第9讲数据采集系统课件.ppt
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- 数据 采集 系统 课件
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1、第第9讲讲 数据采集系统设计数据采集系统设计1 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式2 采样保持器采样保持器3 多路模拟开关多路模拟开关4 A/D转换器转换器5 数据采集系统的电器隔离数据采集系统的电器隔离1 数据采集系统的结构形式数据采集系统的结构形式A.数据采集系统的基本结构数据采集系统的基本结构B.多路分时采集单端输入系统多路分时采集单端输入系统C.多路同步采集分时输入系统多路同步采集分时输入系统D.多路同步采集多路转换系统多路同步采集多路转换系统数据采样系统基本结构数据采样系统基本结构多路分时采集单端输入系统多路分时采集单端输入系统多路同步采集分时输入系统多路同步采集分时输入系
2、统多路同步采集多路转换系统多路同步采集多路转换系统2 采样保持器采样保持器A.采样保持器基本原理采样保持器基本原理B.采样保持器基本参数采样保持器基本参数C.集成采样保持器集成采样保持器LF398采样保持器基本原理采样保持器基本原理采样保持器基本参数采样保持器基本参数1.捕获时间:采样命令起,输出从原保持值到当前捕获时间:采样命令起,输出从原保持值到当前输入信号值所需时间,一般在输入信号值所需时间,一般在350ns15 s。2.孔径时间:保持命令起,到开关断开的时间,孔径时间:保持命令起,到开关断开的时间,10200ns。3.孔径抖动:孔径时间的变化范围。孔径抖动:孔径时间的变化范围。4.保持
3、建立时间:开关断开后,输出达到稳定的时保持建立时间:开关断开后,输出达到稳定的时间。间。5.衰减率:保持时间内,输出下降的速度。衰减率:保持时间内,输出下降的速度。6.传导误差:保持时间内,由于寄生电容,输入信传导误差:保持时间内,由于寄生电容,输入信号引起输出信号的变化。号引起输出信号的变化。捕获捕获时间时间孔径孔径时间时间孔径孔径抖动抖动保持建保持建立时间立时间传导传导误差误差集成采样保持器集成采样保持器LF398捕获时间小于捕获时间小于10 sLF398连接连接3 多路模拟开关多路模拟开关A.多路开关的主要技术指标多路开关的主要技术指标B.多路模拟开关芯片举例多路模拟开关芯片举例C.多路
4、模拟开关的扩展多路模拟开关的扩展多路开关的主要技术指标多路开关的主要技术指标1.RON:导通电阻;导通电阻;2.RONVS:导通电阻温度漂移;导通电阻温度漂移;3.IC:开关接通电流;开关接通电流;4.IS:开关断开时的泄漏电流;开关断开时的泄漏电流;5.CS:开关断开时,开关对地电容;开关断开时,开关对地电容;6.COUT:开关断开时,输出端对地电容;开关断开时,输出端对地电容;7.tON:开关接通时的延迟时间;开关接通时的延迟时间;8.tOFF:开关断开时的延迟时间;开关断开时的延迟时间;9.tOPEN:从一个通道的接通状态到另一个通道的从一个通道的接通状态到另一个通道的接通状态所用时间。
5、接通状态所用时间。导通电阻导通电阻与电源电与电源电压的关系压的关系 导通电阻导通电阻与温度的与温度的关系关系 CMOS型模拟开关的导通电阻曲线型模拟开关的导通电阻曲线 4 A/D转换器转换器A.A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标B.A/D转换器的分类转换器的分类C.积分式积分式A/D转换器转换器D.逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器转换器E.-A/D转换器转换器F.并行比较式并行比较式A/D转换器原理转换器原理A/D转换器的主要性能指标转换器的主要性能指标1.分辨率,一般以位数表示,如分辨率,一般以位数表示,如12位位AD;2.量化误差,一般为量化误差,一般为 1/2LSB;3.转换
6、速率,每秒转换的次数,转换速率,每秒转换的次数,1MSPS=1兆次兆次/秒秒。ADC的量化过程就是用离散值近似表示连续值的过程的量化过程就是用离散值近似表示连续值的过程量化单位:量化单位:NLSBq2/11量化误差:量化误差:12/2/*NrefrefVqVe1.偏移误差,又称零值误差,即输入零时输出不为偏移误差,又称零值误差,即输入零时输出不为零,可用电位器调至最小;零,可用电位器调至最小;2.满刻度误差,即增益误差;满刻度误差,即增益误差;3.线性度,实际转移特性与理想直线的最大偏差;线性度,实际转移特性与理想直线的最大偏差;AD转换器的分类转换器的分类1.按转换机理分:按转换机理分:积分
7、式(双积分式、多斜积分式、电荷平积分式(双积分式、多斜积分式、电荷平衡式)、逐次比较式、并行式、多级式、衡式)、逐次比较式、并行式、多级式、-式式2.按转换精度分:按转换精度分:低精度、中等精度、高精度、超高精度低精度、中等精度、高精度、超高精度3.按转换速度分:按转换速度分:低速、中速、高速、超高速低速、中速、高速、超高速ADC使用的关键问题使用的关键问题 1。如何确定ADC的位数 整个测控系统的精度受多种因素影响,要求比总精度要求的最低分辨率高1位 接口电路的要求 并行接口与后续MCU匹配 串行接口ADC使用的关键问题使用的关键问题 2.如何确定ADC的转换速率(MSPS)积分型、电荷平衡
8、型、跟踪比较型ADC速度慢,约几ms到几十ms 逐次比较型中等:几us100us 全并行、串并行型:20ns100ns 转换速率的确定主要取决于信号的最高频率转换速率的确定主要取决于信号的最高频率例:例:100us的的ADC,只能处理低于,只能处理低于2kHz的信号的信号ADC使用的关键问题使用的关键问题 3.如何决定是否要加如何决定是否要加S/H 实际操作时,由分辨率、转换时间、信号带宽决定原则:在转换时间内,原则:在转换时间内,信号变化信号变化要小于要小于量化误差量化误差用用12位位ADC(100us、10.24Vref)对一个幅值的正弦波信号采样对一个幅值的正弦波信号采样ftfVdtdv
9、f2cos2tfVVf2maxmVLSBE25.1224.10*5.05.012mVEV25.1maxHztEVff5.021maxftVvf2sin不加采样保持器不加采样保持器加采样保持器(加采样保持器(us)kHzTfs7.410*)5100(21216max积分式积分式A/D转换器原理转换器原理对对-uI积分,积分,计数计数2n-1个个对基准电压对基准电压积分,计数积分,计数N个个RniuNu12 积分式积分式ADC芯片芯片举例举例(ICL7135)主要指标:主要指标:1、在每次、在每次A/D转换前转换前,内部电路内部电路都自动进行调零操作都自动进行调零操作 2、在、在2000字字(2V
10、满量程满量程)范范围内围内,保证转换精度保证转换精度1字字 3、具有自动极性转换功能、具有自动极性转换功能 4、输出电流典型值、输出电流典型值1PA 6、有过量程、有过量程(OR)和欠量程和欠量程(UR)标志信号输出标志信号输出,可用作自动可用作自动量程转换的控制信号量程转换的控制信号 7、输出为动态扫描、输出为动态扫描BCD码码 ICL7135积分式积分式ADC的工作过程的工作过程如何进一步提高测量效率和精度?多斜ADC积分型积分型ADCADC的特点:的特点:抗干扰能力强。抗干扰能力强。(与与Vi平均值成正比平均值成正比)精度高。精度高。(两次积分用同一个积分器,两次积分用同一个积分器,积分
11、器本身的误差能抵消。积分器本身的误差能抵消。)速度较慢。速度较慢。一般用于工业现场仪表。一般用于工业现场仪表。STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF.D D7 7D D0 0输入的输入的模拟量模拟量逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时逐次逼近寄存器逐次逼近寄存器D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7
12、 7D D0 03.4375V3.4375V1000 00001000 00002.5V2.5V逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1000 00001000 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V2.5V2.5V低低1100 00001100 00003.75V3.75V逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控
13、制与定时1100 00001100 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.75V3.75V高高3.125V3.125V1010 00001010 0000逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1010 00001010 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.125V3
14、.125V低低3.4375V3.4375V1011 00001011 0000逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1011 00001011 0000D/AD/A转换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.4375V3.4375V相等相等逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理STARTSTARTCLOCKCLOCKEOCEOCOEOE控制与定时控制与定时1011 00001011 0000D/AD/A转
15、换器转换器输输出出缓缓冲冲器器比较器比较器V VREFREF=5.0V=5.0V.D D7 7D D0 03.4375V3.4375V3.4375V3.4375V相等相等1 10 01 11 1 0 00 00 00 0逐次逼近式逐次逼近式A/D转换器原理转换器原理逐次逼近式逐次逼近式ADC芯片芯片举例举例逐次逼近型逐次逼近型ADCADC的特点:的特点:速度较高速度较高精度较高精度较高转换时间固定(如转换时间固定(如4位位ADC需需4个个CP脉冲)。脉冲)。一般输出带有缓冲器,便于与微机接口。应用较一般输出带有缓冲器,便于与微机接口。应用较广泛。广泛。并行数模转换器并行数模转换器 闪烁型ADC
16、00000001510RV0000001153151RRVV0000011155153RRVV0000111157155RRVV0001111159157RRVV00111111511159RRVV011111115131511RRVV111111115151513RRVVRV151RV153RV155RV157RV159RV1511RV1513量化2、特点、特点*快,快,CP触发信号到达触发信号到达到输出稳定建立只需到输出稳定建立只需几十几十ns*精度,受参考电压、分精度,受参考电压、分压网络等因素影响压网络等因素影响*有存储器,不需要有存储器,不需要S/H电路电路*电路规模,电路规模,n位
17、需要位需要2n-1比较器,触发器。比较器,触发器。*n大于大于10时,电路的规时,电路的规模很大,功耗也很大模很大,功耗也很大,限制了它的使用范,限制了它的使用范围。围。应用中应注意的几个问题应用中应注意的几个问题(1)闪烁式转换器的输出问题AD9688与AD9000的输出方式AD9002的输出方式(2)闪电式转换器的误差问题 大多数闪电式大多数闪电式ADC都对编码命令脉冲的工作都对编码命令脉冲的工作比和频率有点敏感,因为微分和积分的非线性的比和频率有点敏感,因为微分和积分的非线性的变化和时钟频率以及工作比有关,特别是当转换变化和时钟频率以及工作比有关,特别是当转换器工作在规定的最高采样速率时
18、,微分与积分非器工作在规定的最高采样速率时,微分与积分非线性的变化尤为明显。线性的变化尤为明显。在高摆动率的信号输入时,比较器亚稳态引在高摆动率的信号输入时,比较器亚稳态引起的假信号码可能会出现,及所谓的起的假信号码可能会出现,及所谓的“沸腾沸腾”现现象,即比较器群温度计码中出现象,即比较器群温度计码中出现0的现象。这可通的现象。这可通过精心设计比较器减少这个现象的发生。过精心设计比较器减少这个现象的发生。参考梯形电阻失配、比较器输入失调电压和参考梯形电阻失配、比较器输入失调电压和偏置电流等也会引起非线性误差。偏置电流等也会引起非线性误差。(3)闪电式转换器的驱动问题 加到闪电工加到闪电工AD
19、C上的视频信号通常来自低阻信号源,上的视频信号通常来自低阻信号源,其源阻抗为其源阻抗为50、75或或93欧,信号可以是单极性也可以是双欧,信号可以是单极性也可以是双极性的。当极性的。当ADC的输入范围与信号不适合时,就要增加一的输入范围与信号不适合时,就要增加一宽带运算放大器,它的增益和偏置均可调,以适合宽带运算放大器,它的增益和偏置均可调,以适合ADC。限流电阻,但太大影响带宽540欧肖特基二极管 如:如:AD9611驱动驱动放大器增益带宽积为放大器增益带宽积为280MHz,转换速率,转换速率达到达到2100V/uS,调整,调整时间是时间是13nS(至至0.1%)。(4)参考电压问题 闪烁式
20、闪烁式ADC中的电阻网络阻值一般不高,因而参考电压源中的电阻网络阻值一般不高,因而参考电压源必须要有相当的电流输出能力。必须要有相当的电流输出能力。如参考电压源如参考电压源AD580输出输出2.500V +0.4%,长期稳定性,长期稳定性为为250uV(25uV/月月),输出电流为,输出电流为10mA。可适用于。可适用于812位位ADC。旁路电容,采样速率大于旁路电容,采样速率大于20MHz时必须用,尽量靠时必须用,尽量靠近近ADC的的VREF引脚引脚(5)闪电式转换器的用法)闪电式转换器的用法-以以AD9002为例为例AD9002是是8位闪烁式位闪烁式ADC,速率达,速率达150MPS,它有
21、,它有256个快速比较器,这些比个快速比较器,这些比较器的滞后值可以调节,当较器的滞后值可以调节,当滞后控制电压由滞后控制电压由-5.2V调到调到期期-2.2V时,滞后值由时,滞后值由0mV调到调到100mV。Vm为电阻网络的中点为电阻网络的中点抽头。抽头。AD9011混合电路增加电流反馈放大电路,有三种不同增益(增加电流反馈放大电路,有三种不同增益(-1、-2、-4)的输)的输入,以适应不同的模拟量输入范围;钳位电路保护输入端;入,以适应不同的模拟量输入范围;钳位电路保护输入端;提高采样速率方法两个闪电式转换器交替工作可以提高采样速率。但两个闪电式转换器交替工作可以提高采样速率。但要注意延迟
22、与带宽的匹配,以免使动态特性变坏。要注意延迟与带宽的匹配,以免使动态特性变坏。多级型模数转换器两级模数转换器多级型模数转换器行波传送型模数转换器多级型模数转换器流水线型模数转换器-模拟模拟/数字转换器(周五结束)数字转换器(周五结束)-A/D转换器是目前精度最高的转换器是目前精度最高的A/D转换器。转换器。它由它由-调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积调制器和数字滤波器组成。调制器包括一个积分器和比较器,以及含有一个分器和比较器,以及含有一个1位位D/A转换器的反馈环;调转换器的反馈环;调制器具有噪声整形功能,制器具有噪声整形功能,将量化噪声从基带内搬移到基带将量化噪声从基带内搬移到基带外
23、的更高频段,从而提高了信噪比外的更高频段,从而提高了信噪比。而且,调制器以远高。而且,调制器以远高于于Nyquist采样率的频率对模拟信号进行采样,可减少基带采样率的频率对模拟信号进行采样,可减少基带范围内的噪声范围内的噪声功率,使转换精度功率,使转换精度进一步提高。经调进一步提高。经调制器输出的是制器输出的是1位的位的高速高速-数字流,数字流,包含大量高频噪声,包含大量高频噪声,因此需要数字滤波因此需要数字滤波器,滤除高频噪声,器,滤除高频噪声,降低抽样频率。降低抽样频率。采样差动放大器输出积分器输出比较器输出DAC输出10.80.81+12-0.20.61+13-0.20.41+14-0.
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