智能仪器的数据采集系统设计

3、转换速率
转换速率是指ADC在每秒钟内所能完成的转换次数。这个指 标也可表述为转换时间，即A/D转换从启动转换到转换结束 得到稳定的数字量输出所需的时间，二者互为倒数。
例如：A/D转换器的转换速率为5MHz，则其转换时间为 200ns。
常见有超高速（转换时间<1ns）、高速（转换时间<1µs）、 中速（转换时间<1ms）和低速（转换时间<1s)等。
R1
-
IG RG
R2
A3
UO
+
Ui2
-
A2
R4
R6
+
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： K U 0 (U 3U 4)U 0 U i1U i2 (U i1U i2)U (3U 4)
由第一级放大器A1和A2可得：
Ui1Ui2 IGRG
U3 Ui1IGR1
(U3U4) 1R1R2
(Ui1Ui2)
AD620 的两个内部增益电阻为24.7K欧, 因而增益方程式为：
G 1 49.4k RG
对于所需的增益, 则外部控制电阻值为：
RG
49.4 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。
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 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
+
- A1
U3
R3 U5 R5
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 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。
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
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 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)
智能仪器的数据采集系统设计
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
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。
量化误差和分辨率是统一的，
提高分辨率可以减小量化误差
2、转换精度
转换精度反映了一个实际ADC与一个理想ADC在量化值上 的差值，用绝对误差或相对误差来表示。由于理想ADC也 存在着量化误差，因此实际ADC转换精度所对应的误差指 标是不包括量化误差在内的。
转换精度
综合误差 分项误差
偏移误差 满刻度误差 非线性误差 微分非线性误差
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：
满刻度误差一般是 由参考电压、放大 器的放大倍数、电 阻网络误差等引起。 满刻度误差也可通 过外部电路来修正。
非线性误差
非线性误差:指实 际转移函数与理想 直线的最大偏移。
注非线性误差不包 括量化误差、偏移 误差和满刻度误差。
微分非线性误差
微分非线性误差：是 指转换器实际阶梯电 压与理想阶梯电压之 间的差值。
1. ADC0809的引脚及结构 2. ADC0809的时序 3. ADC0809与8051的接口及程序设计
ADC0809的内部结构逻辑图
IN0~IN7:8个通道的模拟量输入端。可输入
IN3
0～5V待转换的模拟电压。
IN4
A、B、C：通道选择端。当CBA=000时，IN0输
IN5
IN6
入；当CBA=111时，IN7输入。
A/D转换器的分类：
A/D转换器常用的几项技术指标
1、分辨率与量化误差 2、转换精度 3、转换速率 4、满刻度范围
1、分辨率与量化误差
分辨率：是衡量ADC分辨输入模拟量最小变换程度的技术指标即 指A/D转换器可转换成数字量的最小电压（量化阶梯）。一般来 说，A/D转换器的位数越多，其分辨率则越高。
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）
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。
2. 捕捉时间（tAC）
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。
4.满刻度范围
满刻度范围是指ADC所允许输入电压范围。如 （0~5V），（0~10V），（-5V~+5V）。
满刻度值只是个名义值，实际的ADC的最大输 入值总比满刻度值小1/2n。这是因为0值也是 2n个转换器状态中的一个。
例如8位ADC，其满刻度值为10V，而实际允
许的最大输入电压值为
255/256×10=9.96V。
RG
U4 Ui2IGR2
1 2R1 RG
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。
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。
IN7
ALE：地址锁存信号输入端。该信号在上升沿 START
处把A、B、C的状态锁存到内部的多路开关地
EOC
址锁存器中，从而选通8路模拟信号中的某一
D3
路。
OE
START：启动转换信号输入端。从START端输入 CLK
一个正脉冲，其下跳沿启动ADC0809开始转换。 VCC
脉冲宽度应不小于100～200ns。
分辨率 1满刻度值 2N
分辨率习惯上用输出二进制数或BCD码数的位数来表示
如AD574可输出二进制12位即可用212 个数进行量化故
AD574的分辨率为12位 用百分比表示：1/212×100%=0.025%
输出数字量与模拟量关系:
Dn
2
Vin 2n VREF
量化误差是由于ADC有限字长数字量对输入模拟量进 行离散取样（量化）而引起的误差，其大小理论上为 一个LSB。
VREF+
D0~D7：8位转换结果输出端。三态输出，Байду номын сангаас7是 最高位，D0是最低位。
GND D1
1 28 2 27 3 26 4 25 5 24 6 23 7 ADC22 8 0809 21 9 20 10 19 11 18 12 17 13 16 14 15
IN2 IN1 IN0 ADDA ADDB ADDC ALE D7 D6 D5 D4 D0 VREFD2
实现A/D转换的控制方式
程序查询方式 延时等待方式 中断方式
转换程序的功能是将由IN0端输入的0~5V模拟信号转 换为对应的数字量00H~FFH，然后再存入8051内部 RAM的30H单元中。令8051的晶振频率为12MHz。
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。
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）。
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。
八通道双向多路开关CD4051
CD4051的真值表
输入状态
INH C B A
0
000
0
001
0
010
0
011
0
100
0
101
0
110
0
111
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
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。
偏移误差
偏移误差：指输出为零时， 输入不为零的值，所以有 时又称零点误差。
偏移误差通常由放大器的 偏移电压或偏移电流引起， 一般可在ADC的外部加接 调节电位器，将偏移误差 调至最小。
满刻度误差
满刻度误差：又称 增益误差，指ADC满 刻度时输出的代码 所对应的实际输入 电压值与理想输入 电压值之差。
REF（-）、REF（+）：参考电压输入端。ADC0809的参考电压为＋5V。 VCC、GND：供电电源端。ADC0809使用＋5V单一电源供电。 CLK：外部时钟输入信号，时钟频率决定了A/D转换器的转换速率，
ADC0809每一通道的转换约需66~73个时钟周期，ADC0809的典 型时钟频率为640kHz，转换时间约为100μs。 EOC：转换结束信号输出端。当EOC为高电平时表示转换结束，启动 A/D转换时它自动变为低电平。 OE：输出允许端。OE为低电平时，D0～D7为高阻状态，OE为高电平 时，允许转换结果输出。
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。
改进型ADC
5.6.2 逐次比较式A/D转换器与微型计算机接口
一、逐次逼近式A/D原理概述 二、ADC0809芯片及其接口
二、ADC0809芯片及其接口
ADC0809是8位逐次逼近式A／D转换器，具有8个模拟量输 入通道，它能分时的对8路模拟量信号进行A/D转换，结 果为8位二进制数。
最大不可调误差小于±1LSB，典型时钟频率为640kHz， 每一通道的转换约需66~73个时钟周期，因此转换时间约 为100μs。ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其 范围为10～1280kHz。
/s，其转换时间一般在ms级或更长，但抗干扰性能强，转 换精度可达0.01%或更高。广泛应用于各类数字仪表（如 数字万用表、高精度电压表）和低速数据采集系统中。
并行式ADC
并行式又称闪烁式（瞬时比较编码式A/D转换器），由 于采用并行比较，因而转换速率可以达到很高，其转换 时间可达ns级，但抗干扰性较差，由于工艺限制，其分 辨率一般不高于8位。这类ADC可用于数字示波器等要 求转换速度较快的仪器中，并且在数字通信技术和高速 数据采集技术中得到了重视和应用。
Dn
2
Vin2n VREF
A/D转换器的分类
逐次逼近式ADC转换时间与转换精度比较适中，转换时间一 般在μs级，转换精度一般在0.1%上下。他们被广泛应用于 中高速数据采集系统、在线自动检测系统、动态测控系统等 领域中。这类器件与双积分式A/D转换器相比抗干扰能力较 差，价格也较高。
积分式ADC核心部件是积分器，因此速度慢通常低于20次