《数据采集系统设计》PPT课件

4.3 4.3 数据采集系统设计数据采集系统设计一、数据采集系统设计的一般步骤一、数据采集系统设计的一般步骤二、数据采集系统的误差分析二、数据采集系统的误差分析三、三、DASDAS设计实例设计实例一、数据采集系统设计的一般步骤一、数据采集系统设计的一般步骤1 1、分析问题和确定任务、分析问题和确定任务 2 2、确定采样频率、确定采样频率3 3系统总体设计系统总体设计 (1)(1)进行硬件和软件的功能分配进行硬件和软件的功能分配一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。性，降低成本，但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。时进行合理的功能分配。(2)(2)系统系统A AD D通道方案的确定通道方案的确定二、数据采集系统的误差分析二、数据采集系统的误差分析 1 1、采样误差、采样误差outcsAPACoffONTHtttttttt多路模拟开关接通时间多路模拟开关接通时间TonTon和断开时间和断开时间ToffToff、采样保、采样保持器的捕获持器的捕获 T TACAC 、孔径时间、孔径时间T TAPAP 和保持建立时间和保持建立时间TsTs、A/DA/D转换时间转换时间TcTc和数据输出时间和数据输出时间ToutTout。为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程的为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程的动态误差，模拟开关对动态误差，模拟开关对N N 路信号顺序进行等速率切换路信号顺序进行等速率切换时，采样周期至少为时，采样周期至少为 ，THNtTHTHtN1f 2 2、模拟电路误差、模拟电路误差u模拟开关导通电阻模拟开关导通电阻RONRON的误差的误差 模拟开关存在一定的导通电阻，信号经模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的变化会使放大器或采样保持器的输入信号波变化会使放大器或采样保持器的输入信号波动，引起误差。动，引起误差。u多路模拟开关泄漏电流多路模拟开关泄漏电流I IS S引起的误差引起的误差 V3505071019.u采样保持器衰减率引起的误差采样保持器衰减率引起的误差保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：I ID D为流入保持电容为流入保持电容C CH H的总泄漏电流，的总泄漏电流，I ID D包括采样保包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。漏电流，电容内部的漏电流。u放大器的误差放大器的误差 数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差、零位误差等。线性误差、增益误差、零位误差等。HDCCItU LSB32ADC)(4 4、数据采集系统误差的计算、数据采集系统误差的计算2ADC2SH2AMP2MUX)()()()()(ADCSHAMPMUX 转转换换器器的的误误差差采采样样保保持持器器的的误误差差放放大大器器的的误误差差多多路路模模拟拟开开关关的的误误差差A/DADCSHAMP MUX选择元器件精度的一般原则：每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍。例如：0.1%级精度性能的数据采集系统，所选元器件的精度应该不大于0.01%。三、三、DASDAS设计实例设计实例设计过程：设计过程：1 1、粗略地选择与系统功能要求相当的器件、粗略地选择与系统功能要求相当的器件 首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换时间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电源，粗略地选择时间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电源，粗略地选择与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机80318031作为系作为系统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用AD7506AD7506，建立时间是，建立时间是1us1us。采样保持器选用。采样保持器选用LF398LF398，建立时，建立时间是间是6us6us，A/DA/D转换器选用转换器选用AD574AD574，其分辨率为，其分辨率为1212位，转换精度位，转换精度可达可达0.05%0.05%，转换时间，转换时间25us25us。器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要求范围内。求范围内。2 2、系统转换时间、系统转换时间系统的转换时间由多路模拟开关、采样保持系统的转换时间由多路模拟开关、采样保持电路的采集时间以及电路的采集时间以及A/DA/D转换器的稳定时间和转换器的稳定时间和转换时间确定，它决定了系统的动态特性。转换时间确定，它决定了系统的动态特性。系统转换时间系统转换时间=多路开关稳定时间多路开关稳定时间+采样保持采样保持器的采样时间器的采样时间+A/D+A/D转换器的稳定时间和转换转换器的稳定时间和转换时间时间 =1us+6us+25us=32us=1us+6us+25us=32us系统转换时间小于系统转换时间小于50us50us，满足要求。，满足要求。3 3、系统误差分析、系统误差分析（1 1）多路模拟开关）多路模拟开关AD7506AD7506的误差（的误差（2 2项）项）a a、多路模拟开关泄漏电流、多路模拟开关泄漏电流I IS S引起的误差引起的误差根据根据AD7506AD7506的技术指标，的技术指标，2525时泄漏电流时泄漏电流I IS S=0.05nA,=0.05nA,信号源内阻信号源内阻1010，当，当1 1路接通时，路接通时，断开的断开的1515路泄漏电流路泄漏电流I IS S在导通这一路的信号在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：源内阻上产生的压降为：可以忽略不计可以忽略不计V105710151005099 .，衰减分压比衰减分压比=%.%00130100M30400%0013.0mux（2 2）采样保持器采样保持器LF398LF398的误差（的误差（2 2项）项）a a0.35%ADC0.5%0.3613%0.35%0.01%00.0013%)(ADCSHAMPMUX4 4、结构形式的确定、结构形式的确定系统要实现系统要实现1616路数据采集，要用多通道数据采集结路数据采集，要用多通道数据采集结构。拟采用多路分时采集分时输入结构，结构形式构。拟采用多路分时采集分时输入结构，结构形式简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速率不简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。高，对采样信号不要求同步的场合。多路模拟开关多路模拟开关.采样保持器采样保持器 A/D 转换器转换器 单片机单片机 控制逻辑控制逻辑 5 5、设计数据采集系统原理图、设计数据采集系统原理图 原理图见课本原理图见课本200200页。页。工作过程见课本工作过程见课本 199,201199,201页。页。6 6、软件设计、软件设计采用中断法：当转换完成后，转换结束状态信号采用中断法：当转换完成后，转换结束状态信号STSSTS有效，利用有效，利用STSSTS作为中断请求信号，向作为中断请求信号，向CPUCPU提提出中断申请，当微处理器响应中断，在中断服务程出中断申请，当微处理器响应中断，在中断服务程序中执行转换结果数据的读入。序中执行转换结果数据的读入。1212位结果分两次被位结果分两次被80318031读入到指定的缓冲单元。这种方法读入到指定的缓冲单元。这种方法CPUCPU可与可与A AD D转换器并行工作，效率高，硬件接口简单。转换器并行工作，效率高，硬件接口简单。