第二章數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、第二章第二章 智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)模擬信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)調(diào)理傳統(tǒng)傳統(tǒng)A/DA/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) - - 型型ADCADC原理與接口技術(shù)原理與接口技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DAS（Data Acquisition System），是指將溫度、），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行取樣、量壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行取樣、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、

2、顯示或打印的裝置。儲(chǔ)、處理、顯示或打印的裝置。第一節(jié)第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 傳感器傳感器模擬信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)圖圖2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 多路模擬輸入通道可分為多路模擬輸入通道可分為兩大類(lèi)型兩大類(lèi)型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 一、多路模擬信號(hào)集中采集式一、多路模擬信號(hào)集中采集式 1. 1. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一集

3、中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理模模擬擬多多路路開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)A/ /D計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控制邏輯控制邏輯S/HS/H多路共用采集電路分時(shí)采集多路共用采集電路分時(shí)采集2. 2. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理S/HS/H模模擬擬多多路路開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)S/HA/ /D計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控制邏輯控制邏輯多路同步取樣共用多路同步取樣共用A/DA/D分時(shí)采集分時(shí)采集3. 3. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之三集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之三多通道同步采樣多通道同步

4、采樣A/D，分時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，分時(shí)傳輸數(shù)據(jù)多通道獨(dú)立取樣多通道獨(dú)立取樣A/D，有通道緩存，有通道緩存通信接口通信接口上位機(jī)上位機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站N模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)二、分布式采集二、分布式采集請(qǐng)總結(jié)每種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)！第二節(jié)第二節(jié) 模擬信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任務(wù)：的任務(wù)：實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、

5、濾波；濾波；零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等。和量程切換等。傳感傳感器器前置前置放大放大濾濾波波程控程控放大放大濾濾波波采集采集電路電路 典型模擬調(diào)理電路的組成框圖典型模擬調(diào)理電路的組成框圖 傳感器是信號(hào)輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是傳感器是信號(hào)輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 正確選用傳感器：正確選用傳感器： 明確所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)明確所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；要求； 了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器傳感器， 自

6、行設(shè)計(jì)傳感器自行設(shè)計(jì)傳感器 一、傳感器的選用一、傳感器的選用將被測(cè)量將被測(cè)量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后續(xù)電路可用電量后續(xù)電路可用電量： 轉(zhuǎn)換范圍：轉(zhuǎn)換范圍：與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。 轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)；而分配給傳感器的精度指標(biāo)； 轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：符合整機(jī)要求；符合整機(jī)要求； 能能滿足滿足被測(cè)介質(zhì)和使用被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求環(huán)境的特殊要求，如耐，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；、

7、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；1.1.能滿足用戶對(duì)能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性可靠性和可維護(hù)性的要求。的要求。( (一一) ) 對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)量，對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)量，例如測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏例如測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測(cè)量范圍、精度、速度、使用等好多種。在都能滿足測(cè)量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡(jiǎn)條件等情況下，應(yīng)側(cè)

8、重考慮成本低、相配電路是否簡(jiǎn)單、可靠性等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比單、可靠性等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比高的傳感器。高的傳感器。 ( (二二) ) 選用什么類(lèi)型傳感器選用什么類(lèi)型傳感器 大信號(hào)輸出傳感器大信號(hào)輸出傳感器 : : 為了與為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開(kāi)始設(shè)計(jì)、制造一些專(zhuān)門(mén)與開(kāi)始設(shè)計(jì)、制造一些專(zhuān)門(mén)與A/D相配套的相配套的大信號(hào)輸出傳感器。大信號(hào)輸出傳感器。 傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器小信號(hào)放大小信號(hào)放大信號(hào)修正與變換信號(hào)修正與變換濾波濾波A/D微機(jī)微機(jī)微機(jī)微機(jī)I/V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換V/F光電耦合光電耦合小電流小電流小電壓小電壓大電

9、壓大電壓大電流大電流圖圖3.5 大信號(hào)輸出傳感器的使用大信號(hào)輸出傳感器的使用 2. 2. 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器：采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以由采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以由敏感參數(shù)敏感參數(shù)R R、L L、C C構(gòu)成的振蕩器，或模擬構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)電壓輸入經(jīng) V/FV/F轉(zhuǎn)換等。轉(zhuǎn)換等。具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。 頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感器的使用頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感器的使用 傳感器傳感器放大放大整形整形光電光電隔離隔離計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)傳感器傳感器整形整形光電光電隔離隔離計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)頻率頻率輸出輸

10、出開(kāi)關(guān)量開(kāi)關(guān)量輸出輸出 集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。體，構(gòu)成集成壓力傳感器。 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。 3. 3. 集成傳感器集成傳感器4. 4. 光纖傳感器：光纖傳感器： 這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的

11、電磁干擾。系統(tǒng)的電磁干擾。 光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感器引入的干擾。過(guò)傳感器引入的干擾。 放大器為什么要放大器為什么要“前置前置”, ,即設(shè)置在調(diào)理即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？二、運(yùn)用前置放大器的依據(jù)二、運(yùn)用前置放大器的依據(jù)當(dāng)傳感器輸出信號(hào)比較小，必須選用前當(dāng)傳感器輸出信號(hào)比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。置放大器進(jìn)行放大。KVVONIN/2200)()(KVKKVVININONVIN VOS前置放大器前置放大器K0后級(jí)電路后級(jí)電路KVISVIN0 VON放大器噪聲分析放大

12、器噪聲分析 總的等效輸出噪聲：總的等效輸出噪聲：總的等效輸入噪聲：總的等效輸入噪聲：20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ假定不設(shè)前放時(shí)，輸入信號(hào)被電路噪聲淹沒(méi)，即：假定不設(shè)前放時(shí)，輸入信號(hào)被電路噪聲淹沒(méi)，即：VISVIN，加入前放后，加入前放后，希望希望VISVIN，就必須使，就必須使VIN95dBuu - A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)uu 片內(nèi)數(shù)字抗混疊濾波及電壓參考片內(nèi)數(shù)字抗混疊濾波及電壓參考uu 最高采樣率最高采樣率50KHzuu 差動(dòng)模擬輸入差動(dòng)模擬輸入uu 單單+5V電源供電電源供電 CS5360 CS5360功能框圖功能框圖

13、 CS5380 CS5381 數(shù)字接口電路功能框圖數(shù)字接口電路功能框圖 基于基于FPGAFPGA的數(shù)字接口電路部分的設(shè)計(jì)的數(shù)字接口電路部分的設(shè)計(jì) 接口功能框圖接口功能框圖 串并轉(zhuǎn)換電路原理圖串并轉(zhuǎn)換電路原理圖 高速高速A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器逐次近似逐次近似A/DA/D法（幾十法（幾十MHzMHz）閃電式閃電式A/DA/D法（幾百法（幾百M(fèi)HzMHz）分量程分量程A/DA/D法（幾百法（幾百M(fèi)HzMHz）流水線流水線A/DA/D法（幾百法（幾百M(fèi)HzMHz）諧振隧道二極管諧振隧道二極管A/DA/D法（法（1GHz1GHz以上）以上）視頻、數(shù)字示波器、頻譜測(cè)試、雷達(dá)視頻、數(shù)字示波器、頻譜測(cè)試、雷達(dá) 采

14、樣率采樣率10MHz10MHz以上以上參考書(shū)：席德勛，現(xiàn)代電子技術(shù)，高等教育教育出版社參考書(shū)：席德勛，現(xiàn)代電子技術(shù)，高等教育教育出版社第五節(jié)第五節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及舉例 一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的因素 二、二、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 四、多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題四、多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題 五、主放大器的設(shè)置五、主放大器的設(shè)置 六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例六、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例 一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素一、采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮的主要因素v 輸入信號(hào)的特性輸入信號(hào)的特性 v 對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的

15、要求對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求v 接口特性接口特性輸入信號(hào)的特性：輸入信號(hào)的特性： 信號(hào)的數(shù)量信號(hào)的數(shù)量 信號(hào)的輸入方式（信號(hào)的輸入方式（單端、差動(dòng)、單極性、雙極單端、差動(dòng)、單極性、雙極性，接地、浮地性，接地、浮地） 信號(hào)的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)范圍信號(hào)的強(qiáng)弱及動(dòng)態(tài)范圍 信號(hào)的頻帶寬度信號(hào)的頻帶寬度 信號(hào)是周期還是瞬態(tài)信號(hào)是周期還是瞬態(tài) 信號(hào)中的噪聲信號(hào)中的噪聲 共模電壓大小共模電壓大小 信號(hào)源的阻抗信號(hào)源的阻抗對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求：對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求： 系統(tǒng)的系統(tǒng)的采樣速率采樣速率 系統(tǒng)的分辨率系統(tǒng)的分辨率 系統(tǒng)的精度系統(tǒng)的精度 主機(jī)（主機(jī)（PCPC、MCUMCU、DSPDSP） 并行、串行、總

16、線并行、串行、總線 數(shù)據(jù)的編碼格式數(shù)據(jù)的編碼格式 接口特性接口特性 ：二、二、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)1.A/D1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)2.2.轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度3.3.環(huán)境條件環(huán)境條件 4.4.接口接口1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)轉(zhuǎn)換位數(shù)mmin,max,1lg20IIVVL 61Lm 1210m系統(tǒng)精度指標(biāo)系統(tǒng)精度指標(biāo) 的的10倍原則倍原則2. A/D轉(zhuǎn)換速度的確定轉(zhuǎn)換速度的確定 轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換速率 =cott 1coDAttT/ocDAttNCfTmax/1三、采樣保持器三、采樣保持器S/HS/H的選擇的選擇 APiotdtdVVmaxmax,)(最大孔徑誤差最大孔徑誤差 APm

17、otfUU2max,tUUmicos在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若要求最大孔徑誤差不超過(guò)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若要求最大孔徑誤差不超過(guò)q q，則由此限定的被轉(zhuǎn)換信號(hào)的最高頻率為則由此限定的被轉(zhuǎn)換信號(hào)的最高頻率為: :1max21mAPtfmmcmUqtfU221max21mctf不加采樣不加采樣/保持器保持器 加采樣加采樣/保持器保持器 1max21mAPtf一個(gè)一個(gè)12位位ADC，tc=25s信號(hào)頻率不能超過(guò)信號(hào)頻率不能超過(guò)1.5Hz。 tAP=10nsfmax=3750HzA/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間t tC C 內(nèi)內(nèi)S/HS/H理想情況下應(yīng)保持不變理想情況下應(yīng)保持不變存在輸出電壓的跌落存在輸出電壓的跌

18、落HDoCIdtdVI ID D為流過(guò)保持電為流過(guò)保持電容容C CH H的漏電流的的漏電流的代數(shù)和代數(shù)和: :模擬開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的漏電關(guān)斷開(kāi)時(shí)的漏電流、保持電容本流、保持電容本身的介質(zhì)漏電和身的介質(zhì)漏電和介質(zhì)吸附效應(yīng)引介質(zhì)吸附效應(yīng)引起的電荷變化起的電荷變化。 四、多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題四、多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題 MUXMUX電路模型電路模型 模擬開(kāi)關(guān)的斷模擬開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)電阻開(kāi)電阻R Roffoff不是不是無(wú)窮大和多路無(wú)窮大和多路模擬開(kāi)關(guān)中存模擬開(kāi)關(guān)中存在寄生電容的在寄生電容的緣故。緣故。 低頻等效電路低頻等效電路 高頻等效電路高頻等效電路RiRoffRon例例:設(shè)八路輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)設(shè)八路輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān), 導(dǎo)通電阻導(dǎo)通電阻100歐姆歐姆,關(guān)斷時(shí)單路漏電流關(guān)斷時(shí)單路漏電流1A。輸入信號(hào)是溫度傳感器輸出電壓，輸入信號(hào)是溫度傳感器輸出電壓，內(nèi)阻內(nèi)阻400歐姆。試估算漏電流產(chǎn)歐姆。試估算漏電流產(chǎn)生的誤差。生的誤差。(1)(1)為減少漏電流影響為減少漏電流影響, ,減小信號(hào)源內(nèi)阻減小信