Signal-4-4-信號調(diào)理AD-DA數(shù)據(jù)采集

模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器采樣和量化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC、DAC）信號選擇、濾波、放大等其它：時鐘、接口電路等模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換連續(xù)量采樣（離散化）量化（數(shù)字化）A/D轉(zhuǎn)換包括采樣和量化兩個過程；采樣是將時域上連續(xù)變化的信號變?yōu)闀r域上離散的信號；量化是將幅值可連續(xù)變化的信號變?yōu)殡x散值。采樣－保持電路原理圖采樣是按一定的時間間隔，周期性的提取信號的幅值。保持電路使輸入電壓在模數(shù)轉(zhuǎn)換期間保持穩(wěn)定。1，被采樣信號最高頻率有限；2，采樣頻率不小于被采樣信號最高頻率的兩倍。采樣－保持量化、編碼量化是把幅值可連續(xù)變化的量轉(zhuǎn)化為所規(guī)定的最小數(shù)字量的整數(shù)倍，最小數(shù)字量即量化單位；編碼是把量化的結(jié)果用代碼的形式表示出來，一般為二進(jìn)制代碼；量化引入的誤差稱為量化誤差，它與具體的量化方法有關(guān)。A/D轉(zhuǎn)換將模擬輸入電壓Ui

轉(zhuǎn)換為n位二進(jìn)制數(shù)Da，則有：其中，n——A/D轉(zhuǎn)換器位數(shù)；

Uref

——參考電壓，即ai

全部為1時對應(yīng)的輸入電壓；

ΔU

——單位量化電壓，即最低有效位（LSB）a0

為 1，其它各位為0時對應(yīng)的輸入電壓;

e——量化誤差。由于采用四舍五入原則，量化誤差e為：量化誤差的大小應(yīng)與輸入信號的絕對誤差處于同一數(shù)量級上；模擬輸入信號的幅值應(yīng)盡量與A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量范圍相匹配。完成數(shù)字化的器件稱為A/D轉(zhuǎn)換器，它的輸出為n位數(shù)，滿量程輸出為Uref，輸入電壓按照四舍五入原則進(jìn)行量化。A/D轉(zhuǎn)換器輸出信號最常采用的編碼形式是二進(jìn)制編碼；

A/D轉(zhuǎn)換器典型的A/D轉(zhuǎn)換器包括： 并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器、逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器、 積分型A/D轉(zhuǎn)換器等。

并行A/D轉(zhuǎn)換器整個電路由分壓、比較、編碼三部分組成。優(yōu)點是同時確定所有編碼值，轉(zhuǎn)換速度最快；缺點是分辨率低，如果增加一位編碼，則比較器和有關(guān)器件需要加倍。一般用于轉(zhuǎn)換速度快而精度要求不高的場合。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器主要構(gòu)成：數(shù)碼寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、電壓比較器、順序脈沖分配器和相應(yīng)的控制電路。工作原理：控制電路首先把寄存器最高位置1，其它各位置0，D/A轉(zhuǎn)換器將這個數(shù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬電壓值Ua，然后和輸入電壓Ui相比較，如果Ua>Ui，說明這個值太大了，應(yīng)該使最高位為0，反之應(yīng)該保留這個1。然后把次高位置1，并用同樣的方法判斷次高位應(yīng)該為1還是0。照此方法依次確定寄存器的每一位值，最終寄存器的輸出即為Ui的量化編碼。逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度較快，由于進(jìn)行的是瞬時值比較，故抗干擾能力稍差。A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)：1，量化單位：即最低有效位（LSB）為1時對應(yīng)的模擬輸入電壓值。2，分辨率：轉(zhuǎn)換器能夠分辯輸入信號的最小變化量?；蛞?LSB表示，經(jīng)常稱n位A/D轉(zhuǎn)換器具有n位分辨率；3，量化誤差：由于分辨率有限而造成的轉(zhuǎn)換誤差，其絕對值不大于量化單位電壓；4，轉(zhuǎn)換時間：轉(zhuǎn)換器完成一次A/D轉(zhuǎn)換所需的時間，在此時間內(nèi)，模擬輸入電壓通過采樣保持器保持穩(wěn)定值，否則會造成動態(tài)誤差。3，D/A轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器位于計算機的輸出通道，是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量的器件或裝置。將一個n位二進(jìn)制數(shù)N表示的電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬量為：其中ΔU是D/A轉(zhuǎn)換器的單位量化電壓，它等于僅a0

為1時的輸出模擬電壓。D/A轉(zhuǎn)換器的主要類型有：權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器、T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器、倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器及權(quán)電流網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器。特性參數(shù)有：分辨率、轉(zhuǎn)換時間、輸出量程等；誤差包括零點誤差、增益誤差和非線性誤差等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC、DAC）信號選擇、濾波、放大等其它：時鐘、接口電路等傳感器信號處理ADCDAC計算機顯示檢測預(yù)處理轉(zhuǎn)換調(diào)理界面數(shù)字量模擬量信號處理模擬世界數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和外部模擬世界的關(guān)系模擬多路轉(zhuǎn)換器——AD7501結(jié)構(gòu)、引腳、真值表功能：對多路輸入信號進(jìn)行分時切換，輸出接A/D轉(zhuǎn)換器。單端輸入分時多通道采集結(jié)構(gòu)同步多通道采集結(jié)構(gòu)信號的輸出與顯示測試系統(tǒng)輸出信號分類顯示和指示通信和驅(qū)動記錄圖視顯示模擬指示數(shù)碼顯示打印繪圖模擬記錄數(shù)字記錄模擬通信輸出數(shù)字并行、串行輸出設(shè)備驅(qū)動接口數(shù)碼顯示：發(fā)光二極管（LED）、液晶顯示器（LCD）等。圖視顯示：CRT顯示器、液晶顯示器、等離子體（PDP） 顯示器等。記錄輸出：打印機、繪圖儀、磁帶記錄器、數(shù)字存儲設(shè)備等。A）空間輻射干擾（電磁干擾）：電氣設(shè)備、電子設(shè)備、通信設(shè)施的高密度使用，使空間電磁波污染越來越來嚴(yán)重。空間輻射干擾主要有地球大氣放電（如雷電）、宇宙干擾（如太陽產(chǎn)生的無線電輻射）、靜電放電等自然干擾和高壓輸電線、內(nèi)燃機、熒光燈、電機等電氣設(shè)備產(chǎn)生的放電干擾。這些干擾源產(chǎn)生的輻射波頻率范圍廣，且無規(guī)律?？臻g輻射干擾以電磁感應(yīng)的方式通過測控系統(tǒng)的殼體、導(dǎo)線、敏感探頭等形成接收電路，造成對系統(tǒng)的的干擾。測試系統(tǒng)抗干擾設(shè)計一、干擾因素D）熱干擾：元器件在工作時產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動和環(huán)境溫度的變化都會引起電路參數(shù)發(fā)生變化或產(chǎn)生附加的熱電勢。E）光干擾：許多半導(dǎo)體材料在光的照射下會激發(fā)出電子空穴對，產(chǎn)生電勢或引起阻值變化，影響系統(tǒng)正常工作。F）機械干擾：由于機械振動或沖擊使元件發(fā)生振動、變形、位移等。G）濕度干擾：由于環(huán)境濕度的變化引起電路參數(shù)發(fā)生改變。H）化學(xué)干擾：由于化學(xué)物品的腐蝕作用引起儀表損壞或電路參數(shù)發(fā)生變化，因此儀表和系統(tǒng)需注意密封和清潔。B）電網(wǎng)干擾：工業(yè)系統(tǒng)中的某些大設(shè)備的啟動、停機等，可能引起電源過壓、欠壓、浪涌、下陷及產(chǎn)生尖峰干擾，這些電壓噪聲均通過電源內(nèi)阻耦合到測控系統(tǒng)的電路，給系統(tǒng)造成極大的危害。C）小信號長線傳輸干擾：傳感器輸出的信號較弱，傳輸線較長，易受干擾影響，當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換器在獲取0～50mV小信號時，不恰當(dāng)?shù)哪M接地方法會給系統(tǒng)造成較大的測量誤差。二、干擾進(jìn)入系統(tǒng)的基本形式：干擾對儀表或系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響，必須滿足下列三個條件：

1，有干擾源存在；

2，有一定的干擾耦合通道；

3，有對干擾敏感的接收電路。干擾進(jìn)入系統(tǒng)的主要形式有：

1，靜電耦合

2，電磁耦合

3，共阻抗耦合

4，漏電流耦合等上式表明：1）只要電路中有尖峰信號和脈沖信號等頻率高的信號存在，靜電耦合干擾就比較嚴(yán)重；2）降低阻抗Zi可以減小靜電耦合干擾；3）應(yīng)通過合理布線減小噪聲電源和接受電路之間的分布電容Cm；1，靜電耦和：靜電耦和又稱電場耦合或電容性耦合，它是當(dāng)電路之間有寄生電容時，測控系統(tǒng)內(nèi)某一電路信號的變化將影響其他電路，形成靜電耦合干擾。2，電磁耦和：電磁耦和又稱互感耦合，它是由于兩個電路之間存在互感，使一個電路的電流變化通過磁交鏈影響到另一電路。上式表明：1）被干擾電路感應(yīng)的干擾電壓正比于噪聲源角頻率；2）干擾電壓正比于互感系數(shù)M；3）干擾電壓正比于噪聲源電流Ia。3，共阻抗耦和：共阻抗耦和是由于兩個電路共有阻抗，當(dāng)一個電路中有電流通過時，通過共有阻抗在另一電路中產(chǎn)生干擾電壓。如幾個電路共用一個電源的情況。上式表明：被干擾電路感應(yīng)的干擾電壓正比于噪聲源電流Ia和共有阻抗Za，消除共阻抗耦合干擾的方法是消除電路之間的共阻抗。4，漏電流耦和：漏電流耦和是由于絕緣不良，由流經(jīng)絕緣電阻的漏電流引起的噪聲干擾。6，輻射電磁場耦和：通常來源于大功率高頻電氣設(shè)備、廣播電視發(fā)射臺等，處在輻射電場中的導(dǎo)體會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。5，傳導(dǎo)耦和：噪聲經(jīng)導(dǎo)線耦合到電路中去，最主要的就是經(jīng)電源線傳播的噪聲。二、共模干擾與串模干擾：根據(jù)噪聲進(jìn)入系統(tǒng)的方式及與有用信號的關(guān)系，可以分為串模干擾和共模干擾。A）串模干擾，干擾信號和有用信號以串聯(lián)疊加的形式直接作用于測量系統(tǒng)的輸入端。串模干擾直接影響測量系統(tǒng)，造成串模干擾的原因有許多，例如：接觸不良、附加熱電勢、電磁感應(yīng)電勢等。B）共模干擾：又稱對地干擾，它是相對于公共的電位基準(zhǔn)點（接地點），在檢測儀表儀表的兩個輸入端子上同時出現(xiàn)的干擾。它產(chǎn)生的原因有三類： 由被測信號源的特點產(chǎn)生 由電磁場干擾產(chǎn)生 由于不同地電位產(chǎn)生（1）由被測信號源的特點產(chǎn)生：具有雙端輸出的差分放大器和不平衡電橋等產(chǎn)生的共模干擾。（2）電磁場干擾：當(dāng)高壓設(shè)備產(chǎn)生的電場同時通過分布電容耦合到無屏蔽的雙輸入線，而使之具有對地電位時；或者交流大電流設(shè)備的磁場通過雙輸入線的互感在雙輸入線中感應(yīng)出相同大小的電動勢時，都可能產(chǎn)生共模電壓施加到儀器的兩輸入端。當(dāng)U1=U2時，它們是共模干擾電壓，當(dāng)二者不相等時，既有共模干擾電壓又有差模干擾電壓。大電流導(dǎo)體的電磁場在雙輸入線中感生的干擾電動勢有相似的分析方法。（3）由于不同電位引起的干擾：當(dāng)被測信號源與測量儀器相隔較遠(yuǎn)而不能實現(xiàn)在共同的“大地點”上接地時，造成兩接地點的電位差Uce即產(chǎn)生共模干擾電壓。共模抑制比——表示儀器抗共模干擾的能力。三、抗干擾方法

干擾的抑制主要是切斷產(chǎn)生干擾的耦合通道或用一定的方法濾除進(jìn)入系統(tǒng)的干擾，主要方法包括：接地、屏蔽、濾波、隔離等。1，接地電氣設(shè)備中的“地”有兩種含義，一是指“大地”，二是指“工作基準(zhǔn)地”?！按蟮亍敝冈O(shè)備的金屬外殼、線路等通過接地線與地球連接，可以保證設(shè)備和人身安全、提供靜電屏蔽通路、降低電磁感應(yīng)噪聲。“工作基準(zhǔn)地”是指系統(tǒng)內(nèi)部各部分電路的基準(zhǔn)電位，又稱電源地。要求盡量減小接地回路中的公共阻抗壓降，以減小公共阻抗耦合干擾。接地分為：工作接地——為各電路的工作提供基準(zhǔn)電位點。安全接地——電氣設(shè)備的金屬外殼必須接地，目的是防止外殼出現(xiàn)過高的對地電壓和漏電流，減小對設(shè)備、人身的危害。屏蔽接地——為抑制電磁干擾。2，屏蔽屏蔽技術(shù)是用金屬隔離的原理把通過空間進(jìn)行電場、磁場耦合的部分隔離開來，切斷其空間場的耦合通道?？梢云帘胃蓴_源，也可以屏蔽易受干擾的設(shè)備。分為靜電屏蔽、電磁屏蔽和磁場屏蔽三類。靜電屏蔽——在處于靜電場中的導(dǎo)體之間插入接地的金屬屏蔽導(dǎo)體，切斷電容耦合通道。

電磁場屏蔽——當(dāng)導(dǎo)體中通以高頻交變電流時，周圍空間便產(chǎn)生相應(yīng)變化的電磁場，這些變化的電磁場會在鄰近的電路中引起電磁感應(yīng)，或者向外輻射，從而干擾周圍電路。如果在導(dǎo)體外環(huán)繞導(dǎo)體加一個接地的屏蔽罩，由于屏蔽罩內(nèi)會產(chǎn)生渦流，其磁場方向與原磁場方向相反，因而可以屏蔽高頻磁場。又由于屏蔽罩接地，故可以實現(xiàn)電場屏蔽。屏蔽罩應(yīng)采用低電阻金屬材料，如鋁、鋼等良導(dǎo)體材料；屏蔽罩越密，屏蔽效果越好。磁場屏蔽——對于低頻磁場的干擾，用感生渦流所形成的屏蔽不是很有效，故一般采用導(dǎo)磁率高的材料，利用其磁阻小的特點，使干擾源產(chǎn)生的磁通限值在一個低磁阻回路里，即屏蔽體內(nèi)，從而實現(xiàn)磁場屏蔽。屏蔽體越厚，屏蔽效果越好，可采用雙層或多層屏蔽，以滿足屏蔽效果要求。變壓器隔離：由初級電流產(chǎn)生磁通，再由磁通產(chǎn)生次級電壓，從而使初級回路與次級回路在電氣上隔離。一般交流信號可以采用普通變壓器隔離，脈沖信號采用脈沖變壓器隔離。3，濾波——低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。4，隔離——從電路上把干擾源和易受干擾的測試系統(tǒng)隔離開來，從而使測試系統(tǒng)僅與現(xiàn)場保持信號聯(lián)系，而不直接發(fā)生電的聯(lián)系。常見的隔離方法有：變壓器隔離、繼電器隔離、光電隔離等。繼電器隔離：利用繼電器的線圈接受電氣信號，利用觸點輸出信號，從而實現(xiàn)強電和弱電信號之間的電信號隔離。光電隔離——由光電耦合器件完成，以光為媒介傳輸信號。其輸入端配置發(fā)光源，輸出端配置受光器。常見的光電耦合器由發(fā)光二極管與光敏三極管等組成。光電耦合器的特點：