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§4.1数据采集系统的组成第四章数据采集系统一、数据采集的定义和工作过程二、数据采集系统的基本功能三、数据采集系统的结构形式硬件结构、软件结构四、模拟信号调理传感器的选用、信号调理通道中的常用放大器信号调

理中的抗混叠滤波器§4.1数据采集系统的组成课本190，198－199数据采集是指将温度、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、显示或打印的过程。相应的系统即为数据采集系统（Dat

aAcquisitionSystem,简称DAS）一、数据采集的定义和工作过程数据采集的定义：一个完整的数据采集工作过程大致可分为三步：（1）数据采集采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机。（2）数据处理根据不同的需要由计算机进行相应

的计算和处理，得出所需的数据。（3）处理结果的复现与保存将处理后的结果在绘图仪、电平记录仪上显示出来，或者将数据存入磁盘形成文件保存起来，或通过线路进行远距离传输。二、数据采集系统的基本功能①时钟功能。确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间基淮。②数据采集。将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定

的次序巡回的采样、进行A／D转换并存储数据，即完成数据的采集。③信号处理。模拟信号处理、数字信号处理、开关信号处理④数据存储。⑤显示和打印输出。三、数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构要从硬件和软件两方面考

虑。1、数据采集系统的软件信号采集与处理程序；运行参数设置程序（采样通道号，采样点数，采样周期，信号量程范围，放大器增益系数等）；系统管理程序（主控程序）；通信程序。2、数据采集系统的硬件数据采集系统的硬件主要由输入通道、输出

通道组成。1）输入通道的结构形式（1）、单通道数据采集系统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。利用多路模拟开关让多个被测对象共用同一个采集通道，这就是多通道数据采集系统的实质。（2）、多通道数据采集系统集中采集式—多路分时采集分时输入（多通道共享采样/保持器和A/D转换器）•工作过程：各路被测参数共用一个采样/保持器和

A/D转换器。在某一时刻，多路开关只能选择其中某一路，把它接入到采样/保持器的输入端。当采样/保持器的输出已充分逼近输入信号时，在控制命令的作用下，采样保持器由采样状态进入保持状态，A/D转换器开始进行转换，转

换完毕后输出数字信号。在转换期间，多路开关可以将下一路接通到采样保持器的输入端。系统不断重复上述操作，实现对多通道模拟信号的数据采集。•特点：结构形式简单，所用芯片数量少，它适用于信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。如果信

号变化速率慢，也可以不用采样保持器。如果信号比较弱，混入的干扰信号比较大，还需要使用数据放大器和滤波器。集中采集式—多路同步采集分时输入（多通道同步型数据采集系统）•工作过程：各路信号共用一个A/D转换器，但每一路通道都有一个采样保持器，可以在同一个指令控制下

对各路信号同时采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时值。模拟开关分时的将各路采样保持器输出信号接到A/D转换器上进行模数转换。•特点：各路信号必须串行的在共用的A/D转换器中进行转换，因此这种结构的速度仍然较慢。分散采集式（多通道并行数据采集系统）分散采集式数据采集结构特点：➢每个

通道都有独自的采样保持器和A/D转换器，各个通道的信号可以独立采样和A/D转换器。转换的数据可经过接口电路直接送至计算机中，数据采集的速度快。➢多通道并行数据采集系统所用的硬件多、成本高。这种结构形式适用于高

速系统、分散系统以及多通道并行数据采集系统。2）输出通道的一般结构（1）输出通道的作用是计算机对采样数据实现某种运算处理后，将处理结果回送给被测对象的数据通路。（2）输出通道一般结构取决于被测对象和控制任务。输出通道的一般结构如下图所

示。（3）输出数据的形式数字信号的形式主要有开关量、二进制数字量和频率量，它们可直接用于开关量、数字量控制系统及频率调制系统。模拟量控制系统，则应通过数/模转换（D/A）将其变换成模拟量信号。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，相应的执行电路统称为信号调理电路。四、模拟信号调理1、传感器的选用传感器是信号输入通道的第一道环节

，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。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。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。2、前置放大器多数传感

器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。放大器要“前置”,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。3、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。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。4、信号调理中的抗混叠滤波器采样频率小于最高频率的2倍，会产生频率混叠现象。频率混叠：时域采样间隔过长，造成频域周期化间隔不够大时，在重复频率交界处出现的局部互相重叠现象。混叠的结果是：原来的高频

信号将被误认为是某种相应的低频信号。消除混叠的措施：（1）、提高采样频率，在工程实际应用中，采样频率至少为信号最高频率的7~10倍。采样频率不易过高，增加计算负担。（2）、应用AF（Anti-aliasingFilter）,抗混叠滤波器，降低信号中的最高频率。从理论

上讲，由于抗混叠滤波器的非理想特性，信号中高频分量不可能完全衰减，因此不可能彻底消除混叠。抗混叠滤波器：•低通滤波器、集成低通滤波器芯片。•如果采样频率与信号中最高频率成分满足采样定理，可以不用抗混叠滤波器。§

4.3数据采集系统设计一、数据采集系统设计的一般步骤二、数据采集系统的误差分析三、DAS设计实例课本197-207页一、数据采集系统设计的一般步骤1、分析问题和确定任务在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证

，在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。2、确定采样频率采样

频率决定了采样数据的质量和数量。利用采样定理来确定采样频率。3．系统总体设计在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。(1)进行硬件和软件的功能分配(2)系统A／D通道方案的确定(3)确定微型计算机的配置方案(1)进行硬件和软件的功能分配➢一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作

，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。➢若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。➢要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。➢(2)系统A／D通道方案的确定➢模拟信号输入范围；➢完成一次转换

所需的时间；➢模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；➢模拟信号传输所需的通道数；➢采样/保持器的采集时间是多少；➢在保持期间允许的电压下降是多少；➢所需精度（包括线性度、相对精度、增益及偏置误差）是多少；➢当环境温度变化时，

各种误差限制在什么范围;➢各通道模拟信号的采集是否要求同步；➢所有的通道是否都使用同样的数据传输速率；➢数据通道是串行操作还是并行操作；➢数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；➢系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引起的误差是多少；(3)确定微

型计算机的配置方案可以根据具体情况，采用微处理器芯片、单片微型机芯片、个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机。选择何种机型，对整个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。二、数据采集系统的误差分

析数据采集系统中的元器件很多，从数据采集、信号调理、模数转换，直至信号输出，经过许多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很复杂。误差分析需要结合具体系统、电路和元器件来进行。数据采集系统的误差主要包括模拟电路误差、采样误差和转换误差。1、采

样误差◆采样频率引起的误差采样频率必须大于信号最高有效频率的两倍◆系统的通过速率引起的误差通过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集次数。系统的通过速率的倒数为吞吐时间，表明系统每采样并处理一个数据所占用的时间。系统通过周期（吞吐时间）TTH可用下式表示：outcsAPACoff

ONTHtttttttt++++++=多路模拟开关接通时间Ton和断开时间Toff、采样保持器的捕获TAC、孔径时间TAP和保持建立时间Ts、A/D转换时间Tc和数据输出时间Tout。为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程的动态误差，模

拟开关对N路信号顺序进行等速率切换时，采样周期至少为，THNtTHTHtN1f2、模拟电路误差2.1模拟开关导通电阻RON的误差模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的变化会使放大器或采样

保持器的输入信号波动，引起误差。2.2多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差模拟开关断开的泄漏电流IS一般在1nA左右，当某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄漏电流IS都经过导通的开关和这一路的信号源流入地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。例如：一个8路的模拟开关，泄漏电流IS为

1nA，信号源内阻50Ω，断开的7路泄漏电流IS在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：V3505071019.=−2.3采样保持器衰减率引起的误差保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。衰减

率为：ID为流入保持电容CH的总泄漏电流，ID包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。HDCCItU=Ui-+A1KUK-+A2CH模拟地UO2.4放大器的误差数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非

线性误差、增益误差、零位误差等。3、A/D转换的误差ADC是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整个系统起着至关重要的作用，也是系统中的重要误差源。选择A/D转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速度及输出接口。◆A/D转换

器的静态误差。包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。工程应用中，取是比较合理的。◆A/D转换器的速度对误差的影响A/D转换器速度用转换时间来表示。选用A/D转换器时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则会产生较大的采样误差。LSB32ADC)~(=4

、数据采集系统误差的计算计算数据采集系统误差时，必须对各部分电路进行仔细分析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。如果误差在5项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下，按绝对值和的方式综合。和方根方式综合误差的表达式：绝对值和方式综合误差的表达式：式中：2ADC2SH2AMP2

MUX)()()()(+++=)(ADCSHAMPMUX+++=转换器的误差采样保持器的误差放大器的误差多路模拟开关的误差A/DADCSHAMP−−−−MUX三、DAS设计实例例1、设计基于8031单片机的通用数据采集与处理系统。系统功能要求：➢

实现16路通道单端模拟量输入，输入电压范围0-10V,信号源内阻10Ω，信号变化频率≤100Hz➢分辨率：12位➢二进制码输出，数据传输方式为并行方式➢顺序测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过50us➢系统最大允

许误差不超过满刻度的0.5%➢温度范围+25-55℃，现场提供+5V及±15V的稳压电源。设计过程：1、粗略地选择与系统功能要求相当的器件首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换时间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电

源，粗略地选择与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机8031作为系统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用AD7506，建立时间是1us。采样保持器选用LF398，建立时间是6us，A/D转换器选用AD574，其分辨率为12位，转换精度可达0.05%，转

换时间25us。器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要求范围内。2、系统转换时间系统的转换时间由多路模拟开关、采样保持电路的采集时间以及A/D转换器的稳定时间和转换时间确定，它决定了系统的动态特性。系统转换时间=多路开关稳定

时间+采样保持器的采样时间+A/D转换器的稳定时间和转换时间=1us+6us+25us=32us系统转换时间小于50us，满足要求。3、系统误差分析（1）多路模拟开关AD7506的误差（2项）a、多路

模拟开关泄漏电流IS引起的误差根据AD7506的技术指标，25℃时泄漏电流IS=0.05nA,信号源内阻10Ω，当1路接通时，断开的15路泄漏电流IS在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：可以忽略不计V10571015

1005099−−=..b、模拟开关导通电阻RON的误差在多路开关中，开关本身有导通电阻，输入信号在该电阻上产生压降，则信号被衰减。多路开关导通电阻400Ω（最大），采样保持器的输入阻抗30MΩ，衰减分压比=∴%.%0013

0100M30400=%0013.0εmux=（2）采样保持器LF398的误差（2项）a、采样保持器LF398的非线性度，在10V范围内是0.01%，即1mV；（3）A/D转换器AD574产生的误差（2项）a、AD574的转换精度是2LSB，即

0.05%，b、温度漂移误差10-4/℃，设计要求温度变化30℃，则10-4/℃×30℃=0.003,即0.3%。∴%.εADC350=（4）数据采集系统总误差符合系统要求。在粗选及误差计算校验之后，如所选器件符合设计要求，便可着手进行电路设计，包括硬件接口

、软件及布线。同时要考虑系统的造价和体积。%5.0%3613.0%35.0%01.00%0013.0)(=+++=+++=ADCSHAMPMUX2022/11/1358第7章数/模和模/数转换典型数

字控制系统框图2022/11/13597.1.1D/A转换基本原理数/模转换就是将数字量转换成与它成正比的模拟量。7.1D/A转换数字量：(D3D2D1D0)2＝(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10(1101)2＝

(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10模拟量：uo＝K(D3×23＋D2×22＋D1×21＋D0×20)10uo＝K(1×23＋1×22＋0×21＋1×20)10(K为比例系数)2022/11/1360图7-1n位D/A转换器方框图组成

D/A转换器的基本指导思想：将数字量按权展开相加，即得到与数字量成正比的模拟量。D/A转换器的种类很多,主要有：权电阻网络DAC、T形电阻网络DAC倒T形电阻网络DAC、权电流DAC2022/11/13617.1.2倒

T形电阻网络DAC1.电路组成电路由解码网络、模拟开关、求和放大器和基准电源组成。图7-2倒T型电阻网络DAC原理图基准参考电压双向模拟开关D＝1时接运放D＝0时接地R－2R倒T形电阻解码网络求和集成运算放大器2022/11/13622.工作原理由于集成

运算放大器的电流求和点Σ为虚地，所以每个2R电阻的上端都相当于接地，从网络的A、B、C点分别向右看的对地电阻都是2R。2022/11/1363因此流过四个2R电阻的电流分别为I/2、I/4、I/8、I/16。电流是流入地，还是流

入运算放大器，由输入的数字量Di通过控制电子开关Si来决定。故流入运算放大器的总电流为：0123D16ID8ID4ID2II+++=2022/11/1364由于从UREF向网络看进去的等效电阻是R，因此从UREF流出的电流为：RIREF

U=2022/11/1365故：)2D2D2D2(DR2UI001122334REF+++=2022/11/1366因此输出电压可表示为：2022/11/1367由此可见，输出模拟电压uO与输入数字量D成正比

，实现了数模转换。对于n位的倒T形电阻网络DAC，则：2022/11/1368电路特点：（1）解码网络仅有R和2R两种规格的电阻，这对于集成工艺是相当有利的；（2）这种倒T形电阻网络各支路的电流是直接加到运算放大器的

输入端，它们之间不存在传输上的时间差，故该电路具有较高的工作速度。因此，这种形式的DAC目前被广泛的采用。2022/11/13697.1.3DAC的主要技术参数1.分辨率分辨率是指输出电压的最小变化量与满量程输出电压

之比。输出电压的最小变化量就是对应于输入数字量最低位为1，其余各位均为0时的输出电压。满量程输出电压就是对应于输入数字量全部为1时的输出电压。对于n位D/A转换器，分辨率可表示为：分辨率＝121−n位数越多，

能够分辨的最小输出电压变化量就越小，分辨率就越高。也可用位数n来表示分辨率。2022/11/13702.转换速度D/A转换器从输入数字量到转换成稳定的模拟输出电压所需要的时间称为转换速度。不同的DAC其转换速度也是不相同的，一般约在几微秒到几十微秒

的范围内。2022/11/13713.转换精度转换精度是指电路实际输出的模拟电压值和理论输出的模拟电压值之差。通常用最大误差与满量程输出电压之比的百分数表示。通常要求D/A转换器的误差小于ULSB/2。例如，某D/A转换器满量程输出电压为10V，如果误差为1%，就意味着输出电压的最大误

差为±0.1V。百分数越小，精度越高。转换精度是一个综合指标，包括零点误差、增益误差等，它不仅与D/A转换器中元件参数的精度有关，而且还与环境温度、集成运放的温度漂移以及D/A转换器的位数有关。2022/11/13724

.非线性误差通常把D/A转换器输出电压值与理想输出电压值之间偏差的最大值定义为非线性误差。D/A转换器的非线性误差主要由模拟开关以及运算放大器的非线性引起。5.温度系数在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化而变化的量，称为DAC的温度系数。一般用满刻度的百分数表示温度每升高一度输出电压变

化的值。2022/11/13737.1.4集成D/A转换器及其应用常用的集成DAC有AD7520、DAC0832、DAC0808、DAC1230、MC1408、AD7524等，这里仅对AD7520作简要介绍。1.D/A转换器AD7520

AD7520是10位的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容。该芯片以接口简单、转换控制容易、通用性好、性能价格比高等特点得到广泛的应用。2022/11/1374图7-3AD7520内部逻辑结构图该芯片只含倒T形电阻网络、电流开关和反馈电阻，不含运算放大器，输出端为电流输出。具体使用时

需要外接集成运算放大器和基准电压源。2022/11/1375图7-4AD7520外引脚图D0～D9：数据输入端IOUT1：电流输出端1IOUT2：电流输出端2Rf：10KΩ反馈电阻引出端Vcc：电源输

入端UREF：基准电压输入端GND：地。2022/11/1376分辨率：10位线性误差：±(1/2)LSB（LSB表示输入数字量最低位），若用输出电压满刻度范围FSR的百分数表示则为0.05%FSR。转换速度：500ns温

度系数：0.001%/℃AD7520的主要性能参数如下：2022/11/137710位二进制加法计数器从全“0”加到全“1”，电路的模拟输出电压uo由0V增加到最大值。如果计数脉冲不断，则可在电路的输出端得到周期性的锯齿波。2.应用举例（组成锯齿波发生器）图7-5AD75

20组成的锯齿波发生器图7-5AD7520组成的锯齿波发生器