：模拟信号的量化噪声模拟信号的量化噪声l对于相同的模于相同的模拟信号信号x(t)，当当A/D转换器位数器位数较少，而量化少，而量化单位位q较大大时，噪声，噪声e峰峰-峰峰值较大，大，
19、变化的化的频率率较低；当低；当A/D转换器位器位数数较多，而量化多，而量化单位位q较小小时，产生生高高频、小振幅的量化噪声、小振幅的量化噪声。l相同相同的量化的量化单位位q，信号，信号变化越化越缓慢，量化噪声的慢，量化噪声的变化化频率越率越低；信号低；信号变化越迅速，量化噪声的化越迅速，量化噪声的变化化频率越高率越高。l结论：（1）模）模拟信号信号经过量化后，量化后，产生了跳生了跳跃状的量化噪声；状的量化噪声；（2）量化噪声的峰）量化噪声的峰-峰峰值等于量化等于量化单位位q；（3）量化噪声的）量化噪声的变化化频率取决于量化率取决于量化单位位q和模和模拟信号信号x(t)的的变化情况，化情况，q越
20、大，越大，x(t)变化化越越缓慢，噪声的慢，噪声的频率也越低率也越低。2.3.4编码编码l编码：把量化的数值用代码表示。编码：把量化的数值用代码表示。(1)单极性编码：用于信号恒为正值或负值的情况单极性编码：用于信号恒为正值或负值的情况1）二进制码。）二进制码。2）二）二十进制（十进制（BCD）编码。）编码。(2)双极性编码：信号在一个周期内有正负时采用双极性编码：信号在一个周期内有正负时采用1）符号数值码。）符号数值码。2）偏移二进制码。）偏移二进制码。3）补码。）补码。单极性编码单极性编码l二二进制制编码：十十进制数制数D的量化的量化电平表示平表示为第第1位位(MSB)的的权是是，第第2位
21、的位的权是是，第，第n位位(LSB)的的权是是，ai或或为0或或为1，n是位数。数是位数。数D的的值就是所有非就是所有非0位的位的值与它的与它的权的的积累加的和。累加的和。l二二十十进制制(BCD)编码：用一：用一组四位二四位二进制制码来表示一位来表示一位09的的十十进制数字，即制数字，即电压按按8421(即即23222120)进行行BCD编码。双极性编码双极性编码l符号符号数数值码：最高位最高位为符号位（符号位（“0”正正，“1”负），其它各位是数），其它各位是数值位位。优点点是信号在零的附近是信号在零的附近变动1LSB时，数，数值码只有最低位改只有最低位改变，不会，不会产生生严重的重的瞬瞬
22、态效效应。缺点是零。缺点是零0+为0000，0-为1000，符号符号数数值码的的转换器器电路复路复杂，造价造价贵。l偏移偏移二二进制制码：转换器最容易器最容易实现的双极性的双极性码制制。模。模拟输出出量量UOUT，用，用偏移偏移二二进制制码表示表示时，代，代码完全按照二完全按照二进制制码的方式的方式变化，不同之化，不同之处是代是代码简单地地用用满量程量程值加以偏移。以加以偏移。以4位二位二进制制码为例，代例，代码的偏移情况如下：的偏移情况如下：代代码为“0000”时，表示模，表示模拟负满量程量程值，即，即-FSR；代代码为“1000”时，表示模，表示模拟零，即模零，即模拟零零电压对应于于2n-
23、1数；数；代代码为“1111”时，表示模，表示模拟正正满量程量程值减减1LSB，即即。对应00001111的的输入入码，A/D转换器器输出出范范围。优点点：容易容易实现、易易变换2的二的二进制制补码。缺点。缺点：在在零点附近会零点附近会发生主生主码跃迁迁。2的补码的补码2的的补码：符号位符号位与偏移二与偏移二进制制码的符号位相反的符号位相反，数，数值部分相同部分相同。l构成构成2的的补码的另一的另一方法：正数方法：正数2的的补码就是二就是二进制制码；负数数2的的补码是先把是先把相相应正数的二正数的二进制制码所有位凡所有位凡“0”皆皆换成成“1”，凡，凡“1”皆皆换成成“0”，然后在最低位，然后
24、在最低位加加1。l缺点缺点：在：在零点附近会零点附近会发生主生主码跃迁迁。十十进制（分数）制（分数）符号符号- -数数值型型偏移二偏移二进制制码2 2的的补码+7/8+7/8011101111111111101110111+6/8+6/8011001101110111001100110+5/8+5/8010101011101110101010101+4/8+4/8010001001100110001000100+3/8+3/8001100111011101100110011+2/8+2/8001000101010101000100010+1/8+1/8000100011001100100010
25、0010+0+0000000010001000000000000-0-100010001000100000000000-1/8-1/8100110010111011111111111-2/8-2/8101010100110011011101110-3/8-3/8101110110101010111011101-4/8-4/8110011000100010011001100-5/8-5/8110111010011001110111011-6/8-6/8111011100010001010101010-7/8-7/81111111100010001100110012.4信号调理信号调理l信号信号调
26、理能理能够在信号、在信号、传感器、感器、DAQ板卡和板卡和PC机之机之间提供接口。通常的信提供接口。通常的信号号调理理类型包括：放大、隔离、型包括：放大、隔离、滤波、激励、波、激励、线性化等。性化等。前端信号调理技术作用前端信号调理技术作用l在一个系在一个系统中可以中可以对大量的信号和大量的信号和传感器感器测量。量。l通通过信号隔离，增加信号隔离，增加对系系统的保的保护。l扩展系展系统中通道的数量。中通道的数量。l构建构建带有多种信号有多种信号类型的多通道数据采集系型的多通道数据采集系统；l放大、放大、滤波和同步采波和同步采样，改善，改善测量系量系统的性能。的性能。l通通过开关和数字开关和数字
27、I/0接口控制外部接口控制外部设备和和传送信号。送信号。放大放大l传感器感器输出信号一般出信号一般为mV、V级，直接在直接在DAQ板放大板放大这种小种小信号，必然信号，必然对来自引来自引线与与计算机内部的噪声也一起放大。通常算机内部的噪声也一起放大。通常采采用外部放大用外部放大调理，并尽可能地使信号靠近理，并尽可能地使信号靠近传感器来提高感器来提高S/N。减少减少传输线的的长度度信号信号线远离交流离交流电源源线和和显示示设备避免避免50HZ的工的工频信号。信号。使用使用护套套电缆或双或双绞线电缆。信号调理信号调理l隔离：使用隔离：使用变压器、光或器、光或电容耦合等方法在被容耦合等方法在被测系系
28、统和和测试系系统之之间传递信号，避免直接的信号，避免直接的电连接。接。更加安全；更加安全；从数据采集卡从数据采集卡读出来的数据不受地出来的数据不受地电位和位和输入模式的影响。入模式的影响。l滤波：从所波：从所测量的信号中除去不需要的量的信号中除去不需要的频率成分。率成分。大多信号大多信号调理模理模块有低通有低通滤波器，用来波器，用来滤除所需信号最高除所需信号最高频率以上的信号，率以上的信号，使用抗混叠使用抗混叠滤波器。波器。l激励：激励：为某些某些传感器提供所需的激励信号，比如感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、感器、热敏敏电阻等阻等需要外界需要外界电源或源或电流激励信号的流激励信号的传感
29、器。感器。信号调理信号调理l线性化性化：传感器感器对被被测量的量的响响应非非线性性时，需，需对其其输出信号出信号进行行线性化性化，补偿传感器感器带来的来的误差。差。数据采集系数据采集系统可以利可以利用用软件来解决件来解决这一一问题。l数字信号数字信号调理理：直接直接输出出数字信号数字信号的的传感器感器进行行调理理，是将是将数字信号数字信号进行必要的行必要的整形或整形或电平平调整整。大多数数数字信号。大多数数数字信号调理模理模块提供其他一些提供其他一些电路模路模块，这使得用使得用户可以通可以通过数据采数据采集卡的数字集卡的数字I/O直接控制直接控制电磁磁阀、电灯，灯，电动机等外部机等外部设备。信
30、号调理信号调理时注意时注意的问题的问题l信号信号类型范型范围：可支持多种信号可支持多种信号类型型，把多种把多种测量同量同时包含到一个包含到一个单一、一、坚固的机箱中，从固的机箱中，从单一的一的软件接口件接口进行行配置配置，减少开减少开发时间和和费用。用。l信号信号连接接：非常非常简单地地连接所有的接所有的传感器，感器，简化系化系统组成。成。l系系统的可的可扩展性展性：加入其他加入其他标准件准件，可可快速快速增加系增加系统中信号的数量和种中信号的数量和种类。l形式：信号大小、形式：信号大小、环境的限制是决定常用信号境的限制是决定常用信号调理硬件的形式的主要因素。理硬件的形式的主要因素。l集成性：
31、集成性：调理硬件必理硬件必须将复将复杂的信号的信号类型包含到型包含到单一的系一的系统中，并能快捷中，并能快捷简单地地连接到接到DAQ设备上；上；选择和和DAQ系系统设备无无缝连接的信号接的信号调理硬件，可理硬件，可以提高以提高DAQ系系统的速度和的速度和频率也便于升率也便于升级DAQ设备升升级。前端信号调理的关键技术前端信号调理的关键技术项目目说明明模模块化化以模以模块为基基础单元，元，选择所需要的模所需要的模块，数字和开关，数字和开关调理模理模块广泛的广泛的调理功能理功能运运用用调理理，可可对大大量量的的传感感器器、高高低低压、电流流、频率率信信号号、数数字字I/O、开开关关、滤波波或或同同
32、步采步采样的信号的信号进行行调理理可可编程性程性为满足当前和以后足当前和以后应用程序的要求，可将用程序的要求，可将调理系理系统最多最多扩展到展到3072个通道个通道可可连接性接性调理理模模块可可以以和和BNC、热电偶偶、SMA或或SMB接接口口直直接接相相连，还可可以以选择用用多多种种接接线端端子，子，简化模化模块的拆装，无的拆装，无须复复杂的信号重接工作的信号重接工作系系统保保护内内装装绝缘I/O模模块可可以以保保护系系统避避免免因因不不当当接接线、接接地地回回路路、突突发错误和和较大大的的瞬瞬间信信号造成的破坏号造成的破坏配置的配置的简易性易性出出色色的的软件件特特性性，如如模模块自自动探
33、探测、内内置置指指定定通通道道的的测量量、可可编程程通通道道设置置和和信信号号检测通道等通道等简化系化系统的安装和配置的安装和配置高速高速拥有有调理理高高速速总线，可可以以获得得333Kb/s的的模模拟采采样。这在在高高速速、多多通通道道应用用程程序序中中是是关关键技技术硬件集成硬件集成将模将模拟输入入/输出、数字出、数字I/O和开关技和开关技术结合在一个合在一个统一一标准的平台下准的平台下软件集成件集成可采用与可采用与DAQ设备和和仪器一器一样的的软件工具，件工具，对基于基于调理的系理的系统进行配置、开行配置、开发和和检测坚固固设计每个每个调理模理模块均独立均独立绝缘，并安装在，并安装在坚固
34、的固的调理机箱中，以理机箱中，以维护信号的完整性。信号的完整性。开放式系开放式系统支持第三方厂商供支持第三方厂商供应的的调理模理模块或运用模或运用模块开开发工具自行建立的信号工具自行建立的信号调理部分理部分2.5放大器放大器l原因原因：弱信号、：弱信号、强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。l目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。l要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳定性高。定性高。l技术指标：技术指标：放大放大倍数：倍数：
35、AU、AUS、Ai、Ais输入阻抗：输入阻抗：Ri=U0/Ii输出阻抗输出阻抗通频带通频带2.5测量放大电路测量放大电路l使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰1）通用运算放大器的）通用运算放大器的抗共模干扰能力抗共模干扰能力远低于测量放大器。尤其对于远低于测量放大器。尤其对于交流共模交流共模信号信号，原因：无法接入，原因：无法接入“输入保护电路输入保护电路”。2）提高抗共模干扰能力和抑制漂移，要求运放的两个输入端）提高抗共模干扰能力和抑制漂移，要求运放的两个输入端等效直流电阻等效直流电阻对对称：称：运运放的输入阻抗受反馈电阻的影响，不能做得太高，不适合做多点
36、检测的放的输入阻抗受反馈电阻的影响，不能做得太高，不适合做多点检测的前置放大器前置放大器；运运放两输入端电阻的对称，调节放大器增益不方便。放两输入端电阻的对称，调节放大器增益不方便。3）测量放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低温漂，对微小的差模信号）测量放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低温漂，对微小的差模信号很敏感很敏感，适合测量，适合测量远距离传输过来的信号，十分适宜与传感器配合使用。远距离传输过来的信号，十分适宜与传感器配合使用。 1.反相放大器增益：反相放大器增益：AvfV0/ViRf/R反相放大器近似比例运算，反相放大器近似比例运算，输入入电阻和阻和输出出电阻均减少。阻均减少。2
37、.同相放大器增益同相放大器增益为：AvfV0/Vi1Rf/R同相放大器的放大倍数大于同相放大器的放大倍数大于1，至少等于，至少等于1。两种基本运算放大电路两种基本运算放大电路l同相放大器引入了共模电压，因此需要高共模抑制比的运放同相放大器引入了共模电压，因此需要高共模抑制比的运放才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器不如反才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器不如反相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。电压跟随器跟随器为同相放大的特例同相放大的特例，低低频时，其，其放大倍数接近放大倍数接近1，具有，具有高高输入阻抗入阻抗和和
38、低低输出阻抗出阻抗，因此常，因此常在信号在信号处理中用作理中用作阻抗阻抗变换器器。 两种基本运算放大电路两种基本运算放大电路2.5测量放大器电路原理测量放大器电路原理 三运放测量放大器三运放测量放大器原理原理b.电阻阻R3、R4、R5、R6要精密要精密配合（配合（R3=R5、R4=R6）。）。a.运放运放A1、A2的特性的特性一致性。一致性。对电路要求对电路要求A1A2A3+_b1b2+_i+由图可知由图可知A1A2A3+_b1b2+_i+放大器具有很高的抑制放大器具有很高的抑制共模信号的能力共模信号的能力令输出出uO与共模信号与共模信号uIc无关无关A1A2A3+_b1b2+_i+2.5测量
39、放大电路测量放大电路 抑制共模信号能力抑制共模信号能力测量放大器主要技术指标测量放大器主要技术指标 共模抑制比共模抑制比当当测量放大器两个量放大器两个输入端具有等量入端具有等量电压变化化值Uic时，在，在测量放量放大器的大器的输出端出端输出出电压值变化化Uoc，则共模抑制比共模抑制比温度漂移：温度漂移：输出出电压随温度的随温度的变化而化而变化的程度。通常（化的程度。通常（150）uV/。非非线性度：性度：测量放大器量放大器实际输出出输入关系曲入关系曲线与理想直与理想直线的的偏差。当增益偏差。当增益为1时，一个，一个12位位AD转换器有器有0.025的非的非线性性偏差，当增益偏差，当增益为500
40、时，非，非线性偏差可达到性偏差可达到0.1%，相当于把，相当于把12位位AD转换器器变成成10位以下位以下转换器。器。测量放大器主要测量放大器主要技术指标技术指标建立时间：从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持建立时间：从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。测量放大器的建立时间随增益的增在给定误差范围内所需的时间。测量放大器的建立时间随增益的增加而上升。当增益大于加而上升。当增益大于200时，为达到误差范围时，为达到误差范围 0.01，要求建立，要求建立时间为时间为50uS100uS，甚至，甚至350uS的建立时间。的建立时间。恢复时间恢复时间:
41、从测量放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复从测量放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。到最终值所需的时间。测量放大器的测量放大器的建立时间建立时间和和恢复时间恢复时间直接影响数据采集系统的直接影响数据采集系统的采样速采样速率率。电源引起的失调：电源电压每变化电源引起的失调：电源电压每变化1所引起放大器的漂移电压值。所引起放大器的漂移电压值。测量测量放大器放大器集成芯片简介集成芯片简介 l集成测量放大器多数采用厚膜工艺，外接元件少，无需精密匹配电阻，使集成测量放大器多数采用厚膜工艺，外接元件少，无需精密匹配电阻，使用灵活，能处理几微伏到几伏的电压信号。可对差分直
42、流和交流信号进行用灵活，能处理几微伏到几伏的电压信号。可对差分直流和交流信号进行精密放大能进行快速采样，抑制由直流到数百兆的噪声信号。精密放大能进行快速采样，抑制由直流到数百兆的噪声信号。l集成测量放大器有集成测量放大器有AD521、AD522、AD620、AD621、INA101、INA104、INA110、INA115等芯片。等芯片。AD521引脚功能引脚功能AD521基本连接基本连接测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片AD522引脚功能引脚功能AD522基本连接基本连接隔离放大器隔离放大器l隔离放大器是一种特殊的隔离放大器是一种特殊的测量放大量放大电路，其路，其输入、入、输出和出和电源源
43、电路之路之间没没有直接有直接电路耦合，即信号在路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。程中没有公共的接地端。输入入电路和放路和放大器大器输出之出之间有欧姆隔离的器件有欧姆隔离的器件。l用途用途：防止：防止数据采集器件遭受数据采集器件遭受远程程传感器出感器出现的潜在破坏性的潜在破坏性电压的的影响；影响；在在多通道多通道应用中放大低用中放大低电平平信号；消除信号；消除由接地由接地环路引起的路引起的测量量误差差。l组成成：仪用放大器用放大器+隔离隔离电路路=隔离隔离仪器放大器器放大器运放运放+隔离隔离电路路=隔离放大器隔离放大器l理想特性：理想的隔离放大器要求理想特性：理想的隔离放大器要求电信号
44、完全没有欧姆信号完全没有欧姆连续性，被性，被传送的送的信号信号则要求无任何衰减，信号源不必接地要求无任何衰减，信号源不必接地。隔离放大器作用隔离放大器作用l采用浮离式采用浮离式设计，消除，消除输入、入、输出端之出端之间的耦合，用于共模抑的耦合，用于共模抑制比高的模制比高的模拟信号的信号的传输过程中，保程中，保证系系统的可靠性。例如的可靠性。例如输入数据采集系入数据采集系统的信号是微弱的模的信号是微弱的模拟信号，而信号，而测试现场的干的干扰比比较大，大，对信号的信号的传递精度要求又高。精度要求又高。1.保保护系系统元件不受高共模元件不受高共模电压的的损害，防止高害，防止高压对低低压信号系信号系统
45、的的损坏。坏。2.泄漏泄漏电流低，流低，对于于测量放大器的量放大器的输入端无入端无须提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能共模抑制比高，能对直流和低直流和低频信号（信号（电压或或电流）流）进行准确、行准确、安全的安全的测量。量。隔离放大器应用隔离放大器应用l用于便携式用于便携式测量量仪器和某些器和某些测量系量系统中，能在噪声中，能在噪声环境下境下以高阻抗、高共模抑制能力以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。送信号。l应用于生物医学用于生物医学测量中，确保人体不受超量中，确保人体不受超过10uA以上漏以上漏电流和高流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。（可达几百伏以及数千伏）的
46、危害。l应用于工用于工业中，防止因故障而使中，防止因故障而使电网网电压对低低压信号信号电路路（包括（包括计算机）造成算机）造成损坏坏。l仪器器仪表安全接口。表安全接口。隔离放大器分类隔离放大器分类按隔离模式分按隔离模式分类：两口隔离：指信号两口隔离：指信号输入部分和信号入部分和信号输出部分欧姆隔离。采取出部分欧姆隔离。采取其它措施其它措施进行行电源隔离。源隔离。三口隔离：指三口隔离：指输入、入、输出和供出和供电部分三部分彼此欧姆隔离。部分三部分彼此欧姆隔离。按隔离方法分按隔离方法分类：光光电隔离隔离电容隔离容隔离变压器隔离（器隔离（电磁隔离）磁隔离）隔离放大器基本原理隔离放大器基本原理l组成：
47、输入放大器，输出放大器，隔离器以及隔离电源等几组成：输入放大器，输出放大器，隔离器以及隔离电源等几部分；部分；l两种地两种地(GND)l三种信号三种信号输入入：隔离模：隔离模电压（加在两种地之（加在两种地之间，即隔离壁上），即隔离壁上）：差模输入电压：差模输入电压：共模输入电压：共模输入电压隔离放大器特点隔离放大器特点l输入入放大器及其放大器及其电源是浮置的，放大器源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏入端浮置，泄漏电流流极小；极小；l隔离隔离电阻阻约为：（采用（采用变压器或光耦合器器或光耦合器）；l隔离隔离电容容(典型典型值)为：l隔离放大器隔离放大器的的输出与出与输入隔离，消除了通入隔离，消除
48、了通过公共地公共地线的干的干扰，大大地提高了大大地提高了电路的共模抑制比。路的共模抑制比。l输出出电压和和：输入入级差模增益和差模增益和输入端的差模入端的差模电压；：对输入端共地的入端共地的输入共模入共模电压；：隔离模：隔离模电压。CMR：输入入级的共模抑制比。的共模抑制比。IMR：由：由输入端公共地到入端公共地到输出端的共公地的隔离出端的共公地的隔离层抑制比。抑制比。隔离放大器技术指标隔离放大器技术指标l隔离放大器是特殊的放大器，除增益、隔离放大器是特殊的放大器，除增益、输入阻抗、偏置入阻抗、偏置电流、流、频率响率响应、失、失调电压和非和非线性等一般放大器性能外，它性等一般放大器性能外，它还
49、具有以下三种特性具有以下三种特性：最大最大隔离模隔离模电压：隔离放大器隔离放大器的的输入地和入地和输出地往往不在同一出地往往不在同一电位上，位上，其其间的的电位差叫隔离位差叫隔离电压。最大隔离模。最大隔离模电压决定了系决定了系统共模共模电压的完全极限，的完全极限，一般要大于一般要大于2000V。隔离隔离模抑制（共模抑制比模抑制（共模抑制比）IMR：指：指输入放大器的差入放大器的差动信号信号经过隔离壁的同隔离壁的同时对共模共模输入的抑制。因此称入的抑制。因此称为隔离模抑制。隔离模抑制。隔离隔离电压及漏及漏电流：隔离流：隔离电压指指在在连续使用使用时，隔离壁能承受的，隔离壁能承受的额定定值。隔。隔
50、离壁的漏离壁的漏电流与流与实际承受的隔离承受的隔离电压有关，一般交流漏有关，一般交流漏电流的均方根流的均方根值在在uA量量级，而直流漏，而直流漏电流在流在nA量量级。变压器耦合与光电耦合隔离放大器的变压器耦合与光电耦合隔离放大器的参数对比参数对比主要参数主要参数变压器耦合器耦合调幅式幅式变压器耦合器耦合调宽式式光光电耦合亮耦合亮度度调制制电容耦合容耦合说明明非非线性失真性失真度度(%)0.030.30.0050.0250.050.2光光电方式最差方式最差隔离隔离电压(kV)7.5558电容方式最高容方式最高共模抑制比共模抑制比(dB)120120100频率响率响应(kHz)2.52.51030
51、0较宽光光电最最宽，电磁最小磁最小产生生的的电磁干磁干扰优良屏蔽可小良屏蔽可小优良屏蔽可小良屏蔽可小无无接收接收高高频干干扰高高低低很低很低体体积大大大大小小GF289集成隔离放大器集成隔离放大器GF289典型接法典型接法u程程控控增增益益放放大大器器：反反馈馈电电阻阻网网络络可可变变,且且受受控控于于控控制制接接口口的的输输出出信信号号。不不同同的的控控制制信信号号，将将产产生生不不同同的的反反馈馈系系数数，从从而而改改变变放放大大器器的闭环增益。目的是在测量范围内获取合适的分辨力。的闭环增益。目的是在测量范围内获取合适的分辨力。程控增益放大器程控增益放大器电荷放大器电荷放大器l电荷放大器将
52、机械量荷放大器将机械量转变成与其成正比的微弱成与其成正比的微弱电荷荷Q，而且，而且输出阻抗出阻抗Ra极极高。高。电荷荷变换级是将是将电荷荷变换为与其成正比的与其成正比的电压,将高将高输出阻抗出阻抗变为低低输出阻抗。出阻抗。lCa配接配接传感器自身感器自身电容一般容一般为数千数千pF，1/2RaCa决定决定传感器低感器低频下限。下限。Ce传感器感器输出低噪声出低噪声电缆电容。一般采用的容。一般采用的导线值为100300pF/米。米。Ci运算放大器运算放大器A1输入入电容典型容典型值3pF。零漂移放大器零漂移放大器l普通运算放大器普通运算放大器输入失入失调电压在数百微伏以上，无法放大微弱的微伏在数
53、百微伏以上，无法放大微弱的微伏级电信信号。其失号。其失调电压的温度系数在零点几微伏以上，的温度系数在零点几微伏以上，虽然失然失调电压可以被可以被调零，零，但漂移但漂移难以消除。以消除。l零漂移放大器是指失零漂移放大器是指失调电压漂移接近于漂移接近于0的放大器。它的放大器。它连续自自动校正任何直校正任何直流流误差，差，实现超低水平的失超低水平的失调电压、时间漂移和温度漂移。零漂移放大器的漂移和温度漂移。零漂移放大器的常常见特性包括：超低失特性包括：超低失调电压和漂移、高开和漂移、高开环增益、高增益、高电源抑制、高共模抑源抑制、高共模抑制以及零制以及零1/f噪声。噪声。l自自稳零零型和型和斩波波型
54、是两种常用的零漂移放大器，可型是两种常用的零漂移放大器，可实现nV级失失调电压和极和极低的失低的失调电压时间/温度漂移。放大器的温度漂移。放大器的1/f噪声也可一并消除。噪声也可一并消除。l零漂移放大器适用于零漂移放大器适用于预期期设计寿命寿命10年以上的系年以上的系统，以及使用高，以及使用高闭环增益增益(100)和低和低频(1.4V时，LF198处于跟踪于跟踪状状态，当，当UK负跳跳变(从从“1”变为“0”)时，转向保向保持状持状态。2.LF198(LF298,LF398)uLFl98可外接可外接电位器作直流和位器作直流和交流的凋零。交流的凋零。u直流凋零是直流凋零是补偿运算放大器运算放大器
55、的失的失调电压，与一般运放的与一般运放的调零相同。零相同。2.6.5采样保持器集成芯片采样保持器集成芯片LF198的结构直流调零交流调零u交流交流调零方法是零方法是把模把模拟开关的控制开关的控制电压UK加到一反相加到一反相器上，在反相器的器上，在反相器的输入与入与输出出间接了接了一个一个10k欧姆欧姆电位位器，器，电位器的中心位器的中心抽抽头经10pF小小电容容与保持与保持电容容Cu端端连接，接，这是用以是用以补偿Uo跳跳变时加到加到CH上上的脉冲。的脉冲。 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题1.采采样保持器保持器选用用时应注意的注意的问题每一次数据采集每一次
56、数据采集过程都包括一次采程都包括一次采样和一次和一次A/D转换，所以，所以采采样/保持器和保持器和A/D转换器各完成一次器各完成一次动作所需作所需时间之和之和应小于采小于采样周期周期Ts。捕捉时间保持建立时间A/D转换时间tAC与与规定定误差范差范围有关。因此，有关。因此，tAC的大小的大小应与与A/D转换器的精度配合。同器的精度配合。同时，tAC也与采也与采样/保持器所保持器所选保持保持电容容CH的大小有关。的大小有关。8位位A/D转换器的精度等于器的精度等于2-8=1/256=0.39%，与之相配的采，与之相配的采样/保持器的保持器的误差差带可取可取为0.2%(0.1%)。AD582在在C
57、H=10pF时，要达到，要达到该精度，精度，tAC=6 s。12位的位的A/D转换器，精度等于器，精度等于2-12100%=0.024%,则应取采取采样/保持器的保持器的误差差带为0.01%(0.005%)。AD582在在CH=1000pF时，要达到，要达到该精度，精度，tAC=25 s。 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题1.采采样保持器保持器选用用时应注意的注意的问题u保持保持电压下降率下降率对AD转换器器输入端的入端的电压稳定度定度的影响。的影响。为了保了保证数据采集精度，数据采集精度，应使在使在A/D转换时间tCONV内，内，采采样/保持器的保持保持器
58、的保持电压下降不超下降不超过LSB/2，即保持，即保持电压下降率下降率为： 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题1.采采样保持器保持器选用用时应注意的注意的问题然后根据如下公式然后根据如下公式校核校核CH的的值：保持保持电容容CH的漏的漏电流流根据根据LSB可以可以定出定出dU/dtu孔径孔径时间与精度、信号的最大与精度、信号的最大变化率的关系化率的关系。 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题1.采采样保持器保持器选用用时应注意的注意的问题设输入信号的最大入信号的最大变化率化率为(dUi/dt)max，允允许的孔径的孔径误差差小于
59、小于LSB/2，则孔径孔径时间tAP应满足下式：足下式：或2.电路路设计中中应注意的注意的问题u 接地接地采采样保持器是一种由模保持器是一种由模拟电路与数字路与数字电路混合而成的路混合而成的集成集成电路，一般有分离的模路，一般有分离的模拟地和数字地引脚。地和数字地引脚。目的：避免数字目的：避免数字电路的突路的突变电流流对模模拟电路的影响。路的影响。 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题方法：将模方法：将模拟地与数字地分地与数字地分别用引用引线接到模接到模拟电源和数字源和数字电源的参考点上。源的参考点上。LF198模拟输入3U+1U-45输出6CH78逻辑信号输入
60、0V5VLF198采样/保持逻辑原因：当当进入保持模式入保持模式时，逻辑输入信号会通入信号会通过印刷印刷电路板路板布布线间的漏的漏电流耦合到模流耦合到模拟输入端而引起保持入端而引起保持误差。差。2.电路路设计中中应注意的注意的问题u 漏漏电耦合的影响耦合的影响 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题当当逻辑信号端信号端输入一个快速上升入一个快速上升的的逻辑输入信号使采入信号使采样/保持器保持器进入保持模式入保持模式时，如果不采取其它，如果不采取其它相相应措施，措施，则将引起保持将引起保持误差。差。特特别是是对于高阻抗的信号源，保于高阻抗的信号源，保持持误差尤其突出
61、。差尤其突出。LF198模拟输入3U+1U-45输出6CH78逻辑信号输入0V5VLF198采样/保持逻辑2.电路路设计中中应注意的注意的问题u 漏漏电耦合的影响耦合的影响 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题解决方法：解决方法：u印刷印刷电路板布路板布线时，应使使逻辑输入端的走入端的走线尽可能尽可能远离离与模与模拟输入端。入端。u将模将模拟信号信号输入端用地入端用地线包包围起来，以隔断漏起来，以隔断漏电流的通流的通路。路。u降低降低逻辑输入信号的幅入信号的幅值，如如5V2.5V。u 寄生寄生电容的影响容的影响2.电路路设计中中应注意的注意的问题 2.6.6采样
62、采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题LF198模拟输入3U+1U-45输出6CH78逻辑信号输入0V5VLF198采样/保持逻辑在在逻辑信号信号输入端与保持入端与保持电容器容器之之间存在寄生存在寄生电容，当容，当逻辑信号信号输入端加一跳入端加一跳变的控制信号的控制信号时，由于寄生由于寄生电容的耦合作用，也将容的耦合作用，也将引起采引起采样/保持器的保持器的输出出误差。差。例如：例如：LF198，若保持，若保持电容是容是0.01 F，设寄生寄生电容容为1pF，当，当逻辑信号信号输入端入端加一个加一个5V的跳的跳变信号，使采信号，使采样/保持器保持器从跟踪模式从跟踪模式变为保持模
63、式，由于寄生保持模式，由于寄生电容的影响，相当于在模容的影响，相当于在模拟输入端增加了入端增加了1mV的的输入信号，从而引起入信号，从而引起输出出误差。差。u 寄生寄生电容的影响容的影响2.电路路设计中中应注意的注意的问题 2.6.6采样采样/保持器使用中应注意的问题保持器使用中应注意的问题解决方法：解决方法：在印刷板上做一与在印刷板上做一与采采样/保持器保持器输出端出端相相连接的短路接的短路环，把保持把保持电容的非接容的非接地脚包地脚包围起来，以起来，以减少寄生减少寄生电容的影容的影响。响。LF19812435678CHGND逻辑信号信号输入入模模拟输入入输出出减少寄生减少寄生电容影响的措施
64、容影响的措施2.7A/D、D/A转换技术转换技术lA/D转换器原理器原理(1).逐次逼近法：比逐次逼近法：比较常常见的一种的一种A/D转换电路，路，转换的的时间为微秒微秒级。由比。由比较器、器、D/A转换器、器、缓冲寄存器及控制冲寄存器及控制逻辑电路路组成成。基。基本原理本原理是从高位到低位逐位是从高位到低位逐位试探探比比较。逐次逼近法逐次逼近法l实际中使用的逐次逼近式中使用的逐次逼近式AD转换器大都做成器大都做成单片集成片集成电路形式，使用路形式，使用时只需只需发出出AD转换启启动信号，然后在信号，然后在EOC端端查知知AD转换过程程结束后，束后，取出数据即可（取出数据即可（实际AD转换过程
65、已不是非常重要）。一般由程已不是非常重要）。一般由N位寄存器、位寄存器、N位位DA转换器、比器、比较器、器、逻辑控制控制电路、路、输出出缓冲器冲器五部分五部分组成，成，(2)双积分法双积分法A/D转换转换l先将开关接通待先将开关接通待转换的模的模拟量量i，i采采样输入到入到积分器，分器，积分器从零开始分器从零开始进行固定行固定时间的正向的正向积分，分，时间到后，开关再接通与到后，开关再接通与i极性相反的基极性相反的基准准电压REF，将，将REF输入到入到积分器，分器，进行反向行反向积分，直到分，直到输出出为0V时停止停止积分。分。i越大，越大，积分器分器输出出电压越大，反向越大，反向积分分时间
66、也越也越长。计数器在反数器在反向向积分分时间内所内所计的数的数值，就是，就是输入模入模拟电压i所所对应的数字量，的数字量，实现了了A/D转换。l双双积分式分式AD转换器在器在逻辑控制控制电路的控制下按路的控制下按预备阶段、段、定定时积分分阶段段T1、定定值积分分阶段段T2三个三个阶段段进行。行。(2)双积分法双积分法A/D转换转换 2.1.3 2.1.3 积分式积分式A AD D转换器与计算机接口转换器与计算机接口一、一、 双积分式双积分式AD转换器原理概述转换器原理概述 1 预备阶段：预备阶段： 逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零，同时使逻辑控制电路发出复位指令，计数器清零，同时使S4闭合
67、，积闭合，积分器输入分器输入/输出都为零。输出都为零。2 定时积分阶段定时积分阶段T1：在在t1时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使时刻，逻辑控制电路发出启动指令，使S4断，断，S1闭合，闭合，于是积分器开始对输入电压于是积分器开始对输入电压Ui积分，同时打开计数门计数。当计数器计满积分，同时打开计数门计数。当计数器计满N1时时(t2时刻时刻)，计数器的溢出脉冲使逻辑控制电路发出控制信号使，计数器的溢出脉冲使逻辑控制电路发出控制信号使S1断开。断开。阶段阶段T1结束，积分器输出结束，积分器输出（1）3定值积分阶段定值积分阶段T2：在：在 t2 时刻令时刻令S1断开的同时，使与断开的同时，使与Ui
68、极性相反的基准电压接极性相反的基准电压接入积分器。设入积分器。设Ui为正值，则令为正值，则令S3闭合，于是积分器开始对基准电压闭合，于是积分器开始对基准电压UR定值积分，定值积分，积分器输出从积分器输出从U01值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数，当积分输出值向零电平斜变，同时，计数器也重新从零计数，当积分输出达到零电平时刻（即达到零电平时刻（即t3），比较器翻转，此时控制电路令计数器关门，计数器保），比较器翻转，此时控制电路令计数器关门，计数器保留的计数值为留的计数值为N2。定值积分阶段。定值积分阶段T2结束时，积分器输出电平为零，则有结束时，积分器输出电平为零，则有（2）数学推数学推
69、导 t1t2t3U01 （1） （2） （3） 将将1式代入式代入2式得式得设时钟周期设时钟周期T0，计数器容量，计数器容量N1，则，则T1=N1To、T2=N2To，3式改写为式改写为3式说明：式说明：T2与输入电压的平均值与输入电压的平均值 成正比成正比 （4）4式说明：式说明：N2与输入电压的平均值与输入电压的平均值 成正比（成正比（ N2 ）N2T0N2Ui关系的演示关系的演示积分器输出电压还是负向积分，积分积分器输出电压还是负向积分，积分时间时间不变，但是，斜率将增加一倍。不变，但是，斜率将增加一倍。（假定输入电压增加为（假定输入电压增加为2Ui）在在期间，积分器反向积分的斜率期间，
70、积分器反向积分的斜率不变（因不变（因不变），但是，返回到零不变），但是，返回到零点的时间点的时间将增加一倍。将增加一倍。由于由于增加一倍，因而在期间增加一倍，因而在期间的计数值的计数值也将增加一倍。也将增加一倍。1预备阶段预备阶段-复零，复零，S4接通接通2定时积分阶段定时积分阶段-第一次积分，第一次积分，S1接通接通 特点：特点：定时积分定时积分T1固定，固定， UO1 (正比于正比于) Ui3定值积分阶段定值积分阶段-第二次积分，第二次积分，S3/S4接通接通 特点：特点：定值积分（反向），定值积分（反向），N2 UO1 Ui（3）电压频率率转换的的A/D转换l由由计数器、控制数器、控制门
71、及一个具有恒定及一个具有恒定时间的的时钟门控制信号控制信号组成。成。l工作工作原理：当模原理：当模拟电压i加到加到V/F的的输入端，便入端，便产生生频率率与与Vi成正比的成正比的脉冲脉冲F，在一定的在一定的时间内内对该脉冲信号脉冲信号计数，数，时间到，到，统计到到计数器的数器的计数数值正比于正比于输入入电压Vi，从而完成，从而完成A/D转换。并行比较式并行比较式AD转换器转换器l高速高速A/D转换器，转换器，转换速度最快，由电阻分压器、比较器、缓冲转换速度最快，由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四部分组成。器及编码器四部分组成。并行比较式并行比较式ADC举例举例l输入模拟信号输入模拟信号V1
72、，经取样，经取样-保持电路后分两路，一路先经第一级保持电路后分两路，一路先经第一级5位并行位并行A/D转换进行粗转换得到输出数字量的高转换进行粗转换得到输出数字量的高5位，另一路送位，另一路送至至减减法法器器，与高，与高5位位D/A转换得到的模拟电压相减。由于相减所得转换得到的模拟电压相减。由于相减所得到的差值电压小于到的差值电压小于1VLSB，为保证第二级，为保证第二级A/D转换器的转换精度，转换器的转换精度，将差值放大将差值放大32倍，送第二级倍，送第二级5位并行比较位并行比较A/D转换器，得到低转换器，得到低5位位输出。输出。 10位分级并行位分级并行A/D转换转换 八位并行比较八位并行
73、比较AD转换器转换器TLC5540工作时序工作时序l当第一个时钟周期的下降沿到来当第一个时钟周期的下降沿到来时，模拟输入电压将被采样到高时，模拟输入电压将被采样到高比较器和低比较器，高比较器在比较器和低比较器，高比较器在第二个时钟周期的上升沿最后确第二个时钟周期的上升沿最后确定高位数据，同时，低基准电压定高位数据，同时，低基准电压产生与高位数据相应的电压。低产生与高位数据相应的电压。低比较器在第三个时钟周期的上升比较器在第三个时钟周期的上升沿最后确定低位数据。高位数据沿最后确定低位数据。高位数据和低位数据在第四个时钟周期的和低位数据在第四个时钟周期的上升沿进行组合，这样，第上升沿进行组合，这样
74、，第N次采次采集的数据经过集的数据经过2.5个时钟周期的延个时钟周期的延迟之后，便可送到内部数据总线迟之后，便可送到内部数据总线上。此时如果输出使能有效，则上。此时如果输出使能有效，则数据便可被送至位数据总线上。数据便可被送至位数据总线上。工作时序 AD转换器的主要性能指器的主要性能指标1.分辨率：分辨率：ADC能分辨的输入模拟量的最小变化量。能分辨的输入模拟量的最小变化量。2.转换时间：转换时间：A/D转换器完成一次转换所需的时间。转换器完成一次转换所需的时间。 3.3.转换误差转换误差(精度精度)绝对误差：输出数字量对应的理想输入模拟电压与实际输入模拟电压的差值。绝对误差：输出数字量对应的
75、理想输入模拟电压与实际输入模拟电压的差值。l绝对误差由增益误差、满刻度误差、线性度以及噪声等组成。绝对误差由增益误差、满刻度误差、线性度以及噪声等组成。相对误差：在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与相对误差：在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。理想值之差与模拟满量程值之比。偏移误差：输入信号为零时，输出信号不为零的值。偏移误差：输入信号为零时，输出信号不为零的值。满刻度误差：满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想电压之差。满刻度误差：满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想电压之差。线性度误差：积分线性度误差、微分线性度误
76、线性度误差：积分线性度误差、微分线性度误4.4.转换速率：保证转换精度的前提下，能够重复进行数据转换的速度。转换速率：保证转换精度的前提下，能够重复进行数据转换的速度。偏移误差与偏移误差与满刻度误差满刻度误差偏移误差：输入信号为零时，偏移误差：输入信号为零时，输出信号不为零的值。输出信号不为零的值。满刻度误差：满刻度输出数码所对满刻度误差：满刻度输出数码所对应的实际输入电压与理想电压之应的实际输入电压与理想电压之差。差。线性度误差线性度误差a.积分线性度误差：偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输积分线性度误差：偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离
77、值，有时特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。也称为线性度误差。 b.微分线性度误差：为微分线性度误差：为ADC传输特性台阶的宽度传输特性台阶的宽度(实际量子值实际量子值)与与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于的差值对于Vr/2n的偏离值。的偏离值。 lDA转换器是利用器是利用电阻网阻网络和模和模拟开关，将二开关，将二进制数制数D转换为与之成比例的模与之成比例的模拟量，量，n位二位二进制数制数D可以写成可以写成:而而输出出应当是与当是与输入的数字量成比例的模入的数字量成比例的模拟量量
78、A。 lK为转换比例系数。比例系数。DA转换过程是把程是把输入的二入的二进制数中制数中为1的的每一位代每一位代码，按每位，按每位权的大小，的大小，转换成相成相应的模的模拟量，然后将量，然后将各位各位转换以后的模以后的模拟量，量，经求和运算放大器相加，其和便是与求和运算放大器相加，其和便是与被被转换数字量成正比的模数字量成正比的模拟量，从而量，从而实现了数模了数模转换。D/A转换器原理器原理A=KDn权电阻解阻解码网网络D/A转换器器lDA转换器器权由由电阻解阻解码网网络、电子开关和运算放大器子开关和运算放大器组成成。Sn-1S0是是n个个电子开关，受子开关，受输入入二二进制代制代码dn-1d0
79、控制控制，该位的位的值为“1”时，开关将，开关将电阻接至阻接至参考参考电压源源VREF；该位位为“0”时，开关将，开关将电阻接地。阻接地。DA转换器是利用器是利用电阻网阻网络和模和模拟开关开关，将，将二二进制数制数D转换为与之成比例的模与之成比例的模拟量，量，n位二位二进制数制数D可可写写成成：（2-1）权电阻解阻解码网网络D/A转换器器l各个支路的各个支路的电流流In-1I0分分别为： l将它将它们代入式（代入式（2-1）并取）并取RF=R/2，得：，得：l当参考当参考电压VREF为正正值时，输出出电压Uo为负值，而当参考，而当参考电压VREF为负值时，输出出电压为正正值。l优点：所用的点：
80、所用的电阻数少；阻数少；l缺点：阻缺点：阻值多，阻多，阻值过大集成大集成电路制作困路制作困难；过小开关小开关导通通电阻会影响精度。阻会影响精度。 DA转换一般由以下三部分一般由以下三部分组成：成：(1)数字量数字量输入入电路：路：用用地地电位表示位表示“0”，参考，参考电源源VREF表示表示“1”,则该电路可用路可用受受输入数字量控制的入数字量控制的转换开关开关实现。当。当输入入为“0”时，开关，开关输出出为0V，当，当输入入为“1”时，开关，开关输出出为VREF。(2)权电阻阻网网络：反映反映各数位各数位权值大小的大小的电路。一般通路。一般通过权电阻网阻网络将数字量将数字量转换为与其数位高低
81、成比例的与其数位高低成比例的电流的大小，即可表示出各位数字量的流的大小，即可表示出各位数字量的权值。最低。最低位的位的电阻最大，逐位除阻最大，逐位除2递减减。(3)电流求和及流求和及电流流电压转换电路：一般路：一般利用集成运算放大器利用集成运算放大器组成反相比例求和成反相比例求和电路路实现。A所以流入所以流入节点点A的的电流流所以流入相所以流入相邻左左侧节点的点的电流依次减半。流依次减半。倒倒T型型电阻解阻解码网网络D/A转换器器l倒倒T型型电阻网阻网络是集成是集成DA转换器中采用最多的一种。从器中采用最多的一种。从节点点A向左看，每个向左看，每个节点等效点等效电阻均阻均为2R。可写出可写出的
82、表达式的表达式 输出模拟电压为输出模拟电压为于是输出电压于是输出电压与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。与权电阻解码网络相比，电阻阻值仅两种，便于集成。而而集成集成DA转换器器AD7524AD7524是是CMOS低功耗低功耗8位位D/A转换器。内部采用倒转换器。内部采用倒T型电阻网型电阻网络结构。电源络结构。电源VDD为为+5V+15V。 D0D7为输入数据为输入数据。VREF为为参考电源。参考电源。 写入信号写入信号 IOUT1和和IOUT2是模是模拟电流流输出出使用内部反使用内部反馈电阻阻RFB时输出出电压：片选信号片选信号DA转换器的主要技器的主要技术指指标1.分辨率：分辨率
83、：当当输入数字量的最低位（入数字量的最低位（LSB） 发生生变化引起的化引起的输出出电压的的变化量。常用化量。常用输入数字量的位数表示入数字量的位数表示分辨率：分辨率：2.精度：精度：输出出模模拟量量电压的的实际值与理想与理想值之差，即最大静之差，即最大静态转换误差，是差，是由于参考由于参考电压偏离偏离标准准值、运算放大器的零点漂移、运算放大器的零点漂移、模模拟开关的开关的压降以及降以及电阻阻阻阻值的偏差等原因所引起的的偏差等原因所引起的。3.转换误差差：转换器器实际能达到的能达到的转换精度。精度。转换误差用差用LSB的倍的倍数表示。数表示。转换误差分静差分静态误差和差和动态误差。差。DA转换
84、器的主要技器的主要技术指指标4.线性性度度：通常：通常用非用非线性性误差的大小差的大小表示。表示。产生非生非线性性误差有两种差有两种原因原因，一是，一是各位模各位模拟开关的开关的压降不一致，而且接降不一致，而且接VREF和接和接“地地”时的的电压降一般也是不相等的；其次解降一般也是不相等的；其次解码网网络中各个中各个电阻的阻阻的阻值的偏差的偏差不可能完全相等，而且不同位置的不可能完全相等，而且不同位置的电阻阻对输出模出模拟电压的影响也不的影响也不同同。5.建立建立时间tset ：在：在输入数字量各位由全入数字量各位由全0变为全全1，或由全，或由全1变为全全0，输出出电压达到某一达到某一规定定值
85、所需要的所需要的时间。6.转换速率速率SR：输入入数字量的各位由全数字量的各位由全0变为全全1，或由全，或由全1变为0时，输出出电压uo的的变化率。化率。这个参数与运算放大器的个参数与运算放大器的压摆率率类似。似。2.8数据采集设备数据采集设备数据采集设备的基本结构数据采集设备的基本结构多通道共享采样保持器和多通道共享采样保持器和A/D转换器转换器多通道同步型数据采集系通多通道同步型数据采集系通多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统分布式数据采集系统分布式数据采集系统典型的数据采集设备的功能典型的数据采集设备的功能l典型的数据采集典型的数据采集设备的功能有模的功能有模拟输入、模入、模拟输
86、出、数字出、数字I/O、计数器、定数器、定时器等。器等。l模模拟输入将模入将模拟信号信号转化化为数字信号。一般由数字信号。一般由多路开关多路开关（MUX）、）、放大器放大器（Amplifier）、）、采采样保持保持电路路（S/H）以及）以及模数模数转换器器（ADC）来）来实现。l模模拟输入通道入通道评价指价指标1.分辨率：用分辨率：用A/D转换的位数衡量。的位数衡量。2.采采样率：决定率：决定A/D转换的速率。的速率。3.噪声抑制：信号噪声抑制：信号调理、增加采理、增加采样点数、取均点数、取均值等。等。4.：A/D转换能能够量化量化处理的最大、最小理的最大、最小电压、5.增益：增益：输入信号被
87、入信号被处理前放大或理前放大或缩小的倍数。小的倍数。6.可分辨的最小可分辨的最小电压LSB=输入范入范围/（增益（增益*2分辨率分辨率）。）。模拟输出通道模拟输出通道l模拟输出模拟输出通道把数字信号转换为模拟电压或电流信号，去驱动通道把数字信号转换为模拟电压或电流信号，去驱动对应的执行机构。主要由对应的执行机构。主要由D/A转换器、多路选择开关、采样转换器、多路选择开关、采样/保保持器等组成。持器等组成。l模拟输出模拟输出通道评价指标通道评价指标1.输出范围：输出范围：D/A转换器输出电压范围。转换器输出电压范围。2.数数模转换器模转换器的分辨率：输出的分辨率：输出模拟量对数字量变化的敏感程度
88、。模拟量对数字量变化的敏感程度。3.精度：分为绝对和相对。精度：分为绝对和相对。4.单调性：单调性：D/A转换器的模拟输出值随数字信号的输入增加而增转换器的模拟输出值随数字信号的输入增加而增加，或至少保持不变的特性。加，或至少保持不变的特性。5.建立时间：表征建立时间：表征D/A转换器转换信号的快慢。转换器转换信号的快慢。数字数字IO与定与定时/计数器数器l数字数字IO：控制控制过程、程、产生生测试信号、与外信号、与外设通信等。它的基本通信等。它的基本参数包括：数字接口路数、收参数包括：数字接口路数、收/发数据的速率、数据的速率、驱动能力等。数能力等。数字接口路数要同控制字接口路数要同控制对象
89、配合，而且需要的象配合，而且需要的电流要小于采集卡流要小于采集卡所能提供的所能提供的驱动电流。配上合适的数字信号流。配上合适的数字信号驱动电路，可用低路，可用低电流流TTL信号去控制高信号去控制高电压、大、大电流的工流的工业设备。l定定时/计数器：数器：计时器主要用来定器主要用来定时、产生方波等。生方波等。计数器包括数器包括三个重要信号：三个重要信号：门限信号、限信号、计数信号、数信号、输出。出。门限信号限信号实际上上是触是触发信号；信号；计数信号即信号源，提供了数信号即信号源，提供了计数器操作的数器操作的时间基基准；准；输出是在出是在输出出线上上产生脉冲或方波。生脉冲或方波。计数器最重要的参
90、数数器最重要的参数是分辨率和是分辨率和时钟频率，高分辨率意味着率，高分辨率意味着计数器可以数器可以计更多的数，更多的数，时钟频率决定了率决定了计数的快慢，数的快慢，频率越高，率越高，计数速率就越快。数速率就越快。多通道采多通道采样方式方式1.循循环采采样：只采用一个：只采用一个A/D芯片，通芯片，通过多路多路转换开关开关实现不同不同通道的切通道的切换；通道；通道转换时间造成多通道不能同造成多通道不能同时采采样；可以；可以通通过外加采外加采样/保持保持电路保路保证采采样的同步。的同步。2.同步采同步采样：每个通道采用独立的放大器和采：每个通道采用独立的放大器和采样保持器以及保持器以及A/D转换器
91、，不同通道采用同一器，不同通道采用同一时钟；保；保证不同通道的采不同通道的采样时间相同（信号同步）；相同（信号同步）；3.突突发模式采模式采样：采：采样频率由率由扫描描时钟控制，通道切控制，通道切换时间间隔由通道隔由通道时钟控制。控制。数据采集设备的基本结构数据采集设备的基本结构多通道共享采样保持器和多通道共享采样保持器和A/D转换器转换器多通道同步型数据采集系通多通道同步型数据采集系通多通道并行数据采集系统多通道并行数据采集系统分布式数据采集系统分布式数据采集系统触触发原理与触原理与触发方式方式l触触发原理：原理：软件触件触发和硬件触和硬件触发、内部触、内部触发与外部触与外部触发软件触件触发
92、：用：用户需要需要对所有所有DAQ操作有明确的控制；事件定操作有明确的控制；事件定时不需要非常准确。不需要非常准确。硬件触硬件触发：DAQ事件定事件定时需要非常准确；用需要非常准确；用户需要削减需要削减软件开件开支；支；DAQ事件需要与外部装置同步。事件需要与外部装置同步。硬件数字触硬件数字触发：通：通过将外部的将外部的TTL电平信号平信号连接到接到TRIG1(PFI0)或或TRIG2(PFI1)脚就可以脚就可以实现触触发，其他的，其他的PFI脚也可用于触脚也可用于触发，但不是默但不是默认的的设置。置。硬件模硬件模拟触触发：以模入：以模入电压的的电平作平作为触触发信号信号,默默认的模的模拟触触
93、发通道是通道是CH0。触发（触发（Trigger）方式）方式MNN延时触发延时触发预触发预触发中触发中触发后触发后触发模拟触发模拟触发数字触发数字触发上升沿触发上升沿触发MNN下降沿触发下降沿触发正沿触发正沿触发负沿触发负沿触发触发触发事件事件缓冲（冲（Buffers）l缓冲：冲：PC机上用来机上用来临时存放数据的一个内存区域。用于存放数据的一个内存区域。用于显示、示、回放数据或分析数据。回放数据或分析数据。Buffer与与DAQ操作的速度及容量有关。操作的速度及容量有关。lDMA(DirectMemoryAccess，直接内存存取，直接内存存取)：允：允许不同速度不同速度的硬件装置来沟通，而
94、不需要依于的硬件装置来沟通，而不需要依于CPU的大量中断与的大量中断与负载。lFIFO(FirstInFirstOut)，先，先进先出的数据先出的数据缓存器，没有外部存器，没有外部读写地址写地址线，使用，使用简单。只能。只能顺序写入和序写入和顺序序读出数据，其数出数据，其数据地址由内部据地址由内部读写指写指针自自动加加1完成。完成。FIFO用于不同用于不同时钟域之域之间的数据的数据传输，一端是，一端是AD数据采集，数据采集，另一端是另一端是PCI总线，设AD采集速率采集速率为16位位100KSPS，每秒数，每秒数据据100K16bit=1.6Mbps。PCI总线速度速度33MHz，宽度度32b
95、it，最，最大大传输速率速率1056Mbps，在两个不同的，在两个不同的时钟域域间就可以采用就可以采用FIFO来作来作为数据数据缓冲。另外冲。另外对于不同于不同宽度的数据接口也可以度的数据接口也可以用用FIFO，达到数据匹配，例如，达到数据匹配，例如单片机位片机位8位数据位数据输出，而出，而DSP可能是可能是16位数据位数据输入。入。l缓存使用条件存使用条件需要采集或需要采集或产生生许多多样本，其速率超本，其速率超过了了实际显示、存示、存储到硬到硬件或件或实时分析的速度。分析的速度。需要需要连续采集或采集或产生交流数据（大于生交流数据（大于10样本本/秒），并且要同秒），并且要同时分析或分析或
96、显示某些数据。示某些数据。采采样周期必周期必须准确、均匀地通准确、均匀地通过数据数据样本。本。l不使用不使用缓冲器情况。冲器情况。数据数据组短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。短小，例如每秒只从两个通道之一采集一个数据点。需要需要缩减存减存储器的开支。器的开支。连续采采样的的实现信号信号调理理设备与数据采集与数据采集设备之之间的通信的通信多路复用模式与并行模式多路复用模式与并行模式被测信号与数据采集设备之间的连接被测信号与数据采集设备之间的连接l电压信号可以分信号可以分为接地和浮接地和浮动两种两种类型。型。接地信号：将信号的一端与系接地信号：将信号的一端与系统地地连接起来，如大地或建
97、筑物接起来，如大地或建筑物的地。因的地。因为信号用的是系信号用的是系统地，所以与数据采集卡是共地的。地，所以与数据采集卡是共地的。浮浮动信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）信号：一个不与任何地（如大地或建筑物的地）连接的接的电压信号称信号称为浮浮动信号，浮信号，浮动信号的每个端口都与系信号的每个端口都与系统地独立。地独立。常常见的浮的浮动信号有信号有电池、池、热电偶、偶、变压器和隔离放大器。器和隔离放大器。测量系量系统可以分可以分为差分（差分（Differential）、参考地）、参考地单端（端（RSE）、）、无参考地无参考地单端（端（NRSE）三种）三种类型。型。 l差分差分测量系量系
98、统：信号：信号输入端分入端分别与一个模入通道相与一个模入通道相连接。具接。具有放大器的数据采集卡可配置成差分有放大器的数据采集卡可配置成差分测量系量系统。l一个理想的差分一个理想的差分测量系量系统仅能能测出出(+)和和(-)输入端口之入端口之间的的电位差，完全不会位差，完全不会测量到共模量到共模电压；l实际应用的数据采集卡的共模用的数据采集卡的共模电压的范的范围限制了相限制了相对于于测量系量系统地的地的输入入电压的波的波动范范围；l可以用不同的方式来消除共模可以用不同的方式来消除共模电压的影响。如果系的影响。如果系统共模共模电压超超过允允许范范围，需要限制信号地与数据采集卡的地之，需要限制信号
99、地与数据采集卡的地之间的浮地的浮地电压，以避免，以避免测量数据量数据错误；l参考地参考地单端端测量系量系统(ReferencedSingle-End，RSE)：也：也叫做接地叫做接地测量系量系统，被，被测信号一端接模信号一端接模拟输入通道，另一入通道，另一端接系端接系统地地AIGND。l无参考地无参考地单端端测量系量系统(NRSE)：信号的一端接模：信号的一端接模拟输入入通道，另一端接一个公用参考端，但通道，另一端接一个公用参考端，但这个参考端个参考端电压相相对于于测量系量系统的地来的地来说是不断是不断变化的。化的。l选择合适的合适的测量系量系统两种两种信号源和三种信号源和三种测量系量系统一共
100、可以一共可以组成六种成六种连接方式：接方式：接地信号接地信号浮浮动信号信号DEF*RSE*NRSE*l测量接地信号：最好采用差分或量接地信号：最好采用差分或NRSE测量系量系统。接地回路。接地回路通常会在通常会在测量数据中引入量数据中引入频率率为电源源频率的交流和偏置直流率的交流和偏置直流干干扰，如果信号，如果信号电压很高并且信号源和数据采集卡之很高并且信号源和数据采集卡之间的的连接阻抗很小，也可以采用接阻抗很小，也可以采用RSE输入方式。入方式。 l测量浮量浮动信号：可以用差分、信号：可以用差分、RSE、NRSE方式方式测量浮空信号；量浮空信号；在差分在差分输入入时，必，必须保保证相相对于于
101、测量地的信号共模量地的信号共模电压在允在允许范范围之内；需在之内；需在测量端与量端与测量地之量地之间连接偏置接偏置电阻。阻。10KR1=R21V；连线比比较短，一般短，一般5m；环境干境干扰很小或信号屏蔽比很小或信号屏蔽比较好；好；所有所有输入信号都与信号源共地。入信号都与信号源共地。l否否则建建议选用差分用差分输入方式，入方式，总体而言，差分体而言，差分输入方式是比入方式是比较好的好的选择l输入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：入信号源的阻抗与插入式数据采集卡的阻抗相匹配：对于于电池、池、RTD、应变片、片、热电偶等信号源，由于阻抗很小，偶等信号源，由于阻抗很小，可以将可以将这些信
102、号源直接些信号源直接连接到数据采集卡上或信号接到数据采集卡上或信号调理硬件上。理硬件上。直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会直接将高阻抗的信号源接到插入式板卡上会导致出致出错。接地的基本原则接地的基本原则l数据采集系统的若干个组成部件之间电位不统一，会引起相互数据采集系统的若干个组成部件之间电位不统一，会引起相互干扰。可通过好的接地设计，抑制干扰，提高数据采集系统的干扰。可通过好的接地设计，抑制干扰，提高数据采集系统的抗干扰能力。抗干扰能力。接地就是将接地就是将某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体某点与一个等电位点或等电位面之间用低电阻导体连接起来，构成一个基准电位。基准位与大地连接
103、，称为共地连接起来，构成一个基准电位。基准位与大地连接，称为共地连接，不与大地连接称为浮地连接。连接，不与大地连接称为浮地连接。浮地、共地，以及浮地、共地，以及一点接地、多点接地等问题，决定了系统的一点接地、多点接地等问题，决定了系统的抗干扰能力。抗干扰能力。 (1)一点接地与多点接地的原则：对于低频一点接地与多点接地的原则：对于低频(1kHz以下以下)电路，只能电路，只能采用一点接地，而对于高频电路，特别是频率高于采用一点接地，而对于高频电路，特别是频率高于10kHz时，时，应采用多点就近接地。应采用多点就近接地。(2)各种地线及其接地原则各种地线及其接地原则信号地：传感器本身的零电位基准线
104、；信号地：传感器本身的零电位基准线；模拟地：模拟信号的零电位；模拟地：模拟信号的零电位；数字地：数字信号的零电位；数字地：数字信号的零电位；负载地：大功率负载部件的零电位；负载地：大功率负载部件的零电位；电源地：交流电源地：交流50Hz电源地线电源地线(噪声地线噪声地线)；屏蔽地：为防止静电感应和电磁感应而设置的地。屏蔽地：为防止静电感应和电磁感应而设置的地。数字地应与模拟地分开走线，然后两地在二点汇集。数字地应与模拟地分开走线，然后两地在二点汇集。A/D、D/A转换芯片及采样保持芯片都有独立的模拟地和数字地引脚。转换芯片及采样保持芯片都有独立的模拟地和数字地引脚。应将所有器件的模拟地和数字地
105、分别相连，然后将模拟地和数应将所有器件的模拟地和数字地分别相连，然后将模拟地和数字地在一点相连，除公共连接点外，不可再有公共连接点。字地在一点相连，除公共连接点外，不可再有公共连接点。信号地与强电地应分开设置，强电地线应粗些。信号地与强电地应分开设置，强电地线应粗些。接地的基本原则接地的基本原则l如果信号源于放大器之间通过电缆连接，信号电路为一点接地如果信号源于放大器之间通过电缆连接，信号电路为一点接地时，电缆线的屏蔽层也应一点接地。时，电缆线的屏蔽层也应一点接地。信号源接地，放大器接地：信号源接地，放大器接地：放大器不接地，信号源接地：放大器不接地，信号源接地：接地的基本原则接地的基本原则作业作业
