智能儀器技術(shù)-第二章-數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)課件

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)揭秘數(shù)據(jù)采集的意義是什么？數(shù)據(jù)采集就是將被測對象的各種參數(shù)通過各種傳感器元件做適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或存儲，記錄的過程。你能根據(jù)這個描述，畫出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的框圖嗎？圖1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成

傳感器模擬信號調(diào)理A/D器微機系統(tǒng)采樣/保持器數(shù)據(jù)采集的意義是什么？傳感器模擬信號調(diào)理A/D器微機系統(tǒng)采樣/保持器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理單路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成

案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計設(shè)計要求：溫室環(huán)境監(jiān)測對象為溫室溫度、光照度、濕度、CO2

濃度；

單片機為AT89S52；

傳感器應(yīng)該如何選擇？數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計以溫度傳感器為例，常用的檢測溫度的傳感器有哪些？

熱電阻溫度傳感器

熱電偶溫度傳感器

半導(dǎo)體PN結(jié)溫度傳感器

集成溫度傳感器（AD590、DS18B20）

紅外溫度傳感器

這么多類型，該怎么選？數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致。

轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標，轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機要求能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。能滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。一、對傳感器的主要技術(shù)要求數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計類型選擇根據(jù)被測量的特點和傳感器的使用條件考慮，具體包括：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方式是有線還是非接觸測量；傳感器的來源是國產(chǎn)、進口還是自行研制；價格能否承受等。

二、傳感器的選用

精度的選擇

精度只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求即可，不必選得過高。如果測量的目的是為了進行定性分析，則選用重復(fù)精度高的傳感器即可，不宜選用絕對量值精度高的傳感器；如果測量的目的是為了進行定量分析，則必須獲得精確的測量值，因此需選用精度等級能滿足要求的傳感器。數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計二、傳感器的選用靈敏度的選擇

在傳感器的線性范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度越高越好。

傳感器的靈敏度高，外界噪聲也容易混入，影響測量精度。因此，同時要求傳感器本身應(yīng)具有較高的信噪比，盡量減少從外界引入的干擾信號。

頻率響應(yīng)特性的選擇

傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，必須在允許的頻率范圍內(nèi)保持不失真地測量。實際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，希望延遲時間越短越好。

在動態(tài)測量中，應(yīng)保證傳感器對被測信號的動態(tài)響應(yīng)特性滿足要求，以免產(chǎn)生過大的誤差。數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計二、傳感器的選用穩(wěn)定性的選擇

影響傳感器穩(wěn)定性的因素除了傳感器本身的結(jié)構(gòu)外，主要是傳感器的使用環(huán)境。

線性范圍的確定

當傳感器的種類確定以后，首先要看其量程是否滿足要求。但實際上，任何傳感器都不能保證絕對的線性，其線性度也是相對的。當所要求的測量精度比較低時，在一定的范圍內(nèi)，可將非線性誤差較小的傳感器近似看做線性的，這會給測量帶來極大的方便。數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計三、現(xiàn)代傳感器大信號輸出傳感器傳感器傳感器傳感器小信號放大信號修正與變換濾波A/D微機微機I/V轉(zhuǎn)換V/F光電耦合小電流小電壓大電壓大電流數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計三、現(xiàn)代傳感器數(shù)字信號輸出傳感器數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優(yōu)點。傳感器放大整形光電隔離計算機傳感器整形光電隔離計算機頻率量輸出開關(guān)量輸出數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計三、現(xiàn)代傳感器集成傳感器集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。光纖傳感器信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計智能傳感器智能傳感器（intelligent

sensor）是具有信息處理功能的傳感器。智能傳感器帶有微處理器，具有采集、處理、交換信息的能力，是傳感器集成化與微處理機相結(jié)合的產(chǎn)物?！岸饶镎f”數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計TSL2561是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強傳感器芯片。它將光強轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，具有直接I2C接口或者SMBus接口。溫度傳感器：DS18B20

數(shù)字集成式

光照強度傳感器：TSL2561對比文獻“多點大棚環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計—周德樂”中溫度傳感器和光照強度傳感器的選擇。數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計多點大棚環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計多點大棚環(huán)境參數(shù)檢測系統(tǒng)的設(shè)計溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計濕度—HSH3610相對濕度傳感器；CO2濃度—AM-4CO2傳感器模擬信號輸出對比文獻“煤礦多功能便攜式環(huán)境參數(shù)檢測儀—劉江霞”中的二氧化碳傳感器的選擇。數(shù)據(jù)采集之傳感器的選擇案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計煤礦多功能便攜式環(huán)境參數(shù)檢測儀溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計AT89S52溫度傳感器光強檢測電平轉(zhuǎn)換濕度傳感器CO2傳感器？？多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計AT89S52溫度傳感器光強檢測電平轉(zhuǎn)換濕度傳感器CO2傳感器信號調(diào)理A/D信號調(diào)理A/D分布式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計信調(diào)信調(diào)多路開關(guān)集中采集式

數(shù)據(jù)采集之多路開關(guān)的設(shè)計多路開關(guān)作用：當系統(tǒng)中有多個變化較為緩慢的模擬量輸入時，用于信號的切換。類型：電磁繼電器型（機電式）開關(guān)

電子式模擬多路開關(guān)

（晶體管型、場效應(yīng)管、集成CMOS模擬多路開關(guān)）

數(shù)據(jù)采集之多路開關(guān)的設(shè)計集成CMOS多路模擬開關(guān)（N：1）XK。其中k為芯片獨立的單元個數(shù)，N為每個單元的輸入通道數(shù)。CD4051、AD7501為（8:1）x1；CD4052為（4:1）x2,即一個芯片上集成了2個獨立的4選1開關(guān)。（1：N）xK。多路分配器。

單向多路開關(guān)：AD7501、AD7502

雙向多路開關(guān)：CD4051、CD4052數(shù)據(jù)采集之多路開關(guān)的設(shè)計集成CMOS多路模擬開關(guān)（N：1）XK。其中k為芯片獨立的單元個數(shù)，N為每個單元的輸入通道數(shù)。CD4051、AD7501為（8:1）x1；CD4052為（4:1）x2,即一個芯片上集成了2個獨立的4選1開關(guān)。（1：N）xK。多路分配器。

單向多路開關(guān)：AD7501、AD7502

雙向多路開關(guān)：CD4051、CD4052數(shù)據(jù)采集之多路開關(guān)的設(shè)計如何選擇集成的多路開關(guān)產(chǎn)品？關(guān)注點1：通道數(shù)量通道的數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換速率有直接影響。泄露電流：在電子式開關(guān)中，因芯片內(nèi)部半導(dǎo)體器件的缺陷，有微小電流自輸入端流出，經(jīng)信號源產(chǎn)生干擾。通道越多，泄露電流越大。雜散電容：在MOS型開關(guān)器件中，各級之間以及相鄰?fù)ǖ乐g的雜散電容也是重要參數(shù)。通道越多，雜散電容越大，通道間串擾也越嚴重。注意在實際應(yīng)用中，所選產(chǎn)品的通道數(shù)往往大于實際需要，多余通道應(yīng)模擬接地，或接Vref（等同于交流接地），一方面減少干擾，另外可用于自校準。數(shù)據(jù)采集之多路開關(guān)的設(shè)計如何選擇集成的多路開關(guān)產(chǎn)品？關(guān)注點2：導(dǎo)通電阻Ron導(dǎo)通電阻指開關(guān)閉合后，開關(guān)兩端的等效電阻值。理想開關(guān)的Ron=0Ron導(dǎo)致精度降低，尤其是開關(guān)的負載阻抗較低時影響嚴重；Ron隨著輸入電壓Vin的變化會有一些波動，Ron的平坦度ΔRon在限定的Vin范圍內(nèi)Ron的最大起伏值，ΔRon=Ronmax-Ronmin。越小越好。

Ron的一致性表示各通道Ron的差值。一致性好，系統(tǒng)在采集各路信號由開關(guān)引起的誤差也就越小。Ron的值還與電源電壓有直接關(guān)系，通常電源電壓越大，Ron越小。數(shù)據(jù)采集之多路開關(guān)的設(shè)計如何選擇集成的多路開關(guān)產(chǎn)品？關(guān)注點3：開關(guān)速度

反映了開關(guān)接通或斷開的速度。對于需要傳輸高速信號的場合，要求模擬開關(guān)的切換速度高，同時還應(yīng)該考慮與后級采樣保持電路和AD轉(zhuǎn)換器的速度相適應(yīng)，科學設(shè)定和分配技術(shù)指標。

芯片的電源電壓范圍與開關(guān)的導(dǎo)通電阻和切換速度等有直接關(guān)系。電源電壓越高，切換速度越快，導(dǎo)通電阻越小。反之，導(dǎo)通電阻越大。CMOS模擬開關(guān)只能處理電源電壓范圍以內(nèi)的模擬信號。關(guān)注點4：電源電壓范圍多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計如果需要檢測n個溫室的環(huán)境參數(shù)，并將采集的到環(huán)境參數(shù)傳送到中心控制室，應(yīng)該如何設(shè)計呢？通信接口上位機數(shù)據(jù)采集站1數(shù)據(jù)采集站2數(shù)據(jù)采集站3數(shù)據(jù)采集站N…………………………溫室環(huán)境參數(shù)采集網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)多路數(shù)據(jù)采集的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)設(shè)計要求：采用Atmega128采集電壓及電流數(shù)據(jù)并傳輸至PC，最終由PC機完成數(shù)據(jù)處理及顯示。PC機將數(shù)據(jù)進行處理并將設(shè)備電壓、電流及功率隨時間變化情況直觀地顯示出來，并計算制定時間內(nèi)設(shè)備的積累能耗。試著設(shè)計該電能測量儀的硬件電路框圖？數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)1.采樣保持器的作用是什么？2.為什么溫度、氣體濃度檢測時不需要采樣保持器呢？數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)1.采樣保持器的作用是什么？數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)1.采樣保持器的作用是什么？

ADC對模擬量進行量化的過程需要一定的時間，即在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)只有保持采樣點的數(shù)值不變才能保證轉(zhuǎn)換精度。當有多個傳感器信號時，需要一種電路將各傳感器同一時刻的信號保持住，然后通過共用ADC分時進行轉(zhuǎn)換并送入內(nèi)存。采樣保持器是一種根據(jù)狀態(tài)控制指令截取輸入模擬電壓的瞬時值（采樣過程），并把這一瞬時值保留一段需要的時間（保持過程）的單元。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)VL=1，開關(guān)S導(dǎo)通輸入模擬信號Vi對保持電容CH充電,當VL=1的持續(xù)時間Tw遠大于電容CH的充電時間常數(shù)時，在Tw時間內(nèi),CH上的電壓Vc跟隨輸入電壓Vi的變化，使輸出電壓Vo=Vc=Vi，這段時間為采樣時間。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)VL=0，開關(guān)S關(guān)閉開關(guān)S斷開，由于運算放大器的輸入阻抗很高，存儲在CH的電荷不會泄露，CH上的電壓Vc保持不變,使輸出電壓Vo能保持采樣結(jié)束瞬時的電壓值，這段時間為保持時間。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計非理想狀態(tài)下采樣保持器斷開時間(保持建立時間)：t1瞬時，控制信號已發(fā)生跳變，由于電路的延時作用，模擬開關(guān)在t2瞬時才完全斷開，因此電容C保持的是t2時刻的輸入信號值，與t1時刻的輸入信號有誤差。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計非理想狀態(tài)下采樣保持器捕捉時間：當由保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到采樣狀態(tài)時，電容C上的電壓跟隨輸入信號變化，其差值達到規(guī)定的捕捉誤差，例如0.01%時所需的最小時間稱為捕捉時間。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計非理想狀態(tài)下采樣保持器泄露趨勢：若保持電壓在整個保持時間內(nèi)不發(fā)生變化，便可獲得高的保持精度。實際上開關(guān)的關(guān)斷電阻、運算放大器的輸入電阻以及電容本身的介質(zhì)電阻都是有限的，將引起電容上的泄露而使保持電壓不斷下降。泄露電流可以表示保持電容的下降率。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計非理想狀態(tài)下采樣保持器饋送影響(饋通影響):

在保持期間內(nèi)，由于模擬開關(guān)的斷開電阻不為無窮大，以及開關(guān)極間電容的影響，輸入信號會耦合到保持電容上引起輸出電壓的微小變化。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計非理想狀態(tài)下采樣保持器電荷轉(zhuǎn)移影響(保持階躍):當控制信號產(chǎn)生由采樣到保持的跳變時，驅(qū)動線路的瞬變電壓會通過模擬開關(guān)的極間電容和驅(qū)動線與保持電容的雜散電容耦合，使電荷轉(zhuǎn)移到保持電容上，從而對保持電壓產(chǎn)生影響。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計采樣保持器設(shè)置原則假設(shè)待轉(zhuǎn)換信號為這一信號的最大變化率為假設(shè)信號的正負峰正好達到A/D的正負滿量程，而A/D的位數(shù)（不含符號位）為m,則A/D最低有效位LSB代表的量化電平為

如果A/D的轉(zhuǎn)換時間，為保證1LSB的轉(zhuǎn)換精度，在轉(zhuǎn)換時間內(nèi)，被轉(zhuǎn)化信號的最大變化量不應(yīng)超過一個量化單位，即數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計則不加采樣/保持器時，待轉(zhuǎn)換信號允許的最高頻率為例如一個12位的ADC，用它來直接轉(zhuǎn)換一個正弦信號要求精度優(yōu)于1LSB，則信號頻率不超過1.5HZ。由此可見，除了被測信號時直流電壓或變化緩慢即滿足上式，可以用ADC直接轉(zhuǎn)換不必設(shè)采樣/保持器之外，凡是頻率不低于上式確定的頻率最大值的被轉(zhuǎn)換信號，都必須設(shè)置采樣保持器把采樣幅值保持下來，以便ADC在SHA保持期間把保持的采樣幅值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)碼。在ADC之前設(shè)采樣/保持后，雖然再不會因A/D轉(zhuǎn)換信號變化而出現(xiàn)誤差。但是因采樣轉(zhuǎn)到保持狀態(tài)需要一段的孔徑時間數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計在ADC之前設(shè)采樣/保持后，雖然再不會因A/D轉(zhuǎn)換信號變化而出現(xiàn)誤差。但是因采樣轉(zhuǎn)到保持狀態(tài)需要一段的孔徑時間tAP

,使采樣保持器電路實際保持的信號幅值并不是原來預(yù)期要保持的信號幅值（即保持指令到時刻的信號幅值）。兩者只差即孔徑誤差為：

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，若要求最大孔徑誤差不超過q,則由此限定的被轉(zhuǎn)換信號的最高頻率為數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計由于采樣/保持的孔徑時間遠遠小于A/D的轉(zhuǎn)換時間因此限定的頻率遠遠高于

這就說明ADC前加設(shè)采樣/保持后大大擴展了被測轉(zhuǎn)換信號頻率的允許范圍。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)AD781AD582AD582是低成本、單片采樣/保持放大器，該芯片有高性能運算放大器、低漏電的模擬開關(guān)和JFET集成放大器組成，外接保持電容后，該器件具有完整的采樣/保持功能。數(shù)據(jù)采集之采樣保持器的設(shè)計案例之二：基于Atmeg128的電能量測量儀的設(shè)計與實現(xiàn)AD389AD389是高分辨率、高精度的采樣/保持放大器，由于內(nèi)含保持電容和補償網(wǎng)絡(luò)，所以能使采樣/保持放大器的失調(diào)電壓達到最小值。AD389的快速采樣、低孔徑抖動時間和高分辨率的特點，使得它在高速A/D變換器、選通測量系統(tǒng)、同步采樣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、峰值保持等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。AD9100AD9100是單片、超高速的采樣/保持放大器，也是高速和高動態(tài)范圍應(yīng)用中頗為新穎的器件。AD9100具有驅(qū)動高電容負載的能力，因此特別適合驅(qū)動時鐘速度為50X106

次/s的8位和10位快速A/D變換器。特有噪聲密度3.3nVHZ-1/2和饋線抑制83dB性能，使得它在提高8位和16位數(shù)據(jù)采集動態(tài)范圍中備受青睞。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器的作用是什么？數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器有哪些性能指標：分辨率、量化誤差、偏移誤差、滿刻度誤差、線性度、絕對精度、相對精度和轉(zhuǎn)換速率

在系統(tǒng)設(shè)計時，選用AD之前，設(shè)計者應(yīng)該考慮的問題是：

模擬輸入電壓的量程是多少？能測量的最小信號是多少？

線性誤差是多少？

每完成一次轉(zhuǎn)換需要多少時間？

電源的變化對轉(zhuǎn)換精度有什么影響

對輸入信號有什么要求？是否需要預(yù)處理

數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計分辨率：ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。其分辨率取決于A/D轉(zhuǎn)化器的位數(shù)，所以習慣上輸出二進制數(shù)或BCD碼數(shù)的位數(shù)來表示。

轉(zhuǎn)換時間：A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間與實現(xiàn)轉(zhuǎn)換所采用的電路技術(shù)有關(guān)。采用同種電路技術(shù)的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間與分辨率有關(guān)，分辨率越高，轉(zhuǎn)換時間越長。注意在選擇器件時，要根據(jù)應(yīng)用的需要和價格來考慮這一指標，有時還需要考慮數(shù)據(jù)傳輸過程中轉(zhuǎn)換器件的工作特點。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計電源靈敏度：當電源電壓變化時，將使AD的輸出發(fā)生變化，這種變化的實際作用相當于ADC輸入量的變化，從而產(chǎn)生誤差。通常ADC對電源變化的靈敏度相當于同樣變化的模擬輸入值的百分數(shù)來表示。例如：電源靈敏度為0.05%/ΔVs%時，其含義是電源電壓變化為電源電壓Vs的1%，相當于引入0.05%的模擬輸入值的變化。

精度：絕對精度和相對精度。

絕對精度：任何數(shù)碼所對應(yīng)的實際模擬電壓與其理想的電壓值之間并非一個常數(shù)，這個差值的最大值為絕對精度。

相對精度：這個最大偏差表示為滿刻度模擬電壓的百分數(shù)。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

與單片機接口的考慮，需要考慮：電源要求、邏輯兼容性、定時參數(shù)、外圍硬件及數(shù)據(jù)格式。邏輯兼容性：電源電壓為+5V，其數(shù)字輸入與TTL電平兼容；當電源電壓為+10V~+15V時，其數(shù)字輸入與CMOS電平兼容。因此在進行系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)將邏輯兼容作為一個因素加以考慮。

定時參數(shù)：設(shè)計ADC與微機接口電路時，特別要注意器件定時參數(shù)的極限值。系統(tǒng)控制信號的脈沖寬度、建立時間、保持時間應(yīng)滿足器件的定時要求。考慮到溫漂以及電源電壓的波動對定時的影響。

數(shù)據(jù)格式：8位數(shù)據(jù)寬度的微機的數(shù)據(jù)總線為8位，可與8位ADC直接接口，當與更高分辨率的器件接口，欲轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)須分兩次傳送。

串行數(shù)據(jù)采集器件均需要一個時鐘，用以選通數(shù)據(jù)輸入輸出。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

1.A/D轉(zhuǎn)換位數(shù)的確定

A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)不僅決定采集電路所能轉(zhuǎn)換的模擬電壓動態(tài)范圍，也在很大程度上影響采集電路的轉(zhuǎn)換精度。因此，應(yīng)根據(jù)對采集電路轉(zhuǎn)換范圍與轉(zhuǎn)換精度兩方面的要求選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

(1)轉(zhuǎn)換范圍

若需要轉(zhuǎn)換成有效數(shù)碼（除0以外）的模擬輸入電壓的最大值和最小值分別為Ui,max和Ui,min，A/D轉(zhuǎn)換器前放大器增益為Kg，m位A/D轉(zhuǎn)換器滿量程為E，則應(yīng)使數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計（小信號不被量化噪聲淹沒）（大信號不使A／D轉(zhuǎn)換器溢出）所以，須使通常稱量程范圍上限與下限之比的分貝數(shù)為動態(tài)范圍，即若已知被測模擬電壓動態(tài)范圍為L1，則可按下式確定A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)m，即數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計選擇元器件精度的一般規(guī)則是：每個元器件的精度指標應(yīng)優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右。例如，要構(gòu)成一個誤差為0.1％的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所用的A/D轉(zhuǎn)換器、S/H和MUX組件的線性誤差都應(yīng)小于0.01％，A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差也應(yīng)小于0.01％。

若A/D轉(zhuǎn)換器的量化誤差為±(1/2)LSB，即滿度值的1/2m+1，因此可根據(jù)系統(tǒng)精度指標δ，按下式估算所需A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)m:

例如，要求系統(tǒng)誤差不大于0.1%滿度值（即δ=0.1%），則需要采用N為12位的ADC。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

2.ADC的速率選擇

A/D轉(zhuǎn)換器不僅從啟動轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束需要一段時間(即轉(zhuǎn)換時間，記為tc），而且從轉(zhuǎn)換結(jié)束到下一次再啟動轉(zhuǎn)換也需要一段休止時間（或稱復(fù)位時間、恢復(fù)時間、準備時間等，記為to）。這段時間除了使A/D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部電路復(fù)原到轉(zhuǎn)換前的狀態(tài)外，最主要的是等待CPU讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果和再次發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換的指令。

因此，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率n（單位時間內(nèi)所能完成的轉(zhuǎn)換次數(shù)）應(yīng)由轉(zhuǎn)換時間tc和休止時間to二者共同決定，即AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計轉(zhuǎn)換速率的倒數(shù)稱為轉(zhuǎn)換周期，記為TA/D，即

若A/D轉(zhuǎn)換器在一個采樣周期Ts內(nèi)依次完成N路模擬信號采樣值的A/D轉(zhuǎn)換，則對于集中采集式測試系統(tǒng)，N即為模擬輸入通道數(shù)；對于單路測試系統(tǒng)或分散采集測試系統(tǒng)，則N=1。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

若需要測量的模擬信號的最高頻率為fmax，則抗混疊低通濾波器截止頻率fh應(yīng)選取為由于 （其中C為設(shè)定的截頻系數(shù)，一般C>2），則數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計按工作原理劃分，常用的A/D轉(zhuǎn)換器有哪幾種？

（積分型、逐次比較型、V/F型、∑-Δ型）

你都知道哪些A/D傳感器數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549TLC1549系列是美國德州儀器公司生產(chǎn)的具有串行控制、連續(xù)逐次逼近型的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它采用兩個差分基準電壓高阻輸入和一個三態(tài)輸出構(gòu)成三線接口，其中三態(tài)輸出分別為片選(CS低電平有效)，輸入/輸出時鐘(I/OCLOCK)，數(shù)據(jù)輸出(DATAOUT)。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549TLC1549的主要特點10位分辨率

內(nèi)有采樣/保持器

片內(nèi)系統(tǒng)時鐘CMOS工藝滿刻度時總誤差最大僅為±1LSB(4.8mV)，數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549片選端，低電平有效模擬信號輸入端轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出端，在時鐘信號作用下，前次轉(zhuǎn)換結(jié)果以串行方式輸出輸入輸出時鐘,下降沿輸出，最大頻率可達2.1MHz數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549大于280KHz小于280KHz數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549在連續(xù)進行A/D轉(zhuǎn)換時，在上次轉(zhuǎn)換結(jié)果輸出的同時，完成本次轉(zhuǎn)換的采樣，這樣大大提高了A/D轉(zhuǎn)換的速度。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計案例之一：溫度環(huán)境多參數(shù)自動檢測儀的設(shè)計A/D轉(zhuǎn)換器TLC1549試著寫出AD轉(zhuǎn)換程序數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器，也稱為增量調(diào)制轉(zhuǎn)換技術(shù)，內(nèi)部集成了精密比較器、積分器、精密基準電源、電子開關(guān)和脈沖源等功能器件。精度可達18-24位轉(zhuǎn)換時間100~1000us,屬于中速轉(zhuǎn)換器

工作原理：過采樣、量化噪聲整形、數(shù)字濾波和采樣抽取數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7703

∑-Δ型轉(zhuǎn)換技術(shù)和片內(nèi)自校準控制電路

精度高、成本低、工作溫度范圍寬、噪聲低、抗干擾能力強

串口輸出

無需手動進行零點調(diào)節(jié)和增益調(diào)節(jié)

接通電源就開始對輸入信號采樣，無需啟動信號。與雙積分ADC相比較

具有對現(xiàn)場噪聲一樣的抑制能力；

數(shù)據(jù)輸出速率高于雙積分ADC與逐次比較ADC相比較

較高的信噪比，分辨率高、線性度好

模擬電路簡單，無需采樣保持電路適用于工業(yè)過程參數(shù)檢測、遙控檢測和戶外智能化儀器儀表。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD770320位分辨率；最大非線性誤差0.0003%；

滿量程誤差為±4LSB,典型有效值噪聲1.6LSB；

片內(nèi)自校準系統(tǒng)

低通濾波器的轉(zhuǎn)折頻率為0.1~10Hz

數(shù)據(jù)傳輸率為4kHz

靈活的串行口

工作溫度范圍：A/B/C：-40~+85oC，S級為-55~-+125oC

超級功耗：正常工作為40mW,睡眠狀態(tài)為10μW數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7703數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7703數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7703數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7703AD7703的串行數(shù)據(jù)接口的兩種方式由MODE信號選擇。當MODE=1時，工作在片內(nèi)時鐘同步SSC方式，數(shù)據(jù)由片內(nèi)產(chǎn)生的串行時鐘SCLK同步控制輸出。

當MODE=0時，工作在外部時鐘同步SEC方式，這是一種常用方式。數(shù)據(jù)采集之AD轉(zhuǎn)換器的設(shè)計∑-Δ型A/D轉(zhuǎn)換器AD7703欲知詳情，請看網(wǎng)盤數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)揭幕數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計人體心電信號的特點頻率范圍為0～250Hz，主要頻率范圍集中在0.O5～100Hz，幅度約為O～4mV(典型值為1mV),是一種低頻率的微弱雙極性信號。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計人體心電信號的特點頻率范圍為0～250Hz，主要頻率范圍集中在0.O5～100Hz，幅度約為O～4mV(典型值為1mV),是一種低頻率的微弱雙極性信號。心電信號中通?；祀s有其它生物電信號，加之體外以50Hz工頻干擾為主的體外電磁場的干擾，使得心電噪聲背景較強，測量條件比較復(fù)雜。心電信號采集電路具有高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、高共模抑制比、低噪聲及強抗干擾能力等性能。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理心電信號采集電路的任務(wù):從噪聲中提取心電信號，并將它放大到合適的電平提供給A/D轉(zhuǎn)換電路。

案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計想一想，如果完成這些任務(wù)應(yīng)該如何設(shè)計？模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)硬件框圖傳感器數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)硬件框圖從導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)中得到的心電信號先要經(jīng)過前置放大電路，進行初級放大，被處理后的信號具有低噪聲、低漂移、低共模信號等性能。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計前置放大電路采用了AD公司的高性能運放AD620AD620是低價格、低功耗儀用放大器，只需一只外部電阻就可設(shè)置1～1000倍的放大增益。輸入端采用超β處理技術(shù)，使AD620有較低的輸入偏置電流、較高的建立時間和較高的精度，可用于高精確的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。同時，由于AD620具有低噪音，低輸入偏置電流和低功耗的特性，使它非常適合醫(yī)療儀器的應(yīng)用系統(tǒng)(如ECG檢測和血壓監(jiān)視)、多路轉(zhuǎn)換器及干電池供電的前置放大器使用。AD620的引腳封裝形式及基本接法數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計儀用放大器儀用放大器是一種高性能的放大器，可完成對低電平信號進行線性放大、阻抗匹配和抗共模干擾的任務(wù)。對稱性結(jié)構(gòu)可同時滿足對放大器的抗共模干擾能力、輸入阻抗、閉環(huán)增益的時間和溫度穩(wěn)定性等不同的性能要求。AD620內(nèi)部AD620內(nèi)部數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計人體的心電信號主要頻率在0.05Hz~100Hz內(nèi)，根據(jù)心電信號濾波的特點和要求采用高通濾波器和低通濾波器來壓縮通頻帶。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計？？濾波器計算一下截止頻率數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計？？濾波器計算一下截止頻率數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計消除工頻干擾

Q值可調(diào)的非對稱雙T有源帶阻濾波器，可實現(xiàn)用單一電位器調(diào)整陷波器的中心頻率。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計

Q值可調(diào)的非對稱雙T有源帶阻濾波器，可實現(xiàn)用單一電位器調(diào)整陷波器的中心頻率。陷波器中心頻率數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計心電信號的幅度范圍為0.05~5mV，前置放大電路的輸出電平較低，還無法滿足放大要求，為了充分利用A/D分辨率，需要設(shè)計二級放大電路。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護儀采集系統(tǒng)設(shè)計本設(shè)計采用LF444的一路及R18、R19構(gòu)成二級放大電路，通過改變R19的值，就可以調(diào)節(jié)二級放大電路的最佳放大倍數(shù)，從而調(diào)整對心電信號的總的增益倍數(shù)。能完成整體的心電采集設(shè)計嗎？數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理根據(jù)心電采集系統(tǒng)的設(shè)計，能否畫出模擬信號調(diào)理電路的框圖呢？傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路被測信號一般不會與后續(xù)電路的工作范圍直接吻合，多數(shù)可能是比較微弱的信號，因此先送入前置放大器初步放大到后續(xù)電路的工作范圍內(nèi)。對于比較大的被測信號，可以通過衰減手段將其調(diào)整到相應(yīng)的工作范圍內(nèi)，在此環(huán)節(jié)的放大或衰減同時會考慮盡量減少干擾信號的影響的問題，一般會設(shè)計對干擾信號進行一定抑制。主放大器可將濾波后的信號進一步放大到合適范圍，便于后續(xù)A/D轉(zhuǎn)換器的工作。放大器數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路如果是簡單信號，采用一級放大或衰減電路將信號調(diào)整到適合后續(xù)電路工作的電壓范圍內(nèi)即可，這種情況下放大或衰減的倍數(shù)根據(jù)信號的自身特點很容易計算得到，可以直接將電路的參數(shù)調(diào)整到設(shè)計值。比較微弱的信號，要求運算放大器具有低噪聲、低漂移、低輸入偏置電流、非線性度小等特點，避免在放大過程中引入干擾。放大器數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路工作信號復(fù)雜一些的，考慮抗干擾等因素，將其設(shè)計成多級放大電路，在各級放大電路之間加入必要的濾波電路進行信號調(diào)理。對于多級放大電路，需要將放大倍數(shù)分解到各級當中，由于運算放大器的種類較多，根據(jù)信號的特點，一般需要對其工作頻帶、動態(tài)范圍、放大倍數(shù)進行選擇。放大器數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理程控放大器為了在較寬的測量范圍內(nèi)保證必要的測量精度，經(jīng)常采用改變量程的辦法。當改變量程時，測量放大器的增益一般也相應(yīng)地加以改變。這種變化可通過軟件實現(xiàn)，它使儀器的量程能夠方便地自動切換。放大器增益閉合不同的開關(guān)Si，接入不同的反饋電阻。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理隔離放大器隔離放大器輸出端和輸入端各自具有不同的電位參考點，即輸入端和輸出端沒有直接耦合，而是通過光、變壓器或電容等耦合元件耦合。按耦合器件的不同，可分為光電耦合、變壓器耦合和電容耦合三種。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路濾波器濾波電路以濾除信號主要頻率范圍以外的干擾信號，一般濾波電路采樣帶通濾波或低通濾波電路。信號的主要頻率范圍明確，可以設(shè)計帶通濾波電路使只有這一頻率范圍的信號通過，起到很好的濾波作用。如果信號的頻率范圍不是特別明確，一般以濾除高次諧波、耦合等產(chǎn)生的高頻雜波為主，采用低通濾波電路。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路濾波器

高頻干擾多就采用低通濾波器，低頻干擾多就采用高通濾波器，有效信號有明確的頻帶范圍可以采用帶通濾波，干擾信號的頻率很明確可以采用陷波電路。首先清楚原始信號的一些基本參數(shù)，其次了解主要的干擾源的特點，據(jù)此有的放矢地進行設(shè)計。另外數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般對工作速度有一定的要求，信號調(diào)理電路有助于提高信號質(zhì)量，但也要注意不要對整體工作速度帶來太大影響，一般不宜采用過于復(fù)雜、低速的濾波電路。數(shù)據(jù)采集電路傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路采樣/保持器主要是配合A/D轉(zhuǎn)換器工作，A/D轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)部包括這部分電路，就無需進行其他考慮；需要外接配套，則需選擇合適的控制邏輯，使采樣/保持電路的工作時序與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間相對應(yīng)，往往采用同一控制邏輯控制采樣/保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器的同步工作。數(shù)據(jù)采集電路傳感器前置放大器濾波主放大器采集電路A/D轉(zhuǎn)換器為了保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度，首先需要選擇A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，位數(shù)高意味著轉(zhuǎn)換分辨率高，能夠更好地辨識原始信號。其次要考慮轉(zhuǎn)換的速率，轉(zhuǎn)換速率快才能提高整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度，同時較快的轉(zhuǎn)換速率有利于系統(tǒng)保持對原始信號的跟蹤。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特性輸入信號特性在輸入信號的特性方面主要考慮以下問題：信號的數(shù)量、信號的特點、信號的類型、信號的強弱及動態(tài)問題、信號的輸入方式（單端輸入還是差動輸入，單極性還是雙極性，信號源接地還是浮地），信號的頻帶寬度，信號是周期信號還是瞬態(tài)信號，信號中的噪聲及其共模電壓大小，信號源的阻抗。接口特性接口特性包括采樣數(shù)據(jù)的輸出形式（是并行輸出還是串行輸出）、數(shù)據(jù)的編碼格式，與什么數(shù)據(jù)總線相接等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特性系統(tǒng)性能特性系統(tǒng)的通過速率：系統(tǒng)的通過速率又稱為系統(tǒng)速度、傳輸速率、采樣速率或吞吐速率，是指單位時間內(nèi)系統(tǒng)對模擬信號的采集次數(shù)。通過速率的倒數(shù)是通過周期，通常又稱為系統(tǒng)響應(yīng)時間或采集周期，表明系統(tǒng)每采樣并處理一個數(shù)據(jù)所占用的時間，它是設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標，特別對于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)尤為重要。

系統(tǒng)的分辨率：系統(tǒng)的分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量，通常用最低有效位值（LSB）、系統(tǒng)滿刻度值的百分數(shù)（%FSR）或系統(tǒng)可分辨的實際電壓值等來表示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特性系統(tǒng)性能特性系統(tǒng)的精度：系統(tǒng)精度是指當系統(tǒng)工作在額定通過速率下，系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)和實際值之差，它表明系統(tǒng)誤差的總和。應(yīng)該注意，系統(tǒng)的分辨率和系統(tǒng)精度是兩個不同的概念，不能將二者混淆。此外，還應(yīng)考慮系統(tǒng)的非線性誤差，共模抑制比，串模抑制比等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析

采樣頻率引起的誤差

奈奎斯特采樣定理指出：在對連續(xù)時間信號進行采樣時，為保證采樣不失真，應(yīng)使得采樣頻率fs不小于信號最高有效頻率fH的兩倍。如果不滿足奈奎斯特采樣定理，將產(chǎn)生混疊誤差。為了避免輸入信號中雜散頻率分量的影響，在采樣預(yù)處理之前，用截止頻率為fH的低通濾波器，即抗混疊濾波器進行濾波。

另外，可以通過提高采樣頻率的方法消除混疊誤差。在智能儀器或自動化系統(tǒng)中，如有可能，往往選取高于信號最高頻率十倍甚至幾十倍的采樣頻率。采樣誤差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析系統(tǒng)的通過速率與采樣誤差

多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工作過程中，需要不斷地切換模擬開關(guān)，采樣/保持器也交替地工作在采樣和保持狀態(tài)下，采樣是個動態(tài)過程。

采樣/保持器接收到采樣命令后，保持電容從原來的狀態(tài)跟蹤新的輸入信號，直到經(jīng)過捕獲時間tAC后，輸出電壓接近輸入電壓值。采樣保持器輸出電壓達到精度指標（與被測電壓的誤差在0.1%~0.01%范圍之內(nèi)）→捕獲誤差

控制器發(fā)出保持命令后，保持開關(guān)需要延時一段時間（孔徑時間）才能真正斷開，這時保持電容才開始起保持作用。如果在孔徑時間內(nèi)輸入信號發(fā)生變化，則產(chǎn)生孔徑誤差。只要信號變化速率不太快，孔徑時間不太長，孔徑誤差一般可以忽略?！讖秸`差

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析采樣/保持器進入保持狀態(tài)后，需要經(jīng)過保持建立時間ts,輸出才能達到穩(wěn)定?？梢?，發(fā)出采樣命令后，必須延遲捕獲時間tAC

再發(fā)保持命令，才可以使采樣保持器捕獲到輸入信號。發(fā)出保持命令后，經(jīng)過孔徑時間tAP

和保持建立時間ts延遲后再進行A/D轉(zhuǎn)換，可以消除由于信號不穩(wěn)定引起的誤差。多路模擬開關(guān)的切換也需要時間，這一時間是本路模擬開關(guān)的接通時間ton和前一路開關(guān)的斷開時間toff

之和。如果采樣過程不滿足這個時間要求，就會產(chǎn)生誤差。另外，A/D轉(zhuǎn)換需要時間，即信號的轉(zhuǎn)換時間tc

和數(shù)據(jù)輸出時間to

。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析數(shù)數(shù)，剛才我們說了多少個時間系統(tǒng)通過周期（吞吐時間）tTH如果系統(tǒng)中有放大器，上式中還應(yīng)該加上放大器的穩(wěn)定時間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析為了保證系統(tǒng)正常工作，消除系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程中的動態(tài)誤差，模擬開關(guān)對N路信號順序進行等速率切換時，采樣周期至少為NtTH，每通道的吞吐率為設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及選擇器件時，必須使器件的速度指標滿足系統(tǒng)通過速率（吞吐時間）的要求，模擬開關(guān)、采樣/保持器和A/D轉(zhuǎn)換器的動態(tài)參數(shù)必須滿足上式。否則在數(shù)據(jù)采集的過程中，由于模擬開關(guān)的切換未完成，或者采樣保持器的信號未穩(wěn)定，或者A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)輸出未結(jié)束，從而造成采集、轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)誤差很大。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差

模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻Ron的誤差

模擬開關(guān)存在一定的導(dǎo)通電阻，信號經(jīng)過模擬開關(guān)會產(chǎn)生壓降。模擬開關(guān)的負載一般是采樣/保持器或放大器。開關(guān)的導(dǎo)通電阻Ron越大，信號在開關(guān)上的壓降越大，產(chǎn)生的誤差也越大。另外，導(dǎo)通電阻的變化會使放大器或采樣/保持器的輸入信號波動，引起誤差。誤差的大小和開關(guān)的負載的輸入阻抗有關(guān)。一般模擬開關(guān)的導(dǎo)通電阻為100～300Ω，放大器、采樣/保持器的輸入阻抗為106～1012kΩ左右，由導(dǎo)通電阻引起的誤差為輸入信號的1/(103～109)左右，可以忽略不計。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差多路模擬開關(guān)泄漏電流Is引起的誤差

模擬開關(guān)斷開時的泄漏電流Is一般在1nA左右，當某一路接通時，其余各路均斷開，它們的泄漏電流Is都經(jīng)過導(dǎo)通的開關(guān)和這一路的信號源流入?yún)⒖嫉?，在信號源的?nèi)阻上產(chǎn)生電壓降，引起誤差。例如，一個8路模擬開關(guān)，泄漏電流Is為1nA，信號源內(nèi)阻為50Ω，斷開的7路泄漏電流Is在導(dǎo)通這一路的信號源內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降為1×10-9×7×50=0.35μV數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差采樣保持器衰減率引起的誤差

在保持階段，保持電容的漏電流會使保持電壓不斷地衰減，衰減率dU/dt為

ID——流入保持電容CH的總泄漏電流；包括采樣保持器中的緩沖放大器的輸入電流和模擬開關(guān)截止時的漏電流以及電容內(nèi)容的漏電流。

CH——保持電容容值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差

放大器的誤差

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要使用放大器對信號進行放大并歸一化。如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用分散式，則給每路設(shè)置一個放大器，將信號放大后再傳輸。如果采用集中式且不要求同步采樣，多路信號可共用一個可程控放大器。由于多路信號幅值的差異可能很大，為了充分發(fā)揮A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，又不使其過載，可以針對不同信號的幅度，調(diào)節(jié)程控放大器的增益，使加到A/D轉(zhuǎn)換器輸入端的模擬電壓幅值滿足UFS/2≤Ui≤UFS(UFS表示A/D轉(zhuǎn)換器允許輸入的最大模擬電壓幅值)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差的計算

在分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差時，必須對各部分電路進行仔細分析，找出主要矛盾，忽略次要的因素，分別計算各部分的相對誤差，然后進行誤差綜合。如果誤差項在五項以上，按均方根形式綜合為宜；如果誤差項在五項以下，則按絕對值和的方式綜合為宜。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差按均方根形式綜合誤差的表達式為按絕對值和方式綜合誤差的表達式為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例設(shè)計一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

給定精度要求、工作溫度、通道數(shù)目和信號特征等條件；

根據(jù)條件，初步確定通道的結(jié)構(gòu)方案和選擇元器件。

確定通道的結(jié)構(gòu)方案后，根據(jù)通道的總精度要求，給各個環(huán)節(jié)分配誤差，以便選擇元器件。

初步選定各個元器件之后，根據(jù)各個元器件的技術(shù)特性和元器件之間的相互關(guān)系核算實際誤差，并且按絕對值和的形式或方均根形式綜合各類誤差，檢查總誤差是否滿足給定的指標。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例設(shè)計一個遠距離測量室內(nèi)溫度的模擬輸入通道。已知滿量程為100oC，共有8路信號，要求模擬輸入通道的總誤差為±1.0oC（即相對誤差±1%），環(huán)境溫度為25oC±15oC，電源波動為±1%。根據(jù)要求，畫出該采集系統(tǒng)的框圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例設(shè)計一個遠距離測量室內(nèi)溫度的模擬輸入通道。已知滿量程為100oC，共有8路信號，要求模擬輸入通道的總誤差為±1.0oC（即相對誤差±1%），環(huán)境溫度為25oC±15oC，電源波動為±1%。1.方案選擇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例2.誤差分配

由于傳感器和信號放大電路是整個通道總誤差的主要部分，故將總誤差的90％（即±0.9℃的誤差）分配至該部分。該部分的相對誤差為0.9％，數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換部分和其它環(huán)節(jié)的相對誤差為0.1％。3.初選元器件與誤差估算傳感器的選擇與誤差估算

由于是遠距離測量，且測量范圍不大，故選擇電流輸出型集成溫度傳感器AD590K。由技術(shù)手冊可查出：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例

(1)AD590K的線性誤差：AD590K的線性誤差為0.20℃。

(2)AD590K的電源抑制誤差：當+5V≤Us≤+15V時，AD590K的電源抑制系數(shù)為0.2℃/V?，F(xiàn)設(shè)供電電壓為10V，Us的變化為0.1％，則由此引起的誤差為0.002℃。

(3)電流電壓變換電阻的溫度系數(shù)引入的誤差：AD590K的電流輸出傳至采集系統(tǒng)放大電路，需先經(jīng)電阻變?yōu)殡妷盒盘?。電阻值?kΩ，該電阻誤差選為0.1％，電阻溫度系數(shù)為10×10-6/℃，AD590K的靈敏度為1μA/℃，在0℃時的輸出電流為273.2μA。所以，當環(huán)境溫度變化15℃時，它所產(chǎn)生的最大誤差電壓（當所測量溫度為100℃時）為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例信號放大電路的誤差估算

AD590K的電流輸出經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換成最大量程為100mV的電壓，而AD轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入電壓為10V，故需加一級放大電路，現(xiàn)選用儀用放大電路AD522B，在放大器輸入端加一偏置電路。將傳感器AD590K在0℃時的輸出值273.2mV進行偏移，以使0℃時的輸出電壓為零。為此，尚需一個偏置電源和一個分壓網(wǎng)絡(luò)，由AD580LH以及R2、RP1、R3構(gòu)成的電路如圖5所示。偏置后，100℃時AD522B的輸出信號為10V，顯然放大器的增益為100。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例信號放大電路的誤差估算(1)參考電源AD580LH的溫度系數(shù)引起的誤差;(2)電阻電壓引入的誤差;(3)儀用放大器AD522B的共模誤差;(4)AD522B的失調(diào)電壓溫漂引起的誤差;(5)AD522B的增益溫度系數(shù)產(chǎn)生的誤差;(6)AD522B線性誤差.

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例

(1)參考電源AD580LH的溫度系數(shù)引起的誤差：AD580LH用來產(chǎn)生273.2mV的偏置電壓，其電壓溫度系數(shù)為25×10-6/℃，當溫度變化±15℃時，偏置電壓出現(xiàn)的誤差為相當于0.1℃。

(2)電阻電壓引入的誤差：電阻R2和R3的溫度系數(shù)為±10×10-6/℃，±15℃溫度變化引起的偏置電壓的變化為相當于0.04℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例

(3）儀用放大器AD522B的共模誤差：其增益為100，此時的共模抑制比的最小值為100dB，共模電壓為273.2mV，