智能仪器的数据采集系统设计

干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点，使其
在检测微弱信号的的系统中被广泛用作前置放大器。
仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R3，R5＝R6。
Ui1
+
IG RG
-
A1 R1 R2 A2
U3
R3 U5 + R4
R5
A3
UO
R6
Ui2
+
U4
仪用放大器的基本结构
仪用放大器的增益可按下式确定： U0 (U 3 U 4 )U 0 K U i1 U i 2 (U i1 U i 2 )(U 3 U 4 )
第4章 智能仪器数据采集系统设计
智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进 行采集、量化转换成数字量后，以便由主机电路进行存储、 处理、显示或打印的装置。
4.1 数据采集系统的组成
传感器 模拟信号调理 数据采集电路 微机系统
AD620 是AD公司的一款仪用放大器，他是一个低成本, 高精度
的单片仪器放大器, 8 脚，有双列直插封装和SOIC 贴片封装，
AD620的管脚如图5-4所示。 AD620 的两个内部增益电阻为24.7K欧, 因而增益方程式为：
49.4k G 1 RG
对于所需的增益, 则外部控制电阻值为：
隔离放大器是利用光、电容和变压器的耦合技术，实现放大器 输入和输出的欧姆隔离。
4.4 模拟多路开关及接口
多路开关的主要用途是把模拟信号分时的送入A/D转换器，或者 把经计算机处理后的数据由D/A转换器转换成的模拟信号，按一 定的顺序输出到不同的控制回路中。

前者称为多路开关，完成多到一的转换（多路调制器）。后者 称为反多路开关或多路分配器，完成一到多的转换（多路解调 器）。
VIN VOUT
采样
保持 t 工作方式
采样/保持器输入输出特性
采样保持电路的技术指标

1. 孔径时间（tAP）
2. 捕捉时间（tAC）
孔径时间是指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间。

捕捉时间是指从开始采样到采样保持器输出达到当前输入信 号的值所需要的时间。显然A/D转换的采样时间必须大于捕 捉时间，才能保证采样阶段充分的采集到输入模拟信号。

八通道双向多路开关CD4051
CD4051的真值表
输入状态 INH C B 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 0 1 1 A 0 1 0 1 0 1 0 1 接通通道号 CD4051 0 1 2 3 4 5 6 7
多路开关的扩展
4.5 采样保持电路
由第一级放大器A1和A2可得：
U i1 U i 2 I G RG
U 3 U i1 I G R1
(U 3 U 4 ) R1 R2 1 (U i1 U i 2 ) RG
2R 1 1 RG
U 4 U i 2 I G R2
差动输入输出级放大器A1、A2对差动信号输入的增益为 1+2R1/RG。由于结构对称，且允许被放大信号直接加到输入 端，因而保证了很强的共模抑制能力。
图4.1 数据采集系统的基本组成 实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物 理量的多个测量点。因此，多路模拟输入通道更具有普遍性。 按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，
多路模拟输入通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。
一、集中采集式
多通道一般数据采集系统，通过多路转换器MUX将各路

多路开关有机械触点式开关（最常用的是干簧继电器）和半导 体模拟开关。 前者主要用于大电流、高电压、低速切换场所； 后者主要用于小电流、低电压、高速切换场所。半导体多路开关 由于是一种集成化无触点开关，不仅寿命长、体积小，而且对系 统的干扰小，因而目前智能仪器多采用这种开关，下面以CD4051 为例说明多路开关在数据采集系统中的使用方法。
由控制电路进行控制。他的灵活性强，可满足不同精度，不同速度数据
采集的要求。
ห้องสมุดไป่ตู้
在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合
数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、 程控增益放大器以及隔离放大器等。
二、 仪用放大器
仪用放大器又称为测量放大器，是一种带有精密差动电压增 益的器件，由于他具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模
49.4 RG k G 1
表5-1 AD620参数
三、 程控增益放大器
信号采集系统中，信号变化的幅度
比较大，那么放大以后的信号幅值
有可能超过A/D转换的量程，所以 必须根据信号的变化相应调整放大
器的增益。
在智能仪器中，可变增益放大器的 增益由仪器内置计算机的程序控制。 这种由程序控制增益的放大器，称 为程控放大器。。
图5.10 程控放大器原理框图
四、隔离放大器
实际应用中，经常遇到信号源(传感器)和系统间不允
许有直接的电信号连接。
原因之一是因为被测量信号为弱信号，实际现场干 扰非常大，又存在很高的共模电压。 原因之二是避免意外的高压浪涌通过地对仪表放大 器造成损坏。 原因之三是传感器和系统必须电隔离，如心电图、脑 电图等，此类仪器必须杜绝因漏电流可能对病人的电击。
模拟量轮流送给SHA和ADC进行模数转换。
多通道同步型数据采集系统，它在每个通道上都加一个SHA，并受同一 触发信号控制，这样可以做到同一时刻内将采集信号暂存在各自的保持 电容上，以后由微型机逐一取走并经ADC送入存储器中。
二、分散采集式(分布式)
多通道并行数据采集系统，它是许多单通道数据采集系统的组合，共同


3. 保持电压的下降
4.馈通
4.6 A/D转换器及接口设计
4.6.1 A/D转换器概述





A/D转换器——ADC(Analog-Digital Converter) A/D转换器：是指将模拟量转换为数字量的器件， 这个模拟量泛指电压、电阻、电流、 时间等参量，但在一般情况下，模拟 量是指电压。 A/D转换器常用的几项技术指标： A/D转换器的分类：
采样与保持器是指在输入逻辑电平控制下处于“采样”或“保 持”两种工作状态的电路。在“采样”状态下电路的输出跟踪 输入模拟信号，在“保持”状态下电路的输出保持着前一次采 样结束时刻的瞬时输入模拟信号，直至进入下一次采样状态为 止。通常，采样保持器用作锁存某一时刻的模拟信号，以便进 行数据处理（量化）或模拟控制。