数字化电气测量系统设计

数字化电气测量系统设计S/H&A/DCaptureQEPGPIO&INT16-32bitsMCU&DSP模拟信号调理脉冲整形正交脉冲整形数字量输入缓冲接口LH交流电压交流电流直流电压A脉冲B脉冲DIR直流电流PT/HALL/分压器CT/HALL/分流器Hall/分压器Hall/分流器温度/力等传感器光电编码器交流电压交流电流PT/HALL/分压器CT/HALL/分流器CPURAMROMINTControlONOFFT、F数字化电气测量系统基本构成数据采集系统（S/H&A/D）集中式•多路分时采集•多路同步采集分布式•利用计算机网络将分散的数据采集站点联接成一个大的数据采集系统集中式数据采集系统（S/H&A/D）按照是否多路共用采样保持器S/H，多路模拟输入通道可分为：•集中式数据采集•多路分时采样•不强调多路输入数据的相关性•分布式数据采集•多路同时采样•强调多路输入数据的相关性，如同时采样电压和电流计算功率、阻抗等。分布式数据采集系统•每个采集站都可成为数据采集系统•不要求实时数据，一般用于设备的数据维护和管理常用片上外围接口可用的微处理器种类非常多，但片上外围接口基本一致。•A/D输入接口•外部中断输入接口•外部事件计数输入接口•显示接口（LED、LCD）•通信接口（I2C、SPI、SCI、CAN、USB）•脉冲捕捉接口（Capture）•正交编码脉冲接口（QEP）•PWM输出•编程及调试平台：IAR，Keil•调试工具：Jtag仿真器A/D转换器基础A/D转换器的基本概念将模拟量转换成与之相应的数字量的器件。A/D转换过程主要包括采样、量化和编码三个过程组。1.采样：把输入的连续时间变化的模拟量离散化，即变成时间域上断续的模拟量。2.量化：把采样取得的在时域上断续但是在幅值上连续的模拟量进行量化。3.编码：把已经量化的数字量用一定的代码表示输出。A/D转换器的主要技术指标1．分辨力:Q=VFS／2n位数n越多，则量化增量越小，量化误差越小，分辨力也就越高。常用的有8位、10位、12位、16位、24位等。例如，某A／D转换器输入模拟电压的变化范围为-10V～+10V，转换器为8位，若第一位用来表示正、负符号，其余7位表示信号幅值，则最末一位数字(一个LSB)可代表80mV模拟电压，即转换器可以分辨的最小模拟电压为80mV。而同样情况用一个10位转换器能分辨的最小模拟电压为20mV（分辨力Q=10V／29≈20mV）。2．转换精度（最大量化误差）由于采用了四舍五入的方法，最大量化误差为分辨力数值的一半。全量程的相对误差则为（Q／2VFS×100％）。可见，A／D转换器数字转换的精度由最大量化误差决定。实际上，许多转换器末位数字并不可靠，实际精度还要低一些。3．转换速度转换速度是指完成一次转换所用的时间。转换速度与转换原理有关，如逐位逼近式A／D转换器的转换速度要比双积分式A／D转换器高许多。除此以外，转换速度还与转换器的位数有关，一般位数少的转换器转换速度高。目前常用A／D转换器转换位数有8、10、12、14、16位，其转换速度依转换原理和转换位数不同而不同，一般在几微秒至几百毫秒之间。由干转换器必须在采样间隔Ts内完成一次转换工作，因此转换器能处理的最高信号频率就受到转换速度的限制。如50us内完成10位A／D转换的高速转换器，这样，其采样频率可高达20KHZ。A/D转换器的主要技术指标A/D转换原理1．逐次比较（SAR）型ADC2．并行比较型A/D转换器3.双积分型（DualRamp）ADC4.Σ-Δ型ADC工作原理逐次比较（SAR）型ADC3bits逐次逼近式转换器的构成原理。首先，控制电路使SAR寄存器的输出为100，经过D/A转换成相应的电压Vr,送到电压比较器于模拟输入电压Vin进行比较，若VinVr,则通过控制电路将最高位的1保留，反之，则将最高位置0；接着将次高位置1，再经D/A转换为相应的电压Vr，重复上一步，根据比较结果决定次高位是1还是0；最后所有位都比较结束后，转换完成。这样SAR寄存器中保存的二进制数就是A/D转换后的输出数码。+-控制电路SAR寄存器D/A转换器D2D1D0二进制代码输出CLK比较器模拟电压输入D2D1D0VrVin一般最快转换时间一般于1us。SAR型ADC电路规模属于中等,功耗低，在低分辩率（12位）时价格便宜，但高精度（12位）时价格很高。3bits逐次逼近式转换器的构成和工作原理1.控制电路使SAR寄存器的输出为100，经过D/A转换成相应的电压Vr,送到电压比较器于模拟输入电压Vin进行比较，若VinVr,则通过控制电路将最高位的1保留，反之，则将最高位置0；2.接着将次高位置1，再经D/A转换为相应的电压Vr，重复上一步，根据比较结果决定次高位是1还是0；最后所有位都比较结束后，转换完成。这样SAR寄存器中保存的二进制数就是A/D转换后的输出数码。+-控制电路SAR寄存器D/A转换器D2D1D0二进制代码输出CLK比较器模拟电压输入D2D1D0VrVin特点：•一般最快转换时间1us•电路规模中等,功耗低•低分辩率（12位）时价格便宜，但高精度（12位）时价格很高。逐次比较（SAR）型ADC并行比较（Flash）型A/D转换器由电阻分压器、电压比较器及编码电路组成，输出的各位数码是一次形成的，是速度最快的一种A/D转换器。图中由23=8个相等的电阻串联成电阻分压器，产生不同数值的参考电压，形成1/8UREF-7/8UREF共23-1=7种量化电平,7个量化电平分别加在7个电压比较器的反相输入端，模拟输入电压Vin加在比较器的同相输入端。当Vin大于或等于量化电平时，比较器输出为1，否则输出为0，电压比较器用来完成对采样电压的量化。比较器的输出送到优先编码器进行编码，得到3位二进制代码D2D1D0。+-+-+-+-+-+-+-18283848586878VrefVrefVrefVrefVrefVrefVrefRRRRRRRR比较器模拟输入Vin76543210END2D1D0采样脉冲并行二进制代码输出优先编码器+Vref特点：1.并行比较型A/D转换器转换精度主要取决于量化电平的划分，分得越精细，精度越高。2.最大优点是具有较快的转换速度，但是，所用的比较器和其他硬件较多，输出数字量位数越多，转换电路将越复杂。3.适用于10MSPS以上的高速采集、低精度要求的场合。双积分(DualRamp)型ADCIOTIIOILvVvRCTdtRvCVTvSSV1011101,-0)(,1.2.1期间，在固定的积分时间第一步，断开转换开始起始状态：计数器清零第一步：IREFIREFITREFOOREFIvVTTTRCvTRCVTRCvdtRVCVVVS1212100102积分器作反相积分直至第二步：计数，则期间用固定频率计数器在)1(2CCCfTfTIREFCIREFCCvVNDNTTvVTTfTD112若当选择T1为干扰信号周期的整数倍时，对周期内平均值为零的周期性干扰有很好的滤波效果，如正弦工频干扰。双积分(DualRamp)型ADCΣ-Δ型ADCΣ-ΔA/D转换器的核心是Σ-Δ调制器(Σ代表积分运算，Δ代表差分运算)。上图为一阶Σ-Δ调制器，以过采样频率KfS(fS为Nyquist频率，K大于10)将模拟输入VIN转变成一串脉冲输出。调制器输出端脉冲中“1”与“0”之比代表模拟输入的平均值。这样的脉冲串被送入一个数字滤波器。Σ-ΔADC的数字滤波器一般用SINC(Sin(x)/x)函数的脉冲响应实现低通滤波器。该滤波器输出接至抽样电路，以降低输出码率。++DQComparatorD-Latch1-bitDACIntegratorFilter&Noiseshaping-fclk=KfSOutputpulsef=KfSfSN-BitfSAnalogueInputVref+Vref-各点电压波形（输入正弦电压）过采样—噪声成形—低通滤波传统ADC以Nyquist频率fs采样一单频正弦信号。FFT分析结果包含一个单频fs和分布于DC到fs／2间的随机噪声-量化噪声；量化噪声是由于有限的ADC分辨率而造成的。单频信号的RMS幅度和所有频率量化噪声的RMS幅度之和的比值就是信号噪声比(SNR)。将采样频率提高K倍，SNR值未变,但FFT分析显示量化噪声基线降低了，噪声能量分散到一个更宽的频率范围。Σ-Δ转换器利用这一特点，对调制器输出脉冲进行数字滤波。大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样，低频段量化噪声的RMS就降低了。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。和前面的简单过采样相比，总的噪声功率没有改变，但噪声的分布发生了变化．fS/2fS噪声RMSfS/2KfS/2KfS数字低通滤波fS/2KfS/2KfS数字低通滤波(a)传统ADC以Nyquist频率采样噪声RMS噪声RMS(b)过采样+数字低通滤波(c)过采样+噪声成形+数字低通滤波数字滤波和抽取Σ-Δ调制器以采样速率输出1bit数据流，频率可高达MHz量级。数字滤波和抽取的目的是从该数据流中提取出有用的信息，并将数据速率降低到可用的水平。Σ-ΔADC中的数字滤波器对1bit数据流求平均，移去带外量化噪声并改善ADC的分辨率。数字滤波器决定了信号带宽、建立时间和阻带抑制。Σ-Δ转换器中广泛采用的滤波器拓扑是SINC3，一种具有低通特性的滤波器。SINC滤波器除了滤除量化噪声这一显著功能外，也有助于提供输出码率整数倍频上的滤波器陷波。传统的A/D变换技术在实现极高精度（大于16位）的A/D变换器时在性能、代价等方面受到了极限性的挑战，而且由于难以与数字电路系统实现单片集成，因而不适应VLSI技术的发展。近年来Σ-Δ模数转换器正以其分辨率高、线性度好、成本低等特点得到越来越广泛的应用，特别是在既有模拟又有数字的混合信号处理场合更是如此。几类ADC的比较转换时间分辨率价格应用领域双积分ADC10-100ms12-24bits便宜直流和低频V/F变换器10-100ms10-24bits便宜直流和低频逐次比较10-100us8,12,16bits适中中速高精度并行比较10ns-1us5-10bits贵高速低精度∑-型ADC100ns-10us16-24bits贵高速高精度MCU、DSP的GPIO口通常一个并行GPIO口的宽度等于8或16位。•MCS-51的P0-P3口为8位并口•TIC2000DSP的GPIOA口为16-bit•组成GPIO口的每根口线（I/OLine）可以通过软件编程初始化为输入或输出口。•当口线编程为输入口时，该输入口的输入阻抗很高，而编程为输出口线时，输出阻抗很低（OC门输出高阻抗时除外）。GPIO口的驱动能力不论是输入口线还是输出口线，其长期工作的输入、输出电流一般在1mA左右，所以不能用GPIO口线直接驱动负载，如LED（10mA左右）、继电器线圈（几十到几百mA）。23设计要点:利用晶体管扩展I/O口电流+EcVDZLILUiRVIb晶体管功率驱动电路合理确定Ui、R与V的电流放大系数值之间的数值关系，充分满足：IbIL/可确保V导通时工作于饱和区，以降低V的导通电阻及减小功耗。对于MCU、DSP的I/O口输出电平Ui基本等于自身的电源电压，输出电流可最大选1mA。基极限流电阻R（Ui-0.7）/1mA当所需的负载电流IL较大时，由于单个晶体管的值有限，输入控制信号电流Ib必须很大，以确保V导通时工作于饱和区。为减小对控制信号电流强度的要求，可采用复合晶体管(达林顿器件)构成功率驱动电路。用达林顿阵列扩展GPIO口输出电流目前有许多集成的达林顿阵列可以方便扩展I/O口输出电流。如ULN200x系列。左图是原理图，右图是集成达林顿阵列的逻辑图。输入TTL电平，输出电流最大500mA。达林顿阵列举例-ULN2003P1.0输出高电平，1C脚