智能仪器第7章 数据采集系统

图7-1 多通道数据采集系统原理框图
/
2 采样定理
采样就是对连续信号每隔一定周期测量一次。测量的周期称为 采样周期，采样周期的倒数称为采样频率 fs， fs = 1/Ts。
连续信号的采样由采样开关或采样/保持器完成。采样开关输入 的是连续信号，输出的是离散信号，即采样信号。
f0(t) = f (t) p( t)
2 采样/保持器的主要参数
1 2 3 4 5
捕获时间 t A C： 捕获时间是从采样开始到采样/保持器的输出电压达到精度指标所需的时间。 孔径时间 t A P ：从发出保持命令到保持开关真正断开所需要的时间。 保持建立时间 tH S ：采样/保持器进入保持状态后，需要经过建立保持时间，输出才能达到稳定。 孔径抖动 t A J ：孔径抖动亦称孔径不确定度，表示t A P 的变化范围。 衰减率：衰减率反映了采样/保持器的输出值在保持时间内的变化。
fs=10 f0:
fs=3.3 f0:
fs=0.9 f0: 高频信号被重 建成低频信号 严重失真！
图7-3 不同采样频率对波形恢复的影响
当以采样频率fs对信号fc采样时，在重建波形中将出现“和频” （fs+fc）及“差频”（fs-fc）分量，如采样频率低将使“差频”分 量进入信号频带，使采样后的波形中增添了额外的低频成分，发 生混叠现象。混叠现象给采样测量带来原理性误差，为了克服混 叠现象，采样频率必须满足采样定理。
2 数据采集系统结构形式的确定
2.1 多通道共享采样/保持器和A/D转换器 如图7-12所示，这种结构形式采用分时转换的工作方式，各路被测参 数共用一个采样/保持器和一个A/D转换器。适用于信号变化速率不高， 对采样信号不要求同步的场合。
采样/ 保持 模 拟 输 入 信 号 多 路 开 关 A/D I/O CPU
A/D
I/O
图7-14 多通道并行数据采集系统
7.5 数据采集系统的误差分析
为了正确选择、使用各种集成电路，合理地设计数据采 集系统，应该了解系统中各部分误差的来源。数据采集系统 的误差主要包括模拟电路误差，采样误差和转换误差。 1.采样误差
1.1 采样频率引起的误差 为了避免输入信号中杂散频率分量的影响，在采样预处理 前，用截止频率为fH 的低通滤波器，即抗混叠滤波器，进行 滤波。
即t TH=ton+toff+tAC+tAP+ts+tc+tout
如果系统中有放大器还应加上放大器的稳定时间。 为使系统正常工作，消除系统转换过程的动态误差，模拟开关对N路信号 顺序进行等速率切换时，采样周期至少为N*tTH。 每通道的吞吐率为fTH≤1/（N*t TH） 如果使用重叠采样方式，在A/D转换器的转换和数据输出的同时，切换模 拟开关采集下一路信号，则可提高每个通道的吞吐率。
V
通带 过渡带 阻带 采样频率
a） （ f 0 V
低 fs 混叠 高 fs 无混叠
fm fS -fc
差频
fs
fS +fc
和频
（ b）
混叠分量
f 0 fm
图7-4 混叠现象的产生
7.2 采样/保持器
1 采样/保持器的原理
在A / D转换过程中应该保持输入信号不变。采样/保持器(S / H)可以取 出信号某一瞬间的值并在一定时间内保持不变。采样/保持器有两种工作方 式,即采样方式和保持方式。在采样方式下, 采样/保持器的输出必须跟踪模 拟输入电压。在保持方式下, 采样/保持器的输出将保持采样命令发出时刻的 电压输入值, 直到保持命令撤销为止。图7-5是采样/保持器的电路原理图。
控制器
图7-12 多通道共享采样/保持器和A/D转换器
2.2 多通道同步型数据采集系统
图7-13所示结构虽然也是分时转换系统，各路信号共用一个人A/D转换 器，但每一路通道都有一个采样/保持器，可以在同一个指令控制下对各路 信号同时进行采样，得到各路信号在同一时刻的瞬态值。可实现同步测量， 每个信号的采集时间均为所有通道的采集时间之和，所以速度慢。
tAC
0
ΔV/Δt =摆率 捕获时间
？
孔径时间
tAP tHS tAJ
保持 建立 时间
SHA
采样/保持放大器 输出信号
-V百度文库S
原先保持信号 采样
孔径抖动 保持
1 2 3 4 5
捕获时间 t A C： 捕获时间是从采样开始到采样/保持器的输出电压达到精度指标所需的时间。 孔径时间 t A P ：从发出保持命令到保持开关真正断开所需要的时间。 保持建立时间 tH S ：采样/保持器进入保持状态后，需要经过建立保持时间，输出才能达到稳定。 孔径抖动 t A J ：孔径抖动亦称孔径不确定度，表示t A P 的变化范围。 衰减率：衰减率反映了采样/保持器的输出值在保持时间内的变化。
4）导通电阻的平坦度△RON：导通电阻的平坦度表明导通电阻的平坦程度， △RON越小越好。
5）切换速度：切换速度是模拟开关的重要指标，表明模拟开关接通或断开 的速度。为百纳秒级。 6）电源电压范围：器件的工作电压也是一个重要参数。它不仅与开关的导 通电阻的大小及切换速度的快慢有直接关系，而且决定输入信号的动态 范围。一般范围较宽，大约-9V~+9V。
7.5 数据采集系统的误差分析
1.2 系统的通过速率与采样误差 多路数据采集系统在工作过程中，需要不断的切换模拟开关，采样/保持 器也交替工作在采样和保持状态下，采样是个动态过程。系统通过速率的倒数 为系统通过周期tTH（吞吐时间），它包括模拟开关切换时间（接通时间ton和 断开时间toff）、采样/保持器的捕获时间tAC、孔径时间tAP和保持建立时t s、 A/D转时间tc和数据输出时间tout。
2 模拟电路的误差
2.1 模拟开关导通电阻RON的误差 模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。模拟开关 的负载一般是采样/保持器或放大器。显然，开关的导通电阻越大，信号在开 关上的压降越大，产生的误差也越大。 2.2 多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差 如果信号源的内阻小，泄漏电流影响不大，有时可以忽略。如果信号源内 阻很大，而且信号源输出的信号电平较低，就需要考虑模拟开关的泄漏电流的 影响。一般希望泄漏电流越小越好。 2.3 采样保持器衰减率引起的误差 如果衰减率大，在A/D转换期间保持电压减小，影响测量准确度。一般选 择漏电流小的聚四氟乙烯等优质电容，可以使衰减率引起的误差忽略不计。 2.4 放大器的误差 数据采集系统往往需要是用放大器对信号进行放大并规一化。放大器是 系统的主要误差来源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差，零位误差 等。在计算系统误差时必须把它们考虑进去。
INH 1 0 0 0 0
A2 × 0 0 0 0
A1 × 0 0 1 1
译码电路
电平转换电路
0
0 0 0
1
1 1 1
0
0 1 1
0
1 0 1
K4
K5 K6 K7
INH
A0 A1 A2
3
集成模拟开关
表7-2列出部分常用模拟开关的主要性能和指标。
特性 型号 AD7501 AD7502 AD7506 AD7507 CD4051B CD4052B RON 170-300Ω 170-300Ω 350-400Ω 350-400Ω 200-300Ω 200-300Ω IS 0.2nA 0.2nA 0.05nA 0.05nA 20nA 20nA To p e n 150ns 150ns 100ns 100ns 50ns 40ns TON 0.8us 0.8us 0.8us 0.8us 40us 40us 开关数
图7-9 CD4051八选一模拟开关结构图
CD4051的真值表如表7-1所示。 图7-9 CD4051八选一模拟开关结构 图
0 1 2 3 4 5 6 7
K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7
表7-1 CD4051 真值表
地址输入
OUT
通道号 A0 × 0 1 0 1 Ki － K0 K1 K2 K3
输入tVin
K
输出缓冲器
输出Vin
A1
保持电容
Vc CH
+
输出Vout
K
Vc CH
+
A2
-
A1
+
采样信号
A2
输出Vout
+
保持电容
采样信号
（a）
（ b）
图7-5采样/保持器电路原理图
2 采样/保持器的主要参数
捕获误差带 被测信号 Vin
被测信号 Vin
+VFS
Vout
保持误差带 传导误差 ΔV/Δt = 衰减率
第七章 数据采集系统
7.1 数据采集系统的组成
1 数据采集系统的组成
数据采集系统由多路开关、采样/保持器 、放大器、A/D 转换器、 计算机等组成。数据采集系统的核心是计算机, 它对整个系统进行控制 和数据处理。
传感器 传感器 多 路 开 关 放 大 器
传感器
采 样 保 持 器
转 换 器
计 算 机
A/D
T f(t) t (a) (b) t (c) r p(t) fo(t) t
图7-2
采样过程波形图
为了从采样值中恢复出原来的连续信号，必须满足采样定理的要求。
采样定理可以表述为:
为了使采样信号能完全恢复连续信号f(t)，采样频率fs必须不小于信号 最高有效频率fH 的2倍。 f H 称为奈奎斯特频率。采样定理用公式表示为: fs ≥ 2fH
200-300Ω 200-300Ω
20nA
20nA 20nA
40ns
40ns\ 40ns
40us
40us 40us
双向三路 单选一
双向单十 六选一 双向双八 选一
±7.5V
±7.5V ±7.5V
≤30mA
≤30mA ≤30mA
7.4 数据采集系统设计
1 系统设计考虑的因素 数据采集系统设计要根据测试对象及系统的技术指标，主要考虑下列因素。 1.1 输入信号的特征 在输入信号的特性方面主要考虑：信号的数量，信号的特点，是模拟量还是数字 量，信号的强弱及动态范围，信号的输入方式，信号的频带宽度，信号是周期信号还 是瞬态信号，信号中的噪声及其共模电压大小，信号源的阻抗等等。 1.2 对数据采集系统性能的要求 1.2.1 系统的通过速率 系统的通过速率通常又称为系统速度、传输速率、采样速率或吞吐率，是指单位 时间内系统对模拟信号的采集次数。 1.2.2 系统的分辨力 系统的分辨力是指数据采集系统可以分辨的输入信号最小变化量。 1.2.3 系统的准确度 系统准确度是指当系统工作在额定通过速率下，系统采集的数值和实际值之间的 接近程度，它表明系统误差的总和。 1.3 接口特性 接口特性包括采样数据的输出形式，数据的编码格式，与什么数据总线相接等。
3 集成采样/保持器
集成采样/保持器将采样电路、保持电路、保持器制作在一 个芯片上，保持电容器外接，由用户选用。电容的大小与采样 频率及要求的采样精度有关。一般来讲，采样频率越高，保持 电容越小，但此时衰减也快，精度较差。反之，如果采样频率
比较低，但要求精度比较高，则可选用较大电容。
7.3 模拟开关
2 模拟开关的结构
在图8-9中以八选一模拟开关CD4051为例说明模拟开关的结构。
0 1 2 3 4 5 6 7
K0 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7
OUT
译码电路
电平转换电路
INH
A0
A1
A2
在实际的数据采集系统中，有时采样点数不止8路、16路，而需要32路、 64路，甚至128路或更多。因此，需要使用多个集成模拟开关进行通道扩展， 以满足要求。每个芯片的开关路数不易过多，以免泄漏电流增大。
单向单八 选一 单向双四 选一 单向单十 六选一 单向双八 选一 双向单八 选一 双向双四 选一
VEE-VDD
±15V ±15V ±15V ±15V ±7.5V ±7.5V
I
C
≤35mA ≤35mA ≤35mA ≤35mA ≤30mA ≤30mA
CD4053B
CD4067B CD4097B
200-300Ω
1 模拟开关的主要参数
1）通道数量：通道数量是模拟开关的主要指标之一，表示最多输入信号的 路数。不是越多越好。 2）泄漏电流IS：一个理想开关要求导通时电阻为零，断开时电阻无限大， 漏电流为零。一般希望泄漏电流越小越好。总泄漏电流为所有开关的泄 漏电流之和。 3）导通电阻RON：导通电阻值与电源电压有直接关系，通常电源电压越高， 导通电阻越小。一般为百欧姆级。
采样/保持 缓冲器
模 拟 输 入 信 号
多 路 开 关
A/D
I/O
CPU
控制器
图7-13多通道同步型数据采集系统
2.3 多通道并行数据采集系统
图7-14中，每个通道都有独自的采样/保持器和A/D转换器，各个通 道的信号可以独立进行采样和A/D转换。适用于高速、多通道并行系统。
控制器
I/O
采样/保持 模 拟 输 入 信 号 A/D A/D I/O I/O CPU