智能仪器.

节标题样式，一、对应,*-1,节中一级标题样式，对应,(,一,).,节中二级标题样式，对应,1.,节中三级标题,第四级,第五级,*,2-5,数据采集系统设计,多路开关的工作原理及主要技术指标,作用：,将多路被测信号分别传送到,ADC,进行转换。,工作原理如下：,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,0001,状态，经四,十六线译码器后，第,1,根线输出高电平，场效应管,T,1,导通，,U,O,=,U,i,1,，,选中第,1,路信号。,如果要连续选通第,1,路到第,3,路的信号，可以在计数器加入计数脉冲，每加入一次脉冲，计数器加,1,，状态依次变为,0001,0010,，,0011,。,1,2,3,15,16,.,四,-,十六线译码器,四位计数器,T,1,T,2,T,3,T,15,T,16,U,0,U,i3,U,i2,U,i1,U,i15,i16,U,计数,2,3,2,2,2,1,2,0,.,.,.,.,.,.,.,集成多路开关,多路开关的串音与抑制,在,n,个模拟开关的,并联组合中，当一个开,关导通时，其它,n,1,个,开关是断开的，未导通,开关的漏电流将通过导,通的开关流经信号源，,如右图所示。,这样，将在输出端,形成一个误差电压,U,OE,。,I,导,通,开,关,测量点,U,OE,R,L,R,ON,R,S,I,I,I,S,S,S,S,断,开,开,关,漏电流电路,将,3,n,个通道分,成,3,组,，,再用,3,个第,二级的开关接到输,出端。这样将使流,到输出端的漏电流,由,(3,n,1),降到,(,n,1),，,差不多减,至,.,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,C,输出,1,2,n,1,2,n,1,2,n,多路开关的分级组合,采样,保持器的工作原理,采样,保持器的一般结构形式下图所示,。,模拟信号,U,i,K,驱动信号,A,C,H,模拟地,采样保持器的一般结构形式,组成：,模拟开关,K,、,电容,C,H,、,缓冲放大器,A,在,t,1,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,U,i,通过模拟开关加到电容,C,H,上，使得,C,H,端电压,U,C,跟随,U,i,变化而变化。,在,t,1,时刻，驱动信号为低电,平，模拟开关,K,断开,，,此时,电容,C,H,上的电压,U,C,保持,模拟开关断开瞬间的,U,i,值,不变并等待,A,D,转换器转,换,。,工作原理如下：,t,控,制,信,号,t,模,拟,输,入,A,t,采,样,输,出,跟踪,t,1,A,2,t,2,A,1,t,3,保持,A,3,t,4,A,采样保持器工作原理,而在,t,2,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，,C,H,端电压,U,C,又跟,随,U,i,变化而变 化；,t,3,时刻，驱动信号为低,电平时，模拟开关,K,断开,，,.,。,从以上讨论可知：,采样,保持器是一种用逻辑电平控,制其工作状态的器件。,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。,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。,采样,保持器的原理和主要性能参数,1.,采样,保持器的电路原理,U,i,-,+,A,1,K,U,K,-,+,A,2,C,H,模拟地,U,O,串联型采样保持器的结构,A,1,和,A,2,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。,K,是模拟开关，由控制信号电压,U,K,控制其断开或闭合,。,C,H,是保持电容器,。,优点：,缺点：,失调电压为两个运放失调电压之和，较大，影响精度。,跟踪速度较低。,结构简单,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,孔径时间,t,AP,捕捉时间,孔径不定,由左图可知,，,在,t,AP,后,的输出还有一段波动,，,经过一定时间,t,ST,后才保持稳定,。,t,U,孔径误差,实际输出,希望的输出,模拟信号,保持,跟踪,保持指令发出时刻,t,AP,t,AP,t,AC,t,ST,保持,采样保持全过程,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,。,由于孔径时间的存在，而产生,孔径误差,采样保持器实际保持的,输出值与希望输出值之差。,孔径不定,t,AP,孔径不定,t,AP,孔径时间的变化范围。,孔径时间使采样时刻延迟。,如果延迟时间不变，则对总的采样结,果的精确性不会有太大影响。,但若孔径时间在变化，则对精度就会,有影响。,捕捉时间,t,AC,捕捉时间,指当采样保持器从保持状,态转到跟踪状态时，采样,保持器的输出从保持状态的,值变到当前的输入值所需的,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。,保持电压的下降,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：,式中,I,保持电容,C,H,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,指输入电压,U,i,的交流分量通过开关,K,的寄生电容,C,S,加到,C,H,上,，,使得,U,i,的,变化引起输出电压,U,O,的微小变化,。,馈送的通路,U,i,-,+,A,2,C,H,U,O,C,S,K,交流分量引起的误差。,保持电容器,C,H,，,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。,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。,保持电容器,C,H,，,电荷转移偏差,，,采样保持器的响应时间,。,此,误差由直流分量引起。,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。,系统采集速率与采样,保持器的关系,首先讨论不用采样,/,保持器，而直接用,A/D,转换器对模拟信号进行转换的情况。,U,i,=,U,m,2,sin,t,t,U,m,2,t,U,U,正弦信号的最大变化率,对正弦信号采样，在,t,内，模拟信号电压的最大变化率发生在正弦信号过零时。,由于正弦信号过零时,，,t,=,n,，,|cos(,n,)|=1,，,所以,则,而在,A,D,转换时间,t,CONV,内,，,输入的正弦信号电压最大变化率可能为,由此可得出,如果在转换时间,t,CONV,内,，,正弦信号电压的最大变化不超过,1,LSB,所代表的电压,，,则在,U,m,=,FSR,条件下,，,数据采集系统可采集的最高信号频率为,如果允许正弦信号电压变化为,，,则系,统可采集的最高信号频率为,由以上两式可看出，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。,【,例,1】,已知,A,D,转换器的型号为,ADC0804,，,其转换时间,t,CONV,=100,s,（,时钟频率为,640kHz,），,位数,n,=8,，,允许信号变化,为,，,计算系统可采集的最高信,号频率。,解：,由式,（,2-30,）,知,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 =t,AP,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，则系统可采集的信号最高频率为,结论：,因为,t,AP,一般远远小于,A,D,转换器的,转换时间,t,CONV,，,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。,【,例,2】,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,=100,s,（,时钟频率为,640kHz,），,计算系统可采,集的最高信号频率。,解：,由式,（,2-31,）,知,如何选择和使用,A,D,转换器,1.,如何确定,A,D,转换器的位数,从静态精度考虑,要考虑量化误差对输出的影响。,量化误差与,A,D,转换器位数有关。,位数与误差的关系,位数,误差,8,9,10,11,12,13,10,位以下误差较大；,11,位以上误差减小不明显。,因此，取,10,11,位是合适的,。,从精度来看,由于模拟信号是先测量后转换，因此,总,误差,测量误差,量化误差,设测量误差和量化误差不相关。,它们的标准差分别为,e,M,和,e,q,。,则总误差的标准差为,式中,由左图可知,:,变化缓慢,，,e,M,减小不多。,，,e,M,e,q,e,M,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,因此，取,为,0.3,0.5,较为合适,。,与 的关系,e,q,e,M,总之,，,A,D,转换器的精度应与测量,装置的精度相匹配,。,确定位数,量化误差在总误差中所占,比例要小。,根据测量装置的精度水 平，合理提出位数要求。,目前,，,大多数测量装置的精度值不小,于,0.1%,0.5%,，,故,A,D,转换器的精度取,0.05%,0.1%,，,相应的位数为,10,11,位，,加上符号位，即为,11,12,位,。,从动态平滑性的要求来考虑,位数不能太多，否则虽然,q,，,但产生,高频小振幅量化噪声,。,一般来说，满足,静态精度,要求的位数，也能满足,动态平滑性,的要求。,2.,如何确定,A,D,转换器的转换速率,转换速率,每秒钟能完成的转换次数。,确定转换速率时，应该考虑系统的采样速率：,若转换时间为,100,s,，,则转换速率为,10,千次,/,s,。,设一个周期采,10,个样点，那么,A,D,转换,器最高只能处理,1kHz,的模拟信号,。,若转换时间为,10,s,，,则转换速率为,100,千次,/,s,，,信号频率可提高到,10kHz,。,3.,如何确定是否要加采样保持器,原则上，采集变化非常缓慢的模拟信,号（例如温度）时，可不用采样保持器。,其它模拟信号都要加采样保持器。,数据采集系统实例,AD7506,单端,16,选,1,多路模拟开关,AD7506,的外引脚图和原理图,LF398,采样保持器,LF198/298/398,是场效应管构成的采样保持电路，它具有采样速度快，保持电压下降速度慢以及精度高等特点。当保持电容为,1,F,时，其下降速度为,5mV/min,，,电压精度可达,0.01%,。,图中，当逻辑控制端,IN,（,+,）为,1,时为,采样状态，,此时,S,闭合，输出跟随输入变化；,当,IN,（,+,）为,0,时，呈,保持状态,，此时,S,打开，输出保持不变。,LF398,的原理,图,2-44,16,路数据采集系统,