《數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)》PPT課件.ppt

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1、4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì),一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟 二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析 三、DAS設(shè)計(jì)實(shí)例,一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟,1、分析問題和確定任務(wù) 在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，必須對要解決的問題 進(jìn)行調(diào)查研究、分析論證，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際 應(yīng)用中的問題提出具體的要求，確定系統(tǒng)所要完成 的數(shù)據(jù)采集任務(wù)和技術(shù)指標(biāo)，確定調(diào)試系統(tǒng)和開發(fā) 軟件的手段等。另外，還要對系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中可能 遇到的技術(shù)難點(diǎn)做到心中有數(shù)，初步定出系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的技術(shù)路線。,2、確定采樣頻率 采樣頻率決定了采樣數(shù)據(jù)的質(zhì)量和數(shù)量。 利用采樣定理來確定采樣頻率。 3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)階段，一般應(yīng)做以下幾項(xiàng) 工作。

2、(1) 進(jìn)行硬件和軟件的功能分配 (2) 系統(tǒng)AD通道方案的確定 (3) 確定微型計(jì)算機(jī)的配置方案,(1) 進(jìn)行硬件和軟件的功能分配 一般來說，多采用硬件，可以簡化軟件設(shè)計(jì)工 作，并使系統(tǒng)的速度性能得到改善，但成本會增 加，同時，也因接點(diǎn)數(shù)增加而增加不可靠因素。 若用軟件代替硬件功能，可以增加系統(tǒng)的靈活性，降低成本，但系統(tǒng)的工作速度也降低。 要根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，在確定系統(tǒng)總體方案時進(jìn)行合理的功能分配。,(2)系統(tǒng)AD通道方案的確定 模擬信號輸入范圍； 完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間； 模擬輸入信號的特性是什么，是否經(jīng)過濾波，信號的最高頻率是多少； 模擬信號傳輸所需的通道數(shù)； 采樣/保持器的采集時間是

3、多少； 在保持期間允許的電壓下降是多少；,所需精度（包括線性度、相對精度、增益及偏置誤差）是多少； 當(dāng)環(huán)境溫度變化時，各種誤差限制在什么范圍; 各通道模擬信號的采集是否要求同步； 所有的通道是否都使用同樣的數(shù)據(jù)傳輸速率； 數(shù)據(jù)通道是串行操作還是并行操作； 數(shù)據(jù)通道是隨機(jī)選擇，還是按某種預(yù)定的順序工作； 系統(tǒng)電源穩(wěn)定性的要求是什么，由于電源變化引起的誤差是多少；,(3) 確定微型計(jì)算機(jī)的配置方案 可以根據(jù)具體情況，采用微處理器芯片、 單片微型機(jī)芯片、個人微型計(jì)算機(jī)等作為數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)的控制處理機(jī)。選擇何種機(jī)型，對整 個系統(tǒng)的性能、成本和設(shè)計(jì)進(jìn)度等均有重要的 影響。,二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析,

4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的元器件很多，從數(shù) 據(jù)采集、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換，直至信號輸 出，經(jīng)過許多環(huán)節(jié)，其中既有模擬電路，又有 數(shù)字電路，各種誤差源很復(fù)雜。誤差分析需要 結(jié)合具體系統(tǒng)、電路和元器件來進(jìn)行。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差主要包括模擬電路 誤差、采樣誤差和轉(zhuǎn)換誤差。,1、采樣誤差 采樣頻率引起的誤差 采樣頻率必須大于信號最高有效頻率的兩倍 系統(tǒng)的通過速率引起的誤差 通過速率：單位時間內(nèi)系統(tǒng)對模擬信號的采集 次數(shù)。 系統(tǒng)的通過速率的倒數(shù)為吞吐時間，表明系統(tǒng) 每采樣并處理一個數(shù)據(jù)所占用的時間。,,系統(tǒng)通過周期（吞吐時間）TTH可用下式表示：,多路模擬開關(guān)接通時間Ton和斷開時間Toff、采樣保持器的捕獲

5、TAC 、孔徑時間TAP 和保持建立時間Ts、A/D轉(zhuǎn)換時間Tc和數(shù)據(jù)輸出時間Tout。 為了保證系統(tǒng)正常工作，消除系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程的動態(tài)誤差，模擬開關(guān)對N 路信號順序進(jìn)行等速率切換時，采樣周期至少為 ， 每通道的吞吐率為：,,2、模擬電路誤差 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。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。,,多路模擬開關(guān)泄漏電流IS引起的誤差 模擬開關(guān)斷開的泄漏電流IS一般在1nA左右，當(dāng) 某一路接通時，其余各路均斷開，斷開的各路的泄 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

6、 地。在信號源的內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降，引起誤差。 例如：一個8路的模擬開關(guān)，泄漏電流IS為1nA，信 號源內(nèi)阻50，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：,采樣保持器衰減率引起的誤差 保持狀態(tài)下，由于保持電容的漏電流和其他雜散電 流，引起保持電壓的衰減，衰減率反映了采樣保持 器的輸出值在保持期間的變化。衰減率為： ID為流入保持電容CH的總泄漏電流，ID包括采樣保 持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，電容內(nèi)部的漏電流。 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。 放大器是系統(tǒng)的主要誤差源之一。其中有放大器的非 線性誤差、增益誤差、零位誤

7、差等。,,3、A/D轉(zhuǎn)換的誤差 ADC是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部件，它的性能指標(biāo)對整 個系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，也是系統(tǒng)中的重要誤差源。選擇 A/D轉(zhuǎn)換器時，必須從精度和速度兩方面考慮，考慮位數(shù)、速 度及輸出接口。 A/D轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差。 包括量化誤差、失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差。 工程應(yīng)用中，取 是比較合理的。 A/D轉(zhuǎn)換器的速度對誤差的影響 A/D轉(zhuǎn)換器速度用轉(zhuǎn)換時間來表示。選用A/D轉(zhuǎn)換器 時必須考慮到轉(zhuǎn)換時間滿足系統(tǒng)通過率的要求，否則 會產(chǎn)生較大的采樣誤差。,,4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差的計(jì)算 計(jì)算數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差時，必須對各部分電路進(jìn)行仔細(xì)分 析，分別計(jì)算各部分的相對誤差，然后

8、進(jìn)行誤差綜合。如果 誤差在5項(xiàng)以上，按和方根方式綜合；若誤差項(xiàng)在五項(xiàng)以下， 按絕對值和的方式綜合。 和方根方式綜合誤差的表達(dá)式： 絕對值和方式綜合誤差的表達(dá)式： 式中：,,,,選擇元器件精度的一般原則： 每一個元器件的精度指標(biāo)應(yīng)該優(yōu)于系統(tǒng)規(guī)定 的某一最嚴(yán)格的性能指標(biāo)的10倍。 例如： 0.1%級精度性能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所 選元器件的精度應(yīng)該不大于0.01%。,三、DAS設(shè)計(jì)實(shí)例,例1、設(shè)計(jì)基于8031單片機(jī)的通用數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。 系統(tǒng)功能要求： 實(shí)現(xiàn)16路通道單端模擬量輸入，輸入電壓范圍0-10V,信號源內(nèi)阻10，信號變化頻率100Hz 分辨率：12位 二進(jìn)制碼輸出，數(shù)據(jù)傳輸方式為并行方式

9、 順序測量每一個通道，對每一個通道的掃描不超過50us 系統(tǒng)最大允許誤差不超過滿刻度的0.5% 溫度范圍+25-55，現(xiàn)場提供+5V及15V的穩(wěn)壓電源。,設(shè)計(jì)過程： 1、粗略地選擇與系統(tǒng)功能要求相當(dāng)?shù)钠骷? 首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出的技術(shù)指標(biāo)，例如精度、轉(zhuǎn)換 時間、輸入信號幅值、環(huán)境溫度以及提供的電源，粗略地選擇 與這些參數(shù)相當(dāng)?shù)钠骷Ｒ虼吮驹O(shè)計(jì)選用單片機(jī)8031作為系 統(tǒng)的控制器，管理整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多路模擬開關(guān)選用 AD7506，建立時間是1us。采樣保持器選用LF398，建立時 間是6us，A/D轉(zhuǎn)換器選用AD574，其分辨率為12位，轉(zhuǎn)換精度 可達(dá)0.05%，轉(zhuǎn)換時間25us。 器件

10、選定后，進(jìn)一步校驗(yàn)轉(zhuǎn)換時間和誤差是否在設(shè)計(jì)要 求范圍內(nèi)。,2、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時間由多路模擬開關(guān)、采樣保持 電路的采集時間以及A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時間和 轉(zhuǎn)換時間確定，它決定了系統(tǒng)的動態(tài)特性。 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間=多路開關(guān)穩(wěn)定時間+采樣保持 器的采樣時間+A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時間和轉(zhuǎn)換 時間 =1us+6us+25us=32us 系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時間小于50us，滿足要求。,3、系統(tǒng)誤差分析 （1）多路模擬開關(guān)AD7506的誤差（2項(xiàng)） a、多路模擬開關(guān)泄漏電流IS引起的誤差 根據(jù)AD7506的技術(shù)指標(biāo)，25時泄漏電流 IS=0.05nA,信號源內(nèi)阻10，當(dāng)1路接通時， 斷開的15路泄漏電流IS在導(dǎo)通這

11、一路的信號 源內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降為： 可以忽略不計(jì),,,,b、模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻RON的誤差 在多路開關(guān)中，開關(guān)本身有導(dǎo)通電阻，輸入信號在 該電阻上產(chǎn)生壓降，則信號被衰減。 多路開關(guān)導(dǎo)通電阻400（最大），采樣保持器的 輸入阻抗30M，衰減分壓比= ,（2） 采樣保持器LF398的誤差（2項(xiàng)） a、采樣保持器LF398的非線性度，在10V范圍內(nèi)是0.01%，即1mV ；,（3）A/D轉(zhuǎn)換器AD574產(chǎn)生的誤差（2項(xiàng)） a、AD574的轉(zhuǎn)換精度是2LSB，即0.05%， b、溫度漂移誤差 10-4/，設(shè)計(jì)要求溫度變化30，則10-4/30=0.003,即0.3%。 ,（4）

12、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)總誤差 符合系統(tǒng)要求。 在粗選及誤差計(jì)算校驗(yàn)之后，如所選器件 符合設(shè)計(jì)要求，便可著手進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，包 括硬件接口、軟件及布線。同時要考慮系統(tǒng) 的造價和體積。,,4、結(jié)構(gòu)形式的確定 系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)16路數(shù)據(jù)采集，要用多通道數(shù)據(jù)采集結(jié) 構(gòu)。擬采用多路分時采集分時輸入結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式 簡單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號變化速率不 高，對采樣信號不要求同步的場合。,,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖,5、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖 原理圖見課本200頁。 工作過程見課本 199,201頁。 6、軟件設(shè)計(jì) 采用中斷法：當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號 STS有效，利用STS作為中斷請求信號，向CPU提 出中斷申請，當(dāng)微處理器響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程 序中執(zhí)行轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)的讀入。12位結(jié)果分兩次被 8031讀入到指定的緩沖單元。這種方法CPU可與A D轉(zhuǎn)換器并行工作，效率高，硬件接口簡單。,,,,（3）AD574控制狀態(tài)表,