检测信号的传输与采集.ppt

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,*,第,2,章 检测信号的传输与采集,第,2,章 检测信号的传输与采集,2.1,检测信号的传输,2.2,检测信号的数据采集,思考与练习题,2.1,检测信号的传输,2.1.1,模拟信号的传输方法,模拟信号的传输方法分为模拟信号模拟传输和模拟信号数字传输。,模拟信号模拟传输传输的信号是模拟信号。,在精密测量中，进入测量电路的除了传感器输出的测量信号外，往往还有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，也就是调制。到达接收方后，接收方再通过解调方法还原出传送的模拟信号（不一定需要恢复原信号，只要能将它所反映的量值提取出来即可）。,检测信号可以采用电流形式，也可以采用电压形式传输。在机柜或控制室内，一般信号传输的距离不长，环境也较好，信号传输多采用电压形式。在较远距离传输时，考虑到传送线的电阻在一定的范围内变化对信号电流值的影响较小，并且信号电流流过电阻很容易转换成相应的信号电压，因而一般采用电流形式传送信号。,模拟信号数字传输传输的信号是数字信号。,传感器输出的信号一般为模拟信号，在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号通过编码器对其进行采样、量化和编码，将其转换成数字信号，再放在数字信道上传输，为此要使用模数转换器。经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构如执行电动机等，需再经解码器解码还原成模拟信号，因此还需要数模转换器将数字量转换成相应的模拟信号。,2.1.2 U,I,变换器集成器件,1.,引脚功能,XTR110,的引脚排列如图,2-1,所示。,图,2-1 XTR110,的引脚图,2.,性能参数,XTR110,的主要性能特点如下：,采用标准,20 mA,电流传输；,输入输出范围可选择；,最大非线性误差为,0.005,；,带有精确的,10 V,参考电压输出；,采用独立电源工作模式，且电压范围很宽（,13.5,40 V,）；,引脚可编程。,3.,输入,/,输出范围与引脚连接,XTR110,内部结构主要由输入放大器、,U,I,转换器和,+10 V,基准电压电路等组成。对于不同的输入电压和输出电流，只要对某些引脚进行适当连接就可实现。不同的输入输出范围时引脚的连接关系如表,2-1,所示。,表,2-1,不同的输入输出范围时引脚的连接关系,2.1.3 U,I,变换器的应用,XTR110,输入,0,10,、输出,4,20 m,时的电路如图,2-2,所示。其中,R,P1,为调零电位器，,R,P2,为调量程电位器。对于其他输入电压与输出电流范围，使用时可根据具体情况改变管脚,3,、,4,、,5,、,9,、,10,的连接方式。,TR110,的输出电流可用下式表示：,(2-1),图,2-2,XTR110,基本应用电路,R,SPAN,实际上就是内部,50,电阻,9,。为了获得不同的输出电流范围，也可连接相应的外部,R,SPAN,。而外部晶体管则用于传导输出信号电流。推荐使用沟道,MOS,晶体管。它的电压标称值必须大于或等于最大电源电压，如果电源电压,cc,超过了它的栅极击穿电压，晶体管的漏极将被击穿而失去作用。,参考电压在管脚,12,处应精确校准。为保持精度，包括管脚在内的任何负载都应与此点相连。,2.1.4,数据通信基础,1.,数据通信系统的相关概念,1,）误码率,误码率的定义是二进制码元,(,每个数字就是一个码元,),被错传的概率。这是衡量一个通信系统传输可靠性的指标。当所传输的数字序列趋于无限长时，误码率等于被传错的二进制码元数与所传码元总数之比，,即,2,）传输速率,传输速率包括数据传输速率和调制速率两种，分别用比特率和波特率来表示。,(1),数据传输速率。数据传输速率是指单位时间内传送二进制代码的位数。其单位是比特,/,秒或位,/,秒，用比特率表示，,记为,bit/s,或,b/s,。计算公式为,式中,S,数据传输速率；,T,电脉冲信号,(,码元,),的宽度或周期；,N,电脉冲信号所有可能的状态数，是,2,的整幂数。,lb,N,是每个电脉冲信号所表示的二进制数据的位数。若电信号所有可能的状态数,N,=2,，即只有,“,0”,和,“,1”,两种状态，则每个电信号只传送,1,位二进制数据，那么,S,=1,T,。,(2),调制速率。调制速率又称码元速率，是信号经调制后的传输速率，表示单位时间内传输的码元个数，用波特率表示，,以波特,(Baud),为单位。,数据传输速率与调制速率的关系是：,S,=,B,lb,N,。从上述介绍可知，只有当,N,=2,即二进制调制时，数据传输速率和调制速率才是相等的。在多元调制时，两者是不相等的。,信道是通信中传输信息的通道，它由相应的发送信息与接收信息的设备以及与之相连接的传输介质组成，其连接方式有点对点（点,点）连接和多点连接两种。,点,点连接方式，又称两点直通方式，如图,2-3(a),所示。这种方式是将终端和计算机系统之间用固定的专用线路相连接，平时并不拆除，适用于通信量较大的情况。,多点连接方式，如图,2-3(b),所示。各终端共用一条主线路，这种方式节省线路，但要解决各终端同时访问主机而竞争线路的问题。,图,2-3,数据通信系统连接方式,2.,数据传输方式,1,）单工、半双工和全双工通信 ,（,1,）单工通信。如图,2-4(a),所示，单工通信指数据总是沿一个固定方向传送，如从终端发数据给计算机，而不接收从计算机发来的信息。为了正确发送数据，在接收端收到信息后，要发回应答信息通知发送端，由发送端根据应答信息判断所发送数据是正确接收还是出错并再做处理。应答信息总是沿与数据传送方向相反的方向传送。故单工通信所指方向是数据传送方向。,图,2-4,单工、半双工、全双工通信,(a),单工通信；,(b),半双工通信；,(c),全双工通信,（,2,）半双工通信。如图,2-4(b),所示，半双工通信是指数据可沿两个方向传送，但同一时刻只能沿一个方向传送。当需要反向传送数据时，需要变换传输信道。,（,3,）全双工通信。如图,2-4(c),所示，全双工通信是指数据能同时沿相反的两个方向传送。一般实现方法是采用两个单工信道完成全双工通信，即四线制。也可采用频率分割法，将传输信道分成高频和低频两条信道，,这时可采用二线制。,2,）异步传输与同步传输,异步传输方式又称起止式同步。它是以字符为单位传输数据，采用位形式的字符同步信号，发送器和接收器任一方都不向对方提供时钟同步信号。在数据可以传送之前，异步传输的发送器与接收器双方不需要协调。发送器可以在任何时刻发送数据，而接收器必须随时都处于准备接收数据的状态。计算机主机与输入、输出设备之间一般采用异步传输方式，如图,2-5,（,a,）所示。,同步传输以数据帧为单位传输数据，可采用字符形式或位组合形式的帧同步信号。计算机网络采用同步传输方式时，常将时钟同步信号置入数据信号帧中，以实现接收器与发送器的时钟同步，,如图,2-5,（,b,）所示。,图,2-5,异步传输和同步传输,3,）串行传输与并行传输,数据的传输分为串行传输与并行传输。串行传输的数据是一位一位在设备间进行传输，在发送站需将并行数据位流变成串行数据位流，然后发送到传输信道上，而在接收站又要将从传输信道接收到的数据位流变换成并行数据位流。在并行传输时，多个位在设备间是同时传输的。,串行传输的速度比并行传输要慢得多，但费用低，通常传输距离较远的数字通信系统多采用串行传输。而并行传输的速度高，,但设备费用也高，,适用于近距离传输。,4,）多路复用技术 ,在同一条通信线路上，实现同时传送多路信号的技术叫做多路复用技术。常用的多路复用技术有时分多路复用、频分多路复用和波分多路复用。,时分多路复用,(TDM),是在传输时把时间分成小的时间片，每一时间片由复用的一路信号占用，各路信号在微观上是串行传送的，在宏观上是并行传送的。它广泛应用于数字通信中，,计算机网络系统也使用,TDM,技术。,频分多路复用,(FDM),是将多路信号分别调制到互不交叠的频段来进行传输，各路信号在微观上是并行传送的。,FDM,的缺点是各路信号之间易互相干扰，它多用于模拟通信中。,波分多路复用,(WDM),是在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种，它是在光波频率范围内，把不同波长的光波，按一定间隔排列在一根光纤中传送，即将光纤可工作的有效波长划分为多个波段，通过棱柱或光栅将不同的波段合成到一根共享光纤上。,WDM,用于光纤通信中。,5,）基带、频带和宽带传输 ,原始电信号所占用的频率范围叫基本频率,(,简称基带,),，这种原始电信号称为基带信号。基带传输就是将基带信号直接送到线路上进行传输的传输方式。数字信号的基本频带为从,0,到若干兆赫。基带传输系统无需使用调制解调器，设备费用低，适用于短距离的数据传输系统中。,频带传输是指将基带信号进行调制后形成的模拟信号送到线路上进行传输的传输方式。频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器。频带传输适合于长距离的数据传输，而且能够实现多路复用。,2.1.5,现场总线,1,现场总线的产生,现场总线是综合运用微处理器技术、网络技术、通信技术和自动控制技术的产物。它把微处理器置入现场自控设备，使设备具有数字计算和数字通信能力，这一方面提高了信号的测量、控制和传输精度，同时为丰富控制信息的内容、实现其远程传送创造了条件。在现场总线的环境下，借助现场总线网段以及与之有通信连接的其他网段，实现异地远程自动控制，如操作远在数十万米之外的电气开关等。现场总线设备与传统自控设备相比，拓宽了信息内容，提供了传统仪表所不能提供的如阀门开关动作次数、故障诊断等信息，便于操作管理人员更好、更深入地了解生产现场和自控设备的运行状态,图,2-6,集中控制、集散控制和现场总线控制系统的结构示意图,(a),集中控制；,(b),集散控制；,(c),现场总线控制,2,现场总线网络的实现,现场总线的基础是数字通信，通信就必须有协议，现场总线的协议是参照国际标准化组织,(ISO),的开放系统互连,(OSI),协议。,OSI,协议是为计算机互联网而制定的七层参考模型，即物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层，它对任何网络都是适用的，只要网络中所要处理的要素是通过共同的路径进行通信的。目前，各个公司生产的现场总线产品没有一个统一的协议标准，但是各公司在制定自己的通信协议时，都参考了,OSI,七层协议标准，且大都采用了其中的第,1,层、第,2,层和第,7,层，即物理层、数据链路层和应用层，同时考虑现场装置的控制功能和具体运用增设了第,8,层即用户层。,1,）物理层,物理层定义了信号的编码与传送方式、传送介质、接口的电气及机械特性、信号传输速率等。现场总线有两种编码方式：曼彻斯特编码（,Manchester,）和不归零编码（,NRZ,），前者同步性好，但频带利用率低，后者则刚好相反。,Manchester,编码采用基带传输，而,NRZ,编码采用频带传输。其调制方式主要有,CPFSK,和,COFSK,。现场总线传输介质主要有有线电缆、光纤和无线介质。,2,）数据链路层,关于,MAC,层，目前有以下三种协议：,（,1,）集中式轮询协议。其基本原理是网络中有主站，主站周期性地轮询各个节点，被轮询的节点允许与其他节点通信。,（,2,）令牌总线协议。这是一种多主站协议，主站之间以令牌传送协议进行工作，持有令牌的站可以轮询其他站。,（,3,）,总线仲裁协议。,其机理类似于多机系统中并行总线的管理机制。,3,）应用层,应用层可以分为两个子层。上面子层是应用服务层,(FMS,层,),，它为用户提供服务；下面子层是现场总线存取层,(FAS,层,),，它实现数据链路层的连接。,应用层的功能是进行现场设备数据的传送及现场总线变量的访问。它为用户应用提供接口，定义了如何应用读、写、中断和操作信息及命令，同时定义了信息、句法,(,包括请求、执行及响应信息,),的格式和内容。应用层的管理功能在初始化期间初始化网络，指定标记和地址。同时按计划配置应用层，也对网络进行控制，统计失败和检测新加入或退出网络的装置。,4,）用户层 ,用户层是现场总线标准在,OSI,模型之外新增加的一层，是使现场总线控制系统开放与可互操作性的关键。,用户层定义了从现场装置中读、写信息和向网络中其他装置分派信息的方法，即规定了供用户组态构成系统的标准,“,功能模块,”,。事实上，各厂家生产的产品实现功能块的程序可能完全不同，但对功能块特性描述、参数设定及相互连接的方法是公开统一的。信息在功能块内经过处理后输出，用户对功能块的工作就是选择,“,设定特征,”,及,“,设定参数,”,，并将其连接起来。,功能块除了输入,/,输出信号外，还输出表征该信号状态的信号。,3,几种流行的现场总线,1)CAN(,控制器局域网络,),CAN,属于总线型串行通信网络，最早用于汽车内部检测部件与执行部件间的数据通信。由于本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车工业，而向过程控制、机械工业、纺织机械、机器人、数控机床、医疗器械、智能建筑等领域发展。,CAN,已成为国际标准化组织,ISO 11898,标准。,2)LONWORKS(,局域操作网络,),LONWORKS,由美国,Echelon,公司研制，其核心是,Neuron(,神经元,),芯片，内含,3,个,8,位的,CPU,。第一个,CPU,为介质访问控制处理器，实现,Lon Tank,协议的第,1,层和第,2,层；第,2,个,CPU,为网络处理器，实现,Lon Tank,协议的第,3,层至第,6,层；第,3,个,CPU,为应用处理器，,实现,Lon Tank,协议的第,7,层，执行用户编写的代码及用户代码所调用的操作系统服务。,3)PROFIBUS(,过程现场总线,),PROFIBUS,是德国标准，有几种改进型，分别用于不同的场合。如,PROFIBUS-PA,用于过程自动化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域；,PROFIBUS-FMS,用于一般自动化；,PROFIBUS-DP,用于加工自动化，适用于分散的外围设备。,4)HART(,可寻址远程传感器数据通路,),HART,由美国,Rosemount,公司研制，,HART,协议参照,ISO,OSI,模型的第,1,、,2,、,7,层，即物理层、,数据链路层和应用层。,5)FF,（基金会现场总线）,现场总线基金会,(FF),是国际公认的惟一不附属于某企业的公正非商业化的国际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无专利许可要求，可供任何人使用。,FF,现场总线标准共有,4,层协议，即物理层、数据链路层、应用层和用户层。,2.2,检测信号的数据采集,2.2.1,数据采集系统的基本组成单元,数据采集系统简称,DAS,，其种类很多，但其基本构成是相似的。图,2-7,所示为一个典型的数据采集系统。由图可见，计算机通过标准接口与本身的外部设备连接，如打印机、显示器等。再通过测控接口与模拟或数字输入通道、模拟或数字控制通道、智能仪器仪表等连接起来。因此，一个数据采集系统实际上是一个计算机应用系统，它由软件和硬件两大部分组成。其中，硬件结构主要有传感器、多路开关及采样,/,保持器（,S/H,）、滤波器和放大器（,IA,）、,A,D,转换器、计算机及接口电路等。,图,2-7,数据采集系统组成,2.2.2,数据采集系统的结构形式,1.,集中采集式,集中采集式又有两种结构形式：同步型和分时型。,（,1,）多通道同步型。如图,2-8(a),所示，每个通道都有自己的,S,H,，并可受同一触发信号控制，这样可以做到在同一时刻内将采集信号暂存在各自的保持电容上，以后由计算机指令逐一进行,A,D,转换。这种结构可允许对各通道之间的相互关系,(,如互相关、互功率谱等,),进行分析。,图,2-8,集中采集式多通道数据采集系统的结构形式,(a),多通道同步型；,(b),多通道分时型,2.,分散采集式,(,分布式,),分布式如图,2-9(a),所示，无切换开关，这种结构形式通常用于高速系统，允许通道同时进行转换。它是多个单通道,DAS,的组合，可以对各通道数据描述同时实时给出，具有灵活性强、,高速、高精度的特点。,图,2-9,分布式多通道数据采集系统的结构形式,(a),分布式单机结构；,(b),网络式结构,2.2.3,数据采集系统的主要构件,1,、多路开关,1,）,CD4051,：,CD4051,是一个双向,8,通道多路开关，它有,3,个二进制控制输入端,A,、,B,、,C,和一个禁止输入端，并由,3,位二进制信号来选择,8,个通道中的一个通道。当为,“,1”,时，通道断开，禁止模拟量输入；当为,“,0,，通道接通，允许模拟量输入。其工作原理如图,2,10,所示。,图,2,10 CD4051,原理图,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,3,15 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,的状态进行译码，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,2-11,所示。,图,2-11 CD4052,原理图,3,）,CD4053,CD4053,为三重两通道多路开关，其原理与,CD4052,基本相同。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,2-12,所示。,图,2-12 CD4053,原理图,表,2-2 CD4051,CD4052,CD4053,的真值表,2,采样保持器,采样保持电路是为了保证在,A,D,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行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,2-13,所示为采样保持过程的示意图。,图,2-13,采样,/,保持器的工作方式,(a),工作方式；,(b),采样,/,保持器,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部分组成。,AD582,的引脚及结构原理如图,2-14,所示。,图,2,14 AD582,的引脚及原理图,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。,CH,：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,10,7,。该比值越大，表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,A,D,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。,2)LF198/LF298/LF398,LF198,LF298,LF398,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。,LF198,LF298,LF398,的电路结构完全相同，只是某些电气参数稍有不同，其结构原理如图,2-15,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,2-16(a),），另一种是,8,脚金属管壳封装（见图,2-16(b),）。,图,2-15 LF198/LF298/LF398,结构原理图,图,2-16 LF198/LF298/LF398,管脚图,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：,LF198,LF198A,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,2-17,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,V,CC,，另一个固定端通过电阻接地，可调端接管脚,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,2-17 LF398,应用典型电路,3.,模,/,数（,A,D,）转换器,A,D,转换器是一种将模拟量转换成数字量的器件，通常也称为,ADC,。在数据采集系统中，传感器的输出大部分为模拟信号,(,电压、电流,),，而计算机只能接收数字量。为此，需要在传感器与计算机之间进行模数转换，以便将模拟电压信号转换成计算机能识别的二进制数字信号。因此,A,D,转换器是数据采集系统的重要环节，它直接关系到测量的准确度、分辨力和转换速度。,A,D,转换器的类型较多。按其转换输出数据的方式，可分为并行和串行两种，其中并行又分为,8,位、,10,位、,14,位和,16,位等；按其转换原理可分为逐次逼近式和双积分式等。,并行与串行,ADC,各有其优势。并行,ADC,占用较多的数据线，具有输出速度快的优点，在转换位数较少时具有很高的性价比。串行,ADC,占用的数据线少，转换速度慢，但它也有自身的优点：一是便于信号隔离，只需少数几路光电隔离器件就可以实现电气隔离，在转换位数较多的情况下具有较高的性价比；二是其芯片小、引脚少，便于线路板的制作。,A,D,转换器的主要技术特性如下：,(1),分辨力与分辨率。,A,D,转换器的分辨率习惯上以输出二进制位数或,BCD,码位数表示。分辨力为,1 LSB(,最低有效位数,),。,12,位,A,D,转换器,AD574,的分辨率为,12,位，用百分数表示为,5G14433,双积分式,A,D,转换器的分辨率为,3,位半。它的满度字位为,1 999,，其百分数表示的分辨率为,A,D,转换器的分辨力,(1 LSB),对数据采集系统的总分辨力起着决定性作用。,(2),量化误差,e,在理论上,1/2LSB,。,(3),转换时间。完成一次,A,D,转换的时间,T,C,为,A,D,转换时间，在这段时间里输入,A,D,的模拟电压数值应稳定不变，否则就会造成,A,D,转换的误差。通常转换时间,T,C,比采样,/,保持器的孔径时间,T,AP,大，更比孔径抖动,T,AJ,大得多，因此若不加采样保持器，在保证转换误差不大于量化误差,e,的条件下，,A,D,转换器直接转换输入信号,V,x,(,t,),的最高频率是很低的，公式,(2-2),是转换时间,T,C,和转换器的位数与可采集信号的最高频率的关系：,（,2-2,）,例如：,8,位,ADC(080X),，,n,=8,，,T,c,=100,s,，,f,H,6.3 Hz,；,12,位,ADC(AD574),，,n,=12,，,T,c,=35s,，,f,H,1.1 Hz,；,例如：,8,位,ADC(080X),，,n,=8,，,T,c,=100,s,，,f,H,6.3 Hz,；,12,位,ADC(AD574),，,n,=12,，,T,c,=35,s,，,f,H,1.1 Hz,；,为了对更高频率的输入信号进行模一数转换，在,A,D,转换器前都要加采样保持器。,(4),转换速率是转换时间,T,c,的倒数，如,T,c,=20 ns,，即转换速率为,50MSPS,，就是说每秒完成,50,100,次,A,D,转换。,(5),其他参数如对电源电压变化的抑制比,(PSRR),、零点和增益温度系数、输入电阻等。,A,D,转换器除了以上主要技术特性外，作为一个测量系统中的一个环节，它也有测量环节的基本特性,(,静态特性、动态特性,),相对应的技术指标，如零点、非线性误差,(,线性度,),、量程等，除厂家给出外，用户可以自行检验或标定。,4.A,D,转换器芯片,AD574A,简介,AD574A,型快速,12,位逐次比较式,A,D,转换器为美国模拟器件公司产品。一次转换时间为,25,s,，转换速率为,40MSPS,，分辨率,12,位，非线性误差小于,1/2LSB,。采用,28,脚双立直插式封装，各引脚功能如图,2-18,所示，图,2-19,是其管脚图。,图,2-18 AD574,的内部结构示意图,图,2-19 AD574A,引脚功能,1),工作电源与地,U,L,（,1,脚）,+5 V,；,V,CC,(7,脚,),+15 V,+12 V,；,V,EE,(11,脚,),15 V,12 V,；,AG(9,脚,),模拟公共端；,DG(15,脚,),数字公共端。,2),模拟信号输入引脚 ,AD574A,可提供四种模拟量量程范围的输入：单极性,0,+10 V,，,0,+20 V,；双极性,5,+5 V,，,10,+10 V,。,(1),单极性输入：,BIPOFF(12,脚,),经,100,电阻接地。,10 V,IN,(13,脚,),接量程,0,+10 V,输入信号；,20 V,IN,(14,脚,),接量程,0,+20 V,输入信号。,(2),双极性输入：,BIPOFF(12,脚,),经,100,可调电阻接,8,脚。,10 V,IN,(13,脚,),接量程,5,+5 V,输入信号；,20 V,IN,(14,脚,),接量程,10,+10 V,输入信号。,3),参考电压源,芯片内参考电压源可提供基准电压值为,+10.0 V,1,。,REFOUT(8,脚,),片内参考电压源基准电压输出端；,REFIN(10,脚,),基准电压值输入端。,说明：使用片内参考电压源时，,8,脚经,100,可调电阻接,10,脚；使用外部参考电压源时，,10,脚接外部参考电压源。,(4),输出引脚,12,个引脚输出,12,位二进制数码，码位与引脚对应关系为：引脚,16,27,D,0,D,11,，为,12,位二进制数码输出数据线。,(5),芯片工作控制信号引入脚,CE(6,脚,),片能用信号输入端；,C,S,(3,脚,),片选信号输入端。,同时满足,CE=1,，,CS,=0,时，,AD574,才能处于正常工作状态。,6)A,D,转换启动、数据读出逻辑控制信号,R,C(5,脚,),读信号转换，低电平,“,0,”,启动,A,D,转换，高电平,“,1,”,读,A,D,转换结果数据；,12,8(2,脚,),数据输出方式选择，,“,1,”,高电平,(,必须接,+5 V(1,脚,),对应,12,位并行数码输出；,“,0,”,低电平,(,必须接,15,脚、地,),对应,8,位双字节输出；,A0(4,脚,),字节选择。,说明：当,12,8=0,且,A0=0,时，输出高,8,位；当,12,8=0,且,A0=1,时，输出低,4,位，并以,4,个,0,补足尾随的,4,位。,当,R/C=0,且,A0=0,时，按,12,位,A,D,转换方式工作；当,R/C=0,且,A0=1,时，按,8,位,A,D,转换方式工作。,表,2-3 AD574A,逻辑控制真值表,7,）工作状态指示,STS(28,脚,),转换完成状态指示端,STS=1,时表示转换器正处于转换状态，,STS=0,时表示,A,D,转换完毕。该信号可供微处理器作为中断或查询信号，用于转换结果的读取以及,(,经反相器,),直接作为采样保持器的控制信号。,2.2.4,数据采集系统的电气隔离,1.,光电耦合隔离,1),光电耦合器隔离的原理,(1),光电耦合器的输入端为发光二极管，输出端为光敏三极管，输入端与输出端之间是通过光传递信息的，而且又是在密封条件下进行的，故不会受到外界光的影响。光电耦合器的结构如图,2-20,所示。,图,2-20,光电耦合器的结构,(2),光电耦合器的输入阻抗很低，一般为,100,1000,，而干扰源的内阻一般很大，通常为,10,5,10,6,，根据分压原理可知，这时能馈送到光电耦合器输入端的噪声自然很小。,(3),由于干扰噪声源的内阻一般很大，尽管它能提供较大幅度的干扰电压，但能提供的能量很小，即只能形成微弱的电流。而光电耦合器输入端的发光二极管，只有当流过的电流超过其阈值时才能发光，输出端的光敏三极管只在一定光强下才能工作。因此即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量而不能使发光二极管发光，,仍然会被抑制掉。,(4),光电耦合器的输入端与输出端之间的寄生电容极小，一般仅为,0.5,2 pF,，而绝缘电阻又非常大，通常为,10,11,10,13,，因此输出端的各种干扰噪声很难反馈到输入端。,由于光电耦合器件的以上优点，,使得它在数据采集系统中得到了广泛应用。,2),光电耦合器隔离的应用,(1),用于系统与外界的隔离。,在实际应用中，因为数据采集系统采集的信号来源于工业现场，所以需把待采集的信号系统隔离。其做法是在传感器与数据采集电路之间加上一个光电耦合器，如图,2-21,所示。,图,2-21,信号与系统的隔离,(2),用于系统电路之间的隔离。这种方法是在两个电路之间加入一个光电耦合器，如图,2-22,所示。电路,的信号向电路,是靠光传递的，切断了两个电路之间电的联系，使两个电路之间的电位差,U,CM,不能形成干扰。,电路,的信号加到发光二极管上，使发光二极管发光，它的光强正比于电路,输出的信号电流。这个光被光电三极管接收，再产生正比于光强的电流输送到电路,。由于光电耦合器的线性范围比较小，,因此它主要用于传输数字信号。,图,2-22,电路的光电耦合隔离,2.,电磁耦合隔离,电磁耦合隔离是在传感器与采集电路之间加入一个隔离放大器，利用隔离放大器的电磁耦合，将外界的模拟信号与系统进行隔离传送。图,2-23,所示为,AD,公司生产的隔离放大器,AD202,的内部结构示意图。,AD202,是一个典型的变压器耦合二端隔离放大器，它采用调幅与解调技术将直流或交流信号通过变压器耦合到输出级。其输入级内置一个独立的运放作为信号预处理，可进行缓冲、滤波等功能；输出级对信号进行解调、滤波与放大。内置的,DC/DC,变换器可以提供电源给输入侧的运放、调制器或其他电路。,图,2-23 AD202,的内部结构示意图,另外，还有三点隔离的变压器耦合隔离放大器，如,BB,公司的,3656,，可以实现输入级和输出级隔离，而且供电电源与放大器隔离，真正实现了信号和电源完全隔离。,隔离放大器在采集系统中的应用见图,2-24,。由图可见，外界的模拟信号由隔离放大器进行隔离放大，然后以高电平低阻抗的特性输出至多路开关。为抑制市电频率对系统的影响，电源部分由变压器隔离。另外，,A/D,转换输出采取光电隔离后送入计算机总线，以防止模拟通道的干扰馈入计算机；计算机总线的控制信号也经光电隔离传送至多路开关、采样保持和,A,D,转换芯片。,图,2-24,数据采集系统的隔离,3.,电容耦合隔离,电容耦合隔离方法是比较先进的，采用了频率调制技术，通过对输入电压数字编码和差动电容势垒耦合，准确地隔离和传输模拟信号。图,2-25,所示为,BB,公司生产的电容耦合隔离放大器,ISO122,的内部结构示意图。该隔离放大器输入和输出之间通过,2,个,1 pF,的隔离电容进行信号耦合。在调制端，输入放大器对输入电流和一个可切换的电流源之间的差值进行积分。假设,V,IN,为,0 V,，积分器将以单向的斜率上升直到超过比较器的阈值。内部的压控振荡器使电流源以,500 kHz,的频率切换，输出调制的数字电平以差动形式加在势垒电容上，同时外加隔离电压呈共模形式。输出端的放大器检测出来的差动信号作为另一个电流源到积分器,A,2,的切换控制，信号解调产生一个平均值等于,V,IN,的,V,OUT,，经过低通滤波器滤掉余下的载波噪声之后，就成为隔离放大器的输出。,图,2-25 ISO122,的内部结构示意图,2.2.5 ADC8XX,集成数据采集系统,1.ADC8XX,系列产品简介,美国,AD,公司是转换器领域的领导者。该公司率先研制出了真正意义上的完整的数据采集系统芯片,(,包括数据转换电路、微控制器、闪速电擦除存储器等,),ADC8XX,。这种崭新的微转换器采用先进的混合信号处理的,IC,工艺，显著地提高了数据采集系统的性能并大幅度地减少了开发时间和成本。微转换器系列产品的高性能和高精度转换技术，能更灵活地对芯片进行编程，能更方便地处理大量的数据采集问题，其低廉的价格更富有竞争力。,ADC8XX,系列的典型产品有,ADC812,、,ADC816,和,ADC824,，可组成单片数据采集系统，广泛应用于工业控制、家用电器、通信、自动化和军事领域当中；由于其体积小、功耗低，还可以用于智能传感器、电池供电系统,(,如手提电脑、仪器、监视器,),等。,ADC812,是全集成的高性能的,12,位数据采集系统，它在单个芯片内集成了高性能的自校准多通道,ADC,、两个,12,位,DC,以及可编程的,8,位,(,与,8051,兼容,)MCU,。其片内,8 KB,的闪速电擦除,(Flash,EE),程序存储器、,640,字节的闪速电擦除数据存储器以及,256,字节的数据,SRAM,均由可编程内核控制。,另外，,MCU,具有看门狗定时器、电源监视器和,ADC DMA,的功能，为多处理器接口和,I,O,扩展提供了,32,条可编程的,I,O,线、,IZC,兼容的,SPI,和标准,UAR2,、串行口,I,O,等。,MCU,内核和模拟转换器均有正常、空闲和掉电这三种工作模式，有适合于低功率应用的灵活的电源管理方案。在工业温度范围内，有,3 V,和,5 V,两种规格电压工作器件可供选择。它有,52,条引脚，用扁平塑料四方形封装。,ADC8,6,与,ADC8,2,类似。它在单个芯片内包含了高精度的双通道,16,位,-ADC,温度传感器、,PGA,与,89C52MCU,兼容的内核、闪速存储,RAM,以及定时器,/,计数器，具有,26,条可编程的,I/O,线和,12,个中断源,(2,个优先级,),。其芯片内集成了,8 KB,的闪速,/,电擦除程序存储器、,640 B,的闪速,/,电擦除数据存储器和,256 B,的,RAM,，而且包括,UART,、,SPI,和与,I,2,C,兼容的串行接口、多个数字,I/O,、看门狗定时器,(WDT),、,12,位电压输出,DAC,、电压监视器,(PSM),，以及定时器计数器,(TIC),等外围设备。这种集成数据采集系统广泛应用于称重、便携式电子仪器及压力测量等系统中。,ADC8