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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，必须对要解决的问题在进行系统设计之前，必须对要解决的问题在进行系统设计之前，必须对要解决的问题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，根据实际进行调查研究、分析论证，在此基础上，根据实际进行调查研究、分析论证，在此基础上，根据实际进行调查研究
2、、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，确定系统所要完成应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成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的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发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软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能软件的手段等。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
3、设计遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计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。的技术路线。的技术路线。的技术路线。2 2、确定采样频率、确定采样频率 采样频率决定了采样数据的质量和数量。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。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分配进行硬件和软件的功能分配(2)(2)系统系统A AD D通道方案的确定通道方案的确定(3)(3)确定
4、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分配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。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。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
5、功能分配。时进行合理的功能分配。(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、相对精度、增益及偏置误差）是多少；误差）是多少；当环境温度变化
6、时，各种误差限制在什么范围当环境温度变化时，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；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；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数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；作；系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引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；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配置方案 可以根据具体情况，采用微处理器芯片、可以根据具体情
7、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。误差分析需要数字电路，各
8、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。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数据采集系统的误差主要包括模拟电路模拟电路误差、采样误差和转换误差。误差、采样误差和转换误差。1 1、采样误差、采样误差u采样频率引起的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采样频率必须大于信号最高有效频率的两倍u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：通过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集单位时间内系统对模拟信号的采集次数。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
9、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 T TACAC 、孔径时间、孔径时间T TAPAP 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，消除系统在转换过程的为了保证系统正常工作，消除系统在
10、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 路信号顺序进行等速率切换路信号顺序进行等速率切换时，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：每通道的吞吐率为：每通道的吞吐率为：2 2、模拟电路误差、模拟电路误差u模拟开关导通电阻模拟开关导通电阻RONRON的误差的误差 模拟开关存在一定的导通电阻，信号经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变化会使放大器或采样保持器的输入信号波动，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
11、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，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
12、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
13、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：器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：I ID D为流入保持电容为流入保持电容C CH H的总泄漏电流，的总泄漏电流，I ID D包括采样保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持中的缓冲放大器的输入电流和模拟
14、开关截止时的漏电流，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 数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。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。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 ADCADCADCADC是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整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
15、的作用，也是系统中的重要误差源。选择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/DA/DA/DA/D转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速度及输出接口。度及输出接口。度及输出接口。度及输出接口。u A/D A/D A/D A/D转换器的静态误差。转换器的静态误差。转换器的静态误差。转换器的静态误差。包括量化误差、失
16、调误差、增益误差、非线性误差。包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。工程应用中，取工程应用中，取工程应用中，取工程应用中，取 是比较合理的。是比较合理的。是比较合理的。是比较合理的。uA/DA/DA/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/DA/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/DA/DA/D转换器转换器转换器转
17、换器时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则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。会产生较大的采样误差。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，必须对各部分电路进行仔细分计算数据采集系统误差时，必须对各部分电路进行仔细分计算数据采集系统误差时，必须对各部分电路进行仔细分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。如果析，分别计算各部分
18、的相对误差，然后进行误差综合。如果析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。如果析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。如果误差在误差在误差在误差在5 5 5 5项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下，项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下，项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下，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。按绝对值和的方式综合。按绝对值和的方式综合。按绝对值和的方式综合。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：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：绝对值和方式综合误差的表达式：绝对值和方
19、式综合误差的表达式：绝对值和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：式中：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该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该不大于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、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
20、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,信号信号信号信号源内阻源内阻源内阻源内阻10101010，信号变化频率，信号变化频率，信号变化频率，信号变化频率100Hz100Hz100Hz100Hz分辨率：分辨率：分辨率：分辨率：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顺序测量每一个通道，对每一个通道的扫描不
21、超过顺序测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过顺序测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过顺序测量每一个通道，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+25-55+25-55+25-55+25-55，现场提供，现场提供，现场提供，现场提供+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
22、的器件、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作为系作为系统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用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，建立时，建立时间是间是6us6
23、us，A/DA/D转换器选用转换器选用AD574AD574，其分辨率为，其分辨率为1212位，转换精度位，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设计要器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要求范围内。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、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，它决定了系统的动态特性。转换时间确定，它决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
24、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AD7506AD7506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I IS S引起的误差引起的误差根据根据AD7506AD7506的技术指标，的技术指标，2525时泄漏电流时泄漏电流I IS S=0.05nA,=
25、0.05nA,信号源内阻信号源内阻1010，当，当1 1路接通时，路接通时，断开的断开的1515路泄漏电流路泄漏电流I IS S在导通这一路的信号在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：源内阻上产生的压降为：可以忽略不计可以忽略不计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
26、。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
27、 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 10-4-4/，设计要求温度变，设计要求温度变化化3030，则，则1010-4-4/30=0.003,/30=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
28、，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，要用多通道数据采集结路数据采集，要用多通道数据采集结构。拟采用多路分时采集分时输入结构，结构形式构。拟采用多路分时采集分时输入结构，结构形式简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速率不简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速率不高，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
29、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、软件设计采用中断法：当转换完成后，转换结束状态信号采用中断法：当转换完成后，转换结束状态信号STSSTS有效，利用有效，利用STSSTS作为中断请求信号，向作为中断请求信号，向CPUCPU提提出中断申请，当微处理器响应中断，在中断服务程出中断申请，当微处理器响应中断，在中断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位结果分两次被位结果分两次被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可与可与A AD D转换器并行工作，效率高，硬件接口简单。转换器并行工作，效率高，硬件接口简单。（3 3 3 3）AD574AD574AD574AD574控制状态表控制状态表控制状态表控制状态表