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1、4.3 4.3 数据采集系统设计数据采集系统设计一、数据采集系统设计的一般步骤一、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二、数据采集系统的误差分析三、三、DASDAS设计实例设计实例一、数据采集系统设计的一般步骤一、数据采集系统设计的一般步骤1 1、分析问题和确定任务、分析问题和确定任务 在进行系统设计之前，必需对要解决的在进行系统设计之前，必需对要解决的问题问题进行调查探讨、分析论证，在此基础上，依据进行调查探讨、分析论证，在此基础上，依据实际实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和的数
2、据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计设计的技术路途。的技术路途。2 2、确定采样频率、确定采样频率 采样频率确定了采样数据的质量和数量。采样频率确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。利用采样定理来确定采样频率。3 3系统总体设计系统总体设计 在系统总体设计阶段，一般应做以下几项在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。工作。(1)(1)进行硬件和软件的功能支配进行硬件和软件的功能支配(2)(2)系统
3、系统A AD D通道方案的确定通道方案的确定(3)(3)确定微型计算机的配置方案确定微型计算机的配置方案(1)(1)进行硬件和软件的功能支配进行硬件和软件的功能支配一般来说，多接受硬件，可以简化软件设计工一般来说，多接受硬件，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行靠因素。加，同时，也因接点数增加而增加不行靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵敏性，若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵敏性，降低成本，但系统的工作速度也降低。降低成本，但系统的工作速度也降低。要依据系统的技术要求，在确定系统
4、总体方案时要依据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能支配。进行合理的功能支配。(2)(2)系统系统A AD D通道方案的确定通道方案的确定模拟信号输入范围；模拟信号输入范围；完成一次转换所需的时间；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，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；信号的最高频率是多少；模拟信号传输所需的通道数；模拟信号传输所需的通道数；采样采样/保持器的采集时间是多少；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；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、增益及偏置所需精度（包括线性度、相
5、对精度、增益及偏置误差）是多少；误差）是多少；当环境温度变更时，各种误差限制在什么范围当环境温度变更时，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；各通道模拟信号的采集是否要求同步；全部的通道是否都运用同样的数据传输速率；全部的通道是否都运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，还是按某种预定的依次工数据通道是随机选择，还是按某种预定的依次工作；作；系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变更引系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变更引起的误差是多少；起的误差是多少；(3)(3)确定微型计算机的配置方案确定微型计算机的
6、配置方案 可以依据具体状况，接受微处理器芯片、可以依据具体状况，接受微处理器芯片、单片微型机芯片、个人微型计算机等作为数据单片微型机芯片、个人微型计算机等作为数据采集系统的限制处理机。选择何种机型，对整采集系统的限制处理机。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个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。影响。二、数据采集系统的误差分析二、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，经过很多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很困难。误差分析须要结合具体系统、电路和元器件来进行。数据采集系统的误差主要包括模
7、拟电路误差、采样误差和转换误差。1 1、采样误差、采样误差采样频率引起的误差采样频率引起的误差采样频率必需大于信号最高有效频率的两采样频率必需大于信号最高有效频率的两倍倍系统的通过速率引起的误差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通过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集采集次数。次数。系统的通过速率的倒数为吞吐时间，表明系统的通过速率的倒数为吞吐时间，表明系统系统每采样并处理一个数据所占用的时间。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）系统通过周期（吞吐时间）系统通过周期（吞吐时间）系统通过周期（吞吐时间）T T T TTHTHTHTH可用下式表示：可
8、用下式表示：可用下式表示：可用下式表示：多路模拟开关接通时间多路模拟开关接通时间TonTon和断开时间和断开时间ToffToff、采样保、采样保持器的捕获持器的捕获 TAC TAC、孔径时间、孔径时间TAP TAP 和保持建立时间和保持建立时间TsTs、A/DA/D转换时间转换时间TcTc和数据输出时间和数据输出时间ToutTout。为了保证系统正常工作，消退系统在转换过程的为了保证系统正常工作，消退系统在转换过程的动态误差，模拟开关对动态误差，模拟开关对N N 路信号依次进行等速率切换路信号依次进行等速率切换时，采样周期至少为时，采样周期至少为 ，每通道的吞吐率为：每通道的吞吐率为：2 2、
9、模拟电路误差、模拟电路误差模拟开关导通电阻模拟开关导通电阻RONRON的误差的误差 模拟开关存在确定的导通电阻，模拟开关存在确定的导通电阻，信号经信号经过模拟开关会产生压降。另外，导过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的通电阻的变更会使放大器或采样保持器的输变更会使放大器或采样保持器的输入信号波入信号波动，引起误差。动，引起误差。u多路模拟开关泄漏电流多路模拟开关泄漏电流I IS S引起的误差引起的误差 模拟开关断开的泄漏电流模拟开关断开的泄漏电流模拟开关断开的泄漏电流模拟开关断开的泄漏电流I I I IS S S S一般在一般在一般在一般在1nA1nA1nA1nA左右，当左右，当左右，当左右
10、，当某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄漏电流漏电流漏电流漏电流I I I IS S S S都经过导通的开关和这一路的信号源流入都经过导通的开关和这一路的信号源流入都经过导通的开关和这一路的信号源流入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。地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。例如例如例如例如：一个一个一个一个8 8 8 8路的模拟
11、开关，泄漏电流路的模拟开关，泄漏电流路的模拟开关，泄漏电流路的模拟开关，泄漏电流I I I IS S S S为为为为1nA1nA1nA1nA，信，信，信，信号源内阻号源内阻号源内阻号源内阻50505050，断开的，断开的，断开的，断开的7 7 7 7路泄漏电流路泄漏电流路泄漏电流路泄漏电流I I I IS S S S在导通这一在导通这一在导通这一在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：路的信号源内阻上产生的压降为：路的信号源内阻上产生的压降为：路的信号源内阻上产生的压降为：u采样保持器衰减率引起的误差采样保持器衰减率引起的误差u保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电保持状态下，由于保持电
12、容的漏电流和其他杂散电u流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持u器的输出值在保持期间的变更。衰减率为：器的输出值在保持期间的变更。衰减率为：uIDID为流入保持电容为流入保持电容CHCH的总泄漏电流，的总泄漏电流，IDID包括采样保包括采样保u持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的u漏电流，电容内部的漏电流。漏电流，电容内部的漏电流。u放大器的误差放大器的误差 u数据采集系统往往须要运用放大器对信号进行放大。数据采集系统往往须要运用放大器对信号进行放大。u放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大
13、器的放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非非u线性误差、增益误差、零位误差等。线性误差、增益误差、零位误差等。3 3、A/DA/D转换的误差转换的误差 ADC ADC是数据采集系统中的重要部件，它的是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整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。选择要误差源。选择A/DA/D转换器时，必需从精度和速度两方面考虑，转换器时，必需从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速考虑位数、速度及输出接口。度及输出接口。A/D A/D转换器的静态误差。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
14、包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。误差。工程应用中，取工程应用中，取 是比较合理的。是比较合理的。A/DA/D转换器的速度对误差的影响转换器的速度对误差的影响A/DA/D转换器速度用转换时间来表示。选用转换器速度用转换时间来表示。选用A/DA/D转转换器换器时必需考虑到转换时间满足系统通过率的要求，时必需考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则否则会产生较大的采样误差。会产生较大的采样误差。4 4、数据采集系统误差的计算、数据采集系统误差的计算计算数据采集系统误差时，必需对各部分电路计算数据采集系统误差时，必需对各部分电路进行细致分进行细致分析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误
15、析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。假如差综合。假如误差在误差在5 5项以上，按和方根方式综合；若误差项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下，项在五项以下，按确定值和的方式综合。按确定值和的方式综合。和方根方式综合误差的表达式：和方根方式综合误差的表达式：确定值和方式综合误差的表达式：确定值和方式综合误差的表达式：式中：式中：选择元器件精度的一般原则：每一个元器件的精度指标应当优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍。例如：0.1%级精度性能的数据采集系统，所选元器件的精度应当不大于0.01%。三、三、DASDAS设计实例设计实例例例例例1 1 1 1、设计基于、设计基于、
16、设计基于、设计基于8031803180318031单片机的通用数据采集与处理系统。单片机的通用数据采集与处理系统。单片机的通用数据采集与处理系统。单片机的通用数据采集与处理系统。系统功能要求：系统功能要求：系统功能要求：系统功能要求：实现实现实现实现16161616路通道单端模拟量输入，输入电压范围路通道单端模拟量输入，输入电压范围路通道单端模拟量输入，输入电压范围路通道单端模拟量输入，输入电压范围0-10V,0-10V,0-10V,0-10V,信号源内信号源内信号源内信号源内阻阻阻阻10101010，信号变更频率，信号变更频率，信号变更频率，信号变更频率100Hz100Hz100Hz100H
17、z辨别率：辨别率：辨别率：辨别率：12121212位位位位二进制码输出，数据传输方式为并行方式二进制码输出，数据传输方式为并行方式二进制码输出，数据传输方式为并行方式二进制码输出，数据传输方式为并行方式依次测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过依次测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过依次测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过依次测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过50us50us50us50us系统最大允许误差不超过满刻度的系统最大允许误差不超过满刻度的系统最大允许误差不超过满刻度的系统最大允许误差不超过满刻度的0.5%0.5%0.5%0.5%温度范围温度范围温度范围温度范围+25
18、-55+25-55+25-55+25-55，现场供应，现场供应，现场供应，现场供应+5V+5V+5V+5V及及及及15V15V15V15V的稳压电源。的稳压电源。的稳压电源。的稳压电源。设计过程：设计过程：1 1、粗略地选择与系统功能要求相当的器件、粗略地选择与系统功能要求相当的器件 首先依据设计要求提出的技术指标，例如精首先依据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换度、转换时间、输入信号幅值、环境温度以及供应的电源，粗时间、输入信号幅值、环境温度以及供应的电源，粗略地选择略地选择与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机80318031作为系作为系统
19、的限制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关统的限制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用选用AD7506AD7506，建立时间是，建立时间是1us1us。采样保持器选用。采样保持器选用LF398LF398，建，建立时立时间是间是6us6us，A/DA/D转换器选用转换器选用AD574AD574，其辨别率为，其辨别率为1212位，位，转换精度转换精度可达可达0.05%0.05%，转换时间，转换时间25us25us。器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要设计要求范围内。求范围内。2 2、系统转换时间、系统转换时间系统的转换时间由多路模拟开关
20、、采样保持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电路的采集时间以及A/DA/D转换器的稳定时间和转换器的稳定时间和转换时间确定，它确定了系统的动态特性。转换时间确定，它确定了系统的动态特性。系统转换时间系统转换时间=多路开关稳定时间多路开关稳定时间+采样保持采样保持器的采样时间器的采样时间+A/D+A/D转换器的稳定时间和转换转换器的稳定时间和转换时间时间 =1us+6us+25us=32us =1us+6us+25us=32us系统转换时间小于系统转换时间小于50us50us，满足要求。，满足要求。3 3、系统误差分析、系统误差分析（1 1）多路模拟开关）多路模拟开关AD7
21、506AD7506的误差（的误差（2 2项）项）a a、多路模拟开关泄漏电流、多路模拟开关泄漏电流ISIS引起的误引起的误差差依据依据AD7506AD7506的技术指标，的技术指标，2525时泄漏时泄漏电流电流IS=0.05nA,IS=0.05nA,信号源内阻信号源内阻1010，当，当1 1路接路接通时，通时，断开的断开的1515路泄漏电流路泄漏电流ISIS在导通这一路在导通这一路的信号的信号源内阻上产生的压降为：源内阻上产生的压降为：可以忽视不计可以忽视不计b b、模拟开关导通电阻、模拟开关导通电阻RONRON的误差的误差在多路开关中，开关本身有导通电阻，输入信号在在多路开关中，开关本身有导
22、通电阻，输入信号在在多路开关中，开关本身有导通电阻，输入信号在在多路开关中，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。该电阻上产生压降，则信号被衰减。该电阻上产生压降，则信号被衰减。该电阻上产生压降，则信号被衰减。多路开关导通电阻多路开关导通电阻多路开关导通电阻多路开关导通电阻400400400400（最大），采样保持器的（最大），采样保持器的（最大），采样保持器的（最大），采样保持器的输入阻抗输入阻抗输入阻抗输入阻抗30M30M30M30M，衰减分压比衰减分压比=（2 2）采样保持器采样保持器LF398LF398的误差（的误差（2 2项）项）a a、采样保持器采样保持器采
23、样保持器采样保持器LF398LF398LF398LF398的非线性度的非线性度的非线性度的非线性度，在，在，在，在10V10V10V10V范围内是范围内是范围内是范围内是0.01%0.01%0.01%0.01%，即，即，即，即1mV 1mV 1mV 1mV；（3 3）A/DA/D转换器转换器AD574AD574产生的误差（产生的误差（2 2项）项）a a、AD574AD574的转换精度是的转换精度是2LSB2LSB，即，即0.05%0.05%，b b、温度漂移误差、温度漂移误差 10-4/10-4/，设计要求温度变，设计要求温度变更更3030，则，则10-4/30=0.003,10-4/30=
24、0.003,即即0.3%0.3%。（4 4）数据采集系统总误差）数据采集系统总误差符合系统要求。符合系统要求。在粗选及误差计算校验之后，如所选器件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。同时要考虑系统括硬件接口、软件及布线。同时要考虑系统的造价和体积。的造价和体积。4 4、结构形式的确定、结构形式的确定系统要实现系统要实现1616路数据采集，要用多通道数据路数据采集，要用多通道数据采集结采集结构。拟接受多路分时采集分时输入结构，结构。拟接受多路分时采集分时输入结构，结构形式构形式简洁，所用芯片数量少
25、，适用于信号变更速简洁，所用芯片数量少，适用于信号变更速率不率不高，对采样信号不要求同步的场合。高，对采样信号不要求同步的场合。数据采集系统结构框图数据采集系统结构框图数据采集系统结构框图数据采集系统结构框图5 5、设计数据采集系统原理图、设计数据采集系统原理图原理图见课本原理图见课本200200页。页。工作过程见课本工作过程见课本 199,201 199,201页。页。6 6、软件设计、软件设计接受中断法：当转换完成后，转换结束状态接受中断法：当转换完成后，转换结束状态信号信号STSSTS有效，利用有效，利用STSSTS作为中断恳求信号，向作为中断恳求信号，向CPUCPU提提出中断申请，当微处理器响应中断，在中断出中断申请，当微处理器响应中断，在中断服务程服务程序中执行转换结果数据的读入。序中执行转换结果数据的读入。1212位结果分位结果分两次被两次被80318031读入到指定的缓冲单元。这种方法读入到指定的缓冲单元。这种方法CPUCPU可可与与A AD D转换器并行工作，效率高，硬件接口简洁。转换器并行工作，效率高，硬件接口简洁。（3 3 3 3）AD574AD574AD574AD574限制状态表限制状态表限制状态表限制状态表