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

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1、4.3 4.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)的誤差分析二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析三、三、DASDAS設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟1 1、分析問題和確定任務(wù)、分析問題和確定任務(wù) 2 2、確定采樣頻率、確定采樣頻率3 3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) (1)(1)進(jìn)行硬件和軟件的功能分配進(jìn)行硬件和軟件的功能分配一般來說，多采用硬件，可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)工一般來說，多采用硬件，可以簡(jiǎn)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(huì)增作，并使系統(tǒng)的速度性能得到改善，但成本會(huì)增加，同

2、時(shí)，也因接點(diǎn)數(shù)增加而增加不可靠因素。加，同時(shí)，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。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)總體方案要根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，在確定系統(tǒng)總體方案時(shí)進(jìn)行合理的功能分配。時(shí)進(jìn)行合理的功能分配。(2)(2)系統(tǒng)系統(tǒng)A AD D通道方案的確定通道方案的確定二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差分析 1 1、采樣誤差、采樣誤差outcsAPACoffONTHtttttttt多路模擬開關(guān)接通時(shí)間多路模擬開關(guān)接通時(shí)間TonTon和

3、斷開時(shí)間和斷開時(shí)間ToffToff、采樣保、采樣保持器的捕獲持器的捕獲 T TACAC 、孔徑時(shí)間、孔徑時(shí)間T TAPAP 和保持建立時(shí)間和保持建立時(shí)間TsTs、A/DA/D轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間TcTc和數(shù)據(jù)輸出時(shí)間和數(shù)據(jù)輸出時(shí)間ToutTout。為了保證系統(tǒng)正常工作，消除系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程的為了保證系統(tǒng)正常工作，消除系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換過程的動(dòng)態(tài)誤差，模擬開關(guān)對(duì)動(dòng)態(tài)誤差，模擬開關(guān)對(duì)N N 路信號(hào)順序進(jìn)行等速率切換路信號(hào)順序進(jìn)行等速率切換時(shí)，采樣周期至少為時(shí)，采樣周期至少為 ，THNtTHTHtN1f 2 2、模擬電路誤差、模擬電路誤差u模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)導(dǎo)通電阻RONRON的誤差的誤差 模擬開關(guān)存在一定

4、的導(dǎo)通電阻，信號(hào)經(jīng)模擬開關(guān)存在一定的導(dǎo)通電阻，信號(hào)經(jīng)過模擬開關(guān)會(huì)產(chǎn)生壓降。另外，導(dǎo)通電阻的過模擬開關(guān)會(huì)產(chǎn)生壓降。另外，導(dǎo)通電阻的變化會(huì)使放大器或采樣保持器的輸入信號(hào)波變化會(huì)使放大器或采樣保持器的輸入信號(hào)波動(dòng)，引起誤差。動(dòng)，引起誤差。u多路模擬開關(guān)泄漏電流多路模擬開關(guān)泄漏電流I IS S引起的誤差引起的誤差 V3505071019.u采樣保持器衰減率引起的誤差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：

5、器的輸出值在保持期間的變化。衰減率為：I ID D為流入保持電容為流入保持電容C CH H的總泄漏電流，的總泄漏電流，I ID D包括采樣保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(shí)的持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，電容內(nèi)部的漏電流。漏電流，電容內(nèi)部的漏電流。u放大器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(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要使用放大器對(duì)信號(hào)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、零位誤差等。線性誤差、增益誤差、零位誤差等。HDCCItU LSB32ADC)

6、(4 4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差的計(jì)算、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誤差的計(jì)算2ADC2SH2AMP2MUX)()()()()(ADCSHAMPMUX 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換器器的的誤誤差差采采樣樣保保持持器器的的誤誤差差放放大大器器的的誤誤差差多多路路模模擬擬開開關(guān)關(guān)的的誤誤差差A(yù)/DADCSHAMP MUX選擇元器件精度的一般原則：每一個(gè)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(jí)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、三、DASDAS設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)實(shí)例設(shè)計(jì)過程：設(shè)計(jì)過程：1 1、粗略地選擇與系統(tǒng)功能要求相當(dāng)?shù)钠骷⒋致缘剡x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

7、求提出的技術(shù)指標(biāo)，例如精度、轉(zhuǎn)換首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求提出的技術(shù)指標(biāo)，例如精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、輸入信號(hào)幅值、環(huán)境溫度以及提供的電源，粗略地選擇時(shí)間、輸入信號(hào)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)與這些參數(shù)相當(dāng)?shù)钠骷?。因此本設(shè)計(jì)選用單片機(jī)80318031作為系作為系統(tǒng)的控制器，管理整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多路模擬開關(guān)選用統(tǒng)的控制器，管理整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。多路模擬開關(guān)選用AD7506AD7506，建立時(shí)間是，建立時(shí)間是1us1us。采樣保持器選用。采樣保持器選用LF398LF398，建立時(shí)，建立時(shí)間是間是6us6us，A/DA/D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換器選用AD574AD574

8、，其分辨率為，其分辨率為1212位，轉(zhuǎn)換精度位，轉(zhuǎn)換精度可達(dá)可達(dá)0.05%0.05%，轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間25us25us。器件選定后，進(jìn)一步校驗(yàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間和誤差是否在設(shè)計(jì)要器件選定后，進(jìn)一步校驗(yàn)轉(zhuǎn)換時(shí)間和誤差是否在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。求范圍內(nèi)。2 2、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間由多路模擬開關(guān)、采樣保持系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間由多路模擬開關(guān)、采樣保持電路的采集時(shí)間以及電路的采集時(shí)間以及A/DA/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間確定，它決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。轉(zhuǎn)換時(shí)間確定，它決定了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間=多路開關(guān)穩(wěn)定時(shí)間多路開關(guān)穩(wěn)定時(shí)間+采樣保持采樣保持器的采樣時(shí)間器的

9、采樣時(shí)間+A/D+A/D轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定時(shí)間和轉(zhuǎn)換時(shí)間時(shí)間 =1us+6us+25us=32us=1us+6us+25us=32us系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換時(shí)間小于50us50us，滿足要求。，滿足要求。3 3、系統(tǒng)誤差分析、系統(tǒng)誤差分析（1 1）多路模擬開關(guān)）多路模擬開關(guān)AD7506AD7506的誤差（的誤差（2 2項(xiàng)）項(xiàng)）a a、多路模擬開關(guān)泄漏電流、多路模擬開關(guān)泄漏電流I IS S引起的誤差引起的誤差根據(jù)根據(jù)AD7506AD7506的技術(shù)指標(biāo)，的技術(shù)指標(biāo)，2525時(shí)泄漏電流時(shí)泄漏電流I IS S=0.05nA,=0.05nA,信號(hào)源內(nèi)阻信號(hào)源內(nèi)阻1010，當(dāng)，當(dāng)1 1路

10、接通時(shí)，路接通時(shí)，斷開的斷開的1515路泄漏電流路泄漏電流I IS S在導(dǎo)通這一路的信號(hào)在導(dǎo)通這一路的信號(hào)源內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降為：源內(nèi)阻上產(chǎn)生的壓降為：可以忽略不計(jì)可以忽略不計(jì)V105710151005099 .，衰減分壓比衰減分壓比=%.%00130100M30400%0013.0mux（2 2）采樣保持器采樣保持器LF398LF398的誤差（的誤差（2 2項(xiàng)）項(xiàng)）a a0.35%ADC0.5%0.3613%0.35%0.01%00.0013%)(ADCSHAMPMUX4 4、結(jié)構(gòu)形式的確定、結(jié)構(gòu)形式的確定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)1616路數(shù)據(jù)采集，要用多通道數(shù)據(jù)采集結(jié)路數(shù)據(jù)采集，要用多通道數(shù)據(jù)采

11、集結(jié)構(gòu)。擬采用多路分時(shí)采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式構(gòu)。擬采用多路分時(shí)采集分時(shí)輸入結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號(hào)變化速率不簡(jiǎn)單，所用芯片數(shù)量少，適用于信號(hào)變化速率不高，對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。高，對(duì)采樣信號(hào)不要求同步的場(chǎng)合。多路模擬開關(guān)多路模擬開關(guān).采樣保持器采樣保持器 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 單片機(jī)單片機(jī) 控制邏輯控制邏輯 5 5、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖 原理圖見課本原理圖見課本200200頁。頁。工作過程見課本工作過程見課本 199,201199,201頁。頁。6 6、軟件設(shè)計(jì)、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(hào)采用中斷法：當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，轉(zhuǎn)換結(jié)束狀態(tài)信號(hào)STSSTS有效，利用有效，利用STSSTS作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，向作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，向CPUCPU提提出中斷申請(qǐng)，當(dāng)微處理器響應(yīng)中斷，在中斷服務(wù)程出中斷申請(qǐng)，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。序中執(zhí)行轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)的讀入。1212位結(jié)果分兩次被位結(jié)果分兩次被80318031讀入到指定的緩沖單元。這種方法讀入到指定的緩沖單元。這種方法CPUCPU可與可與A AD D轉(zhuǎn)換器并行工作，效率高，硬件接口簡(jiǎn)單。轉(zhuǎn)換器并行工作，效率高，硬件接口簡(jiǎn)單。