第7章數(shù)據(jù)采集技術(shù)

第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

測(cè)試信號(hào)數(shù)字處理

物理信號(hào)對(duì)象傳感器電信號(hào)信號(hào)調(diào)制電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)顯示D/A轉(zhuǎn)換控制

一、信號(hào)調(diào)理電路

作用：1)信號(hào)放大(衰減、偏移…)2)濾波(低通、高通、帶阻…)3)信號(hào)調(diào)整，進(jìn)一步處理需要(線(xiàn)性修正電路、相加平均電路→改善信噪比)

二、多路模擬開(kāi)關(guān)

多路模擬信號(hào)都需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、降低成本、提高可靠性，選用多路模擬開(kāi)關(guān)→共享采樣/保持電路、A/D轉(zhuǎn)換器……在控制信號(hào)作用下，多路模擬開(kāi)關(guān)按指定次序?qū)⒏髀纺M信號(hào)分時(shí)送至ADC，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)

多路模擬開(kāi)關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)：

1)導(dǎo)通電阻小，斷開(kāi)電阻大多路模擬開(kāi)關(guān)與模擬信號(hào)源串聯(lián)，理想情況下，要求開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻=0(小于100Ω)，斷開(kāi)電阻無(wú)窮大(大于109Ω)

2)通道數(shù)目模擬輸入的路數(shù)對(duì)信號(hào)傳輸精度、切換速度有直接影響。標(biāo)準(zhǔn)通道數(shù)4、8、16路

3)最大輸入電壓標(biāo)準(zhǔn)值±15V，±10V，±5V，保證多路模擬開(kāi)關(guān)正常工作情況下加在輸入端與地之間的最大輸入電壓第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

4)通道串?dāng)_在多路模擬開(kāi)關(guān)導(dǎo)通通道的輸出中，包含有其他斷開(kāi)通道的泄漏信號(hào)。原因：各通道間的斷路絕緣電阻不夠大/開(kāi)關(guān)的極間電容、分布電容的影響

5)切換速度導(dǎo)通/關(guān)斷時(shí)間～1μs。切換速度要與傳輸信號(hào)的變化率適應(yīng)，變化率越高，切換速度越高

三、采樣/保持電路(S/H)

A/D轉(zhuǎn)換需要時(shí)間。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，輸入信號(hào)電平改變，則轉(zhuǎn)換結(jié)果與指定瞬間的模擬信號(hào)較大誤差。保證轉(zhuǎn)換精度，在模擬信號(hào)源與ADC間接入S/H。

1)S/H處于采樣模式，輸出跟蹤輸入2)處于保持模式，輸出在采樣模式轉(zhuǎn)換為保持模式的瞬間保持不變。3)對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換為提高系統(tǒng)測(cè)量速度，采樣時(shí)間越短越好；良好轉(zhuǎn)換精度，保持時(shí)間越長(zhǎng)越好。第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

S/H主要技術(shù)參數(shù)：

1)捕獲時(shí)間Tac(acquisitiontime)[捕捉時(shí)間/采樣時(shí)間]采樣命令發(fā)出后，S/H輸出從所保持的值達(dá)到當(dāng)前輸入信號(hào)值所需要的時(shí)間Tac影響采樣頻率，對(duì)轉(zhuǎn)換精度無(wú)影響

2)孔徑時(shí)間Tap(aperturetime)[孔徑延時(shí)]保持命令下達(dá)時(shí)刻到控制開(kāi)關(guān)斷開(kāi)所需要的時(shí)間因Tap存在，使采樣時(shí)間延長(zhǎng)，A/D轉(zhuǎn)換值不是恒定值，影響轉(zhuǎn)換精度——將保持命令提前Tap下達(dá)，消除影響3)孔徑抖動(dòng)Taj(aperturejitter)[孔徑不確定度]——孔徑時(shí)間的變化范圍，通常是孔徑時(shí)間的10%～50%，影響無(wú)法消除為保證誤差不大于量化誤差，被測(cè)信號(hào)最高頻率VF.S-A/D轉(zhuǎn)換器的滿(mǎn)刻度電壓范圍；Vm-輸入信號(hào)幅值；n-A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)

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4)保持電壓下降率

在保持模式時(shí)，S/H輸出值下降的速率原因：保持電容器漏電以及等效并聯(lián)電阻并非無(wú)窮大，使電容器慢速放電，引起保持電壓下降

四、A/D轉(zhuǎn)換器模擬輸入→數(shù)字輸出1．A/D轉(zhuǎn)換器基本性能指標(biāo)：

1)模擬信號(hào)輸入①模擬輸入通道數(shù)采集信號(hào)路數(shù)②信號(hào)輸入方式單端輸入信號(hào)的其中一個(gè)端子接地；差動(dòng)輸入信號(hào)的兩端均浮地單極性信號(hào)幅值[0，,A]；雙極性信號(hào)幅值[-A，A]ADC設(shè)有信號(hào)輸入方式選擇設(shè)置，根據(jù)需要選擇③模擬信號(hào)量程單極性輸入，典型值0～10V；雙極性-5～5V④放大器增益ADC對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)⑤模擬輸入阻抗固有參數(shù)第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2)A/D轉(zhuǎn)換部分①采樣速率在單位時(shí)間內(nèi)ADC對(duì)模擬信號(hào)的采集次數(shù)采樣定理：

保證數(shù)據(jù)采樣精度，選取采樣頻率：fs=(5～10)fmaxNN——采集數(shù)據(jù)的通道數(shù)②位數(shù)bADC輸出二進(jìn)制的位數(shù)ADC產(chǎn)生一個(gè)最低有效位數(shù)字量1LSB=q=VH/2b式中q-化值，VH-滿(mǎn)量程輸入電壓③分辨率ADC分辨輸入信號(hào)的最小變化量輸入滿(mǎn)量程模擬電壓VH，b位ADC，分辨率為VH/2b④精度量化誤差表示，量化誤差為L(zhǎng)SB/2第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

3)D/A轉(zhuǎn)換部分

①分辨率輸入發(fā)生單位數(shù)碼變化(即1LSB)對(duì)應(yīng)輸出模擬量的變化量

②標(biāo)稱(chēng)滿(mǎn)量程相當(dāng)于數(shù)字量標(biāo)稱(chēng)值2b的模擬輸出量

③響應(yīng)時(shí)間數(shù)字量變化后，輸出模擬量穩(wěn)定到相應(yīng)數(shù)值范圍內(nèi)(LSB/2)所需要的時(shí)間

2．ADC驅(qū)動(dòng)前的參數(shù)設(shè)置正確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集功能，正確參數(shù)設(shè)置

1)模擬信號(hào)輸入設(shè)置信號(hào)輸入方式：選擇單端輸入/差動(dòng)輸入，單極性信號(hào)/雙極性信號(hào)選擇增益：根據(jù)輸入信號(hào)幅值范圍和分辨率要求選擇選擇量程：根據(jù)輸入信號(hào)極性選擇

2)A/D轉(zhuǎn)換部分設(shè)定信號(hào)輸入通道號(hào)；設(shè)定采樣點(diǎn)數(shù)；設(shè)定采樣速率；采樣結(jié)果輸出方式-放在一個(gè)數(shù)組中/某一緩沖區(qū)內(nèi)采樣觸發(fā)方式：外觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)、軟件觸發(fā)…

3)D/A轉(zhuǎn)換部分模擬信號(hào)輸出通道號(hào)；模擬信號(hào)輸出幅值；刷新速率-決定所產(chǎn)生的模擬信號(hào)波形的光滑度，最快刷新速率的倒數(shù)——響應(yīng)時(shí)間

五、接口電路及控制邏輯

數(shù)據(jù)采集按規(guī)定動(dòng)作次序進(jìn)行多路模擬開(kāi)關(guān)接通被測(cè)的模擬輸入信號(hào)；②S/H進(jìn)入采樣模式；③輸出跟蹤輸入到達(dá)指定誤差帶內(nèi)進(jìn)入保持模式；④A/D轉(zhuǎn)換；⑤計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)。邏輯控制電路使計(jì)算機(jī)產(chǎn)生時(shí)序要求的邏輯控制信號(hào)。多ADC采集系統(tǒng)多通道采集系統(tǒng)第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

一、單模擬量輸入采集通道設(shè)計(jì)

傳感器→濾波→放大→S/H→A/D→接口傳感器通過(guò)屏蔽電纜(或經(jīng)預(yù)處理)與檢測(cè)系統(tǒng)相連濾波根據(jù)系統(tǒng)存在干擾及信號(hào)頻譜情況，做頻帶寬度壓縮，以便于采樣頻率選取放大器用于傳感器到A/D之間的電平匹配濾波器在放大器前，更好抑制噪聲，提高信噪比。S/H、A/D完成采樣和量化功能

二、多模擬量輸入采集通道設(shè)計(jì)

實(shí)際數(shù)據(jù)采集和過(guò)程控制系統(tǒng)，要求同時(shí)完成多物理量檢測(cè)20世紀(jì)50年代，提出巡回檢測(cè)概念。一臺(tái)檢測(cè)裝置完成多點(diǎn)測(cè)量任務(wù)，節(jié)省二次儀表，集中檢測(cè)方便進(jìn)行相關(guān)處理分立元件、小規(guī)模集成電路——淘汰大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)→模塊化結(jié)構(gòu)第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

多路模擬開(kāi)關(guān)在預(yù)處理與采樣之間，共享S/H、A/D、計(jì)算機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)；根據(jù)處理信號(hào)不同情況，放在數(shù)據(jù)采集通道其他部位。多路模擬開(kāi)關(guān)在系統(tǒng)較前部位，共享檢測(cè)電路較多，經(jīng)濟(jì)；處于通道后方，各電平差別較大無(wú)法共享/提高某些質(zhì)量指標(biāo)多路模擬開(kāi)關(guān)(多路模擬轉(zhuǎn)換集成電路芯片)，轉(zhuǎn)接路數(shù)通常8路。轉(zhuǎn)接更多路數(shù)，采用多片采集路數(shù)受限于數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性、高速性以及各信號(hào)之間交叉干擾等問(wèn)題包含所有環(huán)節(jié)在內(nèi)的模板結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已有產(chǎn)品出售

三、基于PC機(jī)數(shù)據(jù)采集通道設(shè)計(jì)應(yīng)注意問(wèn)題

1.確定信號(hào)調(diào)理方案?jìng)鞲衅餍盘?hào)必須符合數(shù)據(jù)采集板接受的方式，否則調(diào)理①數(shù)據(jù)采集板會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生干擾，影響系統(tǒng)操作；②信號(hào)范圍控制在數(shù)據(jù)采集板量程內(nèi)；③避免噪聲第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

調(diào)理方式：放大、隔離、濾波、激勵(lì)、線(xiàn)性化……低壓信號(hào)放大，加以隔離和濾波，更加精確測(cè)量；有些傳感器需要電壓/電流的激勵(lì)才能產(chǎn)生電壓輸出

2.選擇數(shù)據(jù)采集I/O設(shè)備數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)備的選擇取決于：精度、采樣速度、通道數(shù)、靈活性、可靠性、可擴(kuò)展性、計(jì)算機(jī)平臺(tái)等

1)基于PCI總線(xiàn)(PeripheralComponentInterconnect外部設(shè)備互連總線(xiàn))的數(shù)據(jù)采集卡：用于計(jì)算機(jī)上的處理器、存儲(chǔ)器與外圍控制部件、外圍擴(kuò)展卡之間的互連設(shè)備

特點(diǎn)：①地址和數(shù)據(jù)多路復(fù)用32/64位同步總線(xiàn)②33MHz下32位PCI數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)33*4=132MB/s，64位達(dá)264MB/s③PCI擴(kuò)展總線(xiàn)的自動(dòng)配置功能，用戶(hù)不必調(diào)開(kāi)關(guān)/跳線(xiàn)第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

2)基于ISA總線(xiàn)(IndustryStandardArchitecture工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu))的數(shù)據(jù)采集卡：PC機(jī)使用最久、最流行的擴(kuò)展總線(xiàn)系統(tǒng)

3)采用DMA(直接存儲(chǔ)器存取)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計(jì)算機(jī)正常數(shù)據(jù)傳送：I/O口到CPU，CPU到RAM。CPU發(fā)出地址碼、讀寫(xiě)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)傳送信息DMA(直接存儲(chǔ)器存取)傳送方式：DMA控制器控制總線(xiàn)，使數(shù)據(jù)直接在I/O口與RAM中取出/送存(還可以直接控制數(shù)據(jù)在RAM與RAM之間或I/O設(shè)備之間交換)——縮短數(shù)據(jù)傳送時(shí)間DMA方式主要用于芯片轉(zhuǎn)換速度高于CPU數(shù)據(jù)傳送速度的場(chǎng)合

3.選擇電纜電纜用于數(shù)據(jù)采集板與信號(hào)調(diào)理的附件或I/O接線(xiàn)板的連接屏蔽電纜，噪聲隔離，精度較高

4.選擇軟件編程方法軟件是數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)軟件、應(yīng)用軟件第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)指標(biāo)：電路結(jié)構(gòu)參數(shù)是否滿(mǎn)足精度要求，并考慮各級(jí)電路的精度分配1.ADC分辨率及信號(hào)放大倍數(shù)確定例：溫度檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)溫度范圍0～400℃，要求分辨出0.1℃溫度變化，檢測(cè)溫度的精度為±0.1%(折合絕對(duì)誤差為±0.4℃)，用熱電偶作檢測(cè)敏感元件，當(dāng)溫度在0～400℃變化時(shí)，測(cè)得熱電偶輸出電壓在0～20mV變化解：①采集通道中放大器的放大倍數(shù)

K=ADC滿(mǎn)度電壓值/信號(hào)最大值測(cè)溫范圍0～400℃，對(duì)應(yīng)最大輸入信號(hào)20mV。若ADC滿(mǎn)度電壓值選為10V，則K=500第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

②ADC芯片位數(shù)N≥log2(1+Umax/Umin)Umax-ADC芯片滿(mǎn)度電壓值，10V；Umin-ADC芯片最小能分辨出的電壓，由溫度分辨率決定分辨出0.1℃，對(duì)應(yīng)熱電偶產(chǎn)生20mV/4000=5μV電壓變化，放大500倍，Umin=2.5mVN≥log2(1+4000)≥11.9選擇12位ADC芯片

2.精度分配按總誤差的限定值對(duì)組成系統(tǒng)環(huán)節(jié)進(jìn)行誤差分配①根據(jù)各環(huán)節(jié)可能達(dá)到的誤差范圍進(jìn)行分配②合成系統(tǒng)總誤差③檢驗(yàn)是否達(dá)到總體精度要求合成系統(tǒng)總誤差(系統(tǒng)不確定性誤差)，采用均方根合成法：第七章計(jì)算機(jī)接口與數(shù)據(jù)采集技術(shù)

已知系統(tǒng)總誤差，簡(jiǎn)單辦法：①假定各分項(xiàng)誤差相等，求得平均分項(xiàng)誤差值②根據(jù)實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整分項(xiàng)誤差值

溫度檢測(cè)系統(tǒng)總誤差為±0.1%。采集系統(tǒng)有傳感器、放大器、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、S/H、A/D

誤差分配：傳感器0.05%、放大器0.01%、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)0.02%、S/H0.01%、A/D0.05%，則總誤差小于系統(tǒng)規(guī)定的總誤差，合適尚存在未計(jì)入的誤差項(xiàng)(外來(lái)干擾……)，要求分項(xiàng)誤差控制在規(guī)定值下，系統(tǒng)硬件的精度設(shè)計(jì)才可實(shí)現(xiàn)，否則加軟件/軟硬結(jié)合進(jìn)行校正/補(bǔ)償二、數(shù)據(jù)采集方案及其實(shí)現(xiàn)采集速度采樣頻率滿(mǎn)足采樣定理：保證數(shù)據(jù)采樣精度，選取采樣頻率N——采集數(shù)據(jù)的通道數(shù)(模擬信號(hào)路數(shù))；5～10安全系數(shù)fs=(5～10)fmaxN例：采集32路信號(hào)，信號(hào)中最高頻率分量為2kHz解：選擇安全系數(shù)為低限5fs=5×2kHz×32=320kHz意思：每路信號(hào)檢測(cè)10000次/s，高速率采樣速率受限：電路響應(yīng)時(shí)間、采樣孔徑時(shí)間、A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間、數(shù)據(jù)傳送時(shí)間……系統(tǒng)采樣頻率上限：

放大器信號(hào)響應(yīng)時(shí)間、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)通道切換時(shí)間、S/H采樣時(shí)間、ADC轉(zhuǎn)換時(shí)間、計(jì)算機(jī)讀取數(shù)據(jù)并傳送至內(nèi)存所需時(shí)間采集通道各環(huán)節(jié)電路采用高速器件。放大器響應(yīng)時(shí)間t1、S/H采樣孔徑時(shí)間t3壓縮到1μs內(nèi)，ADC選高速AD578，轉(zhuǎn)換時(shí)間t4僅3μs。每次轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)行下一次通道切換用軟件完成，并將數(shù)據(jù)送內(nèi)存，使用Z-80機(jī)執(zhí)行，大約需要95個(gè)時(shí)鐘周期(1時(shí)鐘周期～0.4μs)，t2+t5=38μs系統(tǒng)實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的最高采樣頻率

=23.3kHz

只能完成2路模擬參數(shù)檢測(cè)(多路模擬開(kāi)關(guān)切換和數(shù)據(jù)傳送占據(jù)時(shí)間較長(zhǎng))

提高采集速度：①提高硬件電路響應(yīng)時(shí)間(選用高速S/H、ADC、放大器)②多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換用硬件記數(shù)電路自動(dòng)控制，以減少軟件執(zhí)行時(shí)間③提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘頻率和工作速度12為分辨率ADC，配16位機(jī)④改變計(jì)算機(jī)輸入數(shù)據(jù)方式DMA(直接存儲(chǔ)器存取)方式輸入采集數(shù)據(jù)/雙口RAM縮短數(shù)據(jù)傳送途徑⑤采用多采集通道/多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通道數(shù)m的計(jì)算：ⅰ)估算每一采集通道可能實(shí)現(xiàn)的最高采樣頻率fmax；ⅱ)計(jì)算單一ADC通道能承擔(dān)檢測(cè)模擬輸入路數(shù)n′(例，n′=2)；ⅲ)計(jì)算ADC通道數(shù)(m=n/n′)注意：

單一計(jì)算機(jī)，多路A