智能仪器讲稿

第八章数据采集系统•数据采集是指将温度、压力、流量等模拟量采集，转换成数字量后，再由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称数据采集系统•(DAS，Data Acquisition System)。

数据采集系统的组成•可程控放大器：量程控制。

•抗混叠滤波器：消除信号中高于1/2×f s Hz的高—采样频率)频成分。

(fs•采样保持器：将变化的输入信号变为在采样时刻的静止信号，以便ADC正常工作。

•ADC：模数转换。

•缓冲器：隔离，当ADC输出有三态锁存器时可不用。

•控制电路：产生正常工作的时序。

二．抗混叠滤波器工作原理•1．设信号的时域波形为（a），相应的幅频特性是（b）；经采样后，信号的时域波形变为（c），相应的幅频特性变为（d），幅频特性产生了周期延拓，周期为采样频率fs。

•2．若信号的最高频率低于1/2fs，用截止频率为1/2fs的低通滤波器可将采样后的数字信号还原成原波形。

•3．若信号的最高频率高于1/2fs，则产生了混叠，采样后的数字信号无法还原成原波形。

•4．抗混叠滤波器是低通滤波器。

•若取fs=(7-10)f H,则可不用抗混叠滤波器，f H是信号的最高频率。

•采样定理:为了使采样信号能完全恢复连续信号f(t),采样频,必须不小于信号最高有效频率f H的二倍。

表为:率fSf S≥2f H.采样保持器主要参数•1．捕获时间t AC：当由保持转到采样时，采样保持器的输出电压达到按精度指标规定所需的最小时间。

•2．孔径时间t AP：从发出保持命令到保持开关真正断开所需要的时间。

•3．保持建立时间t HS：在t AP之后，SHA达到输出稳定所需要的时间，要求ADC的转换要在tHS +t AP之后开始。

•4．孔径抖动t AJ：也叫孔径的不确定度，表示t AP的变化范围。

•5．衰减率：保持电压值在保持时间内的下降，主要由保持电容等的漏电引起。

•6．传导误差：由输入输出之间的寄生参数耦合造成输入量变化对保持量的干扰。

采样／保持器的主要作用•在数据采集系统中，采样／保持器主要起以下两种作用：•1. “稳定”快速变化的输入信号，以利于模／数转换器把模拟信号转换成数字信号，减小采样误差。

•2. 用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，这样可使模拟多路开关继续切换下一个待转换的信号。

串联型采样／保持器•当开关K 闭合时，采样／保持器为跟踪状态。

由于A 1是高增益放大器，其输出电阻和开关K 的导通电阻R ON 很小，输入信号U i 通过A l 对C H 的充电速度很快，C H 的电压将跟踪U 1的变化。

当K 断开时，采样／保持器从跟踪状态变为保持状态，这时C H 没有充放电回路，在理想情况下，C H 的电压将一直保持在K 断开瞬间U 1的最终值上。

•优点：结构简单。

•缺点：其失调电压为两个运放失调电压之和，比较大，影响其精度。

另外，它的跟踪速度也较低。

反馈型采样／保持电路•开关K 1和K 2有互补的关系，即当K 1闭合时，K 2断开；K 2闭合时，K 1断开。

当K l 闭合，K 2断开时，两块运放A 1和A 2共同组成一个跟随器，采样／保持器工作于跟踪状态。

此时，保持电容C H 的端电压U C 为U C ≈U 1+e os1-e os2式中e osl 和e os2分别为运放A 1，A 2的失调电压。

当K 1断开，K 2闭合时，采样／保持器工作于保持状态。

此时，保持电容C H 的端电压U C 保持在K l 断开瞬间U 1的值上，使U O 也保持在这个值上，即U O ≈U 1+e os2≈U 1+e os1反馈型采样／保持电路(续)•在保持状态，影响输出电压精度的因素是保持状态前瞬间A 1运放的失调电压。

所以，这种类型的采样／保持器的精度要高于串联型。

•反馈型采样／保持器的跟踪速度也较快，因为它是全反馈，直接把输出U O 与输入U i 比较，如果U O ≠U i ，则其差被A 1放大，迅速对C H 充电。

集成采样/保持器AD582•1．AD582:14脚芯片。

1同相输入端，9反相输入端，6与8之间接保持电容，11与12是逻辑控制端，10与5是正负电源，3与4是调零。

•2．特点：捕获时间最短6μs，较高的采样/保持电流比：107，是充电电流与漏电电流之比，是表征采样/保持器质量的标志。

•3．典型接法：保持电容接在运放A2的输出端8与反向输入端6之间。

根据“密勒效应”相当A2的输入接有（1+ K2）倍的保持电容。

可以较小的保持电容获得较高的采样速度。

(假设K2为放大器A2的放大倍数)• 4 ．调零电位器，电源的旁路电容。

AD582的各引脚功能•+IN、－IN：采样／保持器模拟输人信号端。

接+IN时，输出与输入同相；接－IN时，输出与输入反相。

•NULL：调零端。

使用时要求外接一个电位器，以调整第一级差动运算放大器的工作电流。

•C H：外接保持电容。

由用户选用。

•OUTPUT：采样／保持器输出端。

由于采样／保持器的增益为1，所以输出始终跟踪输入(注意相位的变化)。

•Logic IN+、Logic IN－：逻辑控制差动输入端。

Logic IN+相对于Logic IN－的电压为－6 V～+0.8 V时，AD582处于采样工作方式；Logic IN+偏置为+2 V～+Vs－3 V之间时，AD582处于保持工作方式。

•+Vs、－Vs：电源端。

分别为+15V和－15V。

•NC：空脚。

AD582的使用特点•（1）采样时间比较短，最短可达6 μs。

该时间与所选择的保持电容的大小有关。

　•（2）保持电容器C充电电流与保持时的电容漏电流之间的比值可达107。

该比值越大，表明保持电压下降速率越低。

　•（3）输入信号电平可达电源电压±U S，可适用于12位的A／D转换器。

　•（4）使用时要把模拟地与数字地相互隔开，以提高抗干扰能力。

　•（5）可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，并提供反相信号。

保持电容CH的选取•AD582是反馈型采样／保持器，不过保持电容接在运算放大器A2的输出端(脚8)与反相输入端(脚6)之间。

根据“密勒效应”，这样的接法相当于在A2的输入端接有电容CH=(1+K2)C H(K2为运算放大器A2的的放大倍数)。

所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率。

当精度要求不太高(±0.1％)而速度要求较高时，可选C H=100pF，这时的捕捉时间t Ac≤6μs。

当精度要求较高(±0.015)时，为减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000pF.AD582与A/D 的精度配合•AD582的捕捉时间在C H =10pF ，精度为0.1％时为6μs ；而在C H =1000pF ，精度为0.01％时为25μs 。

采样/保持器捕捉时间的大小应与A/D 转换器的精度配合。

例如，8位A/D 转换器的精度等于2-8 = 1/256 = 0.39％，所以与之相配的采样/保持器的误差带可取为0.2％(±0.1％)。

如果A/D 转换器是12位的，则应取采样/保持器的误差带为0.01％(±0.005％)。

LF198/LF298/LF398•LF198／LF298／LF398是一种具有采样速度高、保持电压下降速率慢及精度高的单片集成采样／保持器，采用双极型—结型场效应管工艺。

当逻辑控制信号为高电平时，处于跟随状态；为低电平时处于保持状态。

LF198／LF298／LF398的电路结构完全相同，只是某些电气参数稍有不同。

LF198系列采用两种封装方式，一种是双列直插式封装，另一种是8脚金属管壳封装。

LF398使用参数•①电源电压为±18 V；　•②功率耗散(封装限制)为500 mW；　•③工作环境温度范围：LF198／LF198A为－55～+125℃，LF298为－25～+85℃，LF398为0～+150℃；•④存储温度范围为－65～+150℃；　•⑤输入电压为电源电压；　•⑥逻辑到逻辑基准的差动电压为+7 V，－30 V；•⑦输出短路持续时间不确定；　•⑧保持电容器短路持续时间为10 s；　•⑨引线温度(焊锡，10 s)为300℃。

系统采集速度与采样／保持器的关系•在数据采集系统中，采样／保持器用来对输入A／D转换器的模拟信号进行采集和保持，以确保A／D转换的精度。

要保证A／D转换的精度，就必须确保A／D 转换过程中输入的模拟信号的变化量不得大于LSB/2。

在数据采集系统中，如果模拟信号不经过采样／保持器而直接输入A／D转换器，那么，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。

未加采样／保持器的计算•已知A／D转换器的型号为ADC0804，其转换时间tCONV =100µs(时钟频率为640kHz)，位数n=8，允许信号变化为LSB／2，计算系统可采集的最高信号频率。

•解：由上式可知f max= 1/(2n+1πt CONV) =1/(28+1*3.14*100*10-6) = 6.22(Hz)•结论：无采样／保持器的系统只能对频率低于6.22Hz的信号进行采样。

加采样／保持器的效果•加采样／保持器后，这样就变成在△t=t AP内，即在采样／保持器的孔径时间内讨论系统可采集模拟信号的最高频率。

仍考虑对正弦信号采样，则在n位A／D转换器前加上采样／保持器后，系统可采集的信号最高频率为：f max=1/(2n+1πt AP)•结论孔径时间t AP一般远远小于A／D转换器的转换时间tCONV ，所以，加上采样／保持器后的系统可采集的信号最高频率要大于未加采样／保持器的系统。

加入采样／保持器后的计算•用采样／保持器芯片AD582和A/D 转换器芯片ADC0804组成一个采集系统。

已知AD582的孔径时间t AP =50ns ，ADC0804的转换时间t CONV =l00μs(时钟频率为640kHz)，计算系统可采集的最高信号频率。

•解：由上式可知f max = 1/(2n+1πt AP ) = 1/(28+1*3.14*50*10-9) = 12440.3(Hz)•使用采样／保持器后，系统能对频率不高于12．44kHz 正的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样速率。

模拟开关•作用：切换各路输入信号。

•集成模拟电子开关特点：•优点：体积小、速度快、无抖动、耗电少、工作可靠、容易控制。

•缺点：导通电阻较大、电压电流容量小、动态范围小。

•模拟开关的主要参数•1．通道数量•2．泄漏电流•3．导通电阻•4．导通电阻的平坦度•5．切换速度•6．电源电压范围通道数量•通道数量是模拟开关的主要指标之一，表示最多输入信号的路数。

当某一路被选通时，其他被阻断的通道并不能完全断开，而是出于高阻状态。