数据采集系统课件.ppt
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1、第第4 4章章 数据采集系统数据采集系统数据采集系统的作用和结构图数据采集系统的作用和结构图 将从信号调理电路获取的模拟信号转换成数字信号,将从信号调理电路获取的模拟信号转换成数字信号,以便微机系统对数字信号进行处理。整个数据采集系统必须以便微机系统对数字信号进行处理。整个数据采集系统必须在微机系统的协调管理下才能正常工作。在微机系统的协调管理下才能正常工作。微机信号采集系统的构成框图 4.1 4.1 多路选择开关多路选择开关 用来切换模拟电压信号输入的关键元件。理想的多路开关其开路电阻为无穷大,其接通时的导通电阻为零。常用的多路开关有CD4051(或MC14051),AD7501等。多路选择
2、开关的主要作用是将多路模拟信号分时轮流送给后端数据采集电路进行A/D转换。这样多路模拟输入信号可以共用一个A/D转换器。输入状态接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通3.双双四四路路模模拟拟开开关关CD4052真值表 CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路
3、所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如,若模拟开关的供电电源VDD=5V,VSS=0V,当VEE=5V时,只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号,就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。多路模拟开关的扩展电路多路模拟开关的扩展电路韶山型韶山型SS7D电力机车微机控制用多路开关电力机车微机控制用多路开关4.2 4.2 采样保持器采样保持器 A/D转换器完成一次A/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内,希望输入信号不再变化,以免造成转换误差。这样,就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。如果输入信号变化很慢,如温度信号;或者A/D转换
4、时间较快,使得在A/D转换期间输入信号变化很小,在允许的A/D转换精度内,就不必再选用采样保持器。1.采样保持的基本特性采样保持的基本特性捕捉时间:从发出采样指令的时刻起,直到输出信号稳定地 跟踪上输入信号为止,所需的时间定义为捕捉时间关断时间:从发出保持指令的时刻起,直到输出信号稳定下来为止,所需的时间定义为关断时间。(引起孔径误差)捕捉时间长,电路的跟踪特性差,关断时间长,电路的捕捉时间长,电路的跟踪特性差,关断时间长,电路的保持特性不好,它们限制了电路的工作速度。保持特性不好,它们限制了电路的工作速度。对采样保持电路的主要要求:对采样保持电路的主要要求:精度和速度精度和速度2.2.采样保
5、持器基本原理采样保持器基本原理(1)串联型采样保持器)串联型采样保持器采样保持电路的基本组成:采样保持电路的基本组成:模拟开关模拟信号保持电容保持电容缓冲放大器由于运放误差影响,精度差由于运放误差影响,精度差反馈型采样保持器原理及波形反馈型采样保持器原理及波形(2 2)反馈型采样保持器)反馈型采样保持器CH的选择很重要,容量为5101000pF为避免在保持阶段A1出现饱和,需要在A1的反相端和输出端接一个二极管.采样保持器是在两次采样的间隔时间内,一直保采样保持器是在两次采样的间隔时间内,一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作
6、波性如上图路与工作波性如上图(a)(a)、(b)(b)所示。所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器采样保持器由输入输出缓冲放大器A1A1、A2A2和采样和采样开关开关S S、保持电容、保持电容C CH H等组成。采样期间,开关等组成。采样期间,开关S S闭合,闭合,输入电压输入电压V VININ通过通过A1A1对对C CH H快速充电,输出电压快速充电,输出电压V VOUTOUT跟跟随随V VININ变化;保持期间,开关变化;保持期间,开关S S断开,由于断开,由于A2A2的输入阻的输入阻抗很高,理想情况下电容抗很高,理想情况下电容C CH H将保持电压将保持电压VCVC不变,因而不变,因而输出
7、电压输出电压V VOUT=OUT=VCVC也保持恒定。也保持恒定。显然,显然,保持电容保持电容C C H H的作用十分重要的作用十分重要。实际上保持。实际上保持期间的电容保持电压期间的电容保持电压VCVC在缓慢下降,这是由于保持电容在缓慢下降,这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压的漏电流所致。保持电压VCVC的变化率为的变化率为式中:式中:ID-为保持期间电容的总泄漏电流,它包括放大器的输入为保持期间电容的总泄漏电流,它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容电容CH值值-增大电容增大电容CH值可以减小电压变化率,但同时
8、又值可以减小电压变化率,但同时又会增加充电即采样时间,因此保持电容的容量大小与采会增加充电即采样时间,因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下,保持样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下,保持电容电容CH是外接的,所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等是外接的,所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器高质量的电容器,容量为,容量为5101000pF。模拟开关模拟开关:要求模拟开关的导通电阻小,漏电流小,极间电容小和切换速度快。保持电容保持电容:要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。如聚苯乙烯、钽电容和聚碳酸脂电容器等。运算放大器运算放大器:选用输入偏置电流小
9、、带宽宽及转换速率(上升速率)快的运算放大器;输入运放还应具有大的输出电流。元件参数及性能要求:元件参数及性能要求:常用的零阶集成采样保持器有常用的零阶集成采样保持器有AD582AD582、LF198/298/398LF198/298/398等,等,其内部结构和引脚如下图其内部结构和引脚如下图(a)(a)、(b)(b)所示。这里,用所示。这里,用TTLTTL逻辑逻辑电平控制采样和保持状态,如电平控制采样和保持状态,如AD582AD582的采样电平为的采样电平为“0”“0”,保,保持电平为持电平为“1”“1”,而,而LF198LF198的则相反。的则相反。集成采样保持器集成采样保持器 3、集成采
10、样保持器应用(反馈型)、集成采样保持器应用(反馈型)LF398AD582 在在A/D通道中,采样保持器的采样和保通道中,采样保持器的采样和保持控制电平应与后级的持控制电平应与后级的A/D转换转换相配合相配合,该,该电平信号既可以由其它控制电路产生,也电平信号既可以由其它控制电路产生,也可以由可以由A/D转换器直接提供。转换器直接提供。总之,采样保持器在采样期间,不启动总之,采样保持器在采样期间,不启动A/D转换器,而一旦进入保持期间,则立即转换器,而一旦进入保持期间,则立即启动启动A/D转换器,从而保证转换器,从而保证A/D 转换时的转换时的模模拟输入电压恒定拟输入电压恒定,以确保,以确保A/
11、D转换精度。转换精度。4.3 A/D4.3 A/D转换器转换器 A/D转换器的作用是将模拟量转换成与其有一定关系的数字量,A/D转换器是微机系统与信号调理电路的桥梁。A/D转换器分类方式:1.按照转换量的关系 (1)直接转换型 (2)间接转换型(V-T,V-F)2.按照转换时间 (1)低速型(转换时间为mS级)(2)中速型(转换时间为uS级)(3)高速型(转换时间为nS级)一、一、A/DA/D转换的原理转换的原理 1逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理转换原理 一个一个n位位A/D转换器是由转换器是由n位寄存器位寄存器、n位位D/A转换器转换器、运算比较器运算比较器、控制逻辑电路控制逻辑电路、输
12、出锁存器输出锁存器等五部分组成。现以等五部分组成。现以4位位A/D转换转换器把模拟量器把模拟量9转换为二进制数转换为二进制数1001为例,说为例,说明逐位逼近式明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。如下转换器的工作原理。如下图所示。图所示。逐位逼近式逐位逼近式A/D转换原理图转换原理图 当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下:首先使寄存器的最高位首先使寄存器的最高位D3 1,其余为,其余为0,此数字量此数字量1000经经D/A转换器转换成模拟电压即转换器转换成模拟电压即VO 8,送到比较器输入端与被,送到比较器输入端与被转换的模拟量转换的模拟量VIN
13、=9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当行判断。当VIN VO,则保留,则保留D3=1;再对下一位再对下一位D2进行比较,同样先使进行比较,同样先使D2 1,与上一位,与上一位D3位一位一起即起即1100进入进入D/A转换器,转换为转换器,转换为VO 12再进入比较器,与再进入比较器,与VIN 9比较,因比较,因VIN VO,则使,则使D2 0;再下一位再下一位D1位也是如此,位也是如此,D1 1即即1010,经,经D/A转换为转换为VO=10,再与,再与VIN 9比较,因比较,因VIN VO,则使,则使D1 0;最后一位最后一位D0 1-即即10
14、01经经D/A转换为转换为VO 9,再与,再与VIN 9比比较,因较,因VIN VO,保留,保留D0 1。比较完毕,寄存器中的数字量。比较完毕,寄存器中的数字量1001即为模拟量即为模拟量9的转换结果,存在输出锁存器中等待输出。的转换结果,存在输出锁存器中等待输出。一个一个 n 位位A/D转换器的模数转换表达式是转换器的模数转换表达式是 式中式中 n n位位A/D转换器;转换器;VR+、VR-基准电压源的正、负输入;基准电压源的正、负输入;VIN要转换的输入模拟量;要转换的输入模拟量;B转换后的输出数字量。转换后的输出数字量。即即当基准电压源当基准电压源确定之后,确定之后,n位位A/D转换器的
15、转换器的输出数字量输出数字量B与与要转换的要转换的输入模拟量输入模拟量VIN呈正比呈正比。例题例题3-2:一个:一个8位位A/D转换器,设转换器,设VR+=5.02 V,VR =0 V,计算当,计算当VIN分别为分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量。时所对应的转换数字量。解:把已知数代入公式:解:把已知数代入公式:0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别时所对应的转换数字量分别为为00H、80H、FFH。此种此种A/D转换器的常用品种有普通型转换器的常用品种有普通型8位单路位单路ADC0801ADC0805、8位位8路路ADC0808/0809、8位位16路路ADC0
16、816/0817等,混合集成高速型等,混合集成高速型12位单路位单路AD574A等。等。2 2双积分式双积分式A/DA/D转换原理转换原理 双积分式双积分式A/DA/D转换原理图转换原理图 双积分式双积分式A/D转换原理如上图所示,在转换开始信号控制转换原理如上图所示,在转换开始信号控制下,开关接通模拟输入端,输入的模拟电压下,开关接通模拟输入端,输入的模拟电压VIN 在固定时间在固定时间T内对积分器上的电容内对积分器上的电容C充电(正向积分),时间一到,控充电(正向积分),时间一到,控制逻辑将开关切换到与制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上,此时电极性相反的基准电源上,此时电容容C
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- 数据 采集 系统 课件
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