數(shù)據(jù)采集通道學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集(cij)通道通道第一頁(yè)，共71頁(yè)。作用作用: :是將由傳感器送來(lái)的模擬量進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、濾波、是將由傳感器送來(lái)的模擬量進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換、濾波、放大、采樣放大、采樣(ci yn)(ci yn)保持、模保持、模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換之后，輸入微處數(shù)轉(zhuǎn)換之后，輸入微處理器中。理器中。模擬信號(hào)輸入模擬信號(hào)輸入(shr)(shr)通道通道組成：組成：完整的模擬信號(hào)輸入通道由完整的模擬信號(hào)輸入通道由濾波器、放大器濾波器、放大器、采樣、采樣/ /保持器、模保持器、模/ /數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成，等組成，也有只需要其中部分器件的模擬信號(hào)輸入通道。在每個(gè)系統(tǒng)也有只需要其中部分器件的模擬信號(hào)輸入通道。在

2、每個(gè)系統(tǒng)中需要采樣的點(diǎn)數(shù)及要求的轉(zhuǎn)換精度和速度不同，所以在一中需要采樣的點(diǎn)數(shù)及要求的轉(zhuǎn)換精度和速度不同，所以在一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可能會(huì)有多種轉(zhuǎn)換方式。個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可能會(huì)有多種轉(zhuǎn)換方式。第1頁(yè)/共71頁(yè)第二頁(yè)，共71頁(yè)。模擬信號(hào)輸入通道的工作模擬信號(hào)輸入通道的工作(gngzu)(gngzu)方式方式 1 1、單通道不帶采樣、單通道不帶采樣/ /保持保持(boch)(boch)器的器的A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2 2、單通道帶采樣、單通道帶采樣/ /保持保持(boch)(boch)器的器的A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換4 4、多通道共享、多通道共享A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換3 3、多通道、多通道A/DA/D轉(zhuǎn)換

3、轉(zhuǎn)換5 5、多通道共享采樣、多通道共享采樣/ /保持器與保持器與A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器第2頁(yè)/共71頁(yè)第三頁(yè)，共71頁(yè)。這種電路適合于輸入信號(hào)這種電路適合于輸入信號(hào)(xnho)(xnho)變化緩慢的場(chǎng)合變化緩慢的場(chǎng)合，其轉(zhuǎn)換速度一般，精度較高，方框圖如圖，其轉(zhuǎn)換速度一般，精度較高，方框圖如圖2-12-1所示所示。 這種轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度很高，速度快，適合這種轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度很高，速度快，適合(shh)(shh)于于高精度的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，其方框圖如圖高精度的數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，其方框圖如圖2-22-2所示。所示。 模擬信號(hào)輸入通道的工作模擬信號(hào)輸入通道的工作(gngzu)(gngzu)方式方式 1

4、 1、單通道不帶采樣、單通道不帶采樣/ /保持器的保持器的A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換2 2、單通道帶采樣、單通道帶采樣/ /保持器的保持器的A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換第3頁(yè)/共71頁(yè)第四頁(yè)，共71頁(yè)。3 3多通道多通道A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(zhunhun)(zhunhun)每個(gè)通道都帶有自己的采樣每個(gè)通道都帶有自己的采樣/ /保持器以及放大器、濾波器保持器以及放大器、濾波器、A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(zhunhun)(zhunhun)電路電路第4頁(yè)/共71頁(yè)第五頁(yè)，共71頁(yè)。4 4多通道共享多通道共享A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換適合于多種信號(hào)適合于多種信號(hào)(xnho)(xnho)的轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速的轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度

5、要求基本一致的場(chǎng)合，它占用度要求基本一致的場(chǎng)合，它占用CPUCPU的輸入口較的輸入口較少，少，CPUCPU對(duì)每個(gè)通道的訪問(wèn)，可以由軟件決定，對(duì)每個(gè)通道的訪問(wèn)，可以由軟件決定，也可以由硬件決定，是一種比較經(jīng)濟(jì)的工作方也可以由硬件決定，是一種比較經(jīng)濟(jì)的工作方法。法。第5頁(yè)/共71頁(yè)第六頁(yè)，共71頁(yè)。5 5、多通道共享采樣、多通道共享采樣/ /保持器與保持器與A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器這種這種A/DA/D轉(zhuǎn)換輸入方式適合于對(duì)同一信號(hào)不同量程的轉(zhuǎn)換輸入方式適合于對(duì)同一信號(hào)不同量程的A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換，它也比較經(jīng)濟(jì)，占用換，它也比較經(jīng)濟(jì)，占用CPUCPU輸入口少，因而可以更有效輸入口少，因而可以更有效地利

6、用地利用CPUCPU的輸入口。尤其對(duì)于那些接口有限的微型機(jī)，的輸入口。尤其對(duì)于那些接口有限的微型機(jī)，這種方式更有效。這種方式更有效。CPUCPU對(duì)各路通道的訪問(wèn)采用軟件對(duì)各路通道的訪問(wèn)采用軟件(run (run jin)jin)控制，由多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換?？刂?，由多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。第6頁(yè)/共71頁(yè)第七頁(yè)，共71頁(yè)。模擬模擬(mn)/(mn)/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（數(shù)字轉(zhuǎn)換器（A/DA/D）1 1、A/DA/D轉(zhuǎn)換器的主要轉(zhuǎn)換器的主要(zhyo)(zhyo)性能指標(biāo)性能指標(biāo)分辨率：由變換器能夠輸出的數(shù)位分辨率：由變換器能夠輸出的數(shù)位n n所決定，也就是由所決定，也就是由1/2n1/2n所決所決定定量

7、化誤差：量化誤差是由變換器分辨率直接造成的，它是以量化誤差：量化誤差是由變換器分辨率直接造成的，它是以1LSB/21LSB/2或是以滿刻度或是以滿刻度(kd)(kd)數(shù)的百分比誤差（例如對(duì)于數(shù)的百分比誤差（例如對(duì)于ADC1210ADC1210為為0.00122%FS0.00122%FS）來(lái)表示的）來(lái)表示的線性誤差：線性誤差：ADCADC芯片的線性誤差是指其輸出特性曲線從始末兩端造芯片的線性誤差是指其輸出特性曲線從始末兩端造成的直線漂移的最大偏移量。它是在零位誤差和滿刻度成的直線漂移的最大偏移量。它是在零位誤差和滿刻度(kd)(kd)誤差誤差校正完畢之后進(jìn)行測(cè)量的，是器件本身的固有特性，不能用外

8、部的校正完畢之后進(jìn)行測(cè)量的，是器件本身的固有特性，不能用外部的方法來(lái)調(diào)整方法來(lái)調(diào)整第7頁(yè)/共71頁(yè)第八頁(yè)，共71頁(yè)。零位誤差：是衡量理想的零位誤差：是衡量理想的A/DA/D變換器與實(shí)際的變換器與實(shí)際的A/DA/D變換器零變換器零點(diǎn)點(diǎn)(ln din)(ln din)偏差大小的尺度偏差大小的尺度滿刻度誤差：是滿刻度情況下理想的滿刻度誤差：是滿刻度情況下理想的A/DA/D變換器與實(shí)際的變換器與實(shí)際的A/DA/D變換器偏差的大小尺度變換器偏差的大小尺度變換時(shí)間：是指一個(gè)變換周期的長(zhǎng)短，它跟芯片采用的變變換時(shí)間：是指一個(gè)變換周期的長(zhǎng)短，它跟芯片采用的變換方式等因素有關(guān)換方式等因素有關(guān) A/DA/D轉(zhuǎn)換器

9、的主要轉(zhuǎn)換器的主要(zhyo)(zhyo)性能指標(biāo)性能指標(biāo)第8頁(yè)/共71頁(yè)第九頁(yè)，共71頁(yè)。根據(jù)轉(zhuǎn)換的原理來(lái)分，常用根據(jù)轉(zhuǎn)換的原理來(lái)分，常用(chn yn)(chn yn)的的ADCADC有：有：雙積分方式雙積分方式ADCADC雙積分方式雙積分方式ADCADC，以高精度、高分辨率和低，以高精度、高分辨率和低轉(zhuǎn)換速度為其特點(diǎn)。在一些有強(qiáng)電干擾，而信號(hào)變化極其緩慢的轉(zhuǎn)換速度為其特點(diǎn)。在一些有強(qiáng)電干擾，而信號(hào)變化極其緩慢的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，有較大的應(yīng)用價(jià)值。工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，有較大的應(yīng)用價(jià)值。 逐次逼近式逐次逼近式ADC ADC 這類(lèi)芯片目前應(yīng)用極為廣泛。它易于獲得這類(lèi)芯片目前應(yīng)用極為廣泛。它易于獲得較高的

10、轉(zhuǎn)換速度、高分辨率及較高的精度，也易于和微機(jī)接口。較高的轉(zhuǎn)換速度、高分辨率及較高的精度，也易于和微機(jī)接口。 快速快速ADC ADC 快速快速ADCADC轉(zhuǎn)換器分為兩種，一種是并行比較型轉(zhuǎn)換器分為兩種，一種是并行比較型ADCADC，另一種是串，另一種是串- -并行比較型并行比較型ADCADC，它們的轉(zhuǎn)換速度在幾納秒到幾百，它們的轉(zhuǎn)換速度在幾納秒到幾百納秒之間，但要實(shí)現(xiàn)高分辨率比較困難。納秒之間，但要實(shí)現(xiàn)高分辨率比較困難。 2 2、ADCADC芯片的主要品種芯片的主要品種(pnzhng)(pnzhng)及性能及性能第9頁(yè)/共71頁(yè)第十頁(yè)，共71頁(yè)。動(dòng)態(tài)字位掃描BCD碼輸出，單基準(zhǔn)電壓，外接元件少，

11、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。但其轉(zhuǎn)換速度慢，約110次/秒。第10頁(yè)/共71頁(yè)第十一頁(yè)，共71頁(yè)。第11頁(yè)/共71頁(yè)第十二頁(yè)，共71頁(yè)。第12頁(yè)/共71頁(yè)第十三頁(yè)，共71頁(yè)。第13頁(yè)/共71頁(yè)第十四頁(yè)，共71頁(yè)。第14頁(yè)/共71頁(yè)第十五頁(yè)，共71頁(yè)。第15頁(yè)/共71頁(yè)第十六頁(yè)，共71頁(yè)。第16頁(yè)/共71頁(yè)第十七頁(yè)，共71頁(yè)。第17頁(yè)/共71頁(yè)第十八頁(yè)，共71頁(yè)。第18頁(yè)/共71頁(yè)第十九頁(yè)，共71頁(yè)。第19頁(yè)/共71頁(yè)第二十頁(yè)，共71頁(yè)。第20頁(yè)/共71頁(yè)第二十一頁(yè)，共71頁(yè)。第21頁(yè)/共71頁(yè)第二十二頁(yè)，共71頁(yè)。表74-1 DS1選通時(shí)，Q3Q0表示的輸出(shch)結(jié)果DS1Q3Q2Q1Q0輸出結(jié)果狀

12、態(tài)11XX0千位數(shù)為010XX0千位數(shù)為11X1X0輸出結(jié)果為正值1X0X0輸入結(jié)果為負(fù)值10XX1輸入結(jié)果過(guò)程量11XX1輸入信號(hào)欠量程第22頁(yè)/共71頁(yè)第二十三頁(yè)，共71頁(yè)。第23頁(yè)/共71頁(yè)第二十四頁(yè)，共71頁(yè)。第24頁(yè)/共71頁(yè)第二十五頁(yè)，共71頁(yè)。第25頁(yè)/共71頁(yè)第二十六頁(yè)，共71頁(yè)。（VAG）端相連(xin lin)。n 2.基準(zhǔn)電壓輸入的連接n基準(zhǔn)電壓須外接，可由5G14433通過(guò)分壓提供+2V或+20OmV的基準(zhǔn)電壓，第26頁(yè)/共71頁(yè)第二十七頁(yè)，共71頁(yè)。第27頁(yè)/共71頁(yè)第二十八頁(yè)，共71頁(yè)。0.1F,外接鐘頻電阻RC，當(dāng)RC=470K時(shí)，fCLK66KHZ；當(dāng)RC=20

13、0K時(shí)，fCLK140KHz，一般取RC=30OK。n第28頁(yè)/共71頁(yè)第二十九頁(yè)，共71頁(yè)。第29頁(yè)/共71頁(yè)第三十頁(yè)，共71頁(yè)。第30頁(yè)/共71頁(yè)第三十一頁(yè)，共71頁(yè)。第31頁(yè)/共71頁(yè)第三十二頁(yè)，共71頁(yè)。第32頁(yè)/共71頁(yè)第三十三頁(yè)，共71頁(yè)。符號(hào)X X千百 個(gè)十The end of the Example第33頁(yè)/共71頁(yè)第三十四頁(yè)，共71頁(yè)。3、智能儀器A/D轉(zhuǎn)換器的選取在設(shè)計(jì)智能儀器時(shí)，正確選用A/D轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵，在于合理(hl)選擇其字長(zhǎng)、變換速度及確定采樣/保持器是否必要1）從滿足系統(tǒng)的靜態(tài)精度來(lái)考慮 首先，在信號(hào)的變化范圍內(nèi)，不能因A/D轉(zhuǎn)換器分辨率過(guò)低造成測(cè)量“死區(qū)”。如

14、信號(hào)x(t)的最大值為xmax,最小值為xmin，對(duì)舍入量化來(lái)說(shuō)， q/2xmin必須得到滿足若使xmax=u，于是從上式可得： xxNmaxmin211第34頁(yè)/共71頁(yè)第三十五頁(yè)，共71頁(yè)。所以(suy) xxxxNNminmax2minmax2loglog1對(duì)截?cái)?ji dun)量化誤差來(lái)說(shuō)，則2）對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)(xtng)來(lái)說(shuō)，此時(shí)字長(zhǎng)將按信噪比要求選擇，可得 ：02. 6SNRNR綜合得：02. 6,maxminmax2logSNRNxx第35頁(yè)/共71頁(yè)第三十六頁(yè)，共71頁(yè)。三、三、ADCADC與與CPUCPU的連接及的連接及ADCADC程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)(chn x sh j)(chn

15、 x sh j)1 1、程序查詢(xún)輸入方式、程序查詢(xún)輸入方式 2 2、中斷輸入方式、中斷輸入方式 3 3、CPUCPU延時(shí)等待方式延時(shí)等待方式4 4、定時(shí)采樣方式、定時(shí)采樣方式四、高速、高精度數(shù)據(jù)檢測(cè)通道四、高速、高精度數(shù)據(jù)檢測(cè)通道 1 1、高速數(shù)據(jù)檢測(cè)、高速數(shù)據(jù)檢測(cè) 智能儀器對(duì)于某些快速變化的物理量檢測(cè)，如動(dòng)態(tài)瞬變檢測(cè)，要求智能儀器對(duì)于某些快速變化的物理量檢測(cè)，如動(dòng)態(tài)瞬變檢測(cè)，要求系統(tǒng)具有很高的采樣頻率。為使采樣的結(jié)果能夠真正反映被測(cè)信號(hào)系統(tǒng)具有很高的采樣頻率。為使采樣的結(jié)果能夠真正反映被測(cè)信號(hào)的變化，其采樣速率應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理，在多路高速采樣系統(tǒng)中的變化，其采樣速率應(yīng)滿足香農(nóng)采樣定理，在多

16、路高速采樣系統(tǒng)中， 第36頁(yè)/共71頁(yè)第三十七頁(yè)，共71頁(yè)。應(yīng)以頻率(pnl)最高一路中可能出現(xiàn)的最高頻率(pnl)分量fmax為依據(jù)，再乘以模擬信號(hào)的路數(shù)n和適當(dāng)?shù)南禂?shù)（210），因此采樣頻率(pnl)為：fx=(210)nfmax在實(shí)際應(yīng)用中 t =t+t2+t3+t4+t5t采集系統(tǒng)的采集時(shí)間t 濾波、放大電路的響應(yīng)時(shí)間t 多路轉(zhuǎn)換時(shí)間t 采樣/保持電路的采樣時(shí)間t A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間t 轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲(chǔ)時(shí)間為了提高采樣系統(tǒng)的采樣速率，必須減少時(shí)間t?？梢赃x取一些快速性好的濾波、放大、采樣/保持電路、多路轉(zhuǎn)換電路，而且t、t、t一般都很小，因此系統(tǒng)的采樣速率的高低主要取決于t和t5。第37頁(yè)/共

17、71頁(yè)第三十八頁(yè)，共71頁(yè)。提高采集速度的方法：提高采集速度的方法：提高硬件電路的響應(yīng)時(shí)間，選用高速采提高硬件電路的響應(yīng)時(shí)間，選用高速采/ /保電路及高速保電路及高速A/DA/D轉(zhuǎn)換器、轉(zhuǎn)換器、放大器加適當(dāng)?shù)念l率校正，以減少響應(yīng)時(shí)間。放大器加適當(dāng)?shù)念l率校正，以減少響應(yīng)時(shí)間。多路轉(zhuǎn)換器的切換改用硬件計(jì)數(shù)電路自動(dòng)控制多路轉(zhuǎn)換器的切換改用硬件計(jì)數(shù)電路自動(dòng)控制(z dn kn zh)(z dn kn zh)，以減少軟件執(zhí)行時(shí)間。，以減少軟件執(zhí)行時(shí)間。改變微機(jī)輸入數(shù)據(jù)方式，采用改變微機(jī)輸入數(shù)據(jù)方式，采用DMADMA（直接存貯器存取方式）輸入采（直接存貯器存取方式）輸入采集數(shù)據(jù)，或者使用雙口集數(shù)據(jù)，或者使

18、用雙口RAMRAM及其他及其他RAMRAM的芯片，縮短數(shù)據(jù)傳送途徑。的芯片，縮短數(shù)據(jù)傳送途徑。采用多個(gè)采集通道或多微機(jī)系統(tǒng)。采用多個(gè)采集通道或多微機(jī)系統(tǒng)。下面將著重分析在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后由微機(jī)讀取并送至內(nèi)存的時(shí)間如何降低下面將著重分析在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后由微機(jī)讀取并送至內(nèi)存的時(shí)間如何降低。 第38頁(yè)/共71頁(yè)第三十九頁(yè)，共71頁(yè)。（1）采用DMA技術(shù)的高速數(shù)據(jù)采集在微機(jī)中，正常的數(shù)據(jù)傳送途徑：先由I/O口到CPU，再由CPU到RAM。由CPU發(fā)出地址碼以及讀寫(xiě)信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)總線傳送信息。而DMA傳送方式是由DMA控制器控制總線，使數(shù)據(jù)直接在I/O口與RAM中取出或送存（還可以直接控制數(shù)據(jù)在RAM與RAM之間

19、或I/O設(shè)備之間交換）。（2）采用RAM與A/D轉(zhuǎn)換器直接接口的高速數(shù)據(jù)采集在實(shí)際(shj)的應(yīng)用中，許多場(chǎng)合需要將瞬時(shí)信號(hào)采集下來(lái)，存入內(nèi)存，供微機(jī)分析處理，每采集一個(gè)數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間t為：t = t+t+t式中，t模數(shù)轉(zhuǎn)換器的時(shí)間； t硬件電路中模擬信號(hào)的延遲時(shí)間； t把轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的傳輸時(shí)間。第39頁(yè)/共71頁(yè)第四十頁(yè)，共71頁(yè)。為提高采樣系統(tǒng)的采樣速率，必須減少時(shí)間t。由于t一般較小，故系統(tǒng)采樣速率的高低主要取決于t和t。為最大限度減少t，并使CPU在數(shù)據(jù)采集中能和接口并行工作，分別利用雙口RAM芯片和其他RAM芯片設(shè)計(jì)了兩種高速數(shù)據(jù)傳送接口。（見(jiàn)圖2-20和2-21）2、高精度

20、數(shù)據(jù)采集在智能儀器中，高精度的數(shù)據(jù)采集，需要考慮各級(jí)電路的精度分配問(wèn)題。但精度指標(biāo)又不是孤立的，它與系統(tǒng)對(duì)信號(hào)(xnho)的分辨率、靈敏度及抗干擾能力均有關(guān)。（1）ADC的分辨率及信號(hào)(xnho)放大倍數(shù)的確定（以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明ADC分辨率及信號(hào)(xnho)放大倍數(shù)的確定）第40頁(yè)/共71頁(yè)第四十一頁(yè)，共71頁(yè)。例：在一溫度檢測(cè)系統(tǒng)例：在一溫度檢測(cè)系統(tǒng)(xtng)中，被測(cè)量溫度范圍為中，被測(cè)量溫度范圍為0400，要求分辨出，要求分辨出0.1溫度變化，檢測(cè)溫度的精確度為溫度變化，檢測(cè)溫度的精確度為0.1%(折折合成絕對(duì)誤差為合成絕對(duì)誤差為0.4)，用，用K型熱電偶傳感器作檢測(cè)敏感元件型熱電偶傳感

21、器作檢測(cè)敏感元件，當(dāng)溫度在，當(dāng)溫度在0400范圍內(nèi)變化時(shí)，可測(cè)得傳感器的輸出電壓范圍內(nèi)變化時(shí)，可測(cè)得傳感器的輸出電壓在在0200mV之間變化。根據(jù)測(cè)量范圍及溫度分辨率的要求，求之間變化。根據(jù)測(cè)量范圍及溫度分辨率的要求，求出出ADC芯片的分辨率及信號(hào)調(diào)理的放大倍數(shù)芯片的分辨率及信號(hào)調(diào)理的放大倍數(shù)K。采集通道中放大器的放大倍數(shù)：采集通道中放大器的放大倍數(shù)： 現(xiàn)測(cè)溫范圍為現(xiàn)測(cè)溫范圍為0400，對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)，對(duì)應(yīng)輸入信號(hào)Ui為為0200mV。設(shè)。設(shè)ADC的滿電壓值選為的滿電壓值選為10V，則，則K=500。ADC芯片的位數(shù)為：芯片的位數(shù)為： 信號(hào)最大值滿度電壓值A(chǔ)DCK 第41頁(yè)/共71頁(yè)第四十二頁(yè)，

22、共71頁(yè)。ADC芯片(xn pin)的位數(shù)為：UUNminmax21logmax為ADC芯片的滿刻度輸入電壓，現(xiàn)已定為10V；min為ADC芯片的最小分辨出的電壓。它由給出的溫度分辨率決定，現(xiàn)要求能分辨出0.1溫度變化，對(duì)應(yīng)于熱電偶傳感器產(chǎn)生5V的電壓變化，此電壓經(jīng)500倍放大后，求得min為： min=505010-6=2.5(mV)所以：=log(1+400)=11.2所以選擇=12位的ADC芯片，此時(shí)ADC芯片的一個(gè)數(shù)字(shz)量相當(dāng)于2.4mV，小于2.5mV，故可以滿足分辨率要求。 第42頁(yè)/共71頁(yè)第四十三頁(yè)，共71頁(yè)。（2）精度的分配精度的分配是指將系統(tǒng)整體精度分配給各個(gè)環(huán)節(jié)。

23、根據(jù)所選電路各環(huán)節(jié)可能達(dá)到的精度范圍做精度分配，然后再核對(duì)(h du)合成精度，看其能否滿足總體精度的要求。求合成精度，也就是求系統(tǒng)不確定性誤差的合成，通常采用均方根的合成法是比較合理的。eeeens22221式中，es為系統(tǒng)總誤差，e |e2|、|en|為各環(huán)節(jié)誤差。在進(jìn)行誤差分配時(shí)可采用均值法，即：|e|=|e2|= | en|。已知系統(tǒng)的總誤差es，就可以求得平均的分項(xiàng)誤差值，然后依據(jù)實(shí)際電路的情況(qngkung)，進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。在上例中，es=0.1%，若采集系統(tǒng)有以下各個(gè)環(huán)節(jié)，它的誤差做如下分配：傳感器誤差e=0.05%；儀用放大器誤差e=0.01%；MUX多路開(kāi)關(guān)誤差e=0.02

24、%；采/保電路誤差e=0.01%；12位ADC芯片誤差e=0.05%。第43頁(yè)/共71頁(yè)第四十四頁(yè)，共71頁(yè)。來(lái)自傳感器的信號(hào)千差萬(wàn)別，有模擬信號(hào)、脈沖信號(hào)、邏輯信號(hào)等，盡管對(duì)這些信號(hào)的處理方式是各不相同的。但最終都要將它們變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出為010V、05V、05V。標(biāo)準(zhǔn)電流輸出為420mA。)，供A/D采集，然后送入CPU內(nèi)。濾波和放大電路處于采樣/保持器、A/D轉(zhuǎn)換器的前方，又處于傳感器之后，因此濾波放大電路的設(shè)計(jì)好壞，將會(huì)影響到系統(tǒng)的精度、數(shù)據(jù)采集速度、分辨率等一系列指標(biāo)。下面將詳述智能儀器(yq)中常用的濾波及放大電路的組成結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。第44頁(yè)/共71頁(yè)第四十五頁(yè)，共71

25、頁(yè)。一、濾波器一、濾波器在采集系統(tǒng)的前端設(shè)置硬件濾波器，目的有兩個(gè)：在采集系統(tǒng)的前端設(shè)置硬件濾波器，目的有兩個(gè)：其一是為了在前置放大器之前，預(yù)先抑制部分干擾信號(hào)，以其一是為了在前置放大器之前，預(yù)先抑制部分干擾信號(hào)，以免和有用信號(hào)一起被放大，這樣可以免和有用信號(hào)一起被放大，這樣可以(ky)(ky)有效地提高信噪有效地提高信噪比；比；其二是壓縮頻帶，限制到小于其二是壓縮頻帶，限制到小于0fs(fs0fs(fs為采樣頻率為采樣頻率) ) 的范圍內(nèi)的范圍內(nèi)，以免引起頻率折疊的，以免引起頻率折疊的“假象信號(hào)假象信號(hào)”。故此預(yù)選濾波器又稱(chēng)。故此預(yù)選濾波器又稱(chēng)為為“抗假象噪聲抗假象噪聲”濾波器。濾波器。 由

26、于信號(hào)和干擾噪聲在時(shí)域上混合在一起，但是在頻域上二由于信號(hào)和干擾噪聲在時(shí)域上混合在一起，但是在頻域上二者各自有不同的特性。一般地講，有用信號(hào)的頻譜總是有限者各自有不同的特性。一般地講，有用信號(hào)的頻譜總是有限的，而噪聲頻率要寬得多，甚至在高頻段仍有很大值。如白的，而噪聲頻率要寬得多，甚至在高頻段仍有很大值。如白噪聲，其頻譜幾乎占有整個(gè)頻率軸。有時(shí)信號(hào)中所含噪聲電噪聲，其頻譜幾乎占有整個(gè)頻率軸。有時(shí)信號(hào)中所含噪聲電平很高，若不進(jìn)行抑制，用高增益放大器接收這樣的信號(hào)時(shí)平很高，若不進(jìn)行抑制，用高增益放大器接收這樣的信號(hào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致放大器飽和，使儀器不能正常工作，故此類(lèi)濾波器，會(huì)導(dǎo)致放大器飽和，使儀器不能

27、正常工作，故此類(lèi)濾波器常置于系統(tǒng)的最前端，位于放大器之前、傳感器之后。常置于系統(tǒng)的最前端，位于放大器之前、傳感器之后。第45頁(yè)/共71頁(yè)第四十六頁(yè)，共71頁(yè)。實(shí)現(xiàn)頻域?yàn)V波的方式可分為兩類(lèi)：模擬濾波方式和數(shù)字濾波方式。但由于濾波器是置于系統(tǒng)的最前方，信號(hào)尚未數(shù)字化，故多采用模擬濾波器。在后面的章節(jié)中將詳細(xì)討論數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法。大多數(shù)的工業(yè)用傳感器信息變化是很慢的，典型的僅10Hz左右，而干擾的噪聲頻譜則分布在比較高的頻段，故采用低通濾波器。理想低通濾波器的傳輸特性，在其截止頻率f以?xún)?nèi)，信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)沒(méi)有衰減，而超過(guò)fH的頻率分量，信號(hào)有無(wú)窮大的衰減；輸出信號(hào)的相位(xingwi)比輸入信號(hào)

28、的相位(xingwi)延遲，與頻率呈線性關(guān)系，也就是說(shuō)理想濾波器的幅頻特性為一矩形，相頻特性為一直線。設(shè)計(jì)濾波器的原則：根據(jù)所要求的通帶增益A及低通濾波器的截止角頻率，選取恰當(dāng)?shù)淖枘嵯禂?shù)，即可對(duì)濾波器的電路元件進(jìn)行設(shè)計(jì)。第46頁(yè)/共71頁(yè)第四十七頁(yè)，共71頁(yè)。圖2-22 低通濾波器的特性(txng) 圖2-23 二階低通壓 控電壓源有源濾波器第47頁(yè)/共71頁(yè)第四十八頁(yè)，共71頁(yè)。設(shè)計(jì)濾波器就是要尋找一傳遞函數(shù)，使其幅頻特性和相頻特性逼近理想特性，如圖2-22所示。根據(jù)不同的逼近準(zhǔn)則，可形成各種特性的濾波器。如巴特沃斯（Butterwoyth）低通濾波器，其特色是用最平的通帶特性去逼近理想的低

29、通特性；切比雪夫（Chebyshef）低通濾波器的特色是通帶內(nèi)有紋波，帶阻特性為單調(diào)下降，但相位特性較差；而貝塞爾（Bessel）低通濾波器具有最好的線性相移，但通帶內(nèi)幅值跌落較大?？筛鶕?jù)實(shí)際(shj)需要，選擇其中任一種濾波器。巴特沃斯型巴特沃斯型貝塞爾型貝塞爾型切比雪夫型切比雪夫型第48頁(yè)/共71頁(yè)第四十九頁(yè)，共71頁(yè)。二、信號(hào)的放大及隔離電路二、信號(hào)的放大及隔離電路1、放大器的幾種轉(zhuǎn)換形式、放大器的幾種轉(zhuǎn)換形式電壓輸出型：它有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，也有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中電壓輸出型：它有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，也有非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)中又以交直流電橋輸出居多，如應(yīng)變電橋、熱敏元件、霍爾電橋又以交直流電橋輸出居多

30、，如應(yīng)變電橋、熱敏元件、霍爾電橋等效電路，它們要求接電壓放大器電路。等效電路，它們要求接電壓放大器電路。阻抗輸出型：它們需要對(duì)頻率阻抗輸出型：它們需要對(duì)頻率(pnl)或脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的或脈沖寬度進(jìn)行調(diào)制的放大器。放大器。電流電荷輸出型：如壓電式傳感器、光電探測(cè)器產(chǎn)生微弱電電流電荷輸出型：如壓電式傳感器、光電探測(cè)器產(chǎn)生微弱電流等。它們相應(yīng)要求電流（或電荷）到電壓變換的放大電路。流等。它們相應(yīng)要求電流（或電荷）到電壓變換的放大電路。 第49頁(yè)/共71頁(yè)第五十頁(yè)，共71頁(yè)。（1）交流電橋輸出型放大電路 典型的交流電橋輸出放大電路如圖2-28所示，假定R(1+X)為應(yīng)變片電阻，而R(1-X)為補(bǔ)償非

31、線性反相變化的應(yīng)變電阻，它們感受低頻率的正弦(zhngxin)變化動(dòng)態(tài)應(yīng)變 。 對(duì)于上述測(cè)量電橋，由于(yuy)分布電容的影響，其調(diào)零不僅要設(shè)置直流調(diào)零電位器W，還要設(shè)置交流調(diào)零電位器W，以提高零點(diǎn)的穩(wěn)定性。第50頁(yè)/共71頁(yè)第五十一頁(yè)，共71頁(yè)。（）直流電橋輸出(shch)型放大電路直流電橋型放大電路的典型結(jié)構(gòu)如圖-29所示，它由3部分組成，即直流激勵(lì)電源、惠斯登電橋及儀用放大器。當(dāng)然在電橋和放大器之間可以插入濾波器。第51頁(yè)/共71頁(yè)第五十二頁(yè)，共71頁(yè)。（3）電流-電壓轉(zhuǎn)換放大電路對(duì)于把物理量變換為微弱電流的傳感器，需要經(jīng)過(guò)電流到電壓的變換再進(jìn)行放大。僅用電阻來(lái)構(gòu)成電壓-電流轉(zhuǎn)換是不切實(shí)

32、際的，因?yàn)槌２荒芴峁?tgng)較大電流，比較實(shí)用的辦法是用一塊運(yùn)放和一個(gè)高阻值反饋電阻構(gòu)成，如圖2-30所示。（4）電荷-電壓變換放大電路電荷-電壓轉(zhuǎn)換放大器由電荷放大器及儀用放大器兩部分組成，其中電荷放大器A如圖（2-31所示），它將電荷轉(zhuǎn)化成電壓。然后再經(jīng)過(guò)儀用放大器放大。 第52頁(yè)/共71頁(yè)第五十三頁(yè)，共71頁(yè)。2、儀用數(shù)據(jù)放大器、儀用數(shù)據(jù)放大器儀用數(shù)據(jù)放大器按其結(jié)構(gòu)分為儀用數(shù)據(jù)放大器按其結(jié)構(gòu)分為3種，即差分直接耦合式、隔離式種，即差分直接耦合式、隔離式及自動(dòng)穩(wěn)零式。及自動(dòng)穩(wěn)零式。（1）儀用數(shù)據(jù)放大器工作原理）儀用數(shù)據(jù)放大器工作原理(yunl)及設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)原則典型的三運(yùn)放儀用數(shù)據(jù)放

33、大器電路如圖典型的三運(yùn)放儀用數(shù)據(jù)放大器電路如圖2-32所示，它采用差分直所示，它采用差分直接耦合的工作方式：這種測(cè)量放大器由三片運(yùn)放構(gòu)成，其中接耦合的工作方式：這種測(cè)量放大器由三片運(yùn)放構(gòu)成，其中A及構(gòu)成高輸入阻抗的第一級(jí)，為差動(dòng)輸出變?yōu)閱味溯敵黾皹?gòu)成高輸入阻抗的第一級(jí)，為差動(dòng)輸出變?yōu)閱味溯敵鲂盘?hào)的第二級(jí)。信號(hào)的第二級(jí)。第53頁(yè)/共71頁(yè)第五十四頁(yè)，共71頁(yè)。（2）隔離式運(yùn)算放大器在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，由于存在嚴(yán)重的用電干擾，在一些情況下，被測(cè)弱信號(hào)中疊加了很高的共模電壓。若共模電壓高于千伏以上，仍用非隔離的儀用數(shù)據(jù)放大，其輸入回路就會(huì)受到嚴(yán)重的損害，此時(shí)應(yīng)采用(ciyng)隔離式放大器。隔離

34、放大器的作用是為了防止意外的高壓浪涌從地侵入電路網(wǎng)絡(luò)，還可以屏蔽和抑制外來(lái)干擾，從而獲得更高的精度。隔離又稱(chēng)浮離，即在完成信息傳送中不共地，以隔斷兩地共模差值電壓的電流流通回路。采用(ciyng)隔離技術(shù)能從根本上抵抗共模電壓的干擾。為了做到完全的地隔離，還要求放大器所使用的電源也是浮離電源，以斷絕與電源系統(tǒng)發(fā)生地電流的聯(lián)系。隔離的方法通常有變壓器耦合隔離和光電耦合隔離。第54頁(yè)/共71頁(yè)第五十五頁(yè)，共71頁(yè)。（3）斬波自動(dòng)穩(wěn)零型運(yùn)算放大器這種CMOS結(jié)構(gòu)的新型運(yùn)算放大器，如ICL7650具有很高的性能指標(biāo)，外部也不需要附加調(diào)零電路，因此是一種理想的測(cè)量運(yùn)算放大器。圖2-36是ICL7650的

35、原理框圖，圖中(A)、(B)是電子開(kāi)關(guān)，A是主放大器，是調(diào)零放大器。放大過(guò)程分兩個(gè)階段(jidun)進(jìn)行，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在內(nèi)部時(shí)鐘的前半周期，電子開(kāi)關(guān)()接通，()斷開(kāi)，電路處于放大器誤差檢測(cè)和寄存階段(jidun)。在內(nèi)部時(shí)鐘的后半周期，電子開(kāi)關(guān)()斷開(kāi)，()接通，電路處于動(dòng)態(tài)校零和放大階段(jidun)。第55頁(yè)/共71頁(yè)第五十六頁(yè)，共71頁(yè)。3、程控增益放大器、程控增益放大器在智能儀器中，如果測(cè)量的范圍比較寬，為了在智能儀器中，如果測(cè)量的范圍比較寬，為了保證必要的測(cè)量精度經(jīng)常采用改變量程的辦法保證必要的測(cè)量精度經(jīng)常采用改變量程的辦法(bnf)。當(dāng)改變量程時(shí)，測(cè)量放大器的增益也。當(dāng)

36、改變量程時(shí)，測(cè)量放大器的增益也應(yīng)相應(yīng)地加以改變。這種變化是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)應(yīng)相應(yīng)地加以改變。這種變化是通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的，它使儀器的量程能夠方便地自動(dòng)切換。的，它使儀器的量程能夠方便地自動(dòng)切換。 （1）基本原理）基本原理程控增益放大器，又稱(chēng)可編程增益放大器（程控增益放大器，又稱(chēng)可編程增益放大器（PGA-Programmable Gain Amplifier）。程控）。程控增益放大器的基本形式是由運(yùn)算放大器和用模增益放大器的基本形式是由運(yùn)算放大器和用模擬開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成。模擬開(kāi)關(guān)則用數(shù)擬開(kāi)關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成。模擬開(kāi)關(guān)則用數(shù)字編碼控制。數(shù)字編碼可用數(shù)字硬件電路實(shí)現(xiàn)字編碼控制。數(shù)字編碼可用數(shù)字硬件電

37、路實(shí)現(xiàn)，也可用計(jì)算機(jī)根據(jù)需要來(lái)控制。，也可用計(jì)算機(jī)根據(jù)需要來(lái)控制。放大器的增益(zngy)為：RRUUfiioG1第56頁(yè)/共71頁(yè)第五十七頁(yè)，共71頁(yè)。（2）程控增益放大器的實(shí)現(xiàn)最簡(jiǎn)單的程控增益放大器見(jiàn)圖2-39，這是基于以上基本原理實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器。該電路是由一個(gè)通用運(yùn)放A741、一片八路模擬開(kāi)關(guān)CD4051和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。此電路既能放大信號(hào)(xnho)，也能夠衰減信號(hào)(xnho)。多路開(kāi)關(guān)受數(shù)碼控制，以選通不同的反饋電阻改變運(yùn)算放大器的增益。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器作運(yùn)放反饋部件的程控增益放大器。因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部有一組模擬開(kāi)關(guān)和電阻網(wǎng)絡(luò)。如果用數(shù)模轉(zhuǎn)換器在程控增益放大器中替換之，再配合軟件判斷

38、功能就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的自動(dòng)量程切換。圖2-40是其原理電路圖。 第57頁(yè)/共71頁(yè)第五十八頁(yè)，共71頁(yè)。用儀表放大器實(shí)現(xiàn)的程控增益放大器。該電路只要改變(gibin)儀表放大器的增益電阻就可改變(gibin)其增益。圖2-41是用單片集成儀表放大器AD606實(shí)現(xiàn)的一種程控增益放大器。第58頁(yè)/共71頁(yè)第五十九頁(yè)，共71頁(yè)。（3）集成程控增益放大器LH0084數(shù)字程控 增 益 儀 器(yq)放大器是一種可通過(guò)兩位數(shù)字輸入信號(hào)來(lái)改變?cè)鲆娴姆糯笃?，其原理圖如圖2-43所示。第59頁(yè)/共71頁(yè)第六十頁(yè)，共71頁(yè)。一、多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器一、多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器在巡回檢測(cè)或多路自動(dòng)測(cè)量回路中，需要由多路

39、轉(zhuǎn)換器在巡回檢測(cè)或多路自動(dòng)測(cè)量回路中，需要由多路轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)接各路模擬信號(hào)。多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器在智能儀器中轉(zhuǎn)接各路模擬信號(hào)。多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器在智能儀器中應(yīng)用很廣。為了更好地應(yīng)用它，必須充分了解多路模擬應(yīng)用很廣。為了更好地應(yīng)用它，必須充分了解多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器在電路中的特性。信號(hào)轉(zhuǎn)換器在電路中的特性。1、多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器（、多路模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換器（MUX）對(duì)系統(tǒng)的影響）對(duì)系統(tǒng)的影響（1）MUX在通斷直流信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)誤差在通斷直流信號(hào)時(shí)產(chǎn)生的靜態(tài)誤差MUX在正常工作時(shí)，它總是僅有一路工作，而其他各路在正常工作時(shí)，它總是僅有一路工作，而其他各路關(guān)斷，其等效電路圖如圖關(guān)斷，其等效電路圖如圖2-61所示

40、。所示。一般一般RON100300，則輸入信號(hào)將要通過(guò)，則輸入信號(hào)將要通過(guò)R分壓，分壓，輸出輸出(shch)到負(fù)載電阻上的電壓將下跌一些。到負(fù)載電阻上的電壓將下跌一些。off也不也不為零，其典型值為為零，其典型值為0.22nA，它對(duì)輸出，它對(duì)輸出(shch)也會(huì)增添也會(huì)增添一個(gè)誤差項(xiàng)，又因?yàn)橐粋€(gè)誤差項(xiàng)，又因?yàn)镽、off并非常數(shù)，特別是易并非常數(shù)，特別是易受溫度的影響，因而會(huì)引起高達(dá)幾十至幾百微伏的誤差受溫度的影響，因而會(huì)引起高達(dá)幾十至幾百微伏的誤差。第60頁(yè)/共71頁(yè)第六十一頁(yè)，共71頁(yè)。減少誤差的方法：要適當(dāng)?shù)叵拗崎_(kāi)關(guān)路數(shù)N，或采用多級(jí)轉(zhuǎn)換，如圖2-63 所示。在多路開(kāi)關(guān)之后接入電壓跟隨器，

41、再連到后面的負(fù)載電路上去，這樣可以抬高的負(fù)載阻抗，削弱串聯(lián)內(nèi)阻影響，如圖2-62所示。 （）的動(dòng)態(tài)誤差分析在圖2-65中C為通道之間的寄生電容，S為開(kāi)關(guān)斷路時(shí)電容。當(dāng)切換高頻信號(hào)時(shí)，截止(jizh)通道的高頻信號(hào)會(huì)通過(guò)C和DS在負(fù)載端產(chǎn)生漏電壓，這種現(xiàn)象稱(chēng)為串?dāng)_。寄生電容愈大、開(kāi)關(guān)的路數(shù)愈多、頻率愈高、串?dāng)_愈嚴(yán)重。此外，多路開(kāi)關(guān)輸出對(duì)地電容總和(N-1)(CDS+C) 對(duì)開(kāi)關(guān)切換時(shí)間也有很大影響。顯然多路模擬開(kāi)關(guān)的頻帶fmax應(yīng)高于系統(tǒng)的采樣頻率方能正常工作。另外，還應(yīng)注意MUX開(kāi)關(guān)的開(kāi)通時(shí)間tON和關(guān)斷時(shí)間toff，二者的不一致，會(huì)形成“先通后斷”或“先斷后通”的交接情況。第61頁(yè)/共71頁(yè)第六十二頁(yè)，共71頁(yè)。2、MUX開(kāi)關(guān)芯片的正確使用開(kāi)關(guān)芯片的正確使用 3、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)MUX的連接與切換控制的連接與切換控制MUX開(kāi)關(guān)與多路模擬電壓連接時(shí)，需要考慮輸入端的連接形式是單端開(kāi)關(guān)與多路模擬電壓連接時(shí)，需要考慮輸入端的連接形式是單端式或差動(dòng)式，兩種方式的連接方法參見(jiàn)圖式或差動(dòng)式，兩種方式的連接方法參見(jiàn)圖2-66多路開(kāi)關(guān)的連接。多路開(kāi)關(guān)的連接。 MUX開(kāi)關(guān)的多路模擬信號(hào)切換是由提