第二章 智能仪器的数据采集技术 数据采集系统的组成结构模拟信号调理传统 A/D 转换器及接口技术 - 型 ADC 原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析

数据采集系统简称 DAS

（ Data Acquisition System ），是指将温

度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、

量化转换成数字量后，以便由计算机进行

存储、处理、显示或打印的装置。

第一节 数据采集系统的组成结构

传感器 模拟信号调理 数据采集电路 微机系统

图 2.1 数据采集系统的基本组成

多路模拟输入通道数据采集系统 ◆ 同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 多路模拟输入通道可分为两大类型： ◆ 集中式采集 ◆ 分布式采集

一、多路模拟信号集中采集式

1. 集中式数据采集系统的典型结构之一

传感器 1

传感器 2

传感器 3

调理

调理

调理

模拟多路开关

A/D 计算机控制逻辑

S/H

多路共用采集电路分时采集

2. 集中式数据采集系统的典型结构之二

传感器 1

传感器 2

传感器 3

调理

调理

调理

S/H

S/H

模拟多路开关

S/H A/D 计算机控制逻辑

多路同步取样共用 A/D 分时采集

3. 集中式数据采集系统的典型结构之三

•多通道同步采样 A/D ，分时传输数据

•多通道独立取样 A/D ，有通道缓存

通信接口

上位机

数据采集站 1

数据采集站 2

数据采集站 3

数据采集站 N

… … … …

……

模拟信号或数字信号

网络式数据采集结构

二、分布式采集

请总结每种数据采集系统结构的主要特点！

第二节 模拟信号调理

采集系统信号调理（ Signal Conditioning ）的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。

传感器

前置放大

滤波

程控放大

滤波

采集电路

典型模拟调理电路的组成框图

传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器： 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求； 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，• 自行设计传感器

一、传感器的选用

将被测量→转换后续电路可用电量：1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。2.转换精度：符合整个测试系统根据总精度要

求而分配给传感器的精度指标；3.转换速度（带宽）：符合整机要求；4.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如

耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。

( 一 ) 对传感器的主要技术要求

对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体 PN 结、 IC 温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。

( 二 ) 选用什么类型传感器

1.大信号输出传感器 : 为了与 A/D 输入要求相适应，传感器厂家

开始设计、制造一些专门与 A/D 相配套的大信号输出传感器。

传感器

传感器

传感器

小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机

微机I/V 转换

V/F

光电耦合

小电流

小电压

大电压

大电流

图 3.5 大信号输出传感器的使用

2. 数字式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数 R、 L、 C构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F 转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。

频率量及开关量输出传感器的使用

传感器 放大整形

光电隔离

计算机

传感器 整形 光电隔离

计算机

频率输出

开关量输出

集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。

3. 集成传感器

4. 光纤传感器：

这种传感器其信号拾取、变换、传输

都是通过光导纤维实现的，避免了电路

系统的电磁干扰。

光纤传感器可以从根本上解决由现场

通过传感器引入的干扰。

•放大器为什么要“前置” , 即设置在调理电路的最前端？•前置放大器的放大倍数应该多大？

二、运用前置放大器的依据

当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。

KVV ONIN /

2200 )()( KVKKVV ININON

VIN

VOS

前置放大器 K0 后级电路 K

VIS

VIN0 VON

放大器噪声分析

总的等效输出噪声：

总的等效输入噪声：

2

0

20

0

)(K

VV

KK

VV IN

INON

IN

2

0

20 )(

K

VVV INININ

20

0

11K

VV ININ

假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即： VIS ＜ VIN ，

加入前放后，希望 VIS>V'IN ，就必须使 V'IN<VIN ，

为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即 K0 ＞ 1 ，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。

‘

两种调理电路的对比

2120

21

20 )(

)(

K

VV

K

VKVV IN

INININ

IN

21

20

20

21 )()(

ININININ

IN VVK

KVKVV

（ a ）

（ b）

由于 K ＞ 1, 所以， ，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。

ININ VV

三、信号调理通道中的常用放大器

仪用放大器

程控增益放大器

隔离放大器

( 一 ) 仪用放大器

仪用放大器的基本结构

仪用放大器上下对称，即图中 R1=R2 ，R4 ＝ R6 ， R5 ＝ R7 。则放大器闭环增益为：

假设 R4=R5 ，即第二级运算放大器增益为 1 ，则可以推出仪用放大器闭环增益为：

由上式可知，通过调节电阻 RG ，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时， RG 一般为外接电阻。

451 /)/21( RRRRA Gf

)/21( 1 Gf RRA

在实际的设计仪用放大电路过程中，

重点考虑以下主要性能指标：

1. 非线性度 2. 温漂

3. 建立时间 4. 恢复时间

5. 电源引起的失调

6. 共模抑制比

1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。

VI

VO

2. 温漂

温漂是指仪用放大器输出电压随温度

变化而变化的程度。

输出电压会随温度的变化而发生 (1~5

0)V/℃ 变化，这与仪用放大器的增益有

关。

3. 建立时间 指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电 压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。

4. 恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和 状态恢复到最终值所需的时间。

放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。 放大器增益带宽积指标

5. 电源引起的失调 指电源电压每变化 1% ，引起放大器的漂移电压值。 仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。

6. 共模抑制比

CMRR=20logAdef/Acom

共模电压存在场合

( 二 ) 程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。 增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。

程控放大器原理框图

选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。

PGA202/204 等是增益 1 、 10 、 100 、 1000 四档、由两条 TTL 逻辑控制。

( 三 ) 隔离放大器隔离模式：两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离；三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离；三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。

应用场合 :

•高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差；

•测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高 ;

•多个系统不能共地 .

特点：1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害， 防止高压对低压信号系统的损坏。2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须

提供偏流返回通路。3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准

确、安全的测量。

GF289 集成隔离放大器

GF289 典型接法

第三节 传统 A/D 转换器及接口技术

1. ADC 的基本概念2.技术指标的含义3.比较型 ADC 、积分型 ADC 、 V/F 的转换原

理4.典型芯片选择及接口设计 （ 3 、 4 看书查阅资料自学）

量化特性及量化误差

1.ADC 的基本概念

)2/)(2/1()2/)(2/1( nrni

nrn VVVVV

一般而言， n 位 ADC 的理想传输函数由以下两个式子定义：

Vr 是模拟输入满量程

理想 ADC 的传输特性和量化误差

A/D 转换器技术指标的含义

•分辨率•转换时间•精度•误差

(1) 分辨率 ADC 的分辨率定义为 ADC 所能分辨的输入模拟量的最小变化量。

用 ADC 输出数字量的位数 n表示，代表 ADC 有 2n 个可能状态，可分辨出满量程值的 1/2n 的输入变化量。此输入变化量称为 1LSB （即一个量子Q）

(2) 转换时间 A/D 转换器完成一次转换所需的时间定义为 A/D 转换时间。其倒数称为转换速率。• 与实现转换所采用的电路技术有关• 与位数有关• 采集系统转换时间还与接口模式有关

(3) 精度与误差 绝对误差 (精度 ) 数字输出码所对应的模拟输入电压实

际值与理想值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性

误差、噪声等组成。 相对误差 (精度 ) 数字输出码所对应的模拟输入实际值与

理想值之差与模拟满量程值之比，用％表示 。绝对误差 /满量程值之比。

偏移误差（又称为偏移电压） 定义 :为使 ADC 的输出最低位为 1，施加到 ADC 模拟输入端的实际电压与理论值(1/2Vr ／ 2n)( 即 1/2LSB 所对应的电压值 )之差 . 在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在 ADC 的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为 10-6/℃，其值约在几到几十范围内。

增益误差（满量程误差）指 ADC 输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。 线性度误差积分线性度误差和微分线性度误差两种。

a ．积分线性度误差偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。

b ．微分线性度误差定义为 ADC 传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于 V

r/2n 的偏离值。

失码（ Missing Cord ）或跳码 (Skipped Cord) ，也叫做非单调性。

ADC 的积分线性度误差 ADC 的微分线性度误差

ADC 的失码现象

温度对误差的影响

环境温度的改变会造成偏移、增益

和线性度误差的变化。

二、传统 ADC 的转换原理( 一 ) 比较型 ADC比较型 ADC 可分为反馈比较型及非反馈（直

接）比较型两种。高速的并行比较型 ADC 是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型 ADC 是反馈型 .

逐次逼近式转换器原理

( 二 ) 积分型 ADC

双积分 ADC

双积分式 ADC 的优点：•对 R 、 C 及时钟脉冲 Tc 的长期稳定性无过

高要求即可获得很高的转换精度。•微分线性度极好，不会有非单调性。因为积

分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的 , 即从本质上说，不会发生丢码现象。•积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积

分式 ADC 是测量输入电压在定时积分时间 T1

内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。

( 三 ) V/F 型 ADC

它主要由 V/F 转换器和计数器构成。 V/F型 ADC 的特点是：与积分式 ADC 一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。

三、常用 ADC 与微处理器的接口 从计算机接口理解模式从计算机接口理解模式

( 一 ) AD54A 及其与微处理器的接口

AD57A 的管脚图

ADC574A 单极性和双极性输入接法

AD574 的控制状态表：

AD574 的 8 位输出数据格式

AD574A 启动转换和读数据时序

AD574A 与 8031 的接口

AD574 系列产品主要性能比较

第四节 - 型 ADC 原理与接口技术

过采样技术Σ-Δ 调制技术增加了数字电路的比例，易于实现单片集成以较低的成本实现高精度的 A/D 变换器

理论基础 : 信号采样量化理论

•若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q, 量化噪声的总功率是一个常数 , 与采样频率 fs 无关 ,

功率密度谱在 0~fs/2 的频带范围内均匀分布。

•量化噪声电平与采样频率成反比 , 提高采样频率 ,可以降低量化噪声电平 , 而基带是固定不变的 , 因而减少了基带范围内的噪声功率 , 提高了信噪比。

理论基础 :信号采样量化理论

一、 - 型 ADC 原理

1. 过采样技术

理想 3 位 ADC 转换特性

过采样技术原理图

功率密度

带模拟滤波和数字滤波的过采样

图 一阶 Σ-Δ ADC

2.Σ-Δ 调制及噪声整形技术原理

• Σ-Δ 调制器原理

• 积分器及其数量－－阶数

• 量化器及其数量－－级数

Σ-Δ 调制器的频域线性化模型

图 整形后的量化噪声分布

图 二阶 Σ-Δ ADC

信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系

精度(n)

M(1阶 )

M(2阶 )

M(3阶 )

M(4阶 )

12 2048 65    

14 8192 129 36 22

16 32768 257 59 31

18 131072 514 93 43

20 524288 1034 145 61

单级调制器 1~4 阶与达到分辨率的最低过采样比

3. 数字滤波和采样抽取技术

D=4 的采样抽取

二、 CS5360 及其与微处理器的接口 1. CS5360 简介     真正的 24 位转换     105dB 的动态范围     低噪声，总谐波失真 >95dB

     Σ-Δ A/D 转换技术     片内数字抗混叠滤波及电压参考     最高采样率 50KHz

     差动模拟输入     单 +5V 电源供电

CS5360 功能框图 CS5380\ CS5381

数字接口电路功能框图

基于 FPGA 的数字接口电路部分的设计

接口功能框图

串并转换电路原理图

高速 A/D 转换器

逐次近似 A/D 法（几十MHz ）闪电式 A/D 法（几百MHz ）分量程 A/D 法（几百MHz ）流水线 A/D 法（几百MHz ）谐振隧道二极管 A/D 法（ 1GHz 以上）

视频、数字示波器、频谱测试、雷达

采样率 10MHz 以上

参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社

第五节 数据采集系统设计及举例

一、系统设计考虑的因素

二、 A/D 转换器的选择要点

三、采样保持器 S/H 的选择

四、多路测量通道的串音问题

五、主放大器的设置

六、数据采集系统实例

一、采集系统设计考虑的主要因素

输入信号的特性 对数据采集系统性能的要求 接口特性

输入信号的特性：1.信号的数量2.信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极

性，接地、浮地）

3.信号的强弱及动态范围4.信号的频带宽度5.信号是周期还是瞬态6.信号中的噪声7.共模电压大小8.信号源的阻抗

对数据采集系统性能的要求：

1. 系统的采样速率

2. 系统的分辨率

3. 系统的精度

1.主机（ PC 、 MCU、 DSP）

2.并行、串行、总线

3.数据的编码格式

接口特性 ：

二、 A/D 转换器的选择要点

1.A/D 转换位数

2. 转换速度

3. 环境条件

4. 接口

1.A/D 转换位数 m

min,

max,1 lg20

I

I

V

VL

61Lm

12

10m 系统精度指标的

10 倍原则

2. A/D 转换速度的确定

转换速率 =

co tt 1

coDA ttT /

ocDA ttNCf

T max

/

1

三、采样保持器 S/H 的选择

APi

o tdt

dVV maxmax, )(

最大孔径误差

APmo tfUU 2max,

tUU mi cos

在数据采集系统中，若要求最大孔径误差不超过 q ，则由此限定的被转换信号的最高频率为 :

1max 2

1

m

APtf

mm

cm

UqtfU

22

1max 2

1

m

ctf

不加采样 / 保持器 加采样 / 保持器

1max 2

1

m

APtf

一个 12 位 ADC ， tc=25μs 信号频率不能超过 1.5Hz 。

tAP=10ns

fmax=3750Hz

A/D 转换时间 tC 内 S/H 理想情况下应保持不变

存在输出电压的跌落

H

Do

C

I

dt

dV

ID 为流过保持电容 CH的漏电流的代数和 :模拟开关断开时的漏电流、保持电容本身的介质漏电和介质吸附效应引起的电荷变化。

四、多路测量通道的串音问题

MUX 电路模型

模拟开关的断开电阻 Roff 不

是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。

低频等效电路

高频等效电路

Ri

Roff

Ron

例 :

设八路输入转换开关 , 导通电阻100 欧姆 , 关断时单路漏电流 1μA 。输入信号是温度传感器输出电压，内阻 400 欧姆。试估算漏电流产生的误差。

(1) 为减少漏电流影响 , 减小信号源内阻 Ri ，为此前级应采用电压跟随器；

(2) 选用 Ron 极小、 Roff 极大的开关管；

(3) 减少输出端并联的开关数 N 。若N=1 ，

则 VN=0 。

(4) 减小串音应选用寄生电容小的 MUX 。

(5) 模拟开关不用的输入端接地。

数据采集系统实例

误差分析 教材 P51---58

深化你所设计数据采集系统：1.详细给出系统电路图；

2. 给出设计指标，逐一说明或论证。

（能够采集的信号特征，达到采样率、分辨率等，电源，成本）；

3.主要误差估算，分析达到的精度；

4.画出采集程序流程图；

4. 改进或创新之处。

KVV ONIN /

2200 )()( KVKKVV ININON

VIN

前置放大器 K0 后级电路 K

VIS

VIN0

VOS VON

前置放大器的作用

总的等效输出噪声：

总的等效输入噪声：2

0

20

0

)(K

VV

KK

VV IN

INON

IN