智能儀器技術(shù) 課件 5.6 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之信號調(diào)理

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)揭幕數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理信號調(diào)理：將待測信號通過放大、隔離、濾波等操作轉(zhuǎn)換為采集設(shè)備能夠識別的標(biāo)準(zhǔn)信息。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都需要信號調(diào)理硬件，用于將原始信號以及傳感器輸出接口到數(shù)據(jù)采集板上，可極大的改善數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能。（信噪比）信號調(diào)理信號放大電壓放大儀用放大器運(yùn)算放大器差動放大器程控放大器特殊放大器功率放大信號濾波無源濾波器：RC（低頻）、LC濾波器（高頻）有源濾波器：低通、高通、帶通、帶阻等數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)胸部導(dǎo)聯(lián)肢體導(dǎo)聯(lián)右小腿的夾子所起的作用就是排除靜電耦合電容引起的位移電流產(chǎn)生的干擾。其余三個(gè)肢體夾子在后端分別連接到由放大器組成的放大電路中。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人體心電信號的特點(diǎn)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)人體心電信號的特點(diǎn)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(qiáng)，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(qiáng)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):從噪聲中提取微弱的心電信號，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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)想一想，如果完成這些任務(wù)應(yīng)該如何設(shè)計(jì)？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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)便攜式心電監(jiān)護(hù)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)討論1：前置放大器的作用是什么？數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.差模信號--有用的信號2.共模信號--干擾信號前置放大器的作用：---放大帶有一定共模干擾的微弱的差模信號。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要什么樣的放大電路呢？前置放大器的作用：---放大帶有一定共模干擾的微弱的差模信號。--高輸入阻抗、高共模抑制比誤差小、穩(wěn)定性好的放大電路。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀用放大器

使用了輸入緩沖而讓輸入阻抗超級大，幾乎可以與任何信號源匹配，適用于測量類電路。很低的直流偏置電壓、低漂移、低噪聲、高開環(huán)增益、高共模抑制比、高輸入阻抗等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)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(shí)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(shí)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)前置放大電路采用了AD公司的高性能運(yùn)放AD620AD620是低價(jià)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(shí)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(shí)，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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)儀用放大器共模抑制比：評價(jià)運(yùn)放去除共模信號，放大差模信號的能力。用字母CMRR表示。共模抑制比高說明運(yùn)放對去除共模信號的能力越強(qiáng)，性能越好。AD620共模抑制比為100db已知從人體的左右手臂上獲得心電信號，心電信號的幅度大約為2mV，使用導(dǎo)向把心電信號輸入運(yùn)放中就可以放大并從輸出端用示波器觀察心電波形。由于在輸入運(yùn)放之前，導(dǎo)向暴露在環(huán)境中，市電的50Hz工頻干擾會耦合到導(dǎo)線中形成共模噪聲信號，幅度約為5mV。為了能在示波器上觀察到心電信號，并且要求心電信號的幅度為5V，噪聲信號不超過50mV,則需要共模抑制比多大的運(yùn)放[填空1]

db，運(yùn)放AD620是否滿足要求[填空2]（回答滿足或不滿足）

作答填空題2分?jǐn)?shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(diǎn)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)低通濾波器設(shè)計(jì)低通濾波器的截止頻率為150Hz,假定電容為470nF,則得電阻參數(shù)為：高通濾波器設(shè)計(jì)高通濾波器的截止頻率為0.04Hz,假定電容為1uF,則得電阻參數(shù)為：數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶通濾波器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集之模擬信號調(diào)理案例:便攜式心電監(jiān)護(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Q值可調(diào)的非對稱雙T有源帶阻濾波器，可實(shí)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(hù)儀采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)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(jì)嗎？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作業(yè)：根據(jù)模擬信號調(diào)理電路的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)一個(gè)電子聽診器的電路，說明每個(gè)電路的作用，參數(shù)怎么選擇的。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高輸入阻抗，反應(yīng)時(shí)間短

頻率響應(yīng)范圍寬

高抗共模干擾能力

低漂移、低噪聲及低輸出阻抗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選擇放大器的基本要求數(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(shí)會考慮盡量減少干擾信號的影響的問題，一般會設(shè)計(jì)對干擾信號進(jìn)行一定抑制。主放大器可將濾波后的信號進(jìn)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(diǎn)很容易計(jì)算得到，可以直接將電路的參數(shù)調(diào)整到設(shè)計(jì)值。比較微弱的信號，要求運(yùn)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(diǎn)，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(jì)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(jìn)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(dāng)中，由于運(yùn)算放大器的種類較多，根據(jù)信號的特點(diǎn)，一般需要對其工作頻帶、動態(tài)范圍、放大倍數(shù)進(jìn)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(dāng)改變量程時(shí)，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(shí)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(diǎn)，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(jì)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（帶阻濾波器）。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(diǎn)，據(jù)此有的放矢地進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(jìn)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(shí)序與A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速度，同時(shí)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(jì)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：

接口特性信號的數(shù)量、信號的特點(diǎn)、信號的類型、信號的強(qiáng)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(jì)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(shí)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(shí)間或采集周期，表明系統(tǒng)每采樣并處理一個(gè)數(shù)據(jù)所占用的時(shí)間，它是設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要指標(biāo)，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?jǐn)?shù)（%FSR）或系統(tǒng)可分辨的實(shí)際電壓值等來表示。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dāng)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(shí)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(gè)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(jì)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(shí)間信號進(jìn)行采樣時(shí)，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(jìn)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(jì)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(gè)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(shí)間tAC后，輸出電壓接近輸入電壓值。采樣保持器輸出電壓達(dá)到精度指標(biāo)（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(shí)一段時(shí)間（孔徑時(shí)間）才能真正斷開，這時(shí)保持電容才開始起保持作用。如果在孔徑時(shí)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(shí)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(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析采樣/保持器進(jìn)入保持狀態(tài)后，需要經(jīng)過保持建立時(shí)間ts,輸出才能達(dá)到穩(wěn)定?？梢姡l(fā)出采樣命令后，必須延遲捕獲時(shí)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(shí)間tAP

和保持建立時(shí)間ts延遲后再進(jìn)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(shí)間，這一時(shí)間是本路模擬開關(guān)的接通時(shí)間ton和前一路開關(guān)的斷開時(shí)間toff

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

和數(shù)據(jù)輸出時(shí)間to

。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)時(shí)間系統(tǒng)通過周期（吞吐時(shí)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(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)行等速率切換時(shí)，采樣周期至少為NtTH，每通道的吞吐率為設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及選擇器件時(shí)，必須使器件的速度指標(biāo)滿足系統(tǒng)通過速率（吞吐時(shí)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(jì)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(fù)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(fù)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(jì)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)的泄漏電流Is一般在1nA左右，當(dāng)某一路接通時(shí)，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(gè)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(jì)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(shí)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(jì)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(jìn)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)算

在分析數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差時(shí)，必須對各部分電路進(jìn)行仔細(xì)分析，找出主要矛盾，忽略次要的因素，分別計(jì)算各部分的相對誤差，然后進(jìn)行誤差綜合。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分析模擬電路的誤差誤差項(xiàng)在五項(xiàng)以上，按均方根形式綜合誤差的表達(dá)式為誤差項(xiàng)在五項(xiàng)以下，按絕對值和方式綜合誤差的表達(dá)式為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例設(shè)計(jì)一個(gè)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(gè)環(huán)節(jié)分配誤差，以便選擇元器件。

初步選定各個(gè)元器件之后，根據(jù)各個(gè)元器件的技術(shù)特性和元器件之間的相互關(guān)系核算實(shí)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(biāo)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)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(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)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(jì)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(gè)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(yuǎn)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(jì)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(dāng)+5V≤Us≤+15V時(shí)，AD590K的電源抑制系數(shù)為0.2℃/V。現(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0.02℃。

(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(shí)的輸出電流為273.2μA。所以，當(dāng)環(huán)境溫度變化15℃時(shí)，它所產(chǎn)生的最大誤差電壓（當(dāng)所測量溫度為100℃時(shí)）為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)的輸出值273.2mV進(jìn)行偏移，以使0℃時(shí)的輸出電壓為零。為此，尚需一個(gè)偏置電源和一個(gè)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(shí)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(jì)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(jì)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(dāng)溫度變化±15℃時(shí)，偏置電壓出現(xiàn)的誤差為相當(dāng)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(dāng)于0.04℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)的共模抑制比的最小值為100dB，共模電壓為273.2mV，故產(chǎn)生的共模誤差為該誤差可以忽略。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例

(4)AD522B的失調(diào)電壓溫漂引起的誤差：它的失調(diào)電壓溫度系數(shù)為±2μV/℃，輸出失調(diào)電壓溫度系數(shù)為±25μV/℃，折合到輸入端，總的失調(diào)電壓溫度系數(shù)為±2.5μV/℃。溫度變化為±15℃時(shí)，輸入端出現(xiàn)的失調(diào)漂移為相當(dāng)于0.03℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例(5)AD522B的增益溫度系數(shù)產(chǎn)生的誤差：它的增益為1000時(shí)的最大溫度系數(shù)等于±25×10-6/℃，增益為100時(shí)，溫度系數(shù)要小于這一數(shù)值，如仍取這一數(shù)值，且設(shè)所用增益電阻溫度系數(shù)為±10×10-6/℃，則最大溫度增益誤差（環(huán)境溫度變化為±15℃）為在100℃時(shí)，該誤差折合到放大器輸入端為0.05mV，相當(dāng)于0.05℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例(6)AD522B線性誤差：其非線性在增益為100時(shí)近似等于0.002％，輸出10V擺動范圍產(chǎn)生的線性誤差為相當(dāng)于0.2℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例現(xiàn)按絕對值和的方式進(jìn)行誤差綜合，則傳感器、信號放大電路的總誤差為若用方和根綜合方式，這兩部分的總誤差為估算結(jié)果表明，傳感器和信號放大電路部分滿足誤差分配的要求。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例A/D轉(zhuǎn)換器、采樣/保持器和多路開關(guān)的誤差估算

因?yàn)榉峙浣o該部分的總誤差不能大于0.1％，所以A/D轉(zhuǎn)換器、采樣/保持器、多路開關(guān)的線性誤差一般應(yīng)小于0.01％。為了能正確地做出誤差估算，需要了解這部分器件的技術(shù)特性。(1)A/D轉(zhuǎn)換器為AD5420BD，其有關(guān)技術(shù)特性如下：

線性誤差為0.012％（FSR）；微分線性誤差為±0.5LSB；增益溫度系數(shù)（max）為±25×10-6/℃；失調(diào)溫度系數(shù)（max）為±7×10-6/℃；電壓靈敏度在±15V時(shí)為±0.004％，在±5V時(shí)為±0.001％；輸入模擬電壓范圍為±10V；轉(zhuǎn)換時(shí)間為5μs。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差分配舉例(2)采樣/保持器為ADSHC－85，其有關(guān)技術(shù)特性如下：

增益非線性為±0.01％；增益誤差為±0.01％；增益溫度系數(shù)為±10×