数据采集系统【高教知识】.ppt
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1、第4章 数据采集系统,1,数据采集系统的作用和结构图,将从信号调理电路获取的模拟信号转换成数字信号,以便微机系统对数字信号进行处理。整个数据采集系统必须在微机系统的协调管理下才能正常工作。,2,微机信号采集系统的构成框图,3,4.1 多路选择开关,用来切换模拟电压信号输入的关键元件。理想的多路开关其开路电阻为无穷大,其接通时的导通电阻为零。常用的多路开关有CD4051(或MC14051),AD7501等。 多路选择开关的主要作用是将多路模拟信号分时轮流送给后端数据采集电路进行A/D转换。这样多路模拟输入信号可以共用一个A/D转换器。,4,真值表,5,CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通
2、哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端,当 “INH”=1时,各通道均不接通。此外,CD4051还设有另外一个电源端VEE,以作为电平位移时使用,从而使得通常在单组电源供电条件下工作的 CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关,并使这种多路开关可传输峰峰值达15V的交流信号。例如,若模拟开关的供电电源VDD=5V, VSS=0V,当VEE=5V时,只要对此模拟开关施加05V的数字控制信号,就可控制幅度范围为5V5V的模拟信号。,6,多路模拟开关的扩展电路,7,韶山型SS7D电力机车微机控制用多路开关,8,4.2 采样保持器,A/D转换器完成一次A
3、/D转换总需要一定的时间。在进行A/D转换时间内,希望输入信号不再变化,以免造成转换误差。这样,就需要在A/D转换器之前加入采样保持器。 如果输入信号变化很慢,如温度信号;或者A/D转换时间较快,使得在A/D转换期间输入信号变化很小,在允许的A/D转换精度内,就不必再选用采样保持器。,9,1. 采样保持的基本特性,捕捉时间:从发出采样指令的时刻起,直到输出信号稳定地 跟踪上输入信号为止,所需的时间定义为捕捉时间 关断时间:从发出保持指令的时刻起,直到输出信号稳定下来为止,所需的时间定义为关断时间。(引起孔径误差),捕捉时间长,电路的跟踪特性差,关断时间长,电路的保持特性不好,它们限制了电路的工
4、作速度。,对采样保持电路的主要要求:精度和速度,10,2.采样保持器基本原理,(1)串联型采样保持器,采样保持电路的基本组成: 模拟开关 模拟信号保持电容 缓冲放大器,由于运放误差影响,精度差,11,反馈型采样保持器原理及波形,(2)反馈型采样保持器,CH的选择很重要,容量为5101000pF 为避免在保持阶段A1出现饱和,需要在A1 的反相端和输出端接一个二极管.,12,采样保持器是在两次采样的间隔时间内,一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如上图(a)、(b)所示。 采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样期间,开关S闭合,
5、输入电压VIN通过A1对CH快速充电,输出电压VOUT跟随VIN变化;保持期间,开关S断开,由于A2的输入阻抗很高,理想情况下电容CH将保持电压VC不变,因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。,13,显然,保持电容C H的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降,这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为 式中: ID-为保持期间电容的总泄漏电流,它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。 电容CH值-增大电容CH值可以减小电压变化率,但同时又会增加充电即采样时间,因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下,保持电容CH
6、是外接的,所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器,容量为5101000pF。,14,模拟开关:要求模拟开关的导通电阻小,漏电流小,极间电容小和切换速度快。 保持电容:要选用介质吸附效应小的和泄漏电阻大的电容。如聚苯乙烯、钽电容和聚碳酸脂电容器等。 运算放大器:选用输入偏置电流小、带宽宽及转换速率(上升速率)快的运算放大器;输入运放还应具有大的输出电流。,元件参数及性能要求:,15,常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等,其内部结构和引脚如下图 (a)、(b)所示。这里,用TTL逻辑电平控制采样和保持状态,如AD582的采样电平为“0”,保持电平为“1”,而L
7、F198的则相反。,集成采样保持器,3、集成采样保持器应用(反馈型),LF398,AD582,16,在A/D通道中,采样保持器的采样和保持控制电平应与后级的A/D转换相配合,该电平信号既可以由其它控制电路产生,也可以由A/D转换器直接提供。 总之,采样保持器在采样期间,不启动A/D转换器,而一旦进入保持期间,则立即启动A/D转换器,从而保证A/D 转换时的模拟输入电压恒定,以确保A/D转换精度。,17,4.3 A/D转换器,A/D转换器的作用是将模拟量转换成与其有一定关系的数字量,A/D转换器是微机系统与信号调理电路的桥梁。A/D转换器分类方式: 1.按照转换量的关系 (1)直接转换型 (2)
8、间接转换型(V-T,V-F) 2.按照转换时间 (1)低速型(转换时间为mS级) (2)中速型(转换时间为uS级) (3)高速型(转换时间为nS级),18,一、A/D转换的原理,1逐位逼近式A/D转换原理,一个n位A/D转换器是由n位寄存器、n位D/A转换器、运算比较器、控制逻辑电路、输出锁存器等五部分组成。现以4位A/D转换器把模拟量9转换为二进制数1001为例,说明逐位逼近式A/D转换器的工作原理。如下图所示。,19,逐位逼近式A/D转换原理图,20,当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下: 首先使寄存器的最高位D3 1,其余为0, 此数字量1000经D/A转换器转换成模拟电压即VO
9、8,送到比较器输入端与被转换的模拟量VIN = 9进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。当VIN VO,则保留D3 = 1; 再对下一位D2进行比较,同样先使D2 1,与上一位D3位一起即1100进入D/A转换器,转换为VO 12再进入比较器,与VIN 9比较,因VIN VO,则使D2 0; 再下一位D1位也是如此,D1 1即1010,经D/A转换为VO = 10,再与VIN 9比较,因VIN VO,则使D1 0; 最后一位D0 1-即1001经D/A转换为VO 9,再与VIN 9比较,因VIN VO,保留D0 1。比较完毕,寄存器中的数字量1001即为模拟量9的转换结果,存在输出锁存器
10、中等待输出。,21,一个 n 位A/D转换器的模数转换表达式是 式中 n n位A/D转换器; VR+、VR- 基准电压源的正、负输入; VIN要转换的输入模拟量; B转换后的输出数字量。 即当基准电压源确定之后,n位A/D转换器的输出数字量B与要转换的输入模拟量VIN呈正比。,22,例题3-2:一个8位A/D转换器,设VR+ = 5.02 V, VR = 0 V,计算当VIN分别为0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量。 解:把已知数代入公式: 0 V、2.5 V、5 V时所对应的转换数字量分别为00H、80H、FFH。 此种A/D转换器的常用品种有普通型8位单路ADC0801ADC0
11、805、8位8路ADC0808/0809、8位16路ADC0816/0817等,混合集成高速型12位单路AD574A等。,23,2双积分式A/D转换原理,双积分式A/D转换原理图,24,双积分式A/D转换原理如上图所示,在转换开始信号控制下,开关接通模拟输入端,输入的模拟电压VIN 在固定时间T内对积分器上的电容C充电(正向积分),时间一到,控制逻辑将开关切换到与VIN极性相反的基准电源上,此时电容C开始放电(反向积分),同时计数器开始计数。当比较器判定电容C放电完毕时就输出信号,由控制逻辑停止计数器的计数,并发出转换结束信号。这时计数器所记的脉冲个数正比于放电时间。 放电时间T1或T2又正比
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