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当前位置:首页 > 行业资料 > 其它行业文档 > 智能仪器-第4章 数据采集系统设计
第四章数据采集系统设计引言现实世界艺术世界模拟量电的模拟信号数字信号合符逻辑存储,容易运算,有较强的抗干扰能力数据采集、分配系统数据采集系统是这样一种电路系统,它把从传感器或其他方式得到的模拟信号,经过必要的处理后转换成数字信号,以供存储,传输,处理和显示之用。数据分配系统则是这样一种电路系统,把计算机或其它方式提供的数字信号转换成模拟信号,经必要的处理(如滤波、功率放大等)后送给执行机构。本章主要介绍这两种系统的一般结构,简述它们的各自组成部分的工作性能,举例说明系统的工作过程,以及关于系统的设计考虑、元器件的选择、误差分析等问题。4.1数据采集系统应用广泛,例如:•数据遥控系统•脉冲编码与调制通信•自动测控系统•数据采集控制系统•瞬态数据记录系统•视频信号处理系统等。数据采集系统的组成综合上所述,一个数据采集系统的电路结构设计以及元部件的选择,首先要考虑的关键性能是:•分辨率和精度;•要监测的模拟信号的通道数目;•每个通道的采样率;•系统的模拟信号通过率;•信号修整的需要。•价格;仔细分析以上的各项因素,目的是力求得到既满足数据采集性能要求又在价格上最为经济的数据采集系统。可能的典型结构包括4.2数据转换的理论基础采样时间离散量化(幅值离散)编码(数字信号)因此,采样,量化和数字信号所用的码制,作为数据转换的理论基础。一、采样采样过程就是用从原始函数“切割”出来的不连续函数代替原始连续的函数,只要满足一定条件,采样得到的不连续函数可以精确地描述原始连续函数。采样定理:一个频带限制在(0,fH)之内的在时间上连续的信号x(t),如果以1/2fH(s)时间间隔对它进行等间隔的采样,则x(t)将被所采样值完全确定。可以用理想的低通滤波器准确地恢复x(t)。换句话说,为了能够准确恢复x(t),采样频率至少应是x(t)中最高频率的(fH)两倍,f≥2fH理想采样脉冲是不可能得到的,实际使用的采样脉冲总有一定的宽度。两种具体的采样方式模拟采样采样和保持定理证明轻松一刻二、量化量化实际上是一种运算。在数字系统中。数字量是离散的,是用一个称为量子Q的基本单位来度量的。如一个n位二进制数码共有N=2N个离散值,即预先规定有2N个电平,基本度量单位Q就等于满量程的1/2N。模拟量的量化就是读出模拟量有多少个Q,并以1/2N个电平中最近似的一个来代替。右图表示量化过程的输入输出关系输入输出0Q2Q3QQ2Q3Q特性是阶梯状,每个台阶宽度称为量化带在理想的情况下,量化带就等于一个量子Q,输入模拟量的幅度在nQ与(n+1)Q之间时,输出都以nQ表示,这是以有限的量化值代替无限的模拟量的必然过程,其结果就存在着量化误差。量化误差ε小于量子Q,-Q/2εQ/2。当输入模拟信号随时间而变化时,代表被量化了的信号将呈阶梯状,如右图所示:tQ2Q3Qt2Q2Q误差决定于量子电平Q和输入信号v(t)的电平。当量子电平与信号幅度相比足够小时,量化误差的影响可作为噪声考虑,称为量化噪声。量化噪声的频率与信号v(t)曲线的斜率有关,相应于v(t)最大斜率的噪声频率决定于信号v(t)频谱的最高频率。作为一次近似,量化噪声的静态分布可以认为是均匀的。误差可按一系列在之间的斜率不同的线性段处理。)(t)(t2Qtt1-t1-Q/2Q/2ε设α为时间间隔-t1到t1内直线段的斜率t12)(22211QdttQtt式中v位模拟信号电度满度值,因为Q=V/2n故由于量化噪声产生的信噪比为22222)(1212)(QVQVVNS(**)nNS2212nNSdB02.68.10或1122tQtQ误差则其均方误差所以,二进制码的位数n每增加一位,即量子Q每减小一半,信噪比将改善6dB。线性量化(或叫均匀量化),在整个模拟输入满量程范围内,每个量化带都是相等的,等于量子Q=V/2N.这种线性量化的缺点是当信号幅度变化时,信噪比也随着变化。信号小时,信噪比也减小,式(**)反映出这一问题。当信号小于满量程时,信噪比将比例于V2下降。为了克服这一缺点,可以采用非线性(非均匀)量化。处理方法:◆先对模拟信号进行非线性压缩,通常采用对数压缩,然后再进行均匀量化。在这种处理下,对于原始信号,量子不再恒定,信号大时量子电平大,信号小时量子电平小。在输入信号动态范围达3-4个数量级的情况下,可以得到恒定的信噪比.◆直接使用对数量化器.如对数A/D转换器。三.码制一个数可以用不同的计数制来表示,在计算机中,数采用二进制,其规律为“逢二进一”。二进制的数由许多位组成。数的最左端叫做最高有效位,以符号“MSB”表示,数的最右端位叫最低有效位,以“LSB”表示。二进制的每一位有两个可能的状态“0”、“1”。二进制数的每一位的贡献为其右边一位贡献的两倍。码作为一个数,代表一个模拟变量,只有当码和码制间的关系被定义后码才具体代表该模拟量的某一个量值.二进制码单极性二进制码用以代表单一极性的模拟信号双极性二进制码用以代表极性交替的或正或负的模拟信号自然二进制码二一十进制码(BCD码)反射二进制码(格雷码)符号幅度码偏移二进制码2的补码1的补码综上所述,在数据转换应用中,偏移二进制码最为常用,其电路最易实现,但极易转换成最适合于代数运算的2的补码,1的补码则很少被利用。§4.3数/模转换器(DAC)DAC是一种把数字信息转换为模拟信息的器件,它既包含有数字电路部分,又包含有模拟电路部分,因此是一种混合系统。一个二进制的数字,如果有n位,则有2n个二进制的组合。因此,DAC就要具备2n个分立的模拟电压或电流,与不同的数字一一对应,这2n个模拟量通常用一个非常稳定的基准电压Vr通过网络而得到。网络可以由电阻和开关组成,也可以由电容和开关组成,因此而构成不同工作原理的DAC类型,本节将阐述这些不同类型DAC的原理,特性参数、参数的测试方法及其应用。一.DAC的工作原理直接DAC:直接将输入二进制码转换成模拟信号(串行输入,并行输入)间接DAC:通过中间参数间接地转换输入码(一)并行DAC:最为常见的类型,其基本结构可以直接从传输函数推演得到。为了把输入二进制码转换成模拟输出,并行DAC应有的传输函数为:)222(22110nnraaaVV式中:V0是转换输出的模拟电压;a1,a2,a3,…,an是并行输入码各位的值,或“0”或“1”,Vr是刻度因子。从上式可见DAC的基本结构部件应包括一个基准电压源Vr;一个按二进制加权的网络系统,一个受输入数码各位控制的开关系统.ai为1时与该位对应的开关接通;ai为0时则断开;一个求和器,把有关各位的权电压相加。因为电流相加比电压相加更容易实现。为此上式可改写为:)222(2210RVaRVaRVaRVnrnrr上式中括号内各项是与数字输入各位对应的权电流,括号内各项相加再乘R,就是把各位权电流求和后进入电流/电压变换器,给出与数字输入码对应的模拟输出电压V0,求和器及电流/电压变换器可用下图所示电路实现。图中A是运放。必须十分仔细选择运放,应使它对DAC性能的影响尽可能减小。后面对此将详细讨论。下图并行DAC的功能框图A+-V0Vr……R2R22Rn2并行DAC的功能框图11Ia22IannIaR+-V0……AR电路中利用权电阻把基准电压Vr变为权电流。起通断作用的开关被各自相应的二进制输入位所控制。根据该位是1或0,开关接通断开相应的权电流是否送到放大器与其他位的权电流相加。RVIiri2并行DAC的种类很多,其最主要的区别是实现加权的方法不同。此外,为提高DAC的性能而采取的电路措施也有不同。下面我们对几种主要类型的并行DAC分析讨论。首先把输入数字信号仅限于自然二进制码,相应于单极性,一般是正的信号。最后再讨论相应于双极性的DAC结构和使用。1.权电阻DAC——最简单的DAC前面给出DAC框图便是这种转换器框图,这里我们再给出另一种结构。可以看出此图与上图的基本工作原理是相同的,都是有基准源经权电阻2iR产生权电流,两者不同之处在于开关与权电阻互换了位置。A+-V0Vr…R2R22Rn2R这样更改带来二个好处:(1).不论开关在什么位置,流过2iR的电流始终不变,开关位置不同只是把权电流引向求和点,或者直接入地。我们知道,用集成电路工艺制造的电阻(这里主要是薄膜电阻),对地存在寄生电容,电阻越大,寄生电容也越大。现在流过电阻的电流不随输入码的改变,保持为恒定的直流,寄生电容就没有充放电的问题。因此,减少了转换时间。(2).基准源Vr提供的总电流是恒定的。不因输入码而改变,这就是Vr容易保持稳定,有利于提高DAC的精度。不过,这样改动也带来一个缺点:前图中,设Vr内阻极小,从运放的求和点往电阻网络看,网络的等效电阻是恒定的,与各位开关的闭合,断开无关。在上图中,网络的等效电阻则是随开关位置不同而变化的,运放反相输入端的偏置电流将流过这个电阻,所以电路的求和点将会产生一个与输入码有关的误差电压,并反映在模拟输出端。比较前图中电路求和点的误差电压是恒定的,与输入码无关,因而可以补偿掉。为了避免过大误差,上图中的运放应为小的输入电流型。权电阻网络结构虽因为简单而在最初颇有吸引力,但是随着DAC位数的增加,必要的精度就难以保证,误差来源主要是权电阻,开关和运放。首先,权电阻网络中,电阻阻值按比例从1到2n-1,位数n较大时,最高位权电阻与最低位权电阻相差很大,由于基准源Vr提供电流的能力有限,最高位权电阻2R不能太小,例如2R=10KΩ。当n=11位,最低位权电阻2nR≈20MΩ,事实上在集成电路工艺中是不可能用同一材料来制造如此宽范围的电阻的,况且还要求这些电阻有相同的公差和相同的温度系数。其次,流过各个开关的电流也是按1到2n-1比例递减的,位数n较大时,最低位的权电流将小到可以和开关断开时的漏电流接近。同时运放的偏移(失调)、温漂也足以与最低位权电流相接近。这些都大大降低了DAC的精度。出于上述考虑,完全的权电阻网络在DAC中很少采用。2.倒R—2R电阻网络DAC(目前用得最多的一种DAC结构)……Vr2Ra1R2Ra22RanR2RRV0-+它的权电流产生原理可用下述方法分析2RVr2RI12R2R2RRVrR……2R2RExplain2R2R2RRI1Vr……I1/2上面电路DAC的缺点是:从运放求和点向电阻网络看网络的输出电阻是随输入数码而变化的,图示出了几种特例。设R=10KΩ,2R=20KΩ,当输入数字码全为“1”时,很容易算出等效电阻R0=10KΩ,当输入数字码全为“0”时,电阻网络输出阻抗R0位无穷大。实际上,开关有漏电流,电阻网络输出阻抗仍呈现为一有限电阻Roff。电阻网络的输出阻抗是随输入数码而改变的。……Vr2Ra1R2Ra22RanR2RRV0-+上述现象对DAC的影响要结合运放的实际情况一起分析:(1).只考虑运放的输入失调电压Vos。ΔVoesR0RF=10KΩVosR0//10kΩ-+从右图可以看出,输出误差电压为:)/1(0RRVVFosoerFosoerosRVVRV0当输入数码全为“1”时R0=RF=10KΩΔVoes=2Vos.当输入数码为“00…00”时,ΔVoer=Vos。这种误差电压随输入数码而改变的现象称为输入失调电压的调制作用。对于一个12位DAC,当Vr=10V时,1LSB=2.44mV。如果运放的Vos=1mV,则由失调电压调制作用造成最大误差为2mV。接近1LSB。(2).只考虑运放输入偏置电流Ib的影响。R0RFRΔVoerIbIb+-bFoerIRVVRV0V+=IbRV+=V-ΔVoer=Ib[R(1+RF/R0)-RF]FFFRRRRRRR000//一般运放应用中取R=R0//RF,则ΔVoer=0,但这里R0随输入码而改变,上述条件无法满足,这一误差就不可避免。运放失调电流Ios以及Vos、Ios的温漂同样造成输出误差。此外,运放输出电压
本文标题:智能仪器-第4章 数据采集系统设计
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