数据采集基础知识.ppt

第2章数据采集基础知识,2.1数据采集系统的概念及其结构2.2输入信号类型及其检测2.3模拟信号的数字化2.4信号调理2.5放大器2.6多路模拟开关及采样保持器2.7A/D、D/A转换2.8数据采集设备2.9信号调理设备与数据采集设备的通信2.9被测信号与数据采集设备之间的连接,2.1数据采集的基本概念,在科研、生产和日常生活中，对温度、压力、流量、速度、位移等模拟量进行测量和控制时，需要通过传感器把上述物理量转换成能够模拟物理量的电信号(即模拟电信号)，将模拟电信号经过处理并转换成计算机能识别的数字量，送入计算机，称之为数据采集。它是计算机在监测、管理、和控制一个系统的过程中，取得原始数据的主要手段。数据采集：被测对象的各种参量通过各种传感元件经过适当转换后，经采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到控制器进行数据处理或存储记录的过程。数据采集系统(DAS,DAQ：DateAcquisitionSystem),2.1数据采集的基本概念,现代数据采集系统主要特点：大规模集成电路及计算机技术的飞速发展，硬件成本降低。一般由计算机控制，采集质量和效率提高。数据采集与处理工作紧密结合，系统工作实现一体化。数据采集系统的“实时”性，能满足实际应用环境的要求。一般都配有AD、DA转换器，可处理模拟量和数字量。数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高。总线技术广泛应用，对采集系统的发展起重要作用。,2.1数据采集系统的概念及其结构,数据采集的概念：将温度、压力、流量、位移等模拟量采集转换成为数字量后，由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集系统。,图2.1数据采集系统结构图,微机测控系统,2.1数据采集系统的概念及其结构,多路分时采集分时输入结构,集中采集式,2.1数据采集系统的概念及其结构,分布式单机数据采集系统的结构,分散采集式,2.1数据采集系统的概念及其结构,网络式数据采集结构,分散采集式,2.2输入信号的类型与检测,模拟信号,数字信号,2.3模拟信号的数字化,1时间断续-采集信号采样间隔t，采样点在时域上是分散的。,2数值断续：量化：把采样信号xs(nTs)以某个最小数量单位的整倍数来度量，这个过程称为量化，量化后信号变换为xq(nTs)。编码：把量化信号xq(nTs)经过编码，可转换为离散的数字信号x(n)。,模拟信号离散化处理时遵循的原则,(1)采样点增多，占用计算机的大量内存单元，可能会因内存不够而无法工作；(2)采样点太少，各采样点之间相距太远，使原始数据值的失真，信号复原时不能复现原来连续变化的模拟量，从而造成误差。对模拟信号离散化时，依据采样定理进行。,2.3.2采样过程及采样定理,采样过程:把时间和幅值上连续的模拟信号x(t)，通过一个周期性开闭（周期为Ts，开关闭合时间为）的采样开关S之后，在开关输出端输出一串在时间上离散的脉冲信号，把这一过程称为模拟信号的数字化过程，也称为采样过程。,采样过程可认为是一个脉冲调制过程，采样开关可看做是一个调制器。这种脉冲调制过程是将输入的连续模拟信号x（t）的波形转换为宽度非常窄而幅度由输入信号确定的脉冲序列，如图2-3所示。,输入信号与输出信号之间的关系表达式:,式中x(t)-采样开关输入的连续模拟信号；,-采样开关控制信号,T-采样周期；-采样时间,采样定理：连续信号离散信号,连续时间信号，可以表示为无限多个谐波的叠加。信号x(t)和频谱X(f)的关系为：,（2-1）,（2-2）,由,恢复出,，频谱,和采样间隔,必须满足：,有截止频率(即最高频率),，即当,时，,（2-3）,或,（2-4）,采样定理：连续信号离散信号,如下：,在满足这两个条件的情况下，由,恢复,（2-6）,（2-7）,采样定理：连续信号x(t)的频谱为X(f)，以采样间隔Ts采样得到的离散信号为x(nTs)。如x(t)和X(f)满足条件式(2-3)和式(2-4)，则由离散信号x(nTs)完全确定频谱X(f)，关系式为(2-6)，并且x(nTs)完全确定连续信号，具体关系式为(2-7)。,采样频率：采样周期的倒数；表示采样快慢的物理量；多少时间采一个点/每秒采样多少个点；香农(Shannon)采样定律：fs2*fmaxfs：采样频率；fmax：信号最高频率；一般fs2.5*fmax；工程上一般取fs68*fmax。奈奎斯特(Nyquist)频率：信号中最高频率fmax；(f0fs/2)。奈奎斯特取样率：fs2*fmax(f0fs/2)。采样定律的特例：等效时间采样,采样注意事项,采样频率的选择采样率决定了模数转换（A/D）的频率。较高的采样率可在给定时间内采集更多的点，可更好地还原原始信号。而采样率过低则可能会导致信号畸变：混频（alias）。,充分采样率时的信号,过低采样率时的信号,各种采样率的效果,混频偏差,采样率过低的结果是还原信号的频率看上去与原始信号不同。这种信号畸变叫做混叠（alias）。出现的混频偏差（aliasfrequency）是输入信号的频率和最靠近的采样率整数倍的差的绝对值。,采样频率fs是100HZ,混频偏差ABS（采样频率的最近整数倍输入频率）混频偏差F2=|200140|=60Hz混频偏差F3=|(2)200320=80Hz混频偏差F4=|(3)300550|=50Hz,混叠信号消除,采样率必须大于被采样信号频率的两倍。实际应用中，即使已经确定必须被测的信号有一个最大的频率值，杂散信号可能会带来比奈奎斯特频率高的频率。这些频率很可能会混杂在需要的频率范围中，导致错误的结果。为了保证输入信号的频率全部在给定范围内，需要在采样器和ADC之间安装一个低通滤波器（可以通过低频信号，削弱高坡信号的滤波器）。因为它通过对高频信号（高于奈奎斯特信号频率）进行削弱，减少了混频信号的干扰，所以这个滤波器被称为抗混频滤波器，这个阶段数据仍然处于模拟状态，所以抗混频滤波器是一个模拟滤波器。,2.3.3量化与量化误差,连续模拟信号采样后，变成了时间上离散的采样信号，但其幅值在采样时间内连续，因此采样信号是模拟信号。为便于计算机处理，须转换为数字信号，将幅值用二进制代码表示。而二进制代码位数有限，故在编码之前首先要对采样信号进行量化。把采样信号的幅值与某个最小数量单位的一系列整倍数比较，以最接近于采样信号幅值的最小数量单位倍数来代替该幅值。称为“量化过程”或“量化”。最小数量单位称为量化单位。量化单位定义为量化器满量程电压FSR（FullScaleRange）与2n的比值，用q表示，因此有q=FSR/2n，n为量化器的位数。量化信号的数值用二进制代码来表示，称为编码。,28,量化信号,量化信号,数字信号,量化方法,“只舍不入”的量化,“有舍有入”的量化,量化误差,量化误差：由量化引起的误差e=xs(nTs)-xq(nTs),“只舍不入”法引起的量化误差,“只舍不入”法的量化误差,“只舍不入”法的量化误差只能是正误差，是0q之间的任意值，是0，q上均匀分布的随机误差。平均误差为：,量化误差最大值：,方差为：,，标准差：,“有舍有入”法引起的量化误差,平均误差：,。最大量化误差：,方差为：,标准差：,模拟信号的量化噪声,对于相同的模拟信号x(t)，当A/D转换器位数较少，而量化单位q较大时，噪声e峰-峰值较大，变化的频率较低；当A/D转换器位数较多，而量化单位q较小时，产生高频、小振幅的量化噪声。相同的量化单位q，信号变化越缓慢，量化噪声的变化频率越低；信号变化越迅速，量化噪声的变化频率越高。结论：（1）模拟信号经过量化后，产生了跳跃状的量化噪声；（2）量化噪声的峰-峰值等于量化单位q；（3）量化噪声的变化频率取决于量化单位q和模拟信号x(t)的变化情况，q越大，x(t)变化越缓慢，噪声的频率也越低。,2.3.4编码,编码：把量化的数值用代码表示。(1)单极性编码：用于信号恒为正值或负值的情况1）二进制码。2）二十进制（BCD）编码。(2)双极性编码：信号在一个周期内有正负时采用1）符号数值码。2）偏移二进制码。3）补码。,单极性编码,二进制编码：十进制数D的量化电平表示为第1位(MSB)的权是，第2位的权是，第n位(LSB)的权是，ai或为0或为1，n是位数。数D的值就是所有非0位的值与它的权的积累加的和。二十进制(BCD)编码：用一组四位二进制码来表示一位09的十进制数字，即电压按8421(即23222120)进行BCD编码。,双极性编码,符号数值码：最高位为符号位（“0”正，“1”负），其它各位是数值位。优点是信号在零的附近变动1LSB时，数值码只有最低位改变，不会产生严重的瞬态效应。缺点是零0+为0000，0-为1000，符号数值码的转换器电路复杂，造价贵。偏移二进制码：转换器最容易实现的双极性码制。模拟输出量UOUT，用偏移二进制码表示时，代码完全按照二进制码的方式变化，不同之处是代码简单地用满量程值加以偏移。以4位二进制码为例，代码的偏移情况如下：代码为“0000”时，表示模拟负满量程值，即-FSR；代码为“1000”时，表示模拟零，即模拟零电压对应于2n-1数；代码为“1111”时，表示模拟正满量程值减1LSB，即。对应00001111的输入码，A/D转换器输出范围。优点：容易实现、易变换2的二进制补码。缺点：在零点附近会发生主码跃迁。,2的补码,2的补码：符号位与偏移二进制码的符号位相反，数值部分相同。构成2的补码的另一方法：正数2的补码就是二进制码；负数2的补码是先把相应正数的二进制码所有位凡“0”皆换成“1”，凡“1”皆换成“0”，然后在最低位加1。缺点：在零点附近会发生主码跃迁。,2.4信号调理,信号调理能够在信号、传感器、DAQ板卡和PC机之间提供接口。通常的信号调理类型包括：放大、隔离、滤波、激励、线性化等。,前端信号调理技术作用,在一个系统中可以对大量的信号和传感器测量。通过信号隔离，增加对系统的保护。扩展系统中通道的数量。构建带有多种信号类型的多通道数据采集系统；放大、滤波和同步采样，改善测量系统的性能。通过开关和数字I/0接口控制外部设备和传送信号。,放大,传感器输出信号一般为mV、V级，直接在DAQ板放大这种小信号，必然对来自引线与计算机内部的噪声也一起放大。通常采用外部放大调理，并尽可能地使信号靠近传感器来提高S/N。减少传输线的长度信号线远离交流电源线和显示设备避免50HZ的工频信号。使用护套电缆或双绞线电缆。,信号调理,隔离：使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。更加安全；从数据采集卡读出来的数据不受地电位和输入模式的影响。滤波：从所测量的信号中除去不需要的频率成分。大多信号调理模块有低通滤波器，用来滤除所需信号最高频率以上的信号，使用抗混叠滤波器。激励：为某些传感器提供所需的激励信号，比如应变传感器、热敏电阻等需要外界电源或电流激励信号的传感器。,信号调理,线性化：传感器对被测量的响应非线性时，需对其输出信号进行线性化，补偿传感器带来的误差。数据采集系统可以利用软件来解决这一问题。数字信号调理：直接输出数字信号的传感器进行调理，是将数字信号进行必要的整形或电平调整。大多数数数字信号调理模块提供其他一些电路模块，这使得用户可以通过数据采集卡的数字I/O直接控制电磁阀、电灯，电动机等外部设备。,信号调理时注意的问题,信号类型范围：可支持多种信号类型，把多种测量同时包含到一个单一、坚固的机箱中，从单一的软件接口进行配置，减少开发时间和费用。信号连接：非常简单地连接所有的传感器，简化系统组成。系统的可扩展性：加入其他标准件，可快速增加系统中信号的数量和种类。形式：信号大小、环境的限制是决定常用信号调理硬件的形式的主要因素。集成性：调理硬件必须将复杂的信号类型包含到单一的系统中，并能快捷简单地连接到DAQ设备上；选择和DAQ系统设备无缝连接的信号调理硬件，可以提高DAQ系统的速度和频率也便于升级DAQ设备升级。,前端信号调理的关键技术,2.5放大器,原因：弱信号、强干扰；动态范围宽，共模干扰电压大。目的：检测叠加在高共模电压上的微弱信号。要求：高输入阻抗、共模抑制能力强、失调及漂移小、噪声低、闭环增益稳定性高。技术指标：放大倍数：AU、AUS、Ai、Ais输入阻抗：Ri=U0/Ii输出阻抗通频带,2.5测量放大电路,使用测量放大器的原因：弱信号、强干扰1）通用运算放大器的抗共模干扰能力远低于测量放大器。尤其对于交流共模信号，原因：无法接入“输入保护电路”。2）提高抗共模干扰能力和抑制漂移，要求运放的两个输入端等效直流电阻对称：运放的输入阻抗受反馈电阻的影响，不能做得太高，不适合做多点检测的前置放大器；运放两输入端电阻的对称，调节放大器增益不方便。3）测量放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低温漂，对微小的差模信号很敏感，适合测量远距离传输过来的信号，十分适宜与传感器配合使用。,1.反相放大器增益：AvfV0/ViRf/R反相放大器近似比例运算，输入电阻和输出电阻均减少。2.同相放大器增益为：AvfV0/Vi1Rf/R同相放大器的放大倍数大于1，至少等于1。,两种基本运算放大电路,同相放大器引入了共模电压，因此需要高共模抑制比的运放才能保证精度，从减少误差的角度来看，同相放大器不如反相放大器广泛，但其输入电阻增加，输出电阻减少。,电压跟随器为同相放大的特例，低频时，其放大倍数接近1，具有高输入阻抗和低输出阻抗，因此常在信号处理中用作阻抗变换器。,两种基本运算放大电路,2.5测量放大器电路原理,三运放测量放大器原理,b.电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）。,a.运放A1、A2的特性一致性。,对电路要求,由图可知,放大器具有很高的抑制共模信号的能力,令,输出uO与共模信号uIc无关,2.5测量放大电路,抑制共模信号能力,测量放大器主要技术指标,共模抑制比当测量放大器两个输入端具有等量电压变化值Uic时，在测量放大器的输出端输出电压值变化Uoc，则共模抑制比温度漂移：输出电压随温度的变化而变化的程度。通常（150）uV/。非线性度：测量放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。当增益为1时，一个12位AD转换器有0.025的非线性偏差，当增益为500时，非线性偏差可达到0.1%，相当于把12位AD转换器变成10位以下转换器。,测量放大器主要技术指标,建立时间：从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。测量放大器的建立时间随增益的增加而上升。当增益大于200时，为达到误差范围0.01，要求建立时间为50uS100uS，甚至350uS的建立时间。恢复时间:从测量放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。测量放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。电源引起的失调：电源电压每变化1所引起放大器的漂移电压值。,测量放大器集成芯片简介,集成测量放大器多数采用厚膜工艺，外接元件少，无需精密匹配电阻，使用灵活，能处理几微伏到几伏的电压信号。可对差分直流和交流信号进行精密放大能进行快速采样，抑制由直流到数百兆的噪声信号。集成测量放大器有AD521、AD522、AD620、AD621、INA101、INA104、INA110、INA115等芯片。,AD521引脚功能,AD521基本连接,测量放大器集成芯片,AD522引脚功能,AD522基本连接,隔离放大器,隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。输入电路和放大器输出之间有欧姆隔离的器件。用途：防止数据采集器件遭受远程传感器出现的潜在破坏性电压的影响；在多通道应用中放大低电平信号；消除由接地环路引起的测量误差。组成：仪用放大器+隔离电路=隔离仪器放大器运放+隔离电路=隔离放大器理想特性：理想的隔离放大器要求电信号完全没有欧姆连续性，被传送的信号则要求无任何衰减，信号源不必接地。,隔离放大器作用,采用浮离式设计，消除输入、输出端之间的耦合，用于共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，保证系统的可靠性。例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大，对信号的传递精度要求又高。1.保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。,隔离放大器应用,用于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。应用于生物医学测量中，确保人体不受超过10uA以上漏电流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括计算机）造成损坏。仪器仪表安全接口。,隔离放大器分类,按隔离模式分类：两口隔离：指信号输入部分和信号输出部分欧姆隔离。采取其它措施进行电源隔离。三口隔离：指输入、输出和供电部分三部分彼此欧姆隔离。按隔离方法分类：光电隔离电容隔离变压器隔离（电磁隔离）,隔离放大器基本原理,组成：输入放大器，输出放大器，隔离器以及隔离电源等几部分；两种地(GND)三种信号输入,：隔离模电压（加在两种地之间，即隔离壁上）,：差模输入电压,：共模输入电压,隔离放大器特点,输入放大器及其电源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏电流极小；隔离电阻约为：（采用变压器或光耦合器）；隔离电容(典型值)为：隔离放大器的输出与输入隔离，消除了通过公共地线的干扰，大大地提高了电路的共模抑制比。输出电压,和：输入级差模增益和输入端的差模电压；,：对输入端共地的输入共模电压；,：隔离模电压。,CMR：输入级的共模抑制比。IMR：由输入端公共地到输出端的共公地的隔离层抑制比。,隔离放大器技术指标,隔离放大器是特殊的放大器，除增益、输入阻抗、偏置电流、频率响应、失调电压和非线性等一般放大器性能外，它还具有以下三种特性：最大隔离模电压：隔离放大器的输入地和输出地往往不在同一电位上，其间的电位差叫隔离电压。最大隔离模电压决定了系统共模电压的完全极限，一般要大于2000V。隔离模抑制（共模抑制比）IMR：指输入放大器的差动信号经过隔离壁的同时对共模输入的抑制。因此称为隔离模抑制。隔离电压及漏电流：隔离电压指在连续使用时，隔离壁能承受的额定值。隔离壁的漏电流与实际承受的隔离电压有关，一般交流漏电流的均方根值在uA量级，而直流漏电流在nA量级。,变压器耦合与光电耦合隔离放大器的参数对比,GF289集成隔离放大器,GF289典型接法,程控增益放大器：反馈电阻网络可变,且受控于控制接口的输出信号。不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益。目的是在测量范围内获取合适的分辨力。,程控增益放大器,电荷放大器,电荷放大器将机械量转变成与其成正比的微弱电荷Q，而且输出阻抗Ra极高。电荷变换级是将电荷变换为与其成正比的电压,将高输出阻抗变为低输出阻抗。Ca配接传感器自身电容一般为数千pF，1/2RaCa决定传感器低频下限。Ce传感器输出低噪声电缆电容。一般采用的导线值为100300pF/米。Ci运算放大器A1输入电容典型值3pF。,零漂移放大器,普通运算放大器输入失调电压在数百微伏以上，无法放大微弱的微伏级电信号。其失调电压的温度系数在零点几微伏以上，虽然失调电压可以被调零，但漂移难以消除。零漂移放大器是指失调电压漂移接近于0的放大器。它连续自动校正任何直流误差，实现超低水平的失调电压、时间漂移和温度漂移。零漂移放大器的常见特性包括：超低失调电压和漂移、高开环增益、高电源抑制、高共模抑制以及零1/f噪声。自稳零型和斩波型是两种常用的零漂移放大器，可实现nV级失调电压和极低的失调电压时间/温度漂移。放大器的1/f噪声也可一并消除。零漂移放大器适用于预期设计寿命10年以上的系统，以及使用高闭环增益(100)和低频(100Hz)、低幅度信号的信号链。应用示例包括精密电子秤、医疗仪器、精密计量设备和红外/电桥/热电堆传感器接口。,自稳零型放大器,如AD8538、AD8638、AD8551和AD8571系列，两个时钟阶段校正输入失调。,2.6多路模拟开关及采样保持器,2.6.1模拟多路开关1模拟多路开关的种类机械式：现代数据采集系统较少使用；电磁式多路开关：指干簧继电器、水银继电器和机械振子式继电器等；干簧管继电器体积小，切换速度快、噪声小、寿命长，最适合在模拟量输入通道中使用。模拟电子开关：切换速度高、无抖动、易于集成的优点，但是导通电阻一般较大，输入电压、电流容量较小，动态范围很有限。常用的有：晶体管开关、光电耦合开关、结型场效应管开关、绝缘栅场效应管开关。,模拟电子开关,1）晶体管开关：优点：开关速度快。缺点：漏电流大，开路电阻小，导通电阻大。电流控制器件，功耗大，集成度低，一个方向传送信号。,模拟电子开关,2）光电耦合开关：将发光二极管与光敏晶体管或光敏电阻封在一起即可构成光电耦合开关，又叫最佳隔离开关。由于采用光电转换方式进行开关信号传送，故速度和工作频率属中等，但其控制端与信号通道的隔离较好，耐压高。由于其利用晶体管的导通和截止来实现开关的通和断，也存在残留失调电压和单向导电情况；以光敏电阻代替光敏三极管，可实现双向传送，但光敏电阻的阻值分散性大，反应速度也较低。这类开关多用于要求隔离情况良好但传输精度不高的场合，常用于输出通道中需通道隔离的场合。,模拟电子开关,3)场效应管开关结型场效应管开关：优点：工作速度快；导通电阻小（约5100欧）；断开电阻大（一般10兆欧以上）；具有双向导通的功能。缺点：为分立元件，需专门的电平转换电路驱动，使用不方便。,场效应管开关,绝缘栅场效应管：分为PMOS、NMOS和CMOS三种类型，最常用的是CMOS场效应管。其导通电阻随信号电压波动小。这是一种应用最普遍的模拟开关。它能克服单沟道场效应管开启电阻随输入电压变化而变化的缺点。CMOS开关具有较其它电子开关明显的特性好，成本低等优点，目前常用的集成模拟开关大多采用了CMOS工艺。,场效应管开关,8路P沟道绝缘栅场效应管多路开关的工作原理与结型场效应管多路开关类似。优点：开关切换速度快，导通电阻小，且随信号电压变化波动小；易于和驱动电路集成。缺点：衬底要有保护电压。,8路P沟道绝缘栅场效应管多路开关,场效应管开关,集成多路开关：多路开关、计数器、译码器集成在芯片上。工作原理：设选择第1路输入信号，则计算机输出一个4位二进制码，把计数器置成0000状态，经4-16线译码器后，第1根线输出高电平，场效应管T1导通，UO=Ui1，选中第1路信号。,多路模拟开关,3.多路模拟开关的主要技术指标Ron：导通电阻；Ronvs：导通电阻温度漂移；Ic：开关接通电流；Is：开关断开时的泄漏电流；Cs：开关断开时的开关对地电容；Cout：开关断开时，输出端对地电容；tON：选通信号达到50这一点时到开关接通时的延迟时间；tOFF：选通信号达到50这一点时到开关断开时的延迟时间；tOPEN：开关切换时间，即当两个通道均为断开时，开关从一个通道的接通状态转到另一个通道的接通状态并达到稳定所用的时间。,多路模拟开关选用,1.泄漏电流：通过断开的模拟开关的电流。会导致输出端误差电压。如果传输的是电流量，并且信号源内阻很大，要考虑误差电压的影响。2.通道数量：对切换开关传输被测信号的精度和切换速度有直接影响。通道数越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其它模拟开关断开时，只是处于高阻状态，仍有漏电流对导通一路产生影响；通道越多，漏电流越大，通道间干扰也越多。3.切换速度：高速信号传输，要求切换速度高，同时要考虑后一段采样保持和A/D的速度。4.开关电阻：多路开关的开关电阻，尤其当与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路开关。多路开关参数的漂移性及每路电阻的一致性也需作考虑。,常用的多路模拟开关集成芯片,AD公司：AD7501、AD7503；RCA公司：CD4051；MOTA公司：MC14051等。AD7501：采用16脚双列直插式封装，脚14和脚15分别接15v电源，脚2(GND)接地。具有8个输入通道(SlS8)、一个输出通道(OUT)的多路CMOS开关。由三个地址线(A0，A1，A2)及使能端EN的状态来选择8个输入通道之一与输出端导通。片上所有逻辑输入与TTL/DTL及CMOS电路兼容。,常用的多路模拟开关集成芯片,CD4051：采用16脚双列直插式封装。CD4051为8通道单刀结构形式，它允许双向使用（多到一或一到多的输出切换）。内含二进制译码器，由三根地址线A，B，C及控制线的状态来选择8路中的一路，(低电平)，芯片使能。,x(t),xS(nTS),xq(nTS),x(n),t,x(t),t,xS(nTS),t,xq(nTS),x(n),n,001,011,100,010,010,011,q,2q,3q,4q,TS,2TS,3TS,TS,2TS,3TS,2.6.2采样保持电路,连续的模拟信号转换成离散的数字信号，需时间离散和数值离散。,2.6.3采样保持器的工作原理,问题：模拟信号进行AD转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。,解决方法：采用一种器件，在AD转换时保持住输入信号电平，在AD转换结束后跟踪输入信号的变化。,采样保持器：用于对模拟输入信号进行采样，然后根据逻辑控制信号指令保持瞬态值，保证模数转换期间以最小的衰减保持信号的一种器件。,2.6.3采样保持器的工作原理,模拟信号,Ui,K,驱动信号,A,CH,模拟地,UO,采样保持器的一般结构形式,采样/保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。,组成：模拟开关K、电容CH和缓冲放大器A。,UC,2.6.3采样保持器的工作原理,t,控制信号,t,模拟输入,A,t,采样输出,跟踪,t1,A2,t2,A1,t3,保持,A3,t4,A,采样保持器工作原理,跟踪,保持,跟踪,在t1时刻前，控制电路的驱动信号为高电平时，模拟开关K闭合，模拟输入信号Ui通过模拟开关加到电容CH上，使得CH端电压UC跟随Ui变化而变化。,工作原理如下：,在t1时刻，驱动信号为低电平，模拟开关K断开，此时电容CH上的电压UC保持模拟开关断开瞬间的Ui值不变并等待AD转换器转换。,而在t2时刻，保持结束，新一个跟踪时刻到来，此时驱动信号又为高电平，模拟开关K重新闭合，CH端电压UC又跟随Ui变化而变；,t3时刻，驱动信号为低电平时，模拟开关K断开，.。,采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件。,2.6.3采样保持器的工作原理,它具有两个稳定的工作状态：,跟踪状态：在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。,保持状态：对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。,因此，采样/保持器是在“保持”命令发出的瞬间进行采样，而在“跟踪”命令发出时，采样/保持器跟踪模拟输入量，为下次采样做准备。,采样保持器主要起以下两种作用：,“稳定”快速变化的输入信号，以减少转换误差。,用来储存模拟多路开关输出的模拟信号，以便模拟多路开关切换下一个模拟信号。,2.6.3采样保持器的工作原理,电容CH对精度的影响：,如果电容值过大，则其时间常数大，当模拟信号频率高时，由于电容充放电时间长，将会影响电容对输入信号的跟踪特性，而且在跟踪的瞬间，电容两端的电压会与输入信号电压有一定的误差。,如果电容值过小，在保持状态时，由于电容漏电流的存在或者负载内阻太小的影响，会引起保持信号电平的变化。,在选择电容时，容量大小要适宜，以保证其时间常数适中，并选用泄露小的电容。,另外，一般在输入端和输出端均采用缓冲器，以减少信号源的输出阻抗，增加负载的输入阻抗。,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,按结构分为两种类型：,串联型采样/保持器,A1和A2分别是输入和输出缓冲放大器，用以提高采样保持器的输入阻抗，减小输出阻抗，以便与信号源和负载连接。,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,按结构分为两种类型：,串联型采样/保持器,K是模拟开关，由控制信号电压UK控制其断开或闭合。CH是保持电容器。,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,按结构分为两种类型：,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A1是高增益放大器，其输出电阻和开关K的导通电阻RON很小，输入信号Ui通过A1对CH的充电速度很快，CH的电压将跟踪Ui的变化。,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,按结构分为两种类型：,串联型采样/保持器,当K断开时，采样/保持器从跟踪状态变为保持状态，这时CH没有充放电回路，在理想情况下，CH的电压将一直保持在K断开瞬间Ui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，影响到采样保持器的精度。跟踪速度也较低。,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,按结构分为两种类型：,串联型采样/保持器,其输出电压反馈到输入端，使A1和A2共同组成一个跟随器。,开关K1和K2有互补的关系：,K1闭合，K2断开;,K1断开，K2闭合;,反馈型采样保持器的结构,Ui,-+,A1,-+,eOS1,-+,A2,CH,模拟地,-+,eOS2,K1,UK,UC,UO,R,K2,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,反馈型采样/保持器,A1的输入失调电压,A2的输入失调电压,反馈型采样保持器的结构,Ui,-+,A1,-+,eOS1,-+,A2,CH,模拟地,-+,eOS2,K1,UK,UC,UO,R,K2,当K1闭合，K2断开时，,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,反馈型采样/保持器,此时，保持电容CH的端电压为：,A1和A2共同组成一个跟随器，采样/保持器工作于跟踪状态。,反馈型采样保持器的结构,Ui,-+,A1,-+,eOS1,-+,A2,CH,模拟地,-+,eOS2,K1,UK,UC,UO,R,K2,当K1断开，K2闭合时，,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,反馈型采样/保持器,此时，CH的端电压保持在K1断开瞬间UC的值上，则：,采样/保持器工作于保持状态。,在保持状态，K2闭合，放大器A1的输出仍在跟踪输入，避免A1开环而进入饱和，使得当采样/保持器再次转入跟踪状态时，A1能立即跟踪U1.,优点：,采样/保持精度高：原因是只有eOS1影响精度。跟踪速度快：因为是全反馈，直接把输出U0与输入Ui比较，如果U0Ui，则其差被A1放大，迅速对CH充电。,缺点：,结构复杂。,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,1.采样保持器的类型,反馈型采样/保持器,孔径时间tAP：保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。,2.采样保持器的主要性能参数,1.孔径时间tAP,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,t,U,孔径误差,模拟信号,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,实际输出,希望的输出,模拟开关从闭合到完全断开需要一定时间，当接到保持指令时，采样/保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输入值上，而是会跟着输入变化一段时间；,在tAP后的输出还有一段波动，经过一定时间后才保持稳定。,保持建立时间(设定时间）,保持建立时间tST：由保持指令开始，到输出在规定的误差带内达到稳定所需要的时间；,由于孔径时间的存在，采样/保持器实际保持的输出值与希望的输入值之间存在一定的误差，该误差称为孔径误差；,孔径时间tAP：保持指令给出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。,2.采样保持器的主要性能参数,1.孔径时间tAP,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,为了量化的准确，应在发出保持指令后延迟一段时间，再启动A/D转换。,孔径时间只是使采样时刻延迟，如果每次采样的延迟时间都相同，则对总的采样结果的精确性不会有影响。改变保持指令发出时间，即可消除孔径时间。,t,U,孔径误差,模拟信号,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,实际输出,希望的输出,保持建立时间(设定时间),孔径不定tAP：孔径时间的变化范围。,2.采样保持器的主要性能参数,2.孔径不定tAP,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,t,U,孔径误差,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,tAP,孔径不定,若孔径时间在变化，则对精度会造成影响；尤其，在高速采集系统中孔径时间的变化影响很大。,捕捉时间tAC：指当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，输出电压开始跟踪输入电压，并达到误差范围内所需要的最小时间。,2.采样保持器的主要性能参数,3.捕捉时间tAC,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,t,U,孔径误差,保持,跟踪,保持指令发出时刻,tAP,tST,保持,采样保持全过程,tAP,捕捉时间,捕捉时间不影响采样精度，但对采样频率的提高有影响；,tAC,如果在保持状态时的输出为-FSR，而在保持状态结束时输入已变至+FSR，则所需的捕捉时间最长。而这就是产品手册上给出的tAC值。,tAC与规定误差范围、保持电容CH的大小有关。,当采样保持器处在保持状态时，由于漏电流使保持电压值下降，下降值随保持时间增大而增加，常用保持电压的下降率来表示。,2.采样保持器的主要性能参数,4.保持电压的下降,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,保持电容CH的漏电流,为了使保持状态的保持电压的变化率不超过允许范围，须选用优质电容。增加CH的值可使保持电压的变化率不大，但将使跟踪的速度下降。,馈送：指在保持状态时，输入电压Ui的交流分量通过开关K的寄生电容CS加到CH上，使得Ui的变化引起输出电压UO的微小变化。,2.采样保持器的主要性能参数,5.馈送,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,增大保持电容器CH有利于减少馈送，但不利于采样频率的提高。,跟踪到保持的偏差：跟踪最终值与建立保持状态时的保持值之间的偏差电压。,该误差与输入信号有关，是一个不可预估的误差。,2.采样保持器的主要性能参数,6.跟踪到保持的偏差,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,跟踪到保持的偏差,7.电荷转移偏差,电荷转移偏差：指在保持状态时，电荷通过开关K的寄生电容转移到保持电容器上引起的误差。,此误差与馈送不同，是由直流分量引起。,2.采样保持器的主要性能参数,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,增大保持电容器CH有利于减少电荷转移偏差，但也增大了采样/保持器的响应时间。,由以上讨论可以看出，采样保持器的性能在很大程度上取决于保持电容器的质量。因此，应该选择优质电容器。,2.采样保持器的主要性能参数,2.6.3采样保持器的类型和主要性能参数,选择保持电容器，重点考虑：,绝缘电阻：减少电容漏电流；介质吸收：对保持电压有影响。,如果对一个电容器充电到一定电压Ue，然后对它短路放电一定时间后再开路，电容器上的电压将从零往Ue方向缓变。电容器表现出来的“电压记忆”特性称为电容器的介质吸收。,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,直接用AD转换器对模拟信号进行转换:,如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度,必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.,任何一种A/D转换器都需要一定的转换时间来完成量化和编码等过程。设转换时间为tCONV。如果在转换时间内，输入的模拟信号仍在变化，此时进行量化就会产生一定误差。,t,U,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,直接用AD转换器对模拟信号进行转换:,如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度,必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时：,由于在正弦信号过零时，t=n，|cos(n)|=1，所以：,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,直接用AD转换器对模拟信号进行转换:,如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度,必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,而在AD转换时间tCONV内，输入的正弦信号电压最大变化率可能为:,由此可得出:,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,直接用AD转换器对模拟信号进行转换:,如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度,必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,如果一个n位的A/D转换器，满量程电压为FSR=Um，则它的“量化单位”LSB所代表的电压Ui=Um/2n。,如果在转换时间tCONV内，允许的电压的最大变化不超过1LSB所代表的电压，则系统可采集的最高信号频率为：,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,直接用AD转换器对模拟信号进行转换:,如果模拟信号不经过采样/保持器而直接输入A/D转换器，系统允许该模拟信号的变化率就得降低。要保证A/D转换的精度,必须确保A/D转换过程中模拟信号的变化量不得大于LSB/2.,t,t,U,U,正弦信号的最大变化率,如果允许正弦信号电压变化0.5LSB，则系统可采集的最高信号频率为：,系统可采集的最高信号频率受A/D转换器的位数和转换时间的限制。,已知A/D转换器的型号为ADC0804，其转换时间tCONV=100s（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：,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,例子：,该系统无采样/保持器，只能对频率低于6.22Hz的信号进行采样。,如果在A/D转换器的前面加一个采样/保持器，这样就变成在t=tAP内讨论系统可采集模拟信号的最高频率。则系统可采集的信号最高频率为:,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,因为tAP一般远远小于A/D转换器的转换时间tCONV，所以，有采样/保持器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。,解：,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,例子：,使用采样/保持器之后，系统能对频率不高于12.44Hz的信号进行采样，使系统可采集的信号频率提高了很多倍，大大改善了采样速率。,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tAP=50ns，ADC0804的转换时间tCONV=100s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率。,根据采样定理，采集一个有限带宽的模拟信号，采样频率至少应两倍于最高信号频率。,这意味着带采样保持器的数据采集系统能处理的最高输入信号频率应为：,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,tAC：采样/保持器的捕捉时间；tAP：采样/保持器的最大孔径时间（包括抖动时间）；tCONV：A/D转换器的转换时间。,tST?,tAP与tAC、tCONV相比，可以忽略。,2.6.4系统采集速率与采样保持器的关系,例子：,数据采集系统能够采集的信号的最高频率既要受到采样/保持器的孔径时间tAP和采样精度n的限制，也要受到采样定理的限制。,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的捕捉时间tAC=6s，孔径时间tAP=50ns，ADC0804的转换时间tCONV=100s（时钟频率为640kHz），计算系统可采集的最高信号频率,解：,2.6.5采样保持器集成芯片,目前，采样/保持器大多数是集成在一块芯片，芯片内不包含保持电容器，保持电容器是由用户根据需要自选并外接在芯片上。,2.6.5采样保持器集成芯片,1.AD582,AD582是通用型采样/保持器(国产型号5G582)。,它由一个高性能的运算放大器、低漏电流的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成。它采用14脚双列直插式封装.,其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容CH接在脚6与脚8之间，脚10和脚5是正负电源，脚11和脚12是逻辑控制端，脚3和脚4接直流调零电位器，脚2，7，13，14为空脚(Nc)。,AD582的特性如下：,有较短的信号捕捉时间，最短达6s;有较高的采样保持电流比，可达107;有较高的输入阻抗，约30M；输入信号电平可为电源电压US;具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力；具有差动的逻辑输入端；AD582可与任何独立的运算放大器连接。,2.6.5采样保持器集成芯片,1.AD582,该时间与所选的保持电容有关,保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值,L+相对L-的输入电压在-6V0.8V时，处于跟踪模式，L+相对于L-的偏置为+2V+US-3V之间时，处于保持模式。,2.6.5采样保持器集成芯片,1.AD582的实用电路,是反馈型采样/保持器，增益为1，输出不反相的连接线路。保持电容接在运放的输出端（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+A2)CH。,调零电位器,密勒效应：反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。坏处：密勒电容对器件的频率特性有直接的影响。好处：1.采用较小的电容来获得较大的电容，这种技术在IC设计中具有重要的意义（可以减小芯片面积）；2.获得可控电容(例如受电压或电流控制的电容)。,2.6.5采样保持器集成芯片,1.AD582的实用电路,所以只需要外接较小的电容，因此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CH=100pF，这时的捕捉时间tAC6s。,当精度要求较高（0.01%）时，为减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000pF。,2.6.5采样保持器集成芯片,1.AD582的实用电路,输出不反相电路，电路增益可由外接电阻来选择:,2.LF198(LF298,LF398),LF198也是反馈型采样/保持器，用二极管D1、D2代替模拟开关K2。当处于跟踪状态时，U0=UI,D1，D2均不导通。当处于保持状态时，D1或D2之一导通,2.6.5采样保持器集成芯片,LF198的供电电压为5V18V。控制电压UK为TTL电平，当UK1.4V时，LF198处于跟踪状态，当UK负跳变(从“1”变为“0”)时，转向保持状态。,2.LF198(LF298,LF398),LFl98可外接电位器作直流和交流的凋零。直流凋零是补偿运算放大器的失调电压，与一般运放的调零相同。,2.6.5采样保持器集成芯片,直流调零,交流调零,交流调零方法是把模拟开关的控制电压UK加到一反相器上，在反相器的输入与输出间接了一个10k欧姆电位器，电位器的中心抽头经10pF小电容与保持电容Cu端连接，这是用以补偿Uo跳变时加到CH上的脉冲。,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,1.采样保持器选用时应注意的问题,每一次数据采集过程都包括一次采样和一次A/D转换，所以采样/保持器和A/D转换器各完成一次动作所需时间之和应小于采样周期Ts。,捕捉时间,保持建立时间,A/D转换时间,tAC与规定误差范围有关。因此，tAC的大小应与A/D转换器的精度配合。同时，tAC也与采样/保持器所选保持电容CH的大小有关。,8位A/D转换器的精度等于2-8=1/256=0.39%，与之相配的采样/保持器的误差带可取为0.2%(0.1%)。,AD582在CH=10pF时，要达到该精度，tAC=6s。,12位的A/D转换器，精度等于2-12100%=0.024%,则应取采样/保持器的误差带为0.01%(0.005%)。,AD582在CH=1000pF时，要达到该精度，tAC=25s。,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,1.采样保持器选用时应注意的问题,保持电压下降率对AD转换器输入端的电压稳定度的影响。,为了保证数据采集精度，应使在A/D转换时间tCONV内，采样/保持器的保持电压下降不超过LSB/2，即保持电压下降率为：,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,1.采样保持器选用时应注意的问题,然后根据如下公式校核CH的值：,保持电容CH的漏电流,根据LSB可以定出dU/dt,孔径时间与精度、信号的最大变化率的关系。,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,1.采样保持器选用时应注意的问题,设输入信号的最大变化率为(dUi/dt)max，允许的孔径误差小于LSB/2，则孔径时间tAP应满足下式：,或,2.电路设计中应注意的问题,接地,采样保持器是一种由模拟电路与数字电路混合而成的集成电路，一般有分离的模拟地和数字地引脚。,目的：避免数字电路的突变电流对模拟电路的影响。,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,方法：将模拟地与数字地分别用引线接到模拟电源和数字电源的参考点上。,原因：当进入保持模式时，逻辑输入信号会通过印刷电路板布线间的漏电流耦合到模拟输入端而引起保持误差。,2.电路设计中应注意的问题,漏电耦合的影响,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,当逻辑信号端输入一个快速上升的逻辑输入信号使采样/保持器进入保持模式时，如果不采取其它相应措施，则将引起保持误差。特别是对于高阻抗的信号源，保持误差尤其突出。,2.电路设计中应注意的问题,漏电耦合的影响,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,解决方法：,印刷电路板布线时，应使逻辑输入端的走线尽可能远离与模拟输入端。,将模拟信号输入端用地线包围起来，以隔断漏电流的通路。,降低逻辑输入信号的幅值，如5V2.5V。,寄生电容的影响,2.电路设计中应注意的问题,2.6.6采样/保持器使用中应注意的问题,在逻辑信号输入端与保持电容器之间存在寄生电容，当逻辑信号输入端加一跳变的控制信号时，由于寄生电容的耦合作用，也将引起采样/保持器的输出误差。,例如：LF198，若保持电容是0.01F，设寄生电容为1pF，当逻辑信号输入端加一个5V的跳变信号，使采样/保持器从跟踪模式变为保持模式，由于寄生电容的影响，相当于在模拟输入端增加了1mV的输入信号，从而引起输出误差。,寄生电容的影响,2.电路设计中应注意的问题,2