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测控技术第五章本讲稿第一页，共六十二页一、引言1、计算机在数字化测控系统中的作用、计算机在数字化测控系统中的作用 把计算机（微处理器）应用于各种物理量的测试和控制，就形成了形式多样的数字化测控系统。计算机在系统中的作用主要体现在以下几方面。（1）使测试自动化（2）提高测试精度（3）通过数据变换实现多功能的测试（4）降低了测试系统成本（5）提高了系统的可靠性本讲稿第二页，共六十二页 在数字化的测控系统中，一般首先通过A/D将实际模拟物理量转换为数字量进行测量，测量结果由计算机通过接口电路将数字量直接显示，或用D/A转换器把数字量恢复成模拟量，显示或记录。一般说来，用来处理模拟信号并将其转换成数字量的电子系统为数据采集系统（DAS），而把数字量转换成等效的模拟信号，并传送到指定模拟设备的电子系统为数据分配系统（DDS）。本讲稿第三页，共六十二页二、数据采集系统 从信息源处采集到所需的信息，然后把信息转换成适于分析和操作的形式的过程称为数据采集。数据采集系统的基本结构形式如图所示。1、典型的数据采集系统典型的数据采集系统 本讲稿第四页，共六十二页 一般说来，数据采集系统通常由传感器，信号调节与处理（信号调理）电路，采样与保持（S/H）电路，A/D转换电路，测控接口以及计算机（微处理器）等组成。（1）信号调理电路）信号调理电路 信号调节的主要作用是使传感器输出信号与A/D转换器相适配，信号处理的作用包括滤波、压缩频带，用以降低采样率，阻抗变换、屏蔽接地、调制与解调、信号线性化等等。一般说来，对弱信号测试来说，放大与滤波是最基本的环节。本讲稿第五页，共六十二页（2）A/D电路电路 它的作用是将模拟量转换为数字量。A/D电路的位数、精度决定整个系统的性能。典型系统中，各通道共享一个AD转换器，其优点是以较低的成本来采集多路信号，但缺点是精度低。这是因为模拟多路切换开关并非是理想开关，易受失调电压、开关噪音、非线性和信号之间窜扰的影响。因此，各路信号及其干扰都会或多或少地窜到AD的输入端。本讲稿第六页，共六十二页2、分散型数据采集系统分散型数据采集系统 此方案的特点是各通道独自各有一个AD转换器。因此进入数字多路开关的信号都是位串行的数字信号，抗干扰能力强。这种系统各通道互不影响，各自独立。本讲稿第七页，共六十二页3、数据采样系统中主要考虑的问题数据采样系统中主要考虑的问题（1）系统的采样速率：表示了系统的实时性能。系统的采样速率取决于模拟信号的带宽、数据通道数和最高频率下每个周期的采样数等。为了保证数据的采样精度，一般要求：*在A/D转换前必须设置抗混叠低通滤波器，以消除信号中影响采样频率的高频分量；*采样频率应该45倍于信号中可能的最高频率；*对于要直接显示或记录的信号波形，采样频率应更高一些。本讲稿第八页，共六十二页（2）孔径误差孔径误差 A/D完成转换所需要的时间称为孔径时间。一个动态信号在孔径时间内会发生变化，从而引起输出的不确定误差，这个误差称为孔径误差。（3）系统的转换时间）系统的转换时间 系统的转换时间决定了系统的动态特性。它由模拟多路选择器、输入放大器的稳定时间、采样/保持电路的采集时间以及A/D转换器的稳定和转换时间等来决定。本讲稿第九页，共六十二页（4）系统的转换误差系统的转换误差 系统的转换精度取决于电路中各部分的精度影响之和。影响转换精度的主要器件是模拟多路选择器的误差，输入放大器的误差，采样/保持电路的误差和A/D转换器的误差等。一般说来，上述误差之总和应该小于或等于A/D转换器的量化误差。总之，影响数据采集系统的因素很多，最关键的是A/D的采样工作频率与带宽、位数、转换时间。本讲稿第十页，共六十二页三、采样的基本概念 采样（sampling）也称取样或抽样，是数字信号处理的基础。信号采样的质量将决定信号处理系统的性能。采样的一些基本概念如下。1、采样频率的选取采样频率的选取 按照采样定理，如果信号本身的频带是有限的，而采样频率 fs 2f m，则在理论上可以根据其离散采样值完全恢复出原始信号。实际上，为了保证信号质量，选用的采样频率fs=410fm。本讲稿第十一页，共六十二页 采样信号在两种情况下，将产生频谱混叠现象：其一，信号频谱为有限带宽，频谱混叠是由采样频率过低造成的。这时，采样信号的频谱犹如在fs/2处发生折叠一样，其示意图如下图所示。fm=fm 2(fm fs/2)=fs fm 本讲稿第十二页，共六十二页 对一个带宽为25kHz的系统中的一个25kHz信号，如果采样频率取为33.3kH z，则采样恢复信号的频谱中将包含8.3kH z的频率成分（差频）。虽然原来信号并不包含此频率成分，采样后却出现了这一频率分量，即发生了混叠现象。本讲稿第十三页，共六十二页 其二，连续信号频谱为无限带宽，频谱混叠不可避免。要采集一个信号波形，当包含的频率分量高于采样频率时，则这些较高的频率分量就将混入低于采样频率的低频分量中。对于频域无限信号，为消除输入信号中杂散分量频率过高的影响，通常可以在采样处理前，先加一个截止频率为fs/2的低通滤波器，称为“抗混叠滤波器”，让输入的连续时间信号先通过预采样滤波器，把频域无限信号转换为带限信号，来保证输入信号不致于超过规定的最高频率。本讲稿第十四页，共六十二页 如图所示加预采样滤波器的数字信号处理系统框图。本讲稿第十五页，共六十二页2、实时采样与变换采样实时采样与变换采样 有两种基本的数字化采样方式可供选择：实时采样与变换采样。变换采样又可分为时序变换采样和随机变换采样。本讲稿第十六页，共六十二页（1）实时采样实时采样 在被采样信号的一次有效持续时间内，取出无失真地复现原信号所必需的全部样本，这种采样称为实时采样。实时采样是在与信号所在的同一时间刻度上进行的。实时采样具有如下的特点：*采样脉冲的重复频率必须比被采样信号的重复频率高；*采样脉冲、样本的形成是在被采样信号的同一时间刻度上，因此由样本组成的复现信号的时间与被采样信号的时间值相同。本讲稿第十七页，共六十二页 实时采样的缺点：*必须在一次有效的持续时间内取出足够多的样本，因此要求采样脉冲的重复频率必须高，当被采样信号为窄脉冲时，高频采样脉冲产生困难；*经过实时采样后，信号频谱比原来的频谱有增加，因而实时采样对采样系统的频带要求更加严格。本讲稿第十八页，共六十二页2、变换采样（等效时间采样）变换采样（等效时间采样）变换采样在周期信号或在可重现信号的每一个信号上或每隔整数个信号上取出一个采样值，由取出的样品重新组成一个信号，新组成的复现信号的形状与原来信号形状相似，并且在时间刻度上比原信号增长了若干倍。变换采样可分为顺序变换采样和随机变换采样两种。在顺序采样中又可分为步进采样、步退采样和差频采样三种。本讲稿第十九页，共六十二页 如图为步进采样的示意图。采样脉冲周期 Ts=NT+t 若完成整个信号事件采样需要m个采样点，则复现信号时间 tr=mTs=m(NT+t)本讲稿第二十页，共六十二页 顺序变换采样的特点是采样点沿着时间轴的正方向或反方向移动，有一定的顺序性。随机变换采样从信号上取出样本的位置不是按着时间轴的某一方向顺序排列的，而是不定的随机排列。随机采样的采样脉冲与被测信号不相关，其样点在信号波形上的位置是随机的，但在信号复现时，必须反映原信号的变化规律，因此在采样过程中应该同时记录各采样点在信号波形上的相对位置。本讲稿第二十一页，共六十二页 随机采样的时间样本的初始位是可以任意选用的，克服了顺序采样中的固有延迟的限制，避免在采样系统中采用延迟线，变换采样系统的频率响应往往由于延迟线的频率特性不良而受到限制。随机采样的缺点*不能采用反馈系统来稳定灵敏度和增加动态范围；*由于采样的随机性，使采样脉冲不能充分利用；*随机采样主要用于超高频信号。本讲稿第二十二页，共六十二页变换采样的特点：*在一个信号或多个信号上只能取出一个样本，因此要取出完整的波形，必须对重复比现的信号进行多次采样；*样本所组成的复现信号的时间刻度发生了变化，使变换时间增加；*变换采样的过程是一个同步积累的过程，因此大大提高了信噪比；*变换采样只在采样的局部装置上要求频带宽度，而在样本处理部分则是低频信号，没有更高的频响要求，因此大大的降低了对整个系统的频率特性的要求。本讲稿第二十三页，共六十二页变换采样存在的问题：*变换采样不适用于非重复性的单次信号；*变换采样不适用于重复频率太低的信号。本讲稿第二十四页，共六十二页3、数据采集过程的误差 在模拟信号的采样和量化以及转变为二进制数的过程中，误差是不可避免的。（1）量化误差量化误差 一个模拟信号xa，经过采样、量化产生一个数字信号x d。xd一般为n个二进制数序列，那么这个数的最低位代表的数值就决定了序列的精度。本讲稿第二十五页，共六十二页 用量化电平Q对一个模拟量进行比较的过程称为量化。比较的结果分为两部分：整数部分：量化电平Q的整倍数。余下部分：不足一个Q的部分，即为量化误差。用数字表达式说明：完整的信号受二进制字长的限制 忽略的bn+1，bn+2，项表示了量化误差。本讲稿第二十六页，共六十二页 量化后的样本表示为 xd=xa+e(n)一般可以认为量化误差是随机量，在量化误差范围内，量化误差的概率分布是均匀分布，量化误差的均方差为 设输入信号功率为x2，噪声功率为e2，则信噪比SNR为 本讲稿第二十七页，共六十二页或表示为 从上式可以看出，若要提高信噪比，除增大x2外，把字长增加1位，信噪比也可改善6dB。一般，在量化器前，将信号乘以衰减因子A（0 A 1），以避免输入信号超出量化器的动态范围而出现限幅现象。这时输入信号将变为AX，相应的功率为A2x2，此时信噪比为本讲稿第二十八页，共六十二页【例5.1】一般语言信号在0处有峰值，而且采样的样本值超过信号均方根34倍的很少，因此，一般取A=1/4x，这时出现限幅的概率很小。若要求信噪比SNR80dB，求这时所需的字长。解：得：n=14（位）本讲稿第二十九页，共六十二页（2）孔径误差孔径误差 如果在A/D的转换时间TCONV内，输入模拟信号仍在变化，此时进行量化会产生一定的误差。因此，输入信号的最高频率受到A/D转换时间的限制。数字化的最高正弦信号频率可用下式计算 如果在A/D前加采样保持器（SHA），将信号快速采样后保持一段时间。这相当于将A/D转换时间缩短为孔径时间Ta。如在孔径时间Ta内，输入模拟信号仍在变化时进行量化，会引入一定的误差，称其为“孔径误差”。本讲稿第三十页，共六十二页 对输入的正弦信号采样，那么对n位ADC，并采用SHA的数据采集器，则数字化的最大正弦信号频率为：仍以10位分辨率去量化一个1kHz的正弦 波，可计算出所需的孔径时间为155.4 ns。通过增加一个SHA解决了ADC转换时间较长与分辨率要求较短的孔径时间的矛盾，其实质是把模拟信号的离散化与量化分两步进行。SHA先完成模拟信号的离散化，ADC接着进行离散信号的量化，最终获得所需要的数字信号。本讲稿第三十一页，共六十二页4、A/D转换原理 模拟/数字转换（A/D）是把连续变化的模拟信号转化为适合数字系统处理的数字信号，实现模拟/数字转换的装置称为模拟/数字转换器（ADC）；而数字/模拟转换（D/A）的过程与之相反，是把数字信号转化为模拟信号，实现数字/模拟转换的装置称为数字/模拟转换器（DAC）。本讲稿第三十二页，共六十二页（1）A/D的分类及主要技术指标的分类及主要技术指标 A/D的分类的分类 本讲稿第三十三页，共六十二页ADC的主要技术指标的主要技术指标 二进制编码的权：n位二进制数可用dn-1dn-2 d2d1d0表示，d0是二进制数的最低位数字，dn-1是最高位数字，每一位可取“0”或“1”。每位“1”所表示的数值的大小称为该位的权。分辨率：是指变换器所能分辨的最小单位，通常用数字信号的位数表示。本讲稿第三十四页，共六十二页MSB和LSB：分别表示二进制数的最高有效位和最低有效位，LSB也常被用来表示量化单位。量化误差：量化取整过程中所引起的误差，也称变换误差，通常是1LSB或LSB。变换速度：在DAC中常用建立时间表示，定义为输出值稳定到距离终值LSB所需的时间的倒数。在ADC中常用变换时间表示，定义为完成采样和变换所需要的时间。本讲稿第三十五页，共六十二页（2）逐次逼进型逐次逼进型ADC 利用等分搜索原理，依次按二进制递减规律减小，从数字码的最高位（相当于满刻度值的一半）开始，逐次比较到低位，使输出量Uo逐次逼进输入模拟量Ux，其原理图如下图所示。本讲稿第三十六页，共六十二页 DAC包括基准电压源、电子开关电路和分压分流电路组成的解码网络，其功能是将二进制数字量转换成模拟量。比如基准电压是Us=2.8V，对于8位DAC，当数字量是10000000时，输入模拟电压为Uo=(128/256)Us=1.4V；当数字量是00000001时，输入模拟电压为Uo=(1/256)Us=10.94mV。本讲稿第三十七页，共六十二页使用这种ADC时应注意：（1）由于输入信号直接与参考电压比较，ADC对信号上叠加的噪声电压十分敏感，外界干扰对ADC精度和分辨率的影响较大，也就是说它的抗干扰能力较差。为了抑制干扰，通常在输入端装有低通滤波器。（2）这种ADC只能根据前一次比较结果，对上一位数据进行修正，所以当输入信号在转换过程中不断变化时，可能会出现错误逼近。因此在ADC前必须加采样/保持（S/H），以确保转换的可靠性。本讲稿第三十八页，共六十二页（3）积分型积分型ADC 积分型ADC是通过积分电路把模拟电压变换成时间信号，在这段时间内通过计数器对标准时钟脉冲进行计数，计数值反映了模拟电压的大小。由此可见，这种变换是把时间作为中间变量的，因此是一种间接变换。本讲稿第三十九页，共六十二页双积分式ADC的特点：（1）转换结果与R、C元件参数的准确度无关，也就是说，双积分式ADC不需要精密积分元件就能完成高精度的转换，而且，转换结果也与时钟周期T0无关，因而对时钟脉冲的准确度和长期稳定度要求不高。（2）具有很强的抗串模干扰能力，因为积分器对输入信号具有平均作用，所以若取采样阶段的T1为干扰周期的整数倍，则可使由干扰引起的误差减小到最小程度，甚至为零。因此双积分式ADC具有很强的抗干扰能力。双积分式ADC的缺点是速度比较慢，在满量程情况下，变换要经历2n+1个时钟脉冲才能完成，多积分式ADC就是针对这个问题提出的。本讲稿第四十页，共六十二页（4）并行比较式并行比较式ADC 并行比较式ADC的结构和原理是比较简单的，它是由电阻网络、比较器阵列和编码器组成。如图是并行比较式ADC的原理图。本讲稿第四十一页，共六十二页 每个比较器的比较电压从基准电压+Ur-Ur经分压而得，它们依次相差1LSB。当信号Ux作用于输入端时，若Ux大于某比较电平，则该比较器输出高态“1”，反之为低态“0”。这些比较结果经编码逻辑电路后输出n位二进制码，送至输出寄存器，即为A/D转换结果。并行比较式ADC的速度取决于比较器、编码器、寄存器的响应速度，与比较器的数量无关。当采用高速比较器和数字电路时，就可以获得很高的转换速度。到目前为止，并行比较式ADC是各类ADC中速度最高的一种，有闪烁式（Flash）ADC之称。但制造高分辨率的并行ADC的难度很大，目前产品化的并行比较式ADC的分辨率为68位。本讲稿第四十二页，共六十二页（5）并串式）并串式ADC 并串式ADC既吸收了并行式ADC的优点，又相对减少了比较器的数量，是一种折中方案。如图是8位并串式ADC的原理框图。本讲稿第四十三页，共六十二页 并串式ADC所需的比较器个数比并行式ADC的比较器要少得多，因此能降低多位ADC的制造难度和成本。但由于存在两级A/D，并增加了一级DAC和一个减法器，并且它们之间都是串行工作的，因此转换速度要比并行式慢。本讲稿第四十四页，共六十二页 4种ADC的主要特点和应用范围。本讲稿第四十五页，共六十二页（6）ADC器件的选择原则器件的选择原则a、所需使用ADC的位数（6、8、10、12、14、16位，最好结合CPU数据线位数）b、确定ADC的转换速率（1MHz低速、110MHz中速、10100MHz高速、超高速）c、单通道与多通道（通常有1、2、4、6、8、10、12、16通道，根据输入模拟量）d、数字接口方式（串行（SPI/I2C）接口与并行接口（P8或P16），根据系统要求）e、工作电压和功耗、封装（根据系统要求）本讲稿第四十六页，共六十二页5、数数/模转换原理模转换原理 数/模（D/A）转换是把数字信号变换成模拟信号，实现D/A变换的装置称为D/A变换器（DAC）。本讲稿第四十七页，共六十二页 如果设DAC的分辨率为n位，输入数字量为DN，则输出电压为：电阻网络和模拟开关是DAC的核心。电阻网络的结构有不同的形式，使DAC变换的原理也有所不同。本讲稿第四十八页，共六十二页 下图为4位倒T形电阻网络DAC的原理图 输入信号为二进制数DN（d3d2d1d0），DN的每一位控制相应的模拟开关S3S0，例如，当d 3=1时，S3合向“1”边，电流流向io1，否则S3合向“0”边，电流流向io2。利用简单的电阻串并联关系，就能算出电阻网络各电阻中流过电流的大小。本讲稿第四十九页，共六十二页网络的输出电流（即运放反相端输入电流）为：输出电压为：同理可推导n位倒T形电阻网络DAC的变换式为 本讲稿第五十页，共六十二页 倒T形电阻网络DAC具有电阻种类少、变换速度快等优点，变换线性度和精度与网络中各电阻的阻值误差有密切关系，电阻网络中的每一个电阻的阻值误差都不仅影响变换器的线性度，也同时影响其单调性。一般倒T形电阻网络用于12位以下的DAC中，当转换精度超过12位时，可以采用电压分段式的DAC。本讲稿第五十一页，共六十二页 电阻分压式电阻分压式DAC DAC的变换式为 对于n位的电阻分压式DAC，D/A变换式为 本讲稿第五十二页，共六十二页 电阻分压式DAC的特点是只需要一种阻值，容易保证制造精度，并且即使阻值有比较大的误差，也不会出现非单调性，但它的缺点是元器件数量太大，分压电阻和模拟开关的数量都是2n个，因此实用价值不大。为了解决元器件数量太多的问题，把分压器设计成两级，构成了电压分段方式。本讲稿第五十三页，共六十二页如图为4位电压分段DAC原理框图。本讲稿第五十四页，共六十二页DAC的最终输出电压为下端点电压与抽头电压的和，即 由于段选择和抽头选择都是单调的，所以最终输出电压一定是单调的。采用分段的结果使分压电阻的数量从2n减少到2n-1，当n比较大时，效果明显，模拟开关的数量也同样大大减少。本讲稿第五十五页，共六十二页 双极性输出双极性输出 单极性输出DAC的输出电压要么在正电压范围，要么在负电压范围。在某些应用场合则需要具有双极性输出特性，即输出电压应能包括从负到正的范围。最简单的方法是在DAC的输出端加一个偏压比例求和电路，如图所示。本讲稿第五十六页，共六十二页v其变换特性：v下表为8位双极性DAC输出的十进制等效值与输入数字量之间的关系。这种表达正负数的二进制编码被称为二进制偏移码，其偏移量为2 n-1，偏移码DN与二进制码Nb 的关系为：v DN=Nb+10000=Nb+2 n-1 本讲稿第五十七页，共六十二页vDAC的特性参数的特性参数 v*数字输入特性：是串行数据还是并行数据（包括接收数码制、数据格式）及逻辑等。v*模拟输出特性：是电流输出还是电压输出（包括满量程输出电压或电流、最大输出短路电流）及输出电压允许范围等。v*锁存特性及转换控制：是否存在锁存缓冲器，是单缓冲还是双缓冲，如何启动转换等。v*参考电压源：是否具有内部参考电压或需要外部参考电源，参考电源的大小、极性等。v*电源：功耗的大小，是否具有降低功耗的模式，正常工作需要几组电源及电压的高低等，这些也是选用DAC需要考虑的重要因素。本讲稿第五十八页，共六十二页6、数据采集系统的设计、数据采集系统的设计（1）方案选择方案选择v了解被采集信号的特性v了解接口特性 v了解工作环境 v元件选择（2）误差的分配与综合误差的分配与综合 对DSA的误差分配，应根据对系统总精度的要求进行，通常传感器和其它信号调理电路所占的误差比例最大，其它各环节可按等精度成等作用原则来分配误差，也可试具体情况而定。本讲稿第五十九页，共六十二页7、数据采集系统的发展数据采集系统的发展 现在常用的采集方式是通过数据采集板卡，计算机通过卡上的模数转换器采集数据，然后进行数据存储、数据处理和图形显示等工作。一个典型的基于PC机的数据采集系统的构成如图5.18所示，它由四大部分：传感器、信号调理电路、数据采集板和计算机数据采集控制软件组成。本讲稿第六十页，共六十二页 目前，由于多层电路技术、可编程仪器放大技术、即插即用技术、系统定时控制技术、多路采集实时系统（总线技术）、高速数据采集的双缓冲区技术以及实现数据高速传输的中断、直接存储器存取（DMA）等技术的应用，使得数据采集板/卡能够保证仪器级的性能、精度和可靠性，为建立功能灵活、性能价格比高的数据采集控制系统提供了良好的解决方案。本讲稿第六十一页，共六十二页 数据采集系统与计算机的连接有两种形式，一种是插入式的，即将数据采集系统做成计算机板卡，插在计算机插槽中，数据采集器采集的数据通过插槽送入计算机；另一种是总线式的，通过通用串行总线（Universal Aerial Bus，简称USB）接口将采集数据送入计算机。本讲稿第六十二页，共六十二页