數(shù)據(jù)采集大作業(yè)講解

1、 JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù) 學(xué)院名稱： 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 2011年4月26日 數(shù)據(jù)采集電路原理 D/A轉(zhuǎn)換器與微機的接口 D/A轉(zhuǎn)換器和微機接口時的關(guān)鍵問題主要有6個。 D/A轉(zhuǎn)換器輸出和CPU的接口方式，主要有2種連接方式： 一種是D/A芯片輸出端直接和系統(tǒng)總線相連；另一種是D/A芯片輸出端通過接口電路和總線相連。 D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率和微機數(shù)據(jù)總線的位數(shù)匹配：當10位以上的D/A轉(zhuǎn)換器和8位數(shù)據(jù)總線連接時，由于數(shù)據(jù)要按字節(jié)分時讀出，因此從8位數(shù)據(jù)線上需分2次來讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。設(shè)計接口時，

2、數(shù)據(jù)寄存器要增加讀寫控制邏輯。 D/A轉(zhuǎn)換的時間和CPU的時間配合問題：要注意D/A轉(zhuǎn)換的啟動方式，通常啟動信號分為電平控制啟動和脈沖啟動兩種。其中又有不同的極性要求。還要注意轉(zhuǎn)換后信號的處理。D/A的控制和狀態(tài)信號。因為D/A轉(zhuǎn)換器的控制和狀態(tài)信號的類型與特征對接口有很大影響，在設(shè)計時必須要注意分析控制和狀態(tài)信號的使用條件。 輸入模擬電壓的連接，特別是多路模擬電壓的切換控制。 接地問題，為了減輕數(shù)字信號脈沖對模擬信號的干擾，數(shù)字地和模擬地要正確連接。 A轉(zhuǎn)換器的輸出形式有電流型和電壓型，輸出極性可以是單極性，也可以是雙極性。對于電流輸出型DAC，一般要外接集成運放，以將輸出電流轉(zhuǎn)換成輸出電壓

3、，同時還可以提高負載能力。在實際應(yīng)用中，一般選用電流輸出型DAC來實現(xiàn)電壓輸出。DAC的性能指標很多，主要有以下幾個。 分辨率：是指DC能分辨的最小輸出模擬增量，取決于輸人數(shù)字量的二進制位數(shù)。分辨率通常用數(shù)字量的位數(shù)表示，一般為8位、12位、16位等。一個n位的DAC所能分辨的最小電壓增量定義為滿量程值的2-n倍。例如，滿量程為10V的8位DAC芯片的分辨率為10V2-839mV。一個同樣量程的16位DAC的分辨率高達lOV2-16153V. 轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度和分辨率是兩個不同的概念。轉(zhuǎn)換精度是指滿量程時DAC的實際模擬輸出值和理論值的接近程度。對T型電阻網(wǎng)絡(luò)的DAC，其轉(zhuǎn)換精度和參考電壓U

4、ref、電阻值和電子開關(guān)的誤差有關(guān)。例如，滿量程時理論輸出值為10V，實際輸出值為9，9910DIV，其轉(zhuǎn)換精度為10mV。通常DAC的轉(zhuǎn)換精度為分辨率之半，即為LSB2。LSB是分辨率,是指最低一位數(shù)字量變化引起幅度的變化量。 偏移量誤差：是指輸入數(shù)字量為零時，輸出模擬量對零的偏移值。這種誤差通?？梢酝ㄟ^DAC的外接Uref和電位計權(quán)加以調(diào)整。 線性度：是指DAC的實際轉(zhuǎn)換特性曲線和理想直線之問的最大偏差。通常，線性度不應(yīng)超過1/2LSB。 輸入編碼形式：是指DAC輸人數(shù)字量的編碼形式，如二進制碼、BCD碼等。 輸出電壓：是指DAC的輸出電壓信號。不同型號的DAC，輸出電壓相差很大，對于電壓

5、輸出型，一般為510V，也有高壓輸出型的，為2430V。對于電流輸出型的DAC，輸出電流一般為20mA左右，高者有的達到3A。 轉(zhuǎn)換時間：是指輸入的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為輸出的模擬信號所需要的時間。一般為幾十納秒至幾毫秒。 除上述指標外，供電電源、工作溫度、溫度靈敏度等指標也是DAC的技術(shù)指標，關(guān)于DAC的資料很多，請再參考其他書目。 目前，市售的DA轉(zhuǎn)換器有兩類：一類在一般電子電路中使用，不帶使能端和控制端，主要有數(shù)字量輸人線和模擬量輸出線；另一類是專為微機設(shè)計的，帶有使能端和控制端，可以直接與微機接口?，F(xiàn)在與微機接口的DAC應(yīng)用較多，主要有8位、10位、12位、16位等。下面以12位DAC和16位

6、DAC為例介紹DA轉(zhuǎn)換器。A/D與D/A轉(zhuǎn)換器接口數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成框圖如下圖所示。由于各種物理量信號的傳感器差異太大因此，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中一般不包括傳感器部分。 模擬量I/O通道的組成輸入通道一、各部分的作用1.多路模擬開關(guān)(MUX)大多數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)支持多個模擬輸入通道，這些通道分時使用A/D變換器。在一個特定的時間間隔內(nèi)只允許一個模擬通道通過，完成這一功能的器件稱為多路模擬開關(guān)MUX(Mutiplexer)。有MUX形成一個周期性分組的時分復(fù)用輸出信號，由后面的A/D轉(zhuǎn)換器時分復(fù)用對各通道模擬信號進行周期性轉(zhuǎn)換。（與ISP中的MUX功能相同）2.可編程放大器

7、(PGA)因為多數(shù)采集系統(tǒng)支持多路模擬通道，各通道之間電壓范圍可能有較大差異，因此最好是各個模擬通道采用不同的放大倍數(shù)，即要求放大器的放大倍數(shù)是可以實時控制改變的。采用這種可編程的放大器可以大大拓寬一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適應(yīng)面。3.采樣/保持單元（1）功能：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換需要一定的時間在這段時間之內(nèi)希望A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端電壓保持不變，否則將使A/D轉(zhuǎn)換器的輸出產(chǎn)生誤差，為了使A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端電壓保持不變，可以采用采樣/保持單元來實現(xiàn)。加入采樣/保持電路后，可以大大提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的有效采集頻率。（2）采樣/保持器是一種與鎖存器作用相當?shù)哪M電路元件即當希望采樣一個模擬信號，然后平穩(wěn)

8、地把它保持在一個特殊點以便測量一個感興趣的特殊電壓，或者在系統(tǒng)中為了減小轉(zhuǎn)換誤差而使用采樣/保持器。一個理想的采樣/保持器工作原理如圖10.2所示。4. A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器是一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前向通道(模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換通道)的核心，由A/D轉(zhuǎn)換器決定前向通道的主要參數(shù)。（1）分辨率（2）轉(zhuǎn)換時間介紹ADC0809 (看書熟悉AD574）5. D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器是后向通道(數(shù)字至模擬轉(zhuǎn)換通道)的核心，決定了后向通道的速度與精度。介紹DAC0808、DAC0832 (看書熟悉DAC1210）6. 模擬放大與平滑這部分電路提供了三個方面的功能(1)對D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬值進行放大，以 滿

9、足目標的要求(2)進行阻抗匹配 由于D/A轉(zhuǎn)換器的輸出阻抗較大而且動態(tài)改變，必須由一個高輸入電阻,低輸出電阻的運放電路提供輸出緩沖，才能與一般的目標負載相連(3) 提供低通濾波，將D/A輸出的階梯波形變 成平滑波形7. 數(shù)據(jù)緩沖與接口電路A/D轉(zhuǎn)換之后的結(jié)果通過數(shù)據(jù)鎖存或緩沖以后，由接口電路控制將數(shù)據(jù)傳入內(nèi)存,或者在內(nèi)存中已產(chǎn)生的數(shù)字序列，通過接口電路送入數(shù)據(jù)鎖存或緩沖單元，再傳送給D/A轉(zhuǎn)換器進行模擬輸出。8. 定時與控制邏輯 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各部分的定時關(guān)系是比較嚴格的如果定時不合適就會嚴重影響系統(tǒng)精度，對于上述情況，必須遵守圖11.3的時序圖一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時序圖如上其操作時序分別為：(1

10、)開始MUX開關(guān)切換(2)開始PGA放大倍數(shù)切換(3)開始采樣/保持(4)開始A/D轉(zhuǎn)換(5)A/D轉(zhuǎn)換完成二、數(shù)據(jù)傳送的接口方法以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前向通道為例，說明數(shù)據(jù)傳送的接口方法。前向通道的最終目標是要把采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機內(nèi)存中。一般采用下面幾種方法：D/A轉(zhuǎn)換器及其連接特性D/A轉(zhuǎn)換器的接口方法1、主要參數(shù)（1）線性誤差：理想轉(zhuǎn)換特性是線性的，實際特性總有一定的非線性，用在滿刻度范圍內(nèi)偏離理想特性的最大值表示線性誤差（2）非線性誤差： D/A轉(zhuǎn)換器的非線性誤差定義為實際轉(zhuǎn)換特性曲線與理想特性曲線之間的最大偏差，并以該偏差相對于滿量程的百分數(shù)度量。在轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計中，一般要求非線性誤差

11、不大于1/2LSB（3）分辨率：反映D/A轉(zhuǎn)換器對模擬量的分辨能力，是最小輸出電壓與最大輸出電壓之比N位轉(zhuǎn)換器，其分辨率為滿量程電壓/2N（4）轉(zhuǎn)換精度：模擬輸出實際值與理想值的偏差，有絕對精度和相對精度絕對精度：在輸入端加入給定數(shù)字量時，在輸出端實測的模擬量與理論值之間的偏差相對精度：當滿量程值校準后，輸入的任何數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸出值與理論值的誤差如果不考慮其他D/A轉(zhuǎn)換誤差時，D/A的轉(zhuǎn)換精度就是分辨率的大?。?）溫度靈敏度：D/A轉(zhuǎn)換器受溫度變化影響的特性，數(shù)字輸入值不變，模擬輸出信號隨溫度的變化。一般D/A轉(zhuǎn)換器溫度靈敏度為50PPM/（1PPM為百萬分之一）（6）溫度系數(shù)： 在滿刻

12、度輸出的條件下，溫度每升高1，輸出變化的百分數(shù)定義為溫度系數(shù)（7）工作溫度范圍：一般情況下，影響D/A轉(zhuǎn)換精度的主要環(huán)境和工作條件因素是溫度和電源電壓變化。由于工作溫度會對運算放大器和電阻網(wǎng)絡(luò)等產(chǎn)生影響，只有在一定的工作范圍內(nèi)才能保證額定精度指標（8）失調(diào)誤差(零點誤差)： 數(shù)字輸入全為0碼時，其模擬輸出值與理想輸出值之偏差值。對于單極性D/A轉(zhuǎn)換，模擬輸出的理想值為零伏點。對于雙極性D/A轉(zhuǎn)換，理想值為負域滿量程。偏差值的大小一般用LSB的份數(shù)或用偏差值相對滿量程的百分數(shù)來表示（9）增益誤差(標度誤差)： D/A轉(zhuǎn)換器的輸入與輸出傳遞特性曲線的斜率稱為D/A轉(zhuǎn)換增益或標度系數(shù)，實際轉(zhuǎn)換的增益

13、與理想增益之間的偏差稱為增益誤差2、連接特性（1）輸入緩沖能力（2）輸入數(shù)據(jù)寬度（3）輸入碼制（4）輸出模擬量的類型（5）輸出模擬量的極性二，D/A轉(zhuǎn)換器與微處理器的接口設(shè)計利用DAC0808構(gòu)成直流數(shù)字電壓表。端口地址分配為：數(shù)據(jù)鎖存的端口(/Y1)318H，比較器比較結(jié)果端口(/Y0)319H.分析 首先，由于DAC0808片內(nèi)無三態(tài)數(shù)據(jù)輸入鎖存器，因此在接口電路設(shè)計中一定要外加三態(tài)鎖存器才能與CPU相接。其次，利用DAC構(gòu)成數(shù)字電壓表的實質(zhì)是將,數(shù)字量轉(zhuǎn)換成電壓去和被測電壓進行比較，而得到被測電壓的數(shù)字量。為此，接口電路中要設(shè)置一個電壓比較器，以便把被測信號的電壓值與經(jīng)過DAC0808產(chǎn)

14、生的電壓值進行比較。片內(nèi)有三態(tài)緩沖的DAC接口（介紹DAC0832）DAC0832的連接特性：（1）分辨率為8位的乘法型DAC，內(nèi)部有兩級緩沖，框圖見下頁：（2）適合多片DAC時的多點并發(fā)控制的系統(tǒng)（3）時序圖如圖10.3（4）工作方式：有單緩沖、雙緩沖、直通方式。（各種方式如何接口？）片內(nèi)有三態(tài)緩沖的DAC接口（介紹DAC0832）DAC0832的連接特性：（1）分辨率為8位的乘法型DAC，內(nèi)部有兩級緩沖，框圖見下頁：（2）適合多片DAC時的多點并發(fā)控制的系統(tǒng)（3）時序圖如圖10.3（4）工作方式：有單緩沖、雙緩沖、直通方式。（各種方式如何接口？）雙緩沖方式：數(shù)據(jù)通過二個寄存器鎖存后送入D/

15、A轉(zhuǎn)換電路，執(zhí)行兩次寫操作才能完成一次D/A轉(zhuǎn)換，適用于要求同時輸出多個模擬量的場合 單緩沖方式：兩個寄存器中的一個處于直通狀態(tài)，輸入數(shù)據(jù)只經(jīng)過一級緩沖送入D/A轉(zhuǎn)換器電路。只需執(zhí)行一次寫操作，即可完成D/A轉(zhuǎn)換，可以提高DAC的數(shù)據(jù)吞吐量直通方式：兩個寄存器都處于直通狀態(tài)，即ILE、CS、WR1、WR2和XFER都處于有效電平狀態(tài)，數(shù)據(jù)直接送入D/A轉(zhuǎn)換器電路進行D/A轉(zhuǎn)換CPU執(zhí)行輸出指令，輸出8位數(shù)據(jù)給DAC0832在CPU執(zhí)行輸出指令的同時，使ILE、WR1、CS三個控制信號端都有效，8位數(shù)據(jù)鎖存在8位輸入寄存器中當ILE為高電平，CS為低電平，WR1為負脈沖時，在LE1產(chǎn)生正脈沖；L

16、E1為高電平時，輸入寄存器的狀態(tài)隨數(shù)據(jù)輸入線狀態(tài)變化，LE1的負跳變將輸入數(shù)據(jù)線上的信息存入輸入寄存器當XFER為低電平，WR2輸入負脈沖時，則在LE2產(chǎn)生正脈沖；LE2為高電平時，DAC寄存器的輸入與輸出寄存器的狀態(tài)一致，LE2的負跳變，輸入寄存器內(nèi)容存入DAC寄存器，8位D/A轉(zhuǎn)換器開始工作，8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為相對應(yīng)的模擬電流，從IOUT1和IOUT2輸出3、設(shè)計舉例（1）要求：用DAC0832產(chǎn)生任意波形（2）設(shè)計實現(xiàn) a、硬件設(shè)計。采用8255A作為DAC與CPU之間的接口芯片，并把8255A的A口作為數(shù)據(jù)輸出，通過它把數(shù)據(jù)傳送到DAC0832，而B口的PB0PB4 5根線作為控制信號來控

17、制DAC0832的工作方式及轉(zhuǎn)換操作，如圖104所示。 b、軟件設(shè)計（略）12位D/A轉(zhuǎn)換器DAC1232DAC1232是DAC1230系列芯片，DAC1230系列的芯片還有DAC1230、DAC1231，都是12位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，差別在線性誤差DAC1232的主要特性12位分辨率雙寄存器結(jié)構(gòu)，可對輸入數(shù)據(jù)進行雙重緩沖輸入端與TTL兼容轉(zhuǎn)換時間為1s外接10的基準電壓，工作電源為515功耗低，約20mW電流輸出型由一個8位寄存器和一個4位寄存器組成12位寄存器DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入端，12位數(shù)據(jù)分兩次送入BYTE1/BYTE2：字節(jié)控制端，“1”輸入高8位數(shù)據(jù)；“0”輸入低4位數(shù)據(jù)CS：片選信號

18、，低電平有效WR1：寫信號1，低電平有效WR2：寫信號2，低電平有效XFER：12位DAC寄存器控制端，低電平有效DAC1232的工作過程先送高8位數(shù)據(jù)(BYTE1/BYTE21，CS0，WR10)，高8位數(shù)據(jù)被鎖存在8位輸入寄存器，高8位數(shù)據(jù)中的高4位也存入4位輸入寄存器；后送低4位數(shù)據(jù)(BYTE1/BYTE2=0，CS0，WR10)，僅打開4位輸入寄存器，低4位數(shù)據(jù)覆蓋原來的數(shù)據(jù)，被鎖存在4位輸入寄存器中實際操作結(jié)果是高8位數(shù)據(jù)鎖存在8位輸入寄存器，低4位數(shù)據(jù)鎖存在4位輸入寄存器注意：低4位的數(shù)據(jù)是通過DI7DI4輸入的當XFER=0,WR2=0時，打開12位DAC寄存器，12位數(shù)據(jù)一起被

19、鎖存在12位DAC寄存器中，同時啟動12位D/A轉(zhuǎn)換器，開始12位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，模擬量以電流形式通過IOUT1和IOUT2輸 A/D轉(zhuǎn)換器的參數(shù)（1） 分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小模擬輸入量。通常用能轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量的位數(shù)來表示，位數(shù)越高，分辨率越高。分辨率與精度是兩個不同的概念，分辨率很高，可能由于溫度漂移、線性度等原因，使其精度不夠高（2） 轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間，發(fā)出轉(zhuǎn)換命令信號到轉(zhuǎn)換結(jié)束信號開始有效的時間間隔（3） 若采用無條件傳送方式輸入A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，從啟動A/D芯片轉(zhuǎn)換開始，到A/D芯片轉(zhuǎn)換結(jié)束，所需要的等待時間必須大于或等于A/D轉(zhuǎn)換時間（4） 溫度系

20、數(shù)：表示A/D轉(zhuǎn)換器受環(huán)境溫度影響的程度。一般用每攝氏度溫度變化所產(chǎn)生的相對誤差作為指標，以ppm/為單位表示（5） 精度：數(shù)字輸出量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之間的差值。A/D轉(zhuǎn)換電路中與每一個數(shù)字量對應(yīng)的模擬輸入量并非是單一的數(shù)值，而是一個范圍精度通常用最小有效位LSB的分數(shù)值來表示（6） 絕對誤差：實際轉(zhuǎn)換結(jié)果與理論轉(zhuǎn)換結(jié)果之差，通常以數(shù)字量的最小有效位（LSB）的分數(shù)值來表示。如：1LSB，1/2 LSB，1/4 LSB等。絕對誤差包括量化誤差和其他所有誤差（7） 相對誤差：指整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實際值與理論值之差，用模擬電壓滿量程的百分比表示（8）

21、輸出信號的邏輯電平和方式：多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號與TTL電平兼容；以并行方式為主，-A/D轉(zhuǎn)換芯片以串行方式輸出數(shù)據(jù)，也有SPI方式A/D轉(zhuǎn)換器及其連接特性2、外部特性(1)模擬信號輸入線 來自被轉(zhuǎn)換的對象，有單通道輸入與多通道輸入之分。(2)數(shù)字量輸出線 是ADC將數(shù)字量送給CPU的數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線的根數(shù)表示ADC的分辨率3)轉(zhuǎn)換啟動線(輸入) 它是由系統(tǒng)控制器發(fā)出的一種控制信號，此信號一到，AD轉(zhuǎn)換就開始，啟動轉(zhuǎn)換信號不到，轉(zhuǎn)換器不會自動開始轉(zhuǎn)換，并且是發(fā)1次啟動信號只能轉(zhuǎn)換1次，采集1個數(shù)據(jù)。(4)轉(zhuǎn)換結(jié)束線(輸出)它是一種狀態(tài)信號。供CPU查詢或直接申請中斷。二、接口方法1、與C

22、PU的鏈接（注意幾點）2AD轉(zhuǎn)換器接口的主要操作AD轉(zhuǎn)換器接口，一般要完成以下幾個操作：進行通道選擇。發(fā)轉(zhuǎn)換啟動信號。 取回“轉(zhuǎn)換結(jié)束”狀態(tài)信號。 讀取轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。 發(fā)采樣保持(SH)控制信號。 A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式A/D轉(zhuǎn)換器的工作方式主要有：計數(shù)式、雙積分、逐次逼近、電壓頻率和 -型計數(shù)式AD轉(zhuǎn)換由可逆計數(shù)器、DA轉(zhuǎn)換器、模擬信號比較器和控制邏輯組成轉(zhuǎn)換過程：計數(shù)器的當前值由D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號Vo，與需要轉(zhuǎn)換的模擬信號Vx進行比較如果VxVo，則計數(shù)器加1；如果VxVo，計數(shù)器減1，最終計數(shù)器的值就是模擬量Vx所對應(yīng)的數(shù)字量計數(shù)式AD轉(zhuǎn)換可以達到很高的精度，但轉(zhuǎn)換速度比較慢雙積分A/D轉(zhuǎn)換器雙積分A/