第2章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第三章第三章 智能儀器智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù)的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DAS（Data Acquisition System），是指將溫），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的裝置。機(jī)進(jìn)行存儲(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3.1 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 實(shí)際的數(shù)

2、據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時(shí)實(shí)際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量多種物理量或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。因此，多路模擬輸人通道更具測(cè)量點(diǎn)。因此，多路模擬輸人通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個(gè)還是每路各用一個(gè)，多路各路共用一個(gè)還是每路各用一個(gè)，多路模擬輸人通道可分為集中采集式和分散模擬輸人通道可分為集中采集式和分散采集式兩大類型。采集式兩大類型。 一、集中采集式一、集中采集式 圖圖3.2 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 二、分散采集式二、分散采集式(分布式分布式)(a) 分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

3、分布式單機(jī)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu) 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)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)(b) 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)圖圖3.3 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第二節(jié)第二節(jié) 模擬信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)調(diào)理 在一般測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理的任務(wù)在一般測(cè)量系統(tǒng)中信號(hào)調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的較復(fù)雜，除了實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波外，還有諸如轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波外，還有諸如零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和

4、量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理（信號(hào)調(diào)理（Signal Conditioning），相應(yīng)），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理電路。的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號(hào)調(diào)理電路。 傳感傳感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集電路電路圖圖3.4 典型調(diào)理電路的組成框圖典型調(diào)理電路的組成框圖 一、傳感器的選用一、傳感器的選用 傳感器是信號(hào)輸人通道的第一道環(huán)節(jié)，也是傳感器是信號(hào)輸人通道的第一道環(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。要正決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)需要

5、什么樣的傳感器需要什么樣的傳感器系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價(jià)格進(jìn)行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高行對(duì)比，從中挑選合乎要求的性能價(jià)格比最高的傳感器。的傳感器。(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1. 具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功具有將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。能，轉(zhuǎn)換范圍與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。2. 轉(zhuǎn)換精度符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求轉(zhuǎn)換精度符合

6、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)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整而分配給傳感器的精度指標(biāo)，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機(jī)要求。機(jī)要求。3. 能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如能滿足被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干耐高溫、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。擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。4. 能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。(二二) 可供選用的傳感器類型可供選用的傳感器類型 對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)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

7、有：熱電偶、熱量，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、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、結(jié)、IC溫度傳感溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測(cè)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、使用條件等情況下，應(yīng)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)單等因素進(jìn)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡(jiǎn)單等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比高的傳感器。行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比高的傳感器。 1. 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輸入要求相輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計(jì)、制造一些專門適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計(jì)、制造

8、一些專門與與A/D相配套的大信號(hào)輸出傳感器。相配套的大信號(hào)輸出傳感器。 傳感器傳感器傳感器小信號(hào)放大信號(hào)修正與變換濾波A/D微機(jī)微機(jī)I/V轉(zhuǎn)換V/F光電耦合小電流小電壓大電壓大電流圖圖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. 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器一般是數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)模擬電壓輸入經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測(cè)量精度高、抗干擾能力

9、強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距測(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)。離傳送等優(yōu)點(diǎn)。 傳感器放大整形光電隔離計(jì)算機(jī)傳感器整形光電隔離計(jì)算機(jī)頻率量輸出開關(guān)量輸出圖圖3.6 頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用 3. 集成傳感器：集成傳感器是將傳感器集成傳感器：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)與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。號(hào)調(diào)理任務(wù)

10、，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。 4. 光纖傳感器：這種傳感器其信號(hào)拾取、光纖傳感器：這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號(hào)輸避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號(hào)輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過傳感器引入的干擾。解決由現(xiàn)場(chǎng)通過傳感器引入的干擾。 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) 多數(shù)傳感器輸出信號(hào)都比較小，必須多數(shù)傳感器輸出信號(hào)都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。選用前置放大器進(jìn)行放大。判斷傳感器信號(hào)判斷傳感器信號(hào)“大大”還是還是“小小”和要和要不要進(jìn)行放大的依

11、據(jù)又是什么？不要進(jìn)行放大的依據(jù)又是什么？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？VIN前置放大器前置放大器K0后級(jí)電路后級(jí)電路KVISVIN0VOSVONKVVONIN/2200)()(KVKKVVININON圖圖3.7 前置放大器的作用前置放大器的作用 20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ圖圖3.8 兩種調(diào)理電路的對(duì)比兩種調(diào)理電路的對(duì)比 21202021)()(INININININVVKKVKVV21202120)(

12、)(KVVKVKVVINININININ 由于由于 K1,所以，所以， ，這就是，這就是說，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前說，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。面有利于減少電路的等效輸入噪聲。 ININVV三、信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器三、信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器 在智能儀器的信號(hào)調(diào)理通道中，針在智能儀器的信號(hào)調(diào)理通道中，針對(duì)被放大信號(hào)的特點(diǎn)，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集對(duì)被放大信號(hào)的特點(diǎn)，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場(chǎng)要求，目前使用較多的放大電路的現(xiàn)場(chǎng)要求，目前使用較多的放大器有器有儀用放大器儀用放大器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔離放大器隔離放大器等。等。 (一一) 儀

13、用放大器儀用放大器 圖圖3.9 儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)儀用放大器的基本結(jié)構(gòu) 儀用放大器上下對(duì)稱，即圖中儀用放大器上下對(duì)稱，即圖中R1=R2，R4R6，R5R7。則放大器閉環(huán)增益為：。則放大器閉環(huán)增益為：假設(shè)假設(shè)R4=R5，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集成儀用放大器時(shí)，集成儀用放大器時(shí)，RG一般為外接電阻。一般為外接電阻。 451/)/21 (RRRRAGf)/21

14、 (1GfRRA 在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)模在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，可根據(jù)模擬信號(hào)調(diào)理通道的設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合擬信號(hào)調(diào)理通道的設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合儀用放大器的以下主要性能指標(biāo)確定儀用放大器的以下主要性能指標(biāo)確定具體的放大電路。具體的放大電路。 1. 非線性度非線性度 它是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線它是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。與理想直線的偏差。當(dāng)增益為當(dāng)增益為1時(shí)，如果時(shí)，如果一個(gè)一個(gè)12位位A/D轉(zhuǎn)換器有轉(zhuǎn)換器有0.025%的非線性的非線性偏差，當(dāng)增益為偏差，當(dāng)增益為500時(shí)，非線性偏差可達(dá)時(shí)，非線性偏差可達(dá)0.1%，相當(dāng)于把，相當(dāng)于把12位位A/D轉(zhuǎn)換器變成轉(zhuǎn)換器變成10位以

15、下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏位以下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏差小于差小于0.024%的儀用放大器。的儀用放大器。 2. 溫漂溫漂 溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常儀用放大器度變化而變化的程度。通常儀用放大器的輸出電壓會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生的輸出電壓會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生(150) V/變化，這與儀用放大器的增變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。益有關(guān)。 3. 建立時(shí)間建立時(shí)間 建立時(shí)間是指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至儀建立時(shí)間是指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至儀用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差用放大器輸出電壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。范圍內(nèi)所需的時(shí)

16、間。4. 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間 恢復(fù)時(shí)間是指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間恢復(fù)時(shí)間是指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時(shí)間。顯然，放大器的建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)時(shí)間。顯然，放大器的建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。5. 電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該

17、指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。 6. 共模抑制比共模抑制比當(dāng)放大器兩個(gè)輸入端具有等量電壓變化值當(dāng)放大器兩個(gè)輸入端具有等量電壓變化值UI時(shí)時(shí)，在放大器輸出端測(cè)量出電壓變化值，在放大器輸出端測(cè)量出電壓變化值UCM，則，則共模抑制比共模抑制比CMRR可用下式計(jì)算：可用下式計(jì)算：CMRR也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的增加而增大，這是因?yàn)闇y(cè)量放大器具有一個(gè)不增加而增大，這是因?yàn)闇y(cè)量放大器具有一個(gè)不放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個(gè)前端結(jié)構(gòu)對(duì)差動(dòng)信放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個(gè)前端結(jié)構(gòu)對(duì)差動(dòng)信號(hào)有增益，對(duì)共模信號(hào)沒有增益。但號(hào)有增益，對(duì)共模信號(hào)沒有增益

18、。但CMRR的的計(jì)算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使計(jì)算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使CMRR隨增益的增加而增大。隨增益的增加而增大。ICMUUCMRRlg20(二二) 程控增益放大器程控增益放大器 程控放大器是智能儀器的常用部件之程控放大器是智能儀器的常用部件之一，在許多實(shí)際應(yīng)用中，特別是在通用測(cè)一，在許多實(shí)際應(yīng)用中，特別是在通用測(cè)量?jī)x器中，為了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲取合量?jī)x器中，為了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變?cè)鲆娣糯笃?。在適的分辨力，常采用可變?cè)鲆娣糯笃鳌Ｔ谥悄軆x器中，可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嬗蓛x智能儀器中，可變?cè)鲆娣糯笃鞯脑鲆嬗蓛x器內(nèi)置計(jì)算機(jī)的程序控制。這種由程序控器內(nèi)置計(jì)算

19、機(jī)的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。制增益的放大器，稱為程控放大器。 圖圖3.10 程控放大器原理框圖程控放大器原理框圖 (三三) 隔離放大器隔離放大器 隔離放大器主要用于要求共模抑制比隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號(hào)的傳輸過程中，例如輸入數(shù)高的模擬信號(hào)的傳輸過程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，而據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)是微弱的模擬信號(hào)，而測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾比較大對(duì)信號(hào)的傳遞精度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的干擾比較大對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高，這時(shí)可以考慮在模擬信號(hào)進(jìn)入要求又高，這時(shí)可以考慮在模擬信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證

20、系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)的可靠性。 由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸由于隔離放大器采用了浮離式設(shè)計(jì)，消除了輸入、輸出端之間的耦合，因此具有以下特點(diǎn)：入、輸出端之間的耦合，因此具有以下特點(diǎn)：1. 能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。2. 泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無須泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3. 共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)（電壓共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)（電壓或電流）進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。或電流）進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。圖3.12

21、GF289集成隔離放大器圖圖3.14 GF289典型接法典型接法 第三節(jié)第三節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間件，這個(gè)模擬量泛指電壓、電阻、電流、時(shí)間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個(gè)稱為量子用一個(gè)稱為量子Q的基本單位來度量。的基本單位來度量。 圖圖3.15 量化特性及量化誤差量化特性及量化誤差 QBVbbbaaaVVnnrnnnnnnrn)2/

22、)(222()222(0022112211)2/)(2/1 ()2/)(2/1 (nrninrnVVVVV 一般而言，一般而言，n位位ADC的理想傳輸函數(shù)由以的理想傳輸函數(shù)由以下兩個(gè)式子定義：下兩個(gè)式子定義： 圖圖3.16 理想理想ADC的傳輸特性和量化誤差的傳輸特性和量化誤差 A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評(píng)轉(zhuǎn)換器常用以下幾項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)來評(píng)價(jià)其質(zhì)量水平。價(jià)其質(zhì)量水平。 (1) 分辨率分辨率 ADC的分辨率定義為的分辨率定義為ADC所能分辨的輸所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。入模擬量的最小變化量。 (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間定義轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間

23、定義為為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間。轉(zhuǎn)換時(shí)間。 (3) 精度精度 絕對(duì)精度絕對(duì)精度 絕對(duì)精度定義為：對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生一個(gè)給定的輸絕對(duì)精度定義為：對(duì)應(yīng)于產(chǎn)生一個(gè)給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實(shí)際模擬輸入電壓的差值。電壓的差值。 絕對(duì)精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤絕對(duì)精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。差以及噪聲等組成。 相對(duì)精度相對(duì)精度相對(duì)精度定義為在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字相對(duì)精度定義為在整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對(duì)應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值之差輸出碼所對(duì)應(yīng)的模擬輸入實(shí)際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。與模擬滿量程值之比。 偏移誤差。偏移

24、誤差。ADC的偏移誤差定義為使的偏移誤差定義為使ADC的輸出最低位的輸出最低位為為1，施加到，施加到ADC模擬輸入端的實(shí)際電壓與理模擬輸入端的實(shí)際電壓與理論值論值1/2(Vr2n)(即即0.5LSB所對(duì)應(yīng)的電壓值所對(duì)應(yīng)的電壓值)之之差（又稱為偏移電壓）。差（又稱為偏移電壓）。 增益誤差增益誤差增益誤差是指增益誤差是指ADC輸出達(dá)到滿量程時(shí)，實(shí)際模輸出達(dá)到滿量程時(shí)，實(shí)際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。 線性度誤差線性度誤差A(yù)DC的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分線性

25、度誤差兩種。線性度誤差兩種。a積分線性度誤差積分線性度誤差積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均已調(diào)零后的實(shí)際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程已調(diào)零后的實(shí)際傳輸特性與通過零點(diǎn)和滿量程點(diǎn)的直線之間的最大偏離值，有時(shí)也稱為線性點(diǎn)的直線之間的最大偏離值，有時(shí)也稱為線性度誤差。度誤差。 b微分線性度誤差微分線性度誤差積分線性度誤差是從總體上來看積分線性度誤差是從總體上來看ADC的數(shù)的數(shù)字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很多情況下往往對(duì)相鄰狀態(tài)間的變化更感興多情況下往往對(duì)相鄰狀態(tài)間的變化更感興趣。微分線性度誤差就是說明這種問題的趣。

26、微分線性度誤差就是說明這種問題的技術(shù)參數(shù)，它定義為技術(shù)參數(shù)，它定義為ADC傳輸特性臺(tái)階的傳輸特性臺(tái)階的寬度（實(shí)際的量子值）與理想量子值之間寬度（實(shí)際的量子值）與理想量子值之間的誤差，也就是兩個(gè)相鄰碼間的模擬輸入的誤差，也就是兩個(gè)相鄰碼間的模擬輸入量的差值對(duì)于量的差值對(duì)于Vr/2n的偏離值。的偏離值。 圖圖3.17 ADC的積分線性度誤差的積分線性度誤差 圖圖3.18 ADC的微分線性度誤差的微分線性度誤差 與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個(gè)與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個(gè)ADC的常用的常用術(shù)語是失碼（術(shù)語是失碼（Missing Cord）或跳碼）或跳碼(Skipped Cord)，也叫做非單調(diào)性。，

27、也叫做非單調(diào)性。 圖圖3.19 ADC的失碼現(xiàn)象的失碼現(xiàn)象 溫度對(duì)誤差的影響溫度對(duì)誤差的影響 環(huán)境溫度的改變會(huì)造成偏移、增益和線環(huán)境溫度的改變會(huì)造成偏移、增益和線性度誤差的變化。性度誤差的變化。 二、二、ADC的轉(zhuǎn)換原理的轉(zhuǎn)換原理(一一) 比較型比較型ADC比較型比較型ADC可分為反饋比較型及非反饋（直可分為反饋比較型及非反饋（直接）比較型兩種。高速的并行比較型接）比較型兩種。高速的并行比較型ADC是是非反饋的，智能儀器中常用到的中速中精度的非反饋的，智能儀器中常用到的中速中精度的逐次逼近型逐次逼近型ADC是反饋型是反饋型 圖圖3.20 逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理 (二二) 積分

28、型積分型ADC圖圖3.21 雙積分雙積分ADC 雙積分式雙積分式ADC的優(yōu)點(diǎn)：的優(yōu)點(diǎn)： 對(duì)對(duì)R、C及時(shí)鐘脈沖及時(shí)鐘脈沖Tc的長(zhǎng)期穩(wěn)定性無過高要的長(zhǎng)期穩(wěn)定性無過高要求即可獲得很高的轉(zhuǎn)換精度。求即可獲得很高的轉(zhuǎn)換精度。微分線性度極好，不會(huì)有非單調(diào)性。因?yàn)榉e微分線性度極好，不會(huì)有非單調(diào)性。因?yàn)榉e分輸出是連續(xù)的，因此，計(jì)數(shù)必然是依次進(jìn)行分輸出是連續(xù)的，因此，計(jì)數(shù)必然是依次進(jìn)行的的, ,即從本質(zhì)上說，不會(huì)發(fā)生丟碼現(xiàn)象。即從本質(zhì)上說，不會(huì)發(fā)生丟碼現(xiàn)象。積分電路為抑制噪聲提供了有利條件。雙積積分電路為抑制噪聲提供了有利條件。雙積分式分式ADC是測(cè)量輸入電壓在定時(shí)積分時(shí)間是測(cè)量輸入電壓在定時(shí)積分時(shí)間T1內(nèi)的平

29、均值，對(duì)干擾有很強(qiáng)的抑制作用，尤其內(nèi)的平均值，對(duì)干擾有很強(qiáng)的抑制作用，尤其對(duì)正負(fù)波形對(duì)稱的干擾信號(hào)抑制效果更好。對(duì)正負(fù)波形對(duì)稱的干擾信號(hào)抑制效果更好。 (三三) -型型ADC 過采樣過采樣-A/D變換器由于采用了過采變換器由于采用了過采樣技術(shù)和樣技術(shù)和-調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成，因而能夠以易于與數(shù)字系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)單片集成，因而能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的較低的成本實(shí)現(xiàn)高精度的A/D變換器，適應(yīng)變換器，適應(yīng)了了VLSI技術(shù)發(fā)展的要求。技術(shù)發(fā)展的要求。 過采樣技術(shù)過采樣技術(shù)圖

30、圖3.22 理想理想3位位ADC轉(zhuǎn)換特性轉(zhuǎn)換特性 圖圖3.23過采樣技術(shù)原理圖過采樣技術(shù)原理圖 -調(diào)制及噪聲整形技術(shù)調(diào)制及噪聲整形技術(shù) 圖圖3.24 帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣 圖圖3.25 一階一階- ADC 圖圖3.26 -調(diào)制器的頻域線性化模型調(diào)制器的頻域線性化模型 圖圖3.27整形后的量化噪聲分布整形后的量化噪聲分布圖圖3.28二階二階- ADC 圖圖3.29 信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系 數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù) 圖圖3.30 M=4的采樣抽取的采樣抽取 (四四) V/F型型ADC智能儀器中常用

31、的另一種智能儀器中常用的另一種ADC是是V/F型型ADC。它主要由。它主要由V/F轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。轉(zhuǎn)換器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。V/F型型ADC的特點(diǎn)是：與積分式的特點(diǎn)是：與積分式ADC一樣，對(duì)一樣，對(duì)工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；特別適合現(xiàn)場(chǎng)與主機(jī)系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)特別適合現(xiàn)場(chǎng)與主機(jī)系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場(chǎng)合；易于實(shí)現(xiàn)光電隔離。合；易于實(shí)現(xiàn)光電隔離。 三、常用三、常用ADC集成芯片及其與智能儀集成芯片及其與智能儀器中微處理器的接口器中微處理器的接口考慮到逐次逼近式考慮到逐次逼近式ADC具有轉(zhuǎn)換速度快，精度具有轉(zhuǎn)換速度快，精度較高，價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，較高，價(jià)格適中的優(yōu)點(diǎn)，-型型ADC具有轉(zhuǎn)換精具有轉(zhuǎn)換精度高，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，下面將介紹逐次逼近度高，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，下面將介紹逐次逼近式式ADC-AD574A和和-型型ADC-CS5360及其與及其與CPU的接口。的接