石油工程測(cè)控基礎(chǔ)-隋秀香 測(cè) 控 基 礎(chǔ)(8)-數(shù)據(jù)采集

第七章計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)在工程領(lǐng)域中，一個(gè)系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)進(jìn)行時(shí)經(jīng)常對(duì)壓力、振動(dòng)位移、速度、加速度等信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試就是對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行采集、處理，由于這些信號(hào)就是某個(gè)物理量隨時(shí)間變化的一個(gè)連續(xù)函數(shù)，它包含大量信息，利用這些信息，就可以辨析一個(gè)系統(tǒng)，分析一個(gè)系統(tǒng)、控制一個(gè)系統(tǒng)，因此關(guān)鍵是提取信息、處理信息。計(jì)算機(jī)是提取和處理信息的最好工具，然而計(jì)算機(jī)處理的是數(shù)字量，模擬信號(hào)如何變成計(jì)算機(jī)接收并可進(jìn)行處理的離散數(shù)字量呢？數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)大量生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)、記錄、數(shù)據(jù)計(jì)算、報(bào)警及對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）第一節(jié)多通道模擬開關(guān)

多路開關(guān)的作用主要用于將被測(cè)模擬量按某種方式分別地輸入到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。如在某一時(shí)刻接通某一路，讓該路信號(hào)輸入而讓其它路斷開，從而達(dá)到信號(hào)切換的目的。目前用得較多得是由晶體管和場(chǎng)效應(yīng)管組成得電子無觸點(diǎn)開關(guān)。模擬集成開關(guān)是指在一個(gè)單片上包含多路開關(guān)的集成開關(guān)。常用模擬多路開關(guān)有：?jiǎn)味?通道：AD7501、AD7502、AD7503、CD4051差動(dòng)4通道：AD7502、CD4052

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）多通道模擬開關(guān)（續(xù)）以AD7501為例，是單片集成的CMOS8選1多路模擬開關(guān)，它有三根二進(jìn)制輸入端A0、A1、A2，改變A0、A1、A2數(shù)值，可譯出8種不同狀態(tài)，分別選中一個(gè)開關(guān)接通。當(dāng)禁止端INH為高電平時(shí)不論A0、A1、A2為何值，8個(gè)通路均不通。下表是真值表。多通道模擬開關(guān)第二節(jié)采樣保持電路1、孔徑誤差傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)過放大、濾波等一系列處理后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，才能送入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定時(shí)間，例如對(duì)正弦信號(hào)在t0時(shí)刻進(jìn)行采樣，理想值應(yīng)為零，但是由于在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間△t內(nèi)模擬量發(fā)生了變化，所以A/D輸出不再為零，有此引起得誤差叫孔徑誤差，見下圖。所以必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將信號(hào)電平保持?。ū３譅顟B(tài)），而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號(hào)的變化（采樣狀態(tài)），能完成這種功能的器件叫采樣保持器。在模擬量輸出通道，為使輸出得到一個(gè)平滑的模擬信號(hào)，或?qū)Χ嗤ǖ肋M(jìn)行分時(shí)控制時(shí)，也常使用采樣／保持器。

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）2、采樣保持器在模擬信號(hào)輸入通道中，是否需要加采樣／保持器，取決于模擬信號(hào)的變化頻率和A／D轉(zhuǎn)換的孔徑時(shí)間；對(duì)快速過程信號(hào)，當(dāng)最大孔徑誤差超過允許值時(shí)，必須在A／D轉(zhuǎn)換器前加采樣／保持器，高頻率信號(hào)進(jìn)行采集，就需加采樣／保持器。但如果采集的是緩變信號(hào)，可不加采樣／保持器?？傊欠窦硬蓸樱３蛛娐?，完全取決于使用對(duì)象采樣保持器的作用是：在采樣期間，其輸出能跟隨輸入的變化而變化；而在保持狀態(tài)，能使其輸出值保持不變。采樣保持電路（續(xù)）原理如下圖所示，為一最簡(jiǎn)單的采樣保持電路，由模擬開關(guān)、儲(chǔ)能元件和緩沖放大器組成。當(dāng)施加控制信號(hào)后，開關(guān)K閉合，模擬信號(hào)Vi通過限流電阻向電容c充電，在電容值合理的情況下，V0隨vi的變化而變化；之后控制信號(hào)去除，K斷開，由于電容c有一定的容量，此時(shí)輸出V。保持輸入信號(hào)在K斷開瞬時(shí)的電平值，A/D轉(zhuǎn)化器才得以對(duì)保持在電容CH上得電壓進(jìn)行整量化。由于充電時(shí)間遠(yuǎn)小于A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間，保持器的電壓下降率又較低，于是大大減少了孔徑誤差。采樣保持電路（續(xù)）

如圖，在t1時(shí)刻前，處于采樣狀態(tài)，此時(shí)K為閉合狀態(tài)，輸出信號(hào)V。跟輸入Vi保持同步變化；而在時(shí)間t1，K斷開，此時(shí)處于保持狀態(tài)，輸出電壓恒值保持在A2不變；而在t2時(shí)刻，保持結(jié)束，新一個(gè)采樣時(shí)刻到來，此時(shí)相當(dāng)于K重新閉合，Vo又隨vi同步變化，直至?xí)r刻t3新的保持信號(hào)到來，K斷開，V0保持A3的電位不變。

采樣保持電路（續(xù)）因此，利用采樣／保持器，在啟動(dòng)A／D變換時(shí)，保持住輸入信號(hào)，從而可避免A／D轉(zhuǎn)換孔徑時(shí)間帶來轉(zhuǎn)換誤差.在進(jìn)行多路信號(hào)瞬態(tài)采集時(shí)，由上述分析也可知，電容c對(duì)采樣保持的精度很大影響，如果電容值過大，則其時(shí)間常數(shù)大，當(dāng)信號(hào)變化頻率高時(shí)由于電容充放電時(shí)間大，將會(huì)影響輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的跟隨特性，而且在采樣的瞬間電容兩端的電壓會(huì)與輸入信號(hào)電壓有一定的誤差；而當(dāng)處于保持狀態(tài)時(shí)，如果電容的漏電流太大，負(fù)載的內(nèi)阻太小，都會(huì)引起保持信號(hào)電平的變化。在電容的選擇時(shí)，使其選擇容量大小適數(shù)適中，并選用漏泄小的電容。采樣保持電路（續(xù)）電路采樣并保持信號(hào)的示意波形如圖所示采樣保持電路（續(xù)）采樣保持電路可以用分離元件組成，也可直接選用集成采樣／保持器，在選用時(shí)，要考慮下列因素，孔徑時(shí)間：在采樣保持器中，由于模擬開關(guān)有一定的動(dòng)作滯后，從保持命令發(fā)出到模擬開關(guān)斷開的時(shí)間叫孔徑時(shí)間，它會(huì)導(dǎo)致A／D采樣時(shí)間被延遲。捕捉時(shí)間：采樣／保持器的狀態(tài)邏輯控制信號(hào)由保持電平轉(zhuǎn)換成采樣電平后，其輸出電壓由原保持值過渡到此時(shí)輸入信號(hào)值所需的時(shí)間稱為捕捉時(shí)間，它包括模擬開關(guān)的導(dǎo)通延遲時(shí)間和建立跟蹤的穩(wěn)定過程時(shí)間。顯然，A／D轉(zhuǎn)換的采樣周期必須大于捕捉時(shí)間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入模擬信號(hào)。

采樣保持電路（續(xù)）集成采樣／保持器采樣／保持器可以由分離元件組成，其中對(duì)于低速場(chǎng)合可以采用繼電器作為開關(guān)以減小開關(guān)漏電流的影響；在高速場(chǎng)合也可用晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管來作為開關(guān)，然而，一般目前常采用性能優(yōu)越的集成式采樣／保持器。目前已生產(chǎn)出多種集成采樣/保持器，可用于一般目的的AD582、D583系列等；用于高速場(chǎng)合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等；用于高分辨率場(chǎng)合釣有SHA1144等，為了使用方便，有些采樣保持器的內(nèi)部還設(shè)有保持電容加AD389、AD585等。采樣保持電路（續(xù)）第三節(jié)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換是按對(duì)分搜索原理去逼近被測(cè)電壓的。所謂對(duì)分搜索法就是先取可轉(zhuǎn)換電壓最大值的1/2與輸入電壓比較，然后再縮小l/2鼓索范圍，在余下的1/2范圍內(nèi)進(jìn)一步作對(duì)分搜索，以此類推，直至數(shù)模轉(zhuǎn)換生成的模擬量與被測(cè)模擬量的差別小于某一誤差范圍為止。以三位數(shù)字量為例，首先以半滿量程與被測(cè)量進(jìn)行比較，也就是令數(shù)碼的最高位為“1”經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換與被測(cè)電壓比較，如發(fā)現(xiàn)小于被測(cè)值，則仍留這位“l(fā)”，否則，應(yīng)取消“1”而代之以“0”。之后再令次高位為“1”進(jìn)行比較，如此由高到低逐位進(jìn)行比較，一直到最低位為止.圖7－5所示為3位逐步逼近的對(duì)分搜索示意圖?？梢姶颂幍膶?duì)分搜索就是由數(shù)字量的高位(MSB)至最低位(LSB)逐位依次為“1”與被測(cè)模擬量進(jìn)行比較的過程；A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）下面舉例說明其轉(zhuǎn)換過程，例如：D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓VREF=10.24V,被轉(zhuǎn)換的Vi＝8.30V,要求將Vi轉(zhuǎn)換成8位二進(jìn)制數(shù)碼,其轉(zhuǎn)換過程如下:第一次試探。在時(shí)鐘fcp的驅(qū)動(dòng)下，環(huán)形計(jì)數(shù)器對(duì)數(shù)據(jù)寄存器的最高有效位(MSB)加碼，建立1000…0碼，同時(shí)，D／A轉(zhuǎn)敦器即把它轉(zhuǎn)挨成相對(duì)應(yīng)的模擬電壓Vf1=VREF*1/2,反饋到比較器酌比較端，之后，去／留碼邏輯電路對(duì)比較的結(jié)果作出去碼或留碼的判別與操作；Vi>Vf，應(yīng)留碼“1’。第二次試探。在第二個(gè)時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，環(huán)形計(jì)數(shù)器(移位寄存器)右移一位，并使數(shù)碼寄存器次高位加碼，建立X100…·0碼，最高位的X是“1”還是“0，J，取決于第一次試探結(jié)果，第二次試探D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的量化電壓Vf，再反饋到比較器與Vi進(jìn)行比較，如Vi大于等于Vf2則次高位留碼。否者應(yīng)去碼。該例中對(duì)應(yīng)的Vf2＝VREF(1/2+1/4)＝7.68V，A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）故Vi>Vf2，應(yīng)留碼。如此由高位到低位逐位試探，一直到最低位完成時(shí)為止，逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換的過程可以用表7－1說明之。可見量化的反饋電壓Vf一次比一次更逼近Vi，經(jīng)過8次試探與比較邏輯之后，數(shù)據(jù)寄存器中所建立的最終數(shù)碼11001111即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。實(shí)際上，此數(shù)碼對(duì)應(yīng)的量化電壓值Vf＝8.28V，它與輸入電壓Vi＝8.30V還相差0.02V。不過兩者差值已小于1LSB所對(duì)應(yīng)酌量化電壓0·04V了。把這個(gè)逼近過程用時(shí)序圖表示，如圖7－7所示。逐次遠(yuǎn)近A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以從數(shù)據(jù)寄存器的并行輸出端上取得。A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A／D轉(zhuǎn)換器的特性參數(shù)1、ADC芯片的分辨率是指輸出數(shù)字量對(duì)輸入模擬量變化的分辨能力。習(xí)慣上以輸出二進(jìn)制的位數(shù)來表示，如：AD574和分辨率為12位即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)包含12位二進(jìn)制數(shù)，實(shí)際上，它的分辨率為1LSB＝1/212，能夠分辨輸入電壓的最小變化量實(shí)際為VFS/（2n－1），一般寫成VFS/2n，顯然一個(gè)輸入要求為0～5V的12位A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小電壓實(shí)際為5/(212－1）二5／4095=0.00122V=1.22mV，(一般也可寫作5／4096)。2、轉(zhuǎn)換時(shí)間：完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）計(jì)算機(jī)并口（打印口）第四節(jié)計(jì)算機(jī)并口不論臺(tái)式機(jī)還是便攜機(jī)都配有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的并行打印機(jī)適配器接口，通過對(duì)該端口內(nèi)三個(gè)I/0端口控制，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。利用一個(gè)25針的D型插座實(shí)現(xiàn)并行口與外設(shè)的連結(jié)，其引線如圖1所示，下面介紹三個(gè)I/0端口功能：圖1并行口引線圖PC打印機(jī)適配器有8位數(shù)據(jù)D0~D7,它分別對(duì)應(yīng)圖1中的標(biāo)號(hào)2~9，可通過讀寫378HI/O端口，對(duì)外引線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀/寫。對(duì)該口進(jìn)行一次寫操作，就有一個(gè)8位數(shù)據(jù)被寫到一個(gè)8位寄存器鎖存，并輸出至外引線。對(duì)該口進(jìn)行讀操作，只能用于打印口自檢。PC打印機(jī)適配器有4根控制線，它分別對(duì)應(yīng)圖1中的標(biāo)號(hào)1、14、16、17，可通過寫37AI/O端口把數(shù)據(jù)輸出到外引線插座，輸出信號(hào)經(jīng)過寄存器鎖存。內(nèi)容如表1：圖中D4為用于正常打印時(shí)終端允許控制，此處不用。從外引線INIT輸出的信號(hào)邏輯與D2相同，而其它三位相反。

計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）PC打印機(jī)適配器有5位狀態(tài)輸入線，它分別對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)是15、13、12、10、11，可通過讀379HI/O端口把外引線上的狀態(tài)信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)，該端口輸入緩沖器與狀態(tài)輸入線及對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào)如表2:以上為外設(shè)送給計(jì)算機(jī)的狀態(tài)信號(hào)，D7位與外引線邏輯相反，而D3~D6與外引線邏輯相同。輸入數(shù)據(jù)D7D6D5D4D3D2D1D0外引線╳╳╳標(biāo)號(hào)1110121315計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）3接口設(shè)計(jì)

打印機(jī)適配器有8位數(shù)據(jù)，可以通過讀/寫378HI/O端口對(duì)外引線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫。有5根狀態(tài)線，通過讀379HI/O端口把外引線上的狀態(tài)信號(hào)讀入計(jì)算機(jī)。有4根控制線，通過寫37AHI/O端口把數(shù)據(jù)輸出到外引線插座。借助于打印機(jī)適配器的三個(gè)口，設(shè)計(jì)的譯碼電路流程如下：

計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）控制線譯碼器數(shù)據(jù)線觸發(fā)器譯碼器譯碼線要通過并口實(shí)現(xiàn)對(duì)外部數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制，必須有足夠的地址譯碼線。圖2是接口譯碼板電路設(shè)計(jì)。圖2接口譯碼電路計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）74LS154是4線--16線譯碼器，利用計(jì)算機(jī)并口提供的控制信號(hào)C0--C3作為U1的地址譯碼線，通過改變C0---C3可以使其輸出的Y0---Y13、YC、YS之一為低電平，如果外設(shè)需求多的話，這輸出的16根線顯然不能滿足要求，為此進(jìn)行了進(jìn)一步擴(kuò)展，使用了第二片74LS154即U2。先通過控制口使U1的輸出Yc為低電平，將D0---D3送入U(xiǎn)4，U4即74LS245是八雙向總線發(fā)送器/接受器，隨后數(shù)據(jù)通過U4進(jìn)入U(xiǎn)3，U3即74LS174是六上升沿D型觸發(fā)器（Q端輸出，公共清除），再令U1的輸出Ys為低電平，這樣U2被選通，同時(shí)Yc輸出高電平脈沖使D0---D3在U3鎖存并作為U2的地址譯碼線，通過改變D0---D可以使其輸出的Y14--Y29之一為低電平。由以上分析可知，該譯碼電路利用控制口和數(shù)據(jù)口使譯碼輸出線為Y0--Y13和Y14--Y29共有30條，極大的滿足了外設(shè)的需要。計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）放大放大多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持

A/D轉(zhuǎn)換

計(jì)算機(jī)調(diào)零1立壓信號(hào)調(diào)零1套壓信號(hào)可編程增益放大濾波計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）采集電路設(shè)計(jì)采集電路的設(shè)計(jì)框圖如圖采集電路的設(shè)計(jì)如圖。計(jì)算機(jī)并口（續(xù)）令Y0為低電平，選通74LS174，寫數(shù)據(jù)口378H的低4位D0---D3，將其鎖存在74LS174作為多路選擇開關(guān)的選擇輸入線，改變D0--D3送可任意選擇與多路選擇開關(guān)相連的16通道之一輸出到采樣保持器，并進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)DB0—DB11。74LS244是八緩沖器。它的輸出與適配器的狀態(tài)口相連。由于利用了狀態(tài)口I3、I4、I5、I6數(shù)據(jù)位，所以需分三次才能將DB0—DB11讀入計(jì)算機(jī)。先使Y6為低電平，DB0—DB3通過74LS244送入狀態(tài)口，讀狀態(tài)口379H將DB0—DB3讀入計(jì)算機(jī)；同理，令Y5為低電平，讀狀態(tài)口379H，DB4—DB7讀入計(jì)算機(jī)；隨后使Y4為低電平，讀狀態(tài)口379H，DB8—DB11讀入計(jì)算。而并行口的10、12、13和15管腳所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)位是I6、I5、I4、和I