第三章 智能仪器的数据采集技术
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第三章 智能仪器的数据采集技术. 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，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。. 传感器. 模拟信号调理. 数据采集电路. 微机系统. 第一节 数据采集系统的组成结构. 图 3.1 数据采集系统的基本组成. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
第三章 智能仪器的数据采集技术
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，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。
第一节 数据采集系统的组成结构
传感器 模拟信号调理 数据采集电路 微机系统
图 3.1 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，多路模拟输人通道更具有普遍性。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，多路模拟输人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
图 3.2 集中式数据采集系统的典型结构
二、分散采集式 ( 分布式 )
(a) 分布式单机数据采集结构
通信接口上位机
数据采集站 1数据采集站 2
数据采集站 3数据采集站 N
…… …… …… …………
模拟信号和数字信号(b) 网络式数据采集结构
图 3.3 分布式数据采集系统的典型结构
第二节 模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（ Signal Conditioning ），相应的执行电路统称为信号调理电路。
传感器 前置放大 低通 陷波 高通 至采集电路图 3.4 典型调理电路的组成框图
一、传感器的选用 传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器——系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。
( 一 ) 对传感器的主要技术要求1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功
能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求
而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整机要求。
3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。
4. 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
( 二 ) 可供选用的传感器类型 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体 PN 结、 IC 温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
1. 大信号输出传感器 : 为了与 A/D 输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与 A/D 相配套的大信号输出传感器。
传感器
传感器
传感器
小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D
微机
微机I/V转换
V/F
光电耦合
小电流小电压
大电压
大电流
图 3.5 大信号输出传感器的使用
2. 数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数 R 、 L 、 C 构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F 转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。
传感器 放大整形 光电隔离 计算机
传感器 整形 光电隔离 计算机
频率量输出开关量输出图 3.6 频率量及开关量输出传感器的使用
3. 集成传感器：集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务，简化通道结构。
4. 光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。
二、运用前置放大器的依据 多数传感器输出信号都比较小，必须
选用前置放大器进行放大。•判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？•放大器为什么要“前置” ,即设置在调
理电路的最前端？•前置放大器的放大倍数应该多大？
VIN
前置放大器 K0 后级电路 KVISVIN0VOSVON
KVV ONIN /
2200 )()( KVKKVV ININON
图 3.7 前置放大器的作用
2
0
20
0
)(KV
VKK
VV IN
INON
IN
2
0
20 )(
KV
VV INININ
20
011K
VV ININ
图 3.8 两种调理电路的对比
21
20
20
21 )()(
ININININ
IN VVK
KVKVV
2120
21
20 )(
)(KV
VK
VKVV IN
INININ
IN
由于 K＞ 1, 所以， ，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。
ININ VV
三、信号调理通道中的常用放大器 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。
( 一 ) 仪用放大器
图 3.9 仪用放大器的基本结构
仪用放大器上下对称，即图中 R1=R2 ，R4＝ R6 ， R5＝ R7 。则放大器闭环增益为：
假设 R4=R5 ，即第二级运算放大器增益为 1 ，则可以推出仪用放大器闭环增益为：
由上式可知，通过调节电阻 RG ，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时， RG 一般为外接电阻。
451 /)/21( RRRRA Gf
)/21( 1 Gf RRA
在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。
1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。当增益为 1 时，如果一个 12 位 A/D 转换器有 0.025% 的非线性偏差，当增益为 500 时，非线性偏差可达 0.1% ，相当于把 12 位 A/D 转换器变成 10 位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于 0.024% 的仪用放大器。
2. 温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生 (1~50)
V/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。
3. 建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪
用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。
4. 恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间
至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。
5. 电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化 1%
，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。
6. 共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值 UI时，在放大器输出端测量出电压变化值 UCM ，则共模抑制比 CMRR 可用下式计算：
CMRR 也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但 CMRR 的计算却是折合到放大器输出端，这样就使 CMRR随增益的增加而增大。
I
CM
UU
CMRR lg20
( 二 ) 程控增益放大器 程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。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 3.10 程控放大器原理框图
( 三 ) 隔离放大器 隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。
由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：
1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。
2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。
3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。
图 3.12 GF289集成隔离放大器
图 3.14 GF289 典型接法
第三节 A/D 转换器及接口技术 A/D 转换器是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，模拟量是指电压而言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子 Q 的基本单位来度量。
图 3.15 量化特性及量化误差
QBVbbbaaaVV nn
rn
nn
nn
nrn
)2/)(222()222( 00
22
11
22
11
)2/)(2/1()2/)(2/1( nrni
nrn VVVVV
一般而言， n 位 ADC 的理想传输函数由以下两个式子定义：
图 3.16 理想 ADC 的传输特性和量化误差
A/D 转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。
(1) 分辨率 ADC 的分辨率定义为 ADC 所能分辨的
输入模拟量的最小变化量。 (2) 转换时间 A/D 转换器完成一次转换所需的时间定义
为 A/D 转换时间。
(3) 精度 ①绝对精度 绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。
绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。
②相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。 ③偏移误差。ADC 的偏移误差定义为使 ADC 的输出最低位为 1 ，施加到 ADC 模拟输入端的实际电压与理论值 1/2(Vr／ 2n)(即 0.5LSB 所对应的电压值 ) 之差（又称为偏移电压）。
④增益误差增益误差是指 ADC 输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。 ⑤线性度误差ADC 的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性度误差两种。a．积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。
b．微分线性度误差积分线性度误差是从总体上来看 ADC 的数字输出，表明其误差最大值。但是，在很多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴趣。微分线性度误差就是说明这种问题的技术参数，它定义为 ADC 传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于 Vr/2n 的偏离值。
图 3.17 ADC 的积分线性度误差 图 3.18 ADC 的微分线性度误差
与微分线性度误差直接关联的一个 ADC 的常用术语是失码（ Missing Cord ）或跳码 (Skipped Cord) ，也叫做非单调性。
图 3.19 ADC 的失码现象
⑥温度对误差的影响 环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。
二、 ADC 的转换原理( 一 ) 比较型 ADC
比较型 ADC 可分为反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型 ADC
是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型 ADC 是反馈型
图 3.20 逐次逼近式转换器原理
( 二 ) 积分型 ADC
图 3.21 双积分 ADC
双积分式 ADC 的优点：•对 R 、 C及时钟脉冲 Tc 的长期稳定性无过
高要求即可获得很高的转换精度。•微分线性度极好，不会有非单调性。因为积
分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的 , 即从本质上说，不会发生丢码现象。•积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积
分式 ADC 是测量输入电压在定时积分时间 T1
内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。
( 三 ) Δ-Σ 型 ADC
过采样 Σ-ΔA/D 变换器由于采用了过采样技术和 Σ-Δ调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的 A/D 变换器，适应了VLSI 技术发展的要求。
① 过采样技术
图 3.22 理想 3 位 ADC 转换特性
图 3.23 过采样技术原理图
②Σ-Δ调制及噪声整形技术
图 3.24带模拟滤波和数字滤波的过采样
图 3.25 一阶 Σ-Δ ADC
图 3.26 Σ-Δ调制器的频域线性化模型
图 3.27 整形后的量化噪声分布
图 3.28 二阶Σ-Δ ADC
图 3.29 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系
③ 数字滤波和采样抽取技术
图 3.30 M=4 的采样抽取
(四 ) V/F 型 ADC智能仪器中常用的另一种 ADC 是 V/F 型 ADC 。它主要由 V/F 转换器和计数器构成。V/F 型 ADC 的特点是：与积分式 ADC 一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。
三、常用 ADC 集成芯片及其与智能仪器中微处理器的接口考虑到逐次逼近式 ADC 具有转换速度快，精
度较高，价格适中的优点， Σ-Δ 型 ADC 具有转换精度高，价格低廉的优点，下面将介绍逐次逼近式 ADC-AD574A 和 Σ-Δ 型 ADC-CS5360
及其与 CPU 的接口。
( 一 ) AD54A及其与微处理器的接口
图 3.31 AD57A 的管脚图
图 3.32 ADC574A 单极性和双极性输入接法
表 3.1 AD574 的控制状态表：
图 3.33 AD574 的 8 位输出数据格式
图 3.34 AD574A启动转换和读数据时序
图 3.35 AD574A 与 8031 的接口
表 3.2 AD574 系列产品主要性能比较
(二 ) CS5360及其与微处理器的接口 1. CS5360 简介 真正的 24 位转换 105dB 的动态范围 低噪声，总谐波失真 >95dB Δ-Σ A/D 转换技术 片内数字抗混叠滤波及电压参考 最高采样率 50KHz 差动模拟输入 单 +5V 电源供电
图 3.36 CS5360 功能框图
图 3.37 CS5360串行输出数据格式 0
图 3.38 CS5360串行输出数据格式 1
图 3.39 CS5360串行输出数据格式 2
2. CS5360 与 CPU 的接口电路设计 在设计 CS5360 的接口电路时，需要考虑的一个主要问题是如何将其转换输出的 24 位串行数据读出并存储。有两种方案可以考虑：一是将 CS5360 的数据输出接口直接与 MCU的 I/O 口相连，利用 MCU内部提供的串行接口或者采用软件来实现数据的读出和保存，该方案对 MCU 的速度要求相对较高；另一方案是设计专门的硬件电路来实现数据的读出和存储，适用于采用低速 MCU 的应用场合。
图 3.40 数字接口电路功能框图
基于 FPGA 的数字接口电路部分的设计
图 3.41 接口功能框图
图 3.42 串并转换电路原理图
图 3.43 工作时序图