43数据采集系统设计

§4.3数据采集系统设计一、数据采集系统设计的一般步骤二、数据采集系统的误差分析三、DAS设计实例一、数据采集系统设计的一般步骤1、分析问题和确定任务在进行系统设计之前，必须对要解决的问题进行调查研究、分析论证，在此基础上，根据实际应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计的技术路线。2、确定采样频率采样频率决定了采样数据的质量和数量。利用采样定理来确定采样频率。3．系统总体设计在系统总体设计阶段，一般应做以下几项工作。(1)进行硬件和软件的功能分配(2)系统A／D通道方案的确定(3)确定微型计算机的配置方案(1)进行硬件和软件的功能分配一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度也降低。要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。(2)系统A／D通道方案的确定模拟信号输入范围；完成一次转换所需的时间；模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少；模拟信号传输所需的通道数；采样/保持器的采集时间是多少；在保持期间允许的电压下降是多少；所需精度（包括线性度、相对精度、增益及偏置误差）是多少；当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围;各通道模拟信号的采集是否要求同步；所有的通道是否都使用同样的数据传输速率；数据通道是串行操作还是并行操作；数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作；系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引起的误差是多少；(3)确定微型计算机的配置方案可以根据具体情况，采用微处理器芯片、单片微型机芯片、个人微型计算机等作为数据采集系统的控制处理机。选择何种机型，对整个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的影响。二、数据采集系统的误差分析数据采集系统中的元器件很多，从数据采集、信号调理、模数转换，直至信号输出，经过许多环节，其中既有模拟电路，又有数字电路，各种误差源很复杂。误差分析需要结合具体系统、电路和元器件来进行。数据采集系统的误差主要包括模拟电路误差、采样误差和转换误差。1、采样误差采样频率引起的误差采样频率必须大于信号最高有效频率的两倍系统的通过速率引起的误差通过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集次数。系统的通过速率的倒数为吞吐时间，表明系统每采样并处理一个数据所占用的时间。系统通过周期（吞吐时间）TTH可用下式表示：outcsAPACoffONTHtttttttt多路模拟开关接通时间Ton和断开时间Toff、采样保持器的捕获TAC、孔径时间TAP和保持建立时间Ts、A/D转换时间Tc和数据输出时间Tout。为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程的动态误差，模拟开关对N路信号顺序进行等速率切换时，采样周期至少为，每通道的吞吐率为：THNtTHTHtN1f2、模拟电路误差模拟开关导通电阻RON的误差模拟开关存在一定的导通电阻，信号经过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的变化会使放大器或采样保持器的输入信号波动，引起误差。多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差模拟开关断开的泄漏电流IS一般在1nA左右，当某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄漏电流IS都经过导通的开关和这一路的信号源流入地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。例如：一个8路的模拟开关，泄漏电流IS为1nA，信号源内阻50Ω，断开的7路泄漏电流IS在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：V3505071019.采样保持器衰减率引起的误差保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：ID为流入保持电容CH的总泄漏电流，ID包括采样保持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的漏电流，电容内部的漏电流。放大器的误差数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非线性误差、增益误差、零位误差等。HDCCItU3、A/D转换的误差ADC是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整个系统起着至关重要的作用，也是系统中的重要误差源。选择A/D转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速度及输出接口。A/D转换器的静态误差。包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。工程应用中，取是比较合理的。A/D转换器的速度对误差的影响A/D转换器速度用转换时间来表示。选用A/D转换器时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则会产生较大的采样误差。LSB32ADC)~(4、数据采集系统误差的计算计算数据采集系统误差时，必须对各部分电路进行仔细分析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。如果误差在5项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下，按绝对值和的方式综合。和方根方式综合误差的表达式：绝对值和方式综合误差的表达式：式中：2ADC2SH2AMP2MUX)()()()()(ADCSHAMPMUX转换器的误差采样保持器的误差放大器的误差多路模拟开关的误差A/DADCSHAMPMUX选择元器件精度的一般原则：每一个元器件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍。例如：0.1%级精度性能的数据采集系统，所选元器件的精度应该不大于0.01%。三、DAS设计实例例1、设计基于8031单片机的通用数据采集与处理系统。系统功能要求：实现16路通道单端模拟量输入，输入电压范围0-10V,信号源内阻10Ω，信号变化频率≤100Hz分辨率：12位二进制码输出，数据传输方式为并行方式顺序测量每一个通道，对每一个通道的扫描不超过50us系统最大允许误差不超过满刻度的0.5%温度范围+25-55℃，现场提供+5V及±15V的稳压电源。设计过程：1、粗略地选择与系统功能要求相当的器件首先根据设计要求提出的技术指标，例如精度、转换时间、输入信号幅值、环境温度以及提供的电源，粗略地选择与这些参数相当的器件。因此本设计选用单片机8031作为系统的控制器，管理整个数据采集系统。多路模拟开关选用AD7506，建立时间是1us。采样保持器选用LF398，建立时间是6us，A/D转换器选用AD574，其分辨率为12位，转换精度可达0.05%，转换时间25us。器件选定后，进一步校验转换时间和误差是否在设计要求范围内。2、系统转换时间系统的转换时间由多路模拟开关、采样保持电路的采集时间以及A/D转换器的稳定时间和转换时间确定，它决定了系统的动态特性。系统转换时间=多路开关稳定时间+采样保持器的采样时间+A/D转换器的稳定时间和转换时间=1us+6us+25us=32us系统转换时间小于50us，满足要求。3、系统误差分析（1）多路模拟开关AD7506的误差（2项）a、多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差根据AD7506的技术指标，25℃时泄漏电流IS=0.05nA,信号源内阻10Ω，当1路接通时，断开的15路泄漏电流IS在导通这一路的信号源内阻上产生的压降为：可以忽略不计V105710151005099..b、模拟开关导通电阻RON的误差在多路开关中，开关本身有导通电阻，输入信号在该电阻上产生压降，则信号被衰减。多路开关导通电阻400Ω（最大），采样保持器的输入阻抗30MΩ，衰减分压比=∴%.%00130100M30400%0013.0εmux（2）采样保持器LF398的误差（2项）a、采样保持器LF398的非线性度，在10V范围内是0.01%，即1mV；（3）A/D转换器AD574产生的误差（2项）a、AD574的转换精度是2LSB，即0.05%，b、温度漂移误差10-4/℃，设计要求温度变化30℃，则10-4/℃×30℃=0.003,即0.3%。∴0.35%ADCε（4）数据采集系统总误差符合系统要求。在粗选及误差计算校验之后，如所选器件符合设计要求，便可着手进行电路设计，包括硬件接口、软件及布线。同时要考虑系统的造价和体积。0.5%0.3613%0.35%0.01%00.0013%)(ADCSHAMPMUX4、结构形式的确定系统要实现16路数据采集，要用多通道数据采集结构。拟采用多路分时采集分时输入结构，结构形式简单，所用芯片数量少，适用于信号变化速率不高，对采样信号不要求同步的场合。多路模拟开关….采样保持器A/D转换器单片机控制逻辑数据采集系统结构框图5、设计数据采集系统原理图•原理图见课本200页。•工作过程见课本199,201页。6、软件设计采用中断法：当转换完成后，转换结束状态信号STS有效，利用STS作为中断请求信号，向CPU提出中断申请，当微处理器响应中断，在中断服务程序中执行转换结果数据的读入。12位结果分两次被8031读入到指定的缓冲单元。这种方法CPU可与A／D转换器并行工作，效率高，硬件接口简单。（3）AD574控制状态表