第二章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)--PowerPoint-演示文稿-課件

1、第二章 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)模擬信號(hào)調(diào)理傳統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) -型ADC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)的誤差分析 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡(jiǎn)稱DAS（Data Acquisition System），是指將溫度、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)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的裝置。第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 傳感器模擬信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路微機(jī)系統(tǒng)圖2.1 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) 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)。 多路模擬輸入通道可分為兩大類型： 集中式采集 分布式采集 一、多

2、路模擬信號(hào)集中采集式 1. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一傳感器1傳感器2傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理模擬多路開(kāi)關(guān)A/D計(jì)算機(jī)控制邏輯S/H多路共用采集電路分時(shí)采集2. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二傳感器1傳感器2傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理S/HS/H模擬多路開(kāi)關(guān)S/HA/D計(jì)算機(jī)控制邏輯多路同步取樣共用A/D分時(shí)采集3. 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A/D，分時(shí)傳輸數(shù)據(jù)多通道獨(dú)立取樣A/D，有通道緩存通信接口上位機(jī)數(shù)據(jù)采集站1數(shù)據(jù)采集站2數(shù)據(jù)采集站3數(shù)據(jù)采集站N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)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) 模擬信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)信號(hào)調(diào)

3、理（Signal Conditioning）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、濾波；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。傳感器前置放大濾波程控放大濾波采集電路 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： 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； 了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器， 自行設(shè)計(jì)傳感器 一、傳感器的選用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換后續(xù)電路可用電量：轉(zhuǎn)換范圍：與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。轉(zhuǎn)換精度：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)；轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：符合整機(jī)要求；能

4、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、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性的要求。(一) 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，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PN結(jié)、IC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、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。 (二) 選用什么類型傳感器大信號(hào)輸出傳感器 : 為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開(kāi)始設(shè)計(jì)、制造一些專門與A/D相配套的大信

5、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3.5 大信號(hào)輸出傳感器的使用 2. 數(shù)字式傳感器：采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換等。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)。 頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感器的使用 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)頻率輸出開(kāi)關(guān)量輸出 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。 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號(hào)調(diào)理任

6、務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。 3. 集成傳感器4. 光纖傳感器： 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)通過(guò)傳感器引入的干擾。 放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？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)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。VIN VOS前置放大器K0后級(jí)電路KVISVIN0 VON放大器噪聲分析 總的等效輸出噪聲：總的等效輸入噪聲：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，希望VISVIN，就必須使VIN95dBu - A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)u

7、片內(nèi)數(shù)字抗混疊濾波及電壓參考u 最高采樣率50KHzu 差動(dòng)模擬輸入u 單+5V電源供電 CS5360功能框圖 CS5380 CS5381 數(shù)字接口電路功能框圖 基于FPGA的數(shù)字接口電路部分的設(shè)計(jì) 接口功能框圖 串并轉(zhuǎn)換電路原理圖 高速A/D轉(zhuǎn)換器逐次近似A/D法（幾十MHz）閃電式A/D法（幾百M(fèi)Hz）分量程A/D法（幾百M(fèi)Hz）流水線A/D法（幾百M(fèi)Hz）諧振隧道二極管A/D法（1GHz以上）視頻、數(shù)字示波器、頻譜測(cè)試、雷達(dá) 采樣率10MHz以上參考書：席德勛，現(xiàn)代電子技術(shù)，高等教育教育出版社第五節(jié) 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 二、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn) 三、采樣保持

8、器S/H的選擇 四、多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題 五、主放大器的設(shè)置 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 輸入信號(hào)的特性 對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求 接口特性輸入信號(hào)的特性：信號(hào)的數(shù)量信號(hào)的輸入方式（單端、差動(dòng)、單極性、雙極性，接地、浮地） 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)是周期還是瞬態(tài)信號(hào)中的噪聲共模電壓大小信號(hào)源的阻抗對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的要求： 系統(tǒng)的采樣速率 系統(tǒng)的分辨率 系統(tǒng)的精度主機(jī)（PC、MCU、DSP）并行、串行、總線數(shù)據(jù)的編碼格式 接口特性 ：二、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇要點(diǎn)1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)2.轉(zhuǎn)換速度3.環(huán)境條件 4.接口1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)m系統(tǒng)精度指標(biāo)的10倍原

9、則2. A/D轉(zhuǎn)換速度的確定 轉(zhuǎn)換速率 =三、采樣保持器S/H的選擇 最大孔徑誤差 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，則由此限定的被轉(zhuǎn)換信號(hào)的最高頻率為:不加采樣/保持器 加采樣/保持器 一個(gè)12位ADC，tc=25s信號(hào)頻率不能超過(guò)1.5Hz。 tAP=10nsfmax=3750HzA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間tC 內(nèi)S/H理想情況下應(yīng)保持不變存在輸出電壓的跌落ID為流過(guò)保持電容CH的漏電流的代數(shù)和:模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的漏電流、保持電容本身的介質(zhì)漏電和介質(zhì)吸附效應(yīng)引起的電荷變化。 四、多路測(cè)量通道的串音問(wèn)題 MUX電路模型 模擬開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)電阻Roff不是無(wú)窮大和多路模擬開(kāi)關(guān)中存在寄生電容的緣故。 低頻等效電路 高頻等效電路RiRoffRon例:設(shè)八路輸入轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān), 導(dǎo)通電阻100歐姆,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，內(nèi)阻400歐姆。試估算漏電流產(chǎn)生的誤差。(1)為減少漏電流影響,減小信號(hào)源內(nèi)阻Ri，為此前級(jí)應(yīng)采用電壓跟隨器；(2) 選用Ron極小、Roff極大的開(kāi)關(guān)管；(3) 減少輸出端并聯(lián)的開(kāi)關(guān)數(shù)N。若N=1， 則VN=0。(4) 減小串音應(yīng)選用寄生電容小的MUX。(5) 模擬開(kāi)關(guān)不用的輸入端接地。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)例誤差分析 教材P51-58深化你所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：