工学数据采集技术

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,工学数据采集技术,自动检测系统构造框图,3.2 数据采集技术,3.2.1 数据采集系统的组成,1、数据采集系统的概念,数据采集系统简称DAS，其种类很多，但其根本构成是相似的。图2所示为一个典型的数据采集系统,它主要包括多路模拟开关MUX、信号滤波与放大电路IA、采样/保持电路S/H、 模/数转换电路AD等。,图2 典型数据采集系统,2、数据采集系统的配置,1分时采集系统,构造形式如以下图所示,单极性转换：,满刻度电压范围：0+5V，或0+10V,双极性转换：,满刻度电压范围： 5V或 10V,A/D转换器输入电阻不高，通常为,这种构造形式适用于慢变化过程对象及传感器输出电压较高的场合。, 当传感器的输出电压较小时，对多路模拟开关的要求很高，甚至要求能接收微伏级的信号，一般的多路模拟开关很难满足要求。, A/D转换器的转换过程需要一定的时间，一般在几十微秒到几十毫秒。因此，当通道数较多及输入信号的变化较快时，即使用高速的A/D转换器也难以胜任。, 这种采集系统是分时采样，每采样一次就进展一次A/D转换，送入内存后才对下一个采样点进展采样。因此每个采样点之间存在一个时差，这就使得各通道采样值在时轴上产生扭斜现象，输入通道的数目越多，这种扭斜现象越严重。,分时采集系统的另一种构造形式,同时采集系统的构造形式如以下图所示：,2同时采集系统,这种方案能够很好地满足同时检测多个模拟信号的要求，适用于高速的数据采集系统。,3差动构造形式,差动构造形式如下 图所示：,运放IA接成差动输入、单端输出，多路模拟开关采用双通道输出构造，信号源的参考点即接地点和IA、A/D的参考点不需要用导线连接。从而具有较强的抑制共模干扰能力。,4模拟量隔离的构造形式,电压-频率变换器隔离形式如以下图所示,采用VFC和FVC构成的隔离式数据采集装置，它将模拟信号转变成开关量信号以实现光电隔离和远距离传递。因而具有隔离性能好、抗干扰能力强、精度高、容易实现的特点。广泛使用在温度、压力和流量等方面的检测。,1、多路开关,实现将多个参数逐个、分时地接通并送入A/D转换器，即完成从多路到一路地转换。,多路开关分为单向多路开关和双向多路开关,双向多路开关既可以作为多路开关、实现多到一的转换，又能当作反向多路开关，完成一到多的转换。,单向多路开关只能完成多到一的转换。,(1) CD4051/CD4052/CD4053,1CD4051：CD4051是一个单向8通道多路开关，它有3个二进制控制输入端A、B、C和一个制止输入端INH，并由3位二进制信号来选择8个通道中的一个通道。当INH为“1时，通道断开，制止模拟量输入；当INH为“0，通道接通，允许模拟量输入。其工作原理如图3所示。,图3 CD4051原理图,上图中，逻辑电平转换单元完成CMOS到TTL的电平转换，因此这种多路开关输入电平范围广，数字量输入为315 V，模拟量可达15 V。 二进制译码器用来对选择输入端A、B、C的状态进展译码，并控制开关电路TG，使某一路开关接通，从而使输入/输出通道相连。,2 CD4052,CD4052为双向4通道多路开关，其工作原理与CD4051相似， 两者不同之处在于CD4052只有两个通道选择输入端A、B，这样可以选择4种状态。译码器译出的每一种状态同时控制X、Y两个开关。因此，这种开关适宜做差动信号输入的多路开关。 CD4052的工作原理如图4所示。,图4 CD4052原理图,3 CD4053,CD4053为三重两通道多路开关，其原理与CD4052根本一样。不同的是它可以一次接通3个通道，此外它有3个二选一译码器， 其工作原理如图5所示。,图5 CD4053原理图,表,3-1 CD4051,CD4052,CD4053,的真值表,(2) AD7501/AD7503,AD7501是一个8通道开关,采用CMOS电路。地址线A,2,、 A,1,、,A,0,为通道选择输入端，通过改变A,1,A,0,状态可以选择8个通道中的任何一个。EN为使能控制端。其原理与引脚图如图6所示。,图6 AD7501引脚图与原理图,A,2,A,1,A,0,EN,“ON”,0,0,0,1,1,0,0,1,1,2,0,1,0,1,3,0,1,1,1,4,1,0,1,1,5,1,0,1,1,6,1,1,1,1,7,1,1,1,1,8,0,空,AD7501的真值表,A,2,A,1,A,0,EN,“ON”,0,0,0,0,1,0,0,1,0,2,0,1,0,0,3,0,1,1,0,4,1,0,1,0,5,1,0,1,0,6,1,1,1,0,7,1,1,1,0,8,1,空,AD7503的真值表,3AD7506,它是一个单向16路的多路开关，工作原理及电路与AD7501的根本一样。如图7所示。,图7 AD7506原理图,多路开关选用本卷须知,在选用多路开关时，常要考虑许多因素，要单端型还是差动型的；开关电阻多大；控制电平多高；另外还要考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面。,1对于传输信号电平较低的场合，可选用低压型多路模拟开关，这时必须在电路中有严格的抗干扰措施，一般情况下选用常用的高压型。,2对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，如利用铂电阻测量缓变温度场，就可选用机械触点式开关，在输入通道较多的场合，应考虑其体积问题。,3在切换速度要求高，路数多的情况下，宜选用多路模拟开关；在选用时尽可能根据通道量选取单片模拟开关集成电路，因为这种情况下每路特性参数可根本一致；在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片以尽可能使每个通道的特性-一致。,4在多路模拟开关的速度选择时，要考虑到其后级采样保持电路和AD的速度，只需略大于它们的速度即可，不必一味追求高速。,5在使用高精度采样、保持AD进展精细数据采集和测量时，需考虑模拟开关的传输精度问题，尤其需注意模拟开关漂移特性，因为如果性能稳定，即使开关导通电阻较大，也可采取补偿措施来消除影响。但如果阻值和漏电流等漂移很大，将会大大影响测量精度。,2 采样保持器,采样保持电路是为了保证在AD转换过程中，使模拟信号以较高的精度转换为数字信号。由于模拟信号向数字信号进展转换需要一定的时间，因此在这段时间里，必须保持采样点的数值不变，才能保证转换的精度， 这就是采样保持器的意义所在。 ,采样保持器有两种工作方式：一种是采样方式；另一种是保持方式。这两种方式由方式控制端来选择。在采样方式中， 采样保持器的输出跟随模拟输入电压；在保持方式中，采样保持器的输出将保持采样命令发出时刻的输入值，直到保持命令撤消(即转到采样命令)时为止。 图8所示为采样保持过程的示意图。,图8 采样/保持器的工作方式,工作方式,采样/保持器,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。,1) AD582,AD582是由高性能运算放大器、低泄漏电阻的模拟开关及一个由结型场效应管组成的输入放大器等三局部组成。 AD582的引脚及构造原理如图9所示。,图9 AD582引脚及原理图,AD582,的各引脚功能如下：,+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。,0UTPUT,：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,+15 V,和,15 V,。,NC,：空脚。,AD582的使用特点如下： ,1 采样时间比较短， 最短可达6 s。 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，说明保持电压下降速率越低。 ,3 输入信号电平可达电源电压VS， 可适用于12位的AD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。,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) LF198/LF298/LF398,LF198LF298LF398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。 LF198LF298LF398的电路构造完全一样，只是某些电气参数稍有不同，其构造原理如图10所示。LF198系列采用两种封装方式，一种是双列直插式封装见图11(a)，另一种是8脚金属管壳封装见图11(b)。,图10 LF198/LF298/LF398原理图,图11 LF198/LF298/LF/398引脚图,双列直插式 金属封装,LF398使用的极限参数如下：, 电源电压为18 V； , 功率耗散(封装限制)为500 mW； , 工作环境温度范围： LF198LF198A为55+125，,LF298为25+85，,LF398为0+150； , 存储温度范围为65+150； , 输入电压为电源电压； , 逻辑到逻辑基准的差动电压为+7 V， 30 V； , 输出短路持续时间不确定； , 保持电容器短路持续时间为10 s； ,引线温度,(,焊锡，,10 s),为,300,。,图12所示是LF398作为采样保持器应用的典型电路。 管脚2是调零端。将1 k电位器的一个固定端接VCC，另一个固定端通过电阻接地，可调端接收脚2。固定电阻以其流过0.6 mA为宜选取阻值。不需要直流调零时，管脚2悬空。,图12 LF398应用典型电路,电路设计中应注意的问题,接地,原因：,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,般有别离的模拟地和数字地引脚。,目的：,防止数字电路的突变电流对模拟电,路的影响。,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。,漏电耦合的影响,如图,右,所示,。,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。,LF198,模拟输入,3,U,+,1,U,-,4,5,输出,6,C,H,7,8,逻辑信号输入,0V,5V,LF198采样/保持逻辑面,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,5V,2.5V。,寄生电容的影响,现象：,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。,LF198,模拟输入,3,U,+,1,U,-,4,5,输出,6,C,H,7,8,逻辑信号输入,0V,5V,LF198采样/保持逻辑,例如：LF198，假设保持电容是F，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,保持器从跟踪模式保持模式时，,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。,解决方法：,在印刷板上做一与采样保持,器输出端相连接的短路环，把,保持电容的非接地脚包围起来，以减少寄生电容的影响。,汇报结束,谢谢大家,!,请各位批评指正,