《数据采集技术》PPT课件

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第六章 数据采集技术,数据采集技术是研究信息数据的采集、存贮、处理以及控制等作业。,监控分站的主要工作任务之一就是采集它所连接传感器送来的,模拟量和开关量,信息,转换为数字信号,，再收集到计算机并进一步予以显示、处理、传输与记录，这一过程即称为“数据采集”。,用于数据采集的成套设备,称为,数据采集系统,（,DAS）。,1,数据采集系统最主要目标有两个：,一是,精度,；,二是,速度,。,对任何量的测试都要有一定的精确度要求，否则将失去测试的意义；,提高数据采集的速度是为提高工作效率，便于实现动态测试。,2,现代数据采集系统具有如下主要特点：,（1）一般都由,计算机控制,，数据采集的质量和效率等大为提高，也节省硬件投资。,（2）,软件,在数据采集系统的作用越来越大，系统设计灵活。,（3）,数据采集与数据处理紧密,，形成数据采集与处理系统，可实现从数据采集、处理到控制的全部工作。,3,（4）数据采集过程一般都具有“,实时”特性,，实时的标准是能满足实际需要。,（5）随着微电子技术的发展，电路集成度的提高，数据采集系统的体积越来越小，可靠性越来越高，出现,单片数据采集,系统。,单片机：,全称单片微型计算机，是把中央处理器、存储器、定时/计数器（Timer/Counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。,（6）总线在数据采集系统中有着广泛的应用。,总线：,指计算机组件间,规范化的交换数据的方式,，即以一种通用的方式为各组件提供,数据传送,和,控制逻辑,。,4,第一节 数据釆集系统的基本构成,一、数据采集系统的基本构成,图6-1是数据釆集系统的典型结构，数据釆集系统既能完成,釆集,，也能实现,处理,。它主要由四部分组成：,5,6,（1）,数据采集器,:包括,多路开关,MUX,、,测,量,放大器,IA,、,采样保持放大器SHA,、,模数转换器ADC,等，将多个现场模拟信号逐个,采样,再,量化,成数字信号后送往微型计算机。,（2）,微机接口电路,：用来传送数据采集系统运行所需要的数据、状态信息以及控制信号。,（3）,数模转换器,:将微机输出的,数字信号再转换为模拟信号,，以实现系统要求的显示、记录与控制任务。也将包含数模转换器,DAC,的数据采集系统称为模拟输入与输出系统。,7,（4）,应用软件,。,数据采集系统的采集信息有,模拟量信号,、,频率信号,和,开关量信号,等。,8,二、数据采集系统的主要性能指标,系统分辨率；,系统精度；,采集速率；,动态范围；,非线性失真。,9,第二节 数据釆集基本电路,一、运算,放大器,和测量,放大器,1.运算放大器,在模拟集成电路中，集成运算放大器是最基本又是用途最广的一种电路。集成运算放大器是高增益、多级直接耦合放大器，在模拟计算中，这种放大器能够实现各种数学运算，故称为运算放大器。,直接耦合:,将前一级的,输出端,直接,连接,到后一级的,输入端,。,高增益单片集成化运算放大器在自动控制、测量仪表、计算技术等许多方面都有着极其广泛的应用，是模拟电子领域中最重要的有源器件。,10,大多数集成运算放大器都是双端（反向、同向）输入、单端输出。另外，还有正、负电源和调零端，有时还会有相位补偿端及其他一些特殊用途的输入、输出端。运算放大器常用图6-2所示符号。,11,在分析运算放大器应用电路时，忽略运算放大器各项指标的影响，视运算放大器为理想特性。理想运算放大器应当具备下列条件：,差模开环电压增益无限大,，,A,vd,=；,运放在没有反馈的情况下，,输出电压,除以,同相端和反相端之间的,电压差,。运放增益都很大，几万倍以上。,差模输入电阻无限大,，R,ID,=,；,指同相端和反相端之间的,电阻。,差模又称串模，指的是两根线之间的信号差值。,12,输出阻抗为零,，R,0,=0;,共模抑制比无限大,，CMRR=；,是指,差模,电压增益,与,共模,电压增益,之比,-3dB,带宽无限大,，f,H,=,；,A功率比B功率大一倍，10lgAB10lg23dB,-3dB带宽指信号功率衰减到输入的1/2，幅值衰减到输入的0.707倍对应的频率。,转换速率无限大,，,S,R,=。,13,另外，理想运算放大器不考虑任何失调、漂移、干扰、噪声等，即认为失调电压、失调电流、温度系数、干扰和噪声等均为零。,理想运算放大器是以工作在线性放大区为前提，当运算放大器工作电源为定值时，输出电压为有限值。,根据以上条件，理想运算放大器有如下基本关系：,由于u,-u,u,0,/A,VD,（差模开环电压增益无限大）,且A,VD,uu,u,0，u,u,14,可见，理想运算放大器两输入端电位近似相等，由于运算放大器本身输入电阻R,ID,=，流入放大器输入端电流i,ID,0。因此，这并不是真正的短路，不存在短路电流，而称之为“虚短。若同相输入端接地，则反相输入端近似为地电位，称之为“虚地。虽为地电位，却又不是真正接地。,15,u,u,和i,ID,0是理想集成运算放大器的重要原则。,在分析由各种运算放大器构成的电路时，就可以遵循这一重要原则。,实际运算放大器开环增益和输入电阻都不可能是无穷大，应当认为上述关系是近似的，这种近似对结果不会产生明显的误差。,16,2.测量放大器,传感器将被测参数（如压力、温度、转速和流量等）的非电量转换成电参数，只有在最简单的应用场合，才可将传感器的信号,直接,连至数据采集系统。,一方面，是因为传感器一般均不具有零输出阻抗，也不一定能直接提供公用的输出信号量值；（,阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用,）,另一方面，是因为传感器的工作环境往往比较复杂和恶劣，在传感器的输出端经常产生较大的干扰噪声。,17,虽然,运算放大器,对直接接到两个差动端的共模信号均有较高的抑制能力，但由于这种电路的,低输出阻抗,、,不平衡的输入阻抗,以及放大器,共模抑制能力直接与电阻比相匹配,等缺陷，使得其,不适合要求较高的数据采集,任务。,电路对称性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信号（干扰）的能力也就越差。,18,测量放大器一般提供以下主要功能：,（1）,输入缓冲：,提供一个高阻抗给传感器信号源，当不采用信号滤波时，测量放大器直接接收信号源；,（2）,信号放大：,用户可选外接电阻或软件编程来改变测量放大器增益；,（3）,共模抑制能力：,测量放大器采用差动输入方式时，可提供很高的共模噪声抑制能力；,共模抑制比：,输入端口,短路线中点对地,加电压和,输入端口两点,之间电压的比。,差动输入：,放大器两输入端分别接入幅度相同、相位相反的信号,（4）,单端输出。,19,应该指出的是：在不良环境中采取提高增益手段以进行精确测量时，在,不需要隔离,以及,共模噪声电压不大,的场合下，往往,使用测量放大器,，而在使用环境需要隔离的场合下，就应使用,隔离放大器,。,20,测,量,放大器,（IA）,又常称为,可变,增益放大器、数据放大器或桥路放大器。一般结构如图,6-3,所示。,21,差动输入端+,IN、IN,直接与信号源相连，故有较高的共模抑制能力。,外接电阻R,G,用于调整测量放大器增益，有些放大器还用R,s,进行增益微调。,负载的电压信号是,测量端,S,与,参考端R间,的电位差。通常,S,端与,V,out,端在放大器外连接且参考电位取地电位。,理想的测量放大器仅对,输入端的差值放大,。若放大器工作在共模方式，且V,IN+,V,IN-,（其中V,IN+,、V,IN-,为放大器两个差动输入端电压），则放大器输出为零。,22,通用测量放大器由,3,个高性能集成运算放大器,A,1,、A,2,、A,3,构成（图,6-4,）。,23,差动输入/输出级放大器,A,1、,A,2,对差动信号输入的增益为,1+2R,1,/Rw,。,由于结构对称，且允许被放大信号直接加到输入端，因而保证了很强的共模抑制能力。,A,1,、A,2,的共模增益仅为,1,，与R,1,及Rw的数值无关（在Rw上不出现共模电压，因此没有共模电流流经它，因为运放在正常工作时，输入端之间没有多大电位差）。,A,3,将,A,1,、,A,2,的差动输出信号转换为一个对地输出的参考信号,，A,3,的共模抑制主要由4个,R,2,相匹配的精度确定。图6-4所示放大器的传递作用为：,V,OUT,=（V,12,-V,11,）（2R,1,/Rw+1）,24,模数转换器（,ADC）,之前的电路统称为信号调理电路。信号调理器的基本功能是,调零,和,放大,，即进行,标度变换,以使采集信号与模数转换器的输入量程相匹配。,标度变换：,将对应参数值的大小转换成能直接显示有量纲的被测工程量数值。,信号调理器一般包括传感器的,直流供电,、,信号调零电路,、,信号放大器,和,信号滤波器,等。,25,二、模拟多路开关（,MUX）,在数据采集系统中，经常需要对多参数进行多路采集，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持和,A/D,等环节，不仅使系统成本成倍增加，而且会导致系统体积庞大，给系统的校准也带来很大困难。,通常采用,公共的,采样/保持及,A/D,转换电路（有时甚至可将某些放大电路共用），需要有模拟多路开关的支持。,26,模拟多路开关有,机械式,、,电磁式,和,电子式,三大类。,纯机械式开关在现代数据采集系统中已很少使用。,电磁式多路开关主要是指各种继电器、干簧管等，其中干簧继电器体积小、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。,电子开关,具有切换,速度高、无抖动、易于集成,等特点，但其导通电阻一般较大，输入电压,、,电流容量较小，动态范围很有限，常用于高速且要求系统体积较小的场合。,27,多路模拟开关的,主要用途：,把多个模拟量参数,分时,地接通送入,A/D,转换器，即完成,多到一,的转换，称为多路模拟开关；,或者把计算机处理，且由,D/A,转换成的模拟信号按一定的顺序输出到不同的控制回路（或外设），即完成,一到多,的转换，称为多路分配器。,这两种器件有的只有,一种用途，称为单向多路模拟开关,，如,AD7501（8,路）、,AD7506（16,路），有的则既能作多路模拟开关，又能作反多路开关，称为,双向多路分配器,，如,CD4051。,28,CD4051,是单端,8,通道多路模拟开关，它带有,3,个输入端,A、B、C,和,1,个,选通脉冲输入端,INH,。A、B、C,的信号用控制,8,个通道中的,1,个通道与公共端相连。,若,8,个输入信号加到通道,IN/OUT,的,X0-X7,端，而从公共输入/输出端,X,输出,，则,CD4051,是,8,线到,1,线,多路模拟开关,；如果,1,个输入信号加到公共端,X，,而从,8,个端子,X0-X7,之一输出,，则,CD4051,是1线到8线模拟,多路分配器,。,29,INH,是,CD4051,禁止输入端，当,INH,端保持,高电平，,INH=1,时，通道断开，禁止模拟量输入,，即,8,路输入,X0,X7,中任何一路均不与公共端相连，,8,路通道都关断；,当,INH,端为低电平,，,INH=0,时，通道接通,，,CD4051,正常工作，根据,A、B、C,选择输入端的不同组合，选择,8,路通道中的某路和输出端接通。其原理电路图如图,6-5,所示。,30,V,CC,是电路的供电电压，V,DD,是芯片的工作电压（通常V,cc,V,DD,），V,SS,是,公共接地端电压 ，V,EE,负电源电压,31,在图,6-5,中，逻辑电平转换单元完成,CMOS,到,TTL,的转换；二进制三-八译码器用来选样输入端,C、B、A,的状态进行译码，以控制开关电路,TG，,使某一路开关接通，从而使输入和输出通道相连。,CMOS：,互补金属氧化物（PMOS管和NMOS管）共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺，功耗很低、电压范围宽、抗干扰能力强。,TTL：,集成电路输入级和输出级全采用晶体管组成的单元门电路，多发射极实现输入级“与”逻辑，输出级晶体管实现“非”逻辑。与非门输出结果为：有0出1，全1出0。+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”，被称做TTL（晶体管-晶体管逻辑电平）信号系统 。,多路模拟开关的通道数有,4,路、,8,路和,36,路等。,32,半导体多路模拟开关特点：,采用标准双列宜插式结构，尺寸小，便于安排；,直接与,TTL,（或,CMOS）,电平相兼容；内部带有通道选择译码器，使用方便；,可采用正或负双极性输入；转换速度快，导通或关断时间在,1s,左右；,寿命长，无机械磨损；接通电阻低，一般小于,100；,断开电阻高，一般达,10,9,以上。,半导体集成多路模拟开关在数据采集系统中得到了广泛的应用。,33,三、采样保持放大器,当传感器将,非电物理量,转换成电量，并经,放大、滤波,等一系列处理后，需经,A/D,转换,成数字量，才能送入数据采集系统的计算机。,如果直接用,ADC,对模拟量进行转换，则应考虑到任何一种,ADC,都需要有一定的时间来完成量化及编码的操作。在转换过程中，如果,模拟量变化,，将直接,影响转换精度,。,34,在同步系统中，几个,并联的量,均需要取同一瞬时值，若仍,直接送入,ADC,进行转换（共用一个,ADC）,，所得到的几个量就,不是同一时刻,的值，无法进行计算和比较。,所以要求,输入到,ADC,的模拟量,在整个转换过程中,保持不变,，但转换之后，又要求,ADC,的输入信号能够跟,随模拟量变化,。能够完成上述任务的器件叫,采样保持放大器,（SHA）。,35,SHA,就是在某瞬间内，通过模拟开关对一个变化的模拟信号,V,in,进行,采样,，并将采样值,存储,（保持）下来，直到下一次重新采样前将存储的信息处理完毕,。因此，为了克服转换信号变化带来的误差，必须在系统的,ADC,前加,SHA，,如图,6-6,所示。,36,SHA,主要由,模拟开关,、,存储介质,和,缓冲放大器,A,组成，它的,一般形式,如图,6-7,所示。,37,当控制电路的,驱动信号为高电平,时，模拟信号V,in,就通过模拟开关与存储介质,相连,，存储介质通常是一个电容器。,因此，电容器两端的电压V,c,将跟随模拟信号V,in,的变化而变化，这就是,采样期,。,当,驱动信号为低电平,时，,模拟开关截止,，此时电容器上的电压V,c,保持模拟开关截止瞬间的V,in,值不变，这就是,保持期,。,38,图6-8是一种,实际,SHA的电路图。它由,两个缓冲器,、,场效应开关,和,保持电容,组成，其,原理,也是依靠,电容充电后保持其信号电压,。,39,缓冲器,具有很高的输入阻抗，控制,信号控制开关,。,当控制信号为,高电平时，开关导通,，输出信号,V,out,随输入信号,V,in,变化。,当控制信号为,低电平时，开关截止,，呈很高的阻抗，,输出信号,V,out,依靠电容将保持着,开关截止时刻的输入电压,。,SHA,的工作过程可以分为四个阶段，即：,由保持瞬变到采样,、,采样,、,由采样瞬变到保持,、,保持,，如图,6-9,所示。,SHA,的控制信号,由采样周期,和,保持周期组成,。,40,在由保持瞬变到采样周期时，,SHA,的输出,V,out,从原来保持电压很快跟随输入信号电压,V,in,变化。,自,采样周期开始,到,SHA,输入端建立起,转换电压,所需要的时间称为,采集时间,，即,存贮电容器充电到采样模拟电压,V,in,时所需的时间,。,实际上，只有,SHA,输出电压稳定为转换电压,V,in,时才能开始转换,，所以,采集时间（也称为捕捉时间,T,ac,）包括放大器的信号建立时间,，如图6-9所示。,41,42,在,采样周期,，,SHA,输入和输出电压之间有差别，主要是失调偏移误差造成的，此误差称为采样,偏移误差,。,自采样瞬变到保持周期时，输出信号,不是立即保持下来,而是,继续变化,，造成误差，见图6-9。这样，,在保持控制信号发出后直到逻辑输入控制开关完全断开所需要的时间称为孔径时间,T,AP,。,43,在保持周期中，输出电压有某些下降。,SHA,的电压下降率是其输出电压变化的速率，可用下式表示：,V,/,T,=,I,/C,h,式中I下降电流；,C,h,保持电容。,SHA,在转换时间内的下降量不应大于0.1个最低位置。,44,采集时间,是,SHA,的一个关键动态指标，它主要取决于电容量和输入放大器最大供电流。采集时间范围是,15ps,10,s,。,孔径时间,一般在,5ps,200,s,之间，它也是,SHA,最重要的一项动态性能指标。,集成,SHA,的特点是：采样速度快，精度高，下降速率慢，一般在,2,2.5,s即可达到,0.01,%,0.03%,的精度。,45,第三节 信号变换电路,数据采集系统的框图6-10。模拟输入信号，即在时间上与幅值上均连续变化的信号，首先经过一个,预采样滤波器,，然后由采样器每隔一个采样时间读出一次数据，再由,模数转换器,量化为二进制数码，即成为计算机可以接受的数字信号。,46,模拟输入信号的采样脉冲应做得很窄，以便在采样脉冲空余时间可以进行多路复用。,在计算机内进行,数字信号,处理后，再利用数模转换器,DAC,将数字信号,转换为模拟信号,。,在此转换过程中，二进制数码首先转换为连续时间脉冲，脉冲之间的,空隙,则再经过“再建平滑滤波器”来,填充平滑,以恢复为模拟信号。模拟信号的数字化过程如图6-11所示。,47,48,测试对象的被采集参数，只有少数数据传感器可以将待测的模拟量直接转换为数字信号，大部分由传感器将被测量转换为,电压信号,，或先变为电参数（如,电阻,、电容或电感），再经过一定的线路（如桥式电路）变换为电压信号，然后,通过模数转换器,将电压信号,转换成数字信号,。,输入电压信号低于,1V,者称为低电平信号，高于,1V,者称为高电平信号。,49,因此，需要相应的信号变换电路，以满足各种不同种类信号之间的耦合。,常见的信号变换电路：,D/A,转换、,A/D,转换、,V/F,转换、,F/V,转换、,V/I,转换及,I/V,转换等。这里只介绍数模转换器和模数转换器。,50,一、数模（,D/A）,转换,1.数模转换的基本原理,数模转换器,（DAC）,是,将数字量转换成为相应模拟量,的器件。将数字量的每一位代码通过电阻网络，按权大小形成相应的模拟输出，然后相加即可得到所需的模拟量。,51,数模转换器,的基本结构框图如图6-12所示，由,输入寄存器,、,模拟开关,、,电阻网络,、,基准电源,与,求和放大器,五个部分组成。,52,将数字量输入,数模转换器,；,输入寄存器,的每位寄存器,控制,相应位的,模拟开关,，根据输入寄存器的状态，模拟开关将,电阻网络相应部分接至基准电源,或地；,经,求和放大器,将所有位相加，即可得出,与数字量成正比的模拟量,。,R,f,53,图,6-13,所示为,四位,T,型电阻网络,D/A,转换器电路原理图。这种,T,型网络是由,R,和,2R,为基本环节。,A,、,B,、,C,、,D,任一节点向左或向右看，其,等效电阻是相等,的。,例如，当输入一组数字量为,d,3,、,d,2,、,d,1,、,d,0,=1000,时，即只有开关,S,3,接,V,R,，其余均接地，等效电路如图,6-14,所示。由图可见，任何一个节点向左或右看，其等效电阻均为,2R,。,54,55,模拟开关,S,i，由输入数码,D,i控制，当,D,i=1时,S,i接运算放大器反相端，电流,I,i流入求和电路；当,D,i=0时，,S,i则将电阻2,R,接地。根据运算放大器线性运用的“虚地”的概念可知，无论模拟开关,S,i处于何种位置，与,S,i相连的2,R,电阻均将接 “地”（地或虚地）。因此，流经2,R,电阻的电流与开关位置无关，为确定值。,分析,R,-2,R,电阻网络可以发现，从每个节点向左看的二端网络,等效电阻均为,R,流入每个2,R,电阻的电流从高位到低位按2的整数倍递减。设基准电压源电压为,V,REF,则总电流为I=,V,REF,/,R,则流过各开关支路（从右到左）的电流分别为,I,/2、,I,/4、,I,/8和,I,/16。,56,由于,S,3,接,V,R,，则,R,f,R,f,57,58,从上式可以看出，输出模拟量与输入的数字量成正比，从而实现了,D/A,转换功能。,59,2.D/A转换器的主要技术指标,（1）分辨率,D/A,转换器的分辨率,是指当,输入数字量发生单位数码变化,时，所对应输出,模拟量的变化量,。因分辨率取决于转换器的位数，故在实际使用中，常用数字量的有效位数来表示，如8位、10位、12位等。,（2）精度,精度通常,用其绝对误差来表示,。它是指,实际,转换器的输出值与,理想,转换器输出值之间的差值，其值一般可用1LSB（LSB为最低有效位值）表示。,60,（3）非线性误差,D/A,转换器的非线性误差是指在满量程范围内，,实际转换特性曲线,偏离,理想转换特性曲线,的,最大值,与,满量程输出之比,。一般非线性误差小于,1/2LSB。,（4）建立时间,模拟电压建立时间是指输入数字量有变化时，到其,输出模拟量稳定的时间,，,此时间与数字量变化大小有关。,通常建立时间指满量程变化建立时间。,61,3.DAC0832,集成单片,D/A,转换器,DAC0832,是与微处理器完全兼容的、具有,8,位分辨率的集成,D/A,转换芯片，是目前广泛使用的一种,D/A,器件。,（1）DAC0832,基本结构,DAC0832,结构图如图,6-15,所示，它主要由,8,位输入寄存器,、,8,位,DAC,寄存器,、,8,位D/A转换电路及,转,换控制电路,构成。,62,63,（2）DAC0832引脚功能,DAC0832引脚排列如图6-16所示。,64,D,0,D,7,：,8,位数据输入端。,ILE:,数据允许锁存信号，高电平有效。,：输入寄存器选择信号，低电平有效。,：输入寄存器选通信号，低电平有效。输入寄存器锁存信号,LE,1,由,ILE,、,、,三个信号组合产生，,LE,1,为高电平时，输入寄存器状态随输入数据而变化，,LE,1,的下降沿将输入数据锁存。,：,数据传送控制信号，低电平有效。,65,:DAC,寄存器的写选通信号。,DAC,寄存器的锁存信号,LE,2,由 和 的逻辑组合产生，,LE,2,为高电平时，,DAC,寄存器的输出随寄存器的输入而变化，,LE,2,的下降沿将输入寄存器的内容输入,DAC,寄存器，并开始,D/A,转换。,R,FB,反馈信号输入端，为外部运放提供一个输出电压。,I,OUT1,：电流输出端,1,，其值随,DAC,内容线性变化。,66,I,OUT2,：电流输出端,2,，,I,OUT1,+,I,OUT2,=,常数。,V,REF,:,参考电源输入端，要求外接精密基准电源。,V,cc,:,正电源输入端。,AGND:,模拟地。,DGND:,数字地。,67,（3）DAC0832输出方式,DAC0832,是,电流输出,型,D/A,转换器，要获得模拟电压输出，,需在外部接运算放大器,将电流信号转换成电压信号。输出方式有单极性和双极性两种。,单极性输出。单极性输出如图,6-17,所示，当,V,ref,端接,+5V,（或-,5V）,时,，,输出电压的范围是,0+5V,（或-,5OV）,；当,V,ref,端接+,10V,（或-,10V）,时，输出电压范围是,0+10V,（或-,100V）。,68,69,双极性输出。双极性输出如图,6-18,所示，是在图,6-17,的基础上,再增加一个运放,。,70,（4）DAC0832与单片机接口方法,图,6-19,所示为DAC0,832,与单片机接口方法。,71,由于,DAC0832,是微处理器完全兼容的芯片，因而与单片机接口也较方便。,图中采用单缓冲形式，将,ILE（,数据允许锁存信号，高电平有效,）,接+,5V,，,输入寄存器,选择线 及数据传送控制信号 与,8031,地址线,P,2.7,直接相连作为片选信号，两级寄存器的写信号均由,8031,的 （寄存器选通信号）控制。当,P,2.7,为“,0”,选中,DAC0832,后，只要输出 控制信号，,DAC0832,就能完成数字量的输入锁存和,D/A,转换输出。,72,二、模数（A/D）转换技术指标,模数转换主要有逐次逼近式、双积分式和并行式等几种方式。,1.A/D转换器的主要技术指标,（1）分辨率,分辨率是指,A/D,转换器对输入信号的分辨能力，常以输出二进制位数或,BCD,码位数表示。例如，,A/D,转换器,ADC0809,，其分辨率为,8,位，用百分数来表示时，分辨率为,1/2,N,100%=,1/2,8,100%,0.4%。,73,（2）转换精度,A/D,转换器转换精度是指,A/D,转换器,实际输出,和,理想输出,之间的差值。,（3）转换时间与转换速率,A/D,转换器,完成一次转换,所需的时间称为转换时间，,转换速率是转换时间的倒数,。不同类型的,A/D,转换器的转换时间差别很大，高速并行式,A/D,转换器转换时间可达,2050ns；,逐次逼近式,A/D,转换器转换时间多在,10100s,之间，目前也有可达到,0.4,s的芯片；而双积分式,A/D,转换器转换时间最长，大都在几十到几百毫秒之间。,74,2.双积分式A/D转换器MG14433,MG14433,是 位双积分式,CMOS,集成,A/D,转换器，它的主要特点是具有自动校零、自动极性判别、单参考电压、动态字位扫描,BCD,码输出及自动量程控制信号输出等功能。转换速度约为,110,次,/s。,（1）MG14433,基本结构,MG14433,结构框图如图,6-20,所示，主要由,模拟电路,及,数字电路,两大部分构成。,模拟电路,主要用于,接收被测信号和基准电压，并进行积分,。基准电压为,200mV,或,2V,时，模拟电压输入量程相应为,199.9mV,或,1.999V。,75,76,数字电路部分是将模拟电路送来的,积分信号转换成时间间隔,，,编码后输出,。,组成部分：,控制逻辑：,用于,A/D,转换器的节拍产生和控制，协调各部分工作；,BCD,码输出锁存器：,用于存放,A/D,转换后的,BCD,码结果；,多路选择开关：,用于字位动态扫描,BCD,码输出，即个、十、百、千各位,BCD,码轮流在,Q,0,Q,3,端输出，并在,DS,1,DS,4,端输出同步字位选通信号；,77,4,位二进制码的组合代表十进制数的,0,，,1,，,2,，,3,，,4,，,5,，,6,，,7,，,8,，,9,十个数符。,78,时钟发生器：,外接,RC,产生计数时钟脉冲；极性判别，用于判别并显示输入电压的极性；,溢出检测：,当输入电压超出量程范围时，输出过量程指示信号。,79,（2）MC14433,应用,MC14433,引脚排列如图,6-21,所示。,80,电源接入。,芯片工作电源为,5V，,为提高电源抗干扰能力，正、负电源端应分别通过去耦电容,0.047F，0.02F,与公共地,V,ss,端相接。,去耦电容,：把输出信号的干扰作为滤除对象，用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使放大器稳定工作。,外接振荡器电阻R,c,。,Rc,的典型值为,470k，,时钟频率随,R,c,增加而下降。,外接积分阻容元器。,外接元件典型值为：量程为,2V,时，,C,1,=0.1F，R,1,=470k,；量程为,200mV,时，,C,1,=O.1F，R,1,=27k。,外接失调补偿电容C,0,。,C,0,典型值为0.1F。,81,基准电压输入。,可由,MC1403,通过分压提供,+2V,或,+200mV,的基准电压。接地端为模拟地,V,ao,。,转换周期结束标志。,转换周期结束,由,EOC,输出,。每当转换周期结束，,EOC,端输出一个宽度为时钟周期1/2的正脉冲。,过量程标志。,过量程标志 由端输出，当输入,|V,x,|V,R,时， 输出低电平。,转换更新控制。,更新转换结果输出控制端为,DU。,当,DU,与,EOC,连接时，每次,A/D,转换结果的输出都被更新。,82,转换结果输出。,转换结果以,BCD,码形式按千、百、十、个位由,Q,3,Q,0,送出，相应的选通信号由,DS,1,DS,4,提供。,当,DS,2,、DS,3,、DS,4,选通期间，输出端,Q,3,Q,0,分时输出三位完整的,BCD,码；但在,DS,1,选通期间，输出端,Q,3,Q,0,除了表示千位数的,O,或,1,外，还表示转换结果的正负极性、输入信号是欠量程还是过量程。,83,（3）MC14433,与单片机接口,MC14433,的输出结果是动态分时轮流输出的,BCD,码，因而须通过,I/0,口与单片机相连。图,6-22,所示为,MC14433,与,8031,单片机接口的一种方式。,其方法是将,Q,0,Q,3,、DS,1,DS,4,接至,P,1,口，而,DU,端与,EOC,端相连，以选择连续转换方式，每次转换完毕后其结果都被送至输出寄存器，,EOC,端同时也接至,8031,的 端。,8031,单片机读取,A/D,转换结果时，既可以采用中断方式，也可以采用査询方式。,84,85,第四节 数据采集方法,监控分站的主要工作任务之一是采集它所联接传感器送来的模拟量和开关量,信息,，将它们输入到,分站的,CPU,进行处理。对于模拟量与给定位进行比较，遇有超限时，就地发出报警信号或进行设备断电控制。,模拟量,的采集需要,经过,A/D,转换器,把它变成计算机能接受的,二进制量,，然后再输入到,CPU,处理,。,A/D,转换器每次只能处理一个模拟量，输入量多时，必须设置多路开关，使输入的多路模拟信号,轮流,经过,A/D,转换器得到变换。,86,开关量,的采集是通过计算机的,位测量,操作来实现的，每个开关量,输入对应一位数据线,，,CPU,扫描位,状态,是否发生了,变化,，判断各路被测开关的“合”、“分”状况或设备开停状态。当被检测的开关量多于8路时，可在输入接口电路设置,多路转换开关,进行扩展。,87,一,、模,拟量采,集系统,A/D,转换器主要有以下四种：积分型、逐次逼近型、电压频率型、平行转换型。,煤矿监控系统采集的模拟量参数大多变化缓慢，又由于矿井环境的,干扰源很强,，,A/D,转换器多选用积分型,。为提高抗干扰能力，可采取滤波电路或者软件滤波（又称数字滤波）解决。,模拟量采集系统主要由,输入接口电路,、,多路转换开关,、,采样保持器,、,A/D转换器,及,总线接口,逻辑电路等组成。,8,路模拟量采集系统的输入接口电路结构如图6-27。,88,89,模拟量传感器的输出标准制式有：,电压型0,1V、05V;,电流型,15mA、520mA;,频率型,515Hz、2001000Hz,等。,其中，频率型以脉冲形式表示，这是因为在传感器的输出电路中设置了电压频率变换器（,V/F,变换,），因此，只需进行,脉冲计数,，再,乘以变换系数,即可测量，不需进行,A/D,变换。,电压型和电流型制式的信号，则需要经过输入接口电路变为,A/D,转换器所要求的,01V,标准输入信号,形式，方能进行转换。图,6-28,是输入接口电路原理图。,90,模拟信号,输入到,接口电路,，首先进行阻抗变换，由跳接线,S,1,来完成。共三个挡位:,A,挡:把,15mA,的信号变换为,0.21V；,B,挡:电压型信号,01V,和,05V,原样输入;,C,挡:变换,420mA,信号为,15V;,后边是一级电压跟随器,N,1,用以提高输入阻抗。,91,其次，进行线路误差补偿。由于传感器（如,CH,4,、CO,等）的直流工作电源是由分站集中供电，,电源线,与,传感器信号,输出线,共用一根地线,，因此，在公共地线上将产生直流电压降，叠加在信号上，使分站接收端的模拟信号,电压增大,，形成“零点误差”。,零点误差,:,输入为零时，实际输出值与规定的输出值之差。,比如一个电流表，零点没有校准，就是不通电时，它的指针也不指零。,92,为了消除零点误差，设置线路误差补偿电路。图,6-28,中的运算放大器,N,2,和,N,3,构成线路误差补偿电路。,93,N,2,为同相比例放大器，放大倍数是2，其输入端为1/2分压电路，则综合放大系数为,1。,N,3,为射极输出器，其,正相输入端,接到电位器Rp可动端上，若输入一个适当大小的,正电位,，则,N,2,的,反相输入端亦是一个正电位,，将,使,N,2,的输出电压值减小,。,94,调整电位器R,P,，可使,N,2,的输出电压,值恰好等于传感器的实际输出值，这样零点误差就得到了补偿。,每当传感器与分站间距离变化，即电缆长度变化时，需要相应地调整电位器,R,p,，以消除线路电阻变化带来的误差。,只有电压型信号才需要补偿零点误差,，电流制式的信号不需补偿。因此，应尽量选用电流型的传感器。,95,最后是量程转换电路，它是由跳接线,S,2,及电阻R,5,、,R,6,组成。R,5,的阻值是,R,6,的,4,倍。,当传感器输出制式为0,5V,或,420mA,时，将跳接线选样为位置,A,，经过,1/5,分压后，输出电压为,01V,（电流制为0,.21mA）。,若传感器输出制式为,01V,或,15mA,时，应将跳接线选择位置,B，,使输出信号不经分压直接输出。,96,二、开,关量采集,电路,开关量采集电路由输入接口电路、输入缓冲器等组成，其工作原理框图如图6-29所示。输入接口电路主要由光电耦合器、显示电路等构成。,97,开关量输入信号经过输入接口电路进入缓冲器。光电耦合开入电路直接与开停状态检测传感器相接，将接收到的电流信号或触点信号，经光电隔离转换成标准的,TTL,电平信号。,此信号送入二极管显示电路，同时也送到缓冲电路。当单片机对缓冲电路使能时，缓冲器内的开停状态信息经数据总线送单片机处理。,TTL,电平信号：,+5V等价于逻辑“1”，0V等价于逻辑“0”。,使能:,负责控制信号的输入和输出，就是一个“允许”信号。,98,输入接口电路的光电耦合器是为了,防止,开关量传感器对分站带来,干扰,，在电路上将它们隔离开。,采用光电隔离技术是开关量输入（同样适用于开关量输出）电路中最有效、最常用的抗干扰措施。它能将输入信号与输出信号连同电源和地线在电气上完全隔离，因此抗干扰能力强。,光电耦合器寿命长，可靠性高，与继电器有触点式隔离器件相比，响应速度快，易与逻辑电路配合使用。,99,光电耦合器还具有电平转换功能，将设备开停状态信号转换成标准的,TTL,芯片电平信号（,+5V）。,为了监视传感器与分站间信号传输电缆的断线或短路故障，输入接口电路采用双耦合器接线，如图,6-30,所示。,100,101,当开关量输入端接收到,+5mA,电流时，耦合器,IC,1,导通，输出端,1,为低电平，表示设备,开,；,当开关量输入端接收到,-,5mA,电流时，耦合器,IC,2,导通，输出端,2,为低电平，表示设备,停,；,当开关量输入端,无电流,输入时，耦合器,IC,1,、,IC,2,的输出端,1,、,2,均为高电平，表示传感器或连接电缆,损坏,。,因此，取耦合器开关量输入可监测设备的接通、断开、断线三种状态。需占用两位数据线。,102,IC,1,与,IC,2,接在同一个与非门的输入端。,IC,1,输出端直接联在另一个数据缓冲器上，只有,IC,1,与,IC,2,输出均为高电平、输入口无电流时，与非门输出低电平，表示故障状态。,IC,1,输出端电平的高、低表示设备的开、停。其信息直接经缓冲器,2,送到数据总线被,MPU（微处理器）,接收。,与非门真值表：,有0出1，全1出0,。,103,在开入口电路中接入了一组发光二极管显示电路，各路二极管的状态随所测设备的开停而变化。设备处于,开,的状态，发光二极管,亮,；设备处于,停,的状态，发光二极管,灭,。此显示电路是供分站工作人员从观察窗了解设备开停状态之用。,开关量输入口（即开入口）既可接收,5mA,信号，也可接收触点信号，由跳线器选择即可，即当开入口接入触点信号时，只需将相应输入口上的光电耦合器的输入与输出用跳接线短接即可。,104,三、开,关量输,出电路,开关量输出中有,4,路由单片机,I/O,口直接控制，另外,4,路由数据总线进行控制。开关量输出主要由,驱动器,、,显示电路,和,继电器电路,组成，电路原理框图见图6-31。,105,为了保证控制有效，采用双组触点继电器作为开关量输出控制，一组触点对外控制，另一组触点将继电器状态信息回送单片机，由单片机再送给地面中心站计算机。地面中心站管理人员可随时了解井下分站的对外控制状态。回送信息的触点状态电路如图,6-32,所示。,106,图中，,NO,为常开触点，,NC,为常闭触点，,BX,为数据总线上的,1,位，,C,为控制触点。通常，控制触点,C,与常闭触点,NC,相接。,当,MPU,不对RLY使能时，,PLY为高电平,，无论控制触点接在常开端还是常闭端，二极管均,不能导通,。因此，其触点状态信息不可能送到数据总线上去。,107,当,MPU,对RLY使能时，没有吸合继电器的控制触点,C,仍与常闭触点,NC,相接，此路二极管,D,导通，使其所对应的总线上的这一位为低电平。,因此，当PLY使能时，,8,位数据总线上的高低电平代表了8个继电器触点的工作状态。,108,由单片机,I/O,口直接控制的前,4,路继电器由并联的一对驱动器,7407,所驱动。,7407,是集电极开路的正向输出缓冲器，输出端可驱动,30VDC,，在本电路中缓冲器输出端最高电压为,12VDC，,如图,6-33,所示。当,MPU,输出低电平时，则在继电器两端产生12,V,压降，使继电器动作。,109,由单片机经过数据总线控制的后,4,路继电器电路见图,6-34,。,110,由于数据总线不可能为继电器锁存信息，在反相驱动器,7406,与数据总线之间设置一级数据锁存器，由,4D,触发器,74HC175,构成。,当,MPU,对锁存器,DIG,0,低电平使能时，当前数据总线上的内容被触发器锁存在锁存器输出端。继电器动作，经反相驱动器控制。由于,7406,是反相的输出缓冲器，只有对应数据总线位为高电平的继电器动作，而对应数据总线位为低电平的继电器不动作。,显示电路是由8个发光二极管组成的，发光二极管的亮灭与继电器被控制的状态相一致。,111,复习思考题,1.什么是数据采集？现代数据采集系统有什么特点？,2.,在传输通道里，数据采集系统由哪些部分构成？,3.模拟多路开关的用途是什么？构造有几种类型？,4.,简述采样保持放大器的工作原理。,5.模拟电信号的特征有哪些？,6.将模拟量变换为数字量一般经历哪些阶段？,7.,简述数模转换的基本原理。,8.简述模数转换的基本原理。,9.简述模拟量数据系统构成及各部件功能。,10.,简述开关量采集电路原理,。,11.简述开关量输出电路原理。,112,