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1、節(jié)標題樣式，一、對應,*-1,節(jié)中一級標題樣式，對應,(,一,).,節(jié)中二級標題樣式，對應,1.,節(jié)中三級標題,第四級,第五級,*,2-5,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計,多路開關的工作原理及主要技術指標,作用：,將多路被測信號分別傳送到,ADC,進行轉換。,工作原理如下：,設選擇第,1,路輸入信號，則計算機輸出一個,4,位二進制碼，把計數(shù)器置成,0001,狀態(tài)，經四,十六線譯碼器后，第,1,根線輸出高電平，場效應管,T,1,導通，,U,O,=,U,i,1,，,選中第,1,路信號。,如果要連續(xù)選通第,1,路到第,3,路的信號，可以在計數(shù)器加入計數(shù)脈沖，每加入一次脈沖，計數(shù)器加,1,，狀態(tài)依次變?yōu)?0001,

2、0010,，,0011,。,1,2,3,15,16,.,四,-,十六線譯碼器,四位計數(shù)器,T,1,T,2,T,3,T,15,T,16,U,0,U,i3,U,i2,U,i1,U,i15,i16,U,計數(shù),2,3,2,2,2,1,2,0,.,.,.,.,.,.,.,集成多路開關,多路開關的串音與抑制,在,n,個模擬開關的,并聯(lián)組合中，當一個開,關導通時，其它,n,1,個,開關是斷開的，未導通,開關的漏電流將通過導,通的開關流經信號源，,如右圖所示。,這樣，將在輸出端,形成一個誤差電壓,U,OE,。,I,導,通,開,關,測量點,U,OE,R,L,R,ON,R,S,I,I,I,S,S,S,S,斷,開,

3、開,關,漏電流電路,將,3,n,個通道分,成,3,組,，,再用,3,個第,二級的開關接到輸,出端。這樣將使流,到輸出端的漏電流,由,(3,n,1),降到,(,n,1),，,差不多減,至,.,.,.,.,.,.,.,.,.,A,B,C,輸出,1,2,n,1,2,n,1,2,n,多路開關的分級組合,采樣,保持器的工作原理,采樣,保持器的一般結構形式下圖所示,。,模擬信號,U,i,K,驅動信號,A,C,H,模擬地,采樣保持器的一般結構形式,組成：,模擬開關,K,、,電容,C,H,、,緩沖放大器,A,在,t,1,時刻前,，,控制電路的驅,動信號為高電平時，,模擬開,關,K,閉合，模擬輸入信號,U,i,

4、通過模擬開關加到電容,C,H,上，使得,C,H,端電壓,U,C,跟隨,U,i,變化而變化。,在,t,1,時刻，驅動信號為低電,平，模擬開關,K,斷開,，,此時,電容,C,H,上的電壓,U,C,保持,模擬開關斷開瞬間的,U,i,值,不變并等待,A,D,轉換器轉,換,。,工作原理如下：,t,控,制,信,號,t,模,擬,輸,入,A,t,采,樣,輸,出,跟蹤,t,1,A,2,t,2,A,1,t,3,保持,A,3,t,4,A,采樣保持器工作原理,而在,t,2,時刻，保持結束，,新一個跟蹤時刻到 來，,此時驅動信號又為高電,平，模擬開關,K,重新閉,合，,C,H,端電壓,U,C,又跟,隨,U,i,變化而變

5、 化；,t,3,時刻，驅動信號為低,電平時，模擬開關,K,斷開,，,.,。,從以上討論可知：,采樣,保持器是一種用邏輯電平控,制其工作狀態(tài)的器件。,它具有兩個穩(wěn)定的工作狀態(tài)：,跟蹤狀態(tài),在此期間它盡可能快地接收模擬輸入,信號，并精確地跟蹤模擬輸入信號的變化，一直到接到保持指令為止。,保持狀態(tài),對接收到保持指令前一瞬間的模擬輸,入信號進行保持。,采樣保持器主要起以下兩種作用：,“穩(wěn)定”快速變化的輸入信號，以減少,轉換誤差。,用來儲存模擬多路開關輸出的模擬信,號，以便模擬多路開關切換下一個模,擬信號。,采樣,保持器的原理和主要性能參數(shù),1.,采樣,保持器的電路原理,U,i,-,+,A,1,K,U,

6、K,-,+,A,2,C,H,模擬地,U,O,串聯(lián)型采樣保持器的結構,A,1,和,A,2,分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提高采樣保持器的輸入阻抗，減小輸出阻抗，以便與信號源和負載連接。,K,是模擬開關，由控制信號電壓,U,K,控制其斷開或閉合,。,C,H,是保持電容器,。,優(yōu)點：,缺點：,失調電壓為兩個運放失調電壓之和，較大，影響精度。,跟蹤速度較低。,結構簡單,保持指令給出瞬間到模擬開關有效切斷所經歷的時間。,2.,采樣,保持器的主要性能參數(shù),孔徑時間,t,AP,捕捉時間,孔徑不定,由左圖可知,，,在,t,AP,后,的輸出還有一段波動,，,經過一定時間,t,ST,后才保持穩(wěn)定,。,t,U,孔

7、徑誤差,實際輸出,希望的輸出,模擬信號,保持,跟蹤,保持指令發(fā)出時刻,t,AP,t,AP,t,AC,t,ST,保持,采樣保持全過程,為了量化的,準確,，,應在發(fā)出,保持指令后延遲,一段時間，再啟,動,A,D,轉換,。,由于孔徑時間的存在，而產生,孔徑誤差,采樣保持器實際保持的,輸出值與希望輸出值之差。,孔徑不定,t,AP,孔徑不定,t,AP,孔徑時間的變化范圍。,孔徑時間使采樣時刻延遲。,如果延遲時間不變，則對總的采樣結,果的精確性不會有太大影響。,但若孔徑時間在變化，則對精度就會,有影響。,捕捉時間,t,AC,捕捉時間,指當采樣保持器從保持狀,態(tài)轉到跟蹤狀態(tài)時，采樣,保持器的輸出從保持狀態(tài)的

8、,值變到當前的輸入值所需的,時間。,捕捉時間不影響采樣精度，但對采樣,頻率的提高有影響。,保持電壓的下降,當采樣保持器處在保持狀態(tài)時，由于漏電流使保持電壓值下降，下降值隨保持時間增大而增加，常用保持電壓的下降率來表示：,式中,I,保持電容,C,H,的漏電流,。,為了使保持狀態(tài)的保持電壓的變化率不超,過允許范圍，須選用優(yōu)質電容。,增加的值可使保持電壓的變化率不大，但,將使跟蹤的速度下降。,饋送,指輸入電壓,U,i,的交流分量通過開關,K,的寄生電容,C,S,加到,C,H,上,，,使得,U,i,的,變化引起輸出電壓,U,O,的微小變化,。,饋送的通路,U,i,-,+,A,2,C,H,U,O,C,S

9、,K,交流分量引起的誤差。,保持電容器,C,H,，,饋送,，,但不利于采樣頻率的提高。,跟蹤到保持的偏差,跟蹤最終值與建立保持狀態(tài)時的保持值之間的偏差電壓。,該誤差與輸入信號有關，是一個不可,預估的誤差。,電荷轉移偏差,指在保持狀態(tài)時，電荷通過開關,K,的寄生電容轉移到保持電容器上引起的誤差。,保持電容器,C,H,，,電荷轉移偏差,，,采樣保持器的響應時間,。,此,誤差由直流分量引起。,由以上討論可以看出，,采樣保持器,的性能,在很大程度上取決于,保持電容器的,質量,。因此，應該選擇優(yōu)質電容器。,系統(tǒng)采集速率與采樣,保持器的關系,首先討論不用采樣,/,保持器，而直接用,A/D,轉換器對模擬信號

10、進行轉換的情況。,U,i,=,U,m,2,sin,t,t,U,m,2,t,U,U,正弦信號的最大變化率,對正弦信號采樣，在,t,內，模擬信號電壓的最大變化率發(fā)生在正弦信號過零時。,由于正弦信號過零時,，,t,=,n,，,|cos(,n,)|=1,，,所以,則,而在,A,D,轉換時間,t,CONV,內,，,輸入的正弦信號電壓最大變化率可能為,由此可得出,如果在轉換時間,t,CONV,內,，,正弦信號電壓的最大變化不超過,1,LSB,所代表的電壓,，,則在,U,m,=,FSR,條件下,，,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可采集的最高信號頻率為,如果允許正弦信號電壓變化為,，,則系,統(tǒng)可采集的最高信號頻率為,由以上兩式

11、可看出，系統(tǒng)可采集的最高信,號頻率受,A,D,轉換器的位數(shù)和轉換時間的限制。,【,例,1】,已知,A,D,轉換器的型號為,ADC0804,，,其轉換時間,t,CONV,=100,s,（,時鐘頻率為,640kHz,），,位數(shù),n,=8,，,允許信號變化,為,，,計算系統(tǒng)可采集的最高信,號頻率。,解：,由式,（,2-30,）,知,如果在,A,D,轉換器的前面加一個采樣,保持器，這樣就變成在,t =t,AP,內討論系統(tǒng)可采集模擬信號的最高頻率,。,仍考慮對正弦信號采樣，則系統(tǒng)可采集的信號最高頻率為,結論：,因為,t,AP,一般遠遠小于,A,D,轉換器的,轉換時間,t,CONV,，,所以,，,有采樣保

12、,持器的系統(tǒng)可采集的信號最高頻率,要大于未加采樣保持器的系統(tǒng)。,【,例,2】,用采樣保持器芯片,AD582,和,A,D,轉,換器芯片,ADC0804,組成一個采集系統(tǒng),。,已知,AD582,的孔徑時間,t,AP,=50ns,，,ADC0804,的轉換時間,t,CONV,=100,s,（,時鐘頻率為,640kHz,），,計算系統(tǒng)可采,集的最高信號頻率。,解：,由式,（,2-31,）,知,如何選擇和使用,A,D,轉換器,1.,如何確定,A,D,轉換器的位數(shù),從靜態(tài)精度考慮,要考慮量化誤差對輸出的影響。,量化誤差與,A,D,轉換器位數(shù)有關。,位數(shù)與誤差的關系,位數(shù),誤差,8,9,10,11,12,1

13、3,10,位以下誤差較大；,11,位以上誤差減小不明顯。,因此，取,10,11,位是合適的,。,從精度來看,由于模擬信號是先測量后轉換，因此,總,誤差,測量誤差,量化誤差,設測量誤差和量化誤差不相關。,它們的標準差分別為,e,M,和,e,q,。,則總誤差的標準差為,式中,由左圖可知,:,變化緩慢,，,e,M,減小不多。,，,e,M,e,q,e,M,0.1,0.3,0.5,0.7,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,因此，取,為,0.3,0.5,較為合適,。,與 的關系,e,q,e,M,總之,，,A,D,轉換器的精度應與測量,裝置的精度相匹配,。,確定位數(shù),量化誤差在總誤差中所占,比

14、例要小。,根據(jù)測量裝置的精度水 平，合理提出位數(shù)要求。,目前,，,大多數(shù)測量裝置的精度值不小,于,0.1%,0.5%,，,故,A,D,轉換器的精度取,0.05%,0.1%,，,相應的位數(shù)為,10,11,位，,加上符號位，即為,11,12,位,。,從動態(tài)平滑性的要求來考慮,位數(shù)不能太多，否則雖然,q,，,但產生,高頻小振幅量化噪聲,。,一般來說，滿足,靜態(tài)精度,要求的位數(shù)，也能滿足,動態(tài)平滑性,的要求。,2.,如何確定,A,D,轉換器的轉換速率,轉換速率,每秒鐘能完成的轉換次數(shù)。,確定轉換速率時，應該考慮系統(tǒng)的采樣速率：,若轉換時間為,100,s,，,則轉換速率為,10,千次,/,s,。,設一個

15、周期采,10,個樣點，那么,A,D,轉換,器最高只能處理,1kHz,的模擬信號,。,若轉換時間為,10,s,，,則轉換速率為,100,千次,/,s,，,信號頻率可提高到,10kHz,。,3.,如何確定是否要加采樣保持器,原則上，采集變化非常緩慢的模擬信,號（例如溫度）時，可不用采樣保持器。,其它模擬信號都要加采樣保持器。,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例,AD7506,單端,16,選,1,多路模擬開關,AD7506,的外引腳圖和原理圖,LF398,采樣保持器,LF198/298/398,是場效應管構成的采樣保持電路，它具有采樣速度快，保持電壓下降速度慢以及精度高等特點。當保持電容為,1,F,時，其下降速度為,5mV/min,，,電壓精度可達,0.01%,。,圖中，當邏輯控制端,IN,（,+,）為,1,時為,采樣狀態(tài)，,此時,S,閉合，輸出跟隨輸入變化；,當,IN,（,+,）為,0,時，呈,保持狀態(tài),，此時,S,打開，輸出保持不變。,LF398,的原理,圖,2-44,16,路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),