多通道数据采集系统的开发_毕业论文(编辑修改稿)

多通道数据采集系统的开发_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

00欧姆 采样/保持电路由于模拟量转换成数字量有一个过程，这个动态模拟信号在转换过程中是不确定的，从而引起转换器输出的不确定性误差，直接影响转换精度。 尤其是在同步测量系统中，几个通道的模拟量均需取同一瞬时值。 如果通过多路开关将各通道的信号按时序分别直接送入A/D转换器进行转换（共享一个A/D），所得到的值就不是同一瞬时值，无法进行比较、判断与计算。 因此，要求输入同一瞬时的模拟量在整个模数转换过程中保持不变，但在转换之后，又要求A/D转换器的输出端能跟踪输入模拟量的变化。 能完成上述任务的器件叫采样/保持电路，简称采/保器（S/H）。 当输入信号为缓慢变化的信号，在A/D转换期间的变化量小于A/D转换器的误差，且不是多通道同步采样时，则可以不用采样/保持电路。 最基本的采样/保持电路由模拟开关、保持电容和缓冲放大器组成，UC模拟开关S的控制信号，CH为保持电容。 当控制信号UC为采样电平时，开关S 导通，模拟信号通过开关S向保持电容CH充电，这时输出电压Uo跟踪输入电压UI的变化。 当控制信号UC为保持电平时，开关S断开，此时输出电压Uo保持模拟开关S断开时的瞬时值。 为使保持阶段CH上的电荷不被负载放掉，在保持电容CH与负载之间需加一个高输入阻抗缓冲放大器A。 采样/保持电路有两种工作状态，即“采样”和“保持”状态，在采样状态中，采样/保持电路的输出跟随模拟输入电压。 一旦发出保持命令，采样/保持电路将保持采样命令撤消时刻的采样值，直到保持命令撤消并再次接到采样命令为止。 此时采样/保持电路的输出重新跟随输入模拟信号的变化，直到下一个保持命令发生时为止。 UOUCCH模拟输入信号驱动信号UISA1. 采样/保持电路的主要参数（1）孔径时间tAp 在采样/保持电路中，由于模拟开关S有一定的动作滞后，保持命令发出后到模拟开关完全断开所需的时间称为孔径时间tAp。 由于孔径时间的存在，采样时间被额外延迟了，在tAp期间输出仍跟随输入变化。 （2）捕捉时间tAC 采样/保持电路的控制信号UC由“保持”电平转为“采样”电平之后，其输出电压Uo将从原保持值过渡到跟随输入信号UI值，这段过渡时间称为捕捉时间tAC。 它包括模拟开关的导通延时时间和建立跟踪的稳定时间，显然，采样周期必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入的模拟信号UI。 （3）保持电压衰减率 在保持状态下，由于保持电容的漏电流会使保持电压发生变化，式23中ID为保持阶段保持电容CH的泄漏电流，它包括缓冲放大器的输入电流、模拟开关断开时的漏电流、电容内部的漏电流等。 增大电容CH可减少这种变化，但捕捉时间tAC也随之增大。 此外，减小ID可减少这种变化。 采用高输入阻抗的运算放大器，选择优质电容如缉、聚四氟乙烯电容作保持电容以及选用漏电流小的模拟开关等措施，可以减少保持电压的变化。 (23)2. 采样/保持器的选择与连接电路采样/保持器的选择，是以速度和精度作为最主要的因素。 因为影响采样/保持器的误差源比较多，所以关键在于误差的分析。 在选择时，一般优先考虑单片集成产品，因为它具有中等性能而价格较低。 所谓价格较低，是指采集时间为4μs时，%的误差带内；采集时间为5μs～25μs时，%。 单片集成/保持器大都需要外接保持电容。 保持电容的质量直接关系到采样/保持器的精度。 一般工作温度范围为0℃~+50℃，并已在25℃时调整偏移误差和增益误差至零，则可对单片集成采样/。 采样/保持器的误差估算误差源性 能误 差采集误差额定采集时间相应的误差%增益误差增益误差温度系数为15106/℃，温度变化为177。 25℃，所以增益误差为1510625%偏移温漂误 差偏移温漂约为30μV/℃，温度变化177。 25℃，所以最大偏移温漂误差为3025=750（μV）。 对于10V满量程输入，误差为750μV/10V%非线性误差一般额定值%降落误差与保持电容质量关系很大，降落率dU/～100μV/μs。 且是温度的函数。 取dU/dt（25℃）=10μV/μs，则+50℃时该值将增为10倍。 假设保持时间10μs，则电压降落为10μV/μs1010μs=1mV，% %介质吸收一般估计%（孔径抖动未计算在内） 总误差（最坏情况） 总静态误差（均方根值）% %常用的集成采样/保持器有AD58AD58AD585以及国家半导体公司的LF198/298/398等。 本设计选用AD582。 AD582是美国Analog Devices公司生产的通用型采样保持器。 它由一个高性能的运算放大器、低漏电阻的模拟开关和一个由结型场效应管集成的放大器组成[5]。 它采用14脚双列直插式封装，其中脚1是同相输入端，脚9是反相输入端，保持电容CH在脚6和脚8之间，脚10和脚5是正负电源，脚11和脚12是逻辑控制端，脚3和脚4接直流调零电位器，脚2,7,13,14为空脚(NC)。 AD582管脚图由于AD582的以下特征，本设计所以选择AD582采样保持器。 （1）有较短的信号捕捉时间，最短达到6μs。 该时间与所选择的保持电容有关，电容值越大，捕捉时间越长，它影响采样频率。 （2）有较高的采样/保持电流比，可达到107。 该值是保持电容器充电电流与保持模式时电容漏电流之间的比值，是保证采样/保持器质量的标志。 （3）在采样和保持模式时有较高的输入阻抗，约30兆欧姆。 （4）输入信号电平可达到电源电压177。 US，可适应于12位的A/D转换器。 （5）具有相互隔开的模拟地、数字地，从而提高了抗干扰能力。 （6）具有差动的逻辑输入端+IN和IN，利用差动的逻辑输入端+IN和IN，可以由任意的逻辑电平控制其开关。 在高压COMS的逻辑电平为0V和+9V时，IN接入+5V后，则0V输入使芯片处于跟踪模式，+9V输入时芯片工作在保持模式下。 （7） AD582可与任何独立的运算放大器连接，以控制增益或频率响应，以及提供反相信号等。 由于AD582的孔径时间tAP=50ns、捕捉时间tAC=6μs，12位的AD574的转换时间tCONV=25μs，则可以计算出系统可采集的最高信号频率如式24所示。 (24)由（24）式可见，使系统可采集的信号频率提高了许多倍，大大改善了系统的采样频率。 因此，在数据采样系统中加入采样/保持器是很有必要的。 但是由采样定理可知，一个有限带宽的模拟信号是可以在某个采样频率下重新恢复而不丧失任何信号的，该采样频率至少应为两倍于最高信号频率。 这意味着带采样/保持器的数据采集系统必须在速率至少为两倍的信号频率下采样、转换，并采集下一个点。 因此，本设计的系统可处理的最高输入信号频率应为式25所示。 (25)AD582是反馈型采样/保持器，保持电容接在运算放大器A2的输入端(脚8)与反相输入端(脚6)之间。 根据“密勒效应”，这样的接法相当与在A2的输入端接有点容C1H=(1+A2) CH (A2为运算放大器A2的放大倍数)。 所以AD582外接较小的电容可获得较高的采样速率。 当精度要求不高(177。 %)而速度要求较高时，可选CH=100PF，这样的捕捉时间tAC6us。 当精度要求较高(177。 %)时，为了减小馈送的影响和减缓保持电压的下降，应取CH=1000PF。 因此，本设计的系统根据对采集精度的要求可以配置不同的CH的。 AD582的连接图 模/数转换电路A/D转换器是数据采集系统的关键器件，选择A/D转换器时，要根据系统采集对象的性质来选择其类型。 1. 系统A/D通道方案的确定 在数据采集中，要采集多个模拟信号，而且采集要求不尽相同。 因此，系统的数据输入通道方案多种多样，应该根据被测对象的具体情况确定[6]。 目前，常见的系统A/D通道方案有以下几种。 （1）不带采样/保持器的A/D通道对于直流或低频信号，通常可以不用采样/保持器，直接用A/D转换器采样。 （2）带采样/保持器的A/D转换通道当模拟输入信号电压最大变化率较大时，A/D通道需要使用采样/保持器。 带采样/保持器的A/D转换通道分为：多路模拟通道共享采样/保持器的通道、多通道共享A/D转换器的通道、多通道并行A/D转换的通道。 多路模拟通道共享采样/保持器的通道是采用分时转换工作方式。 模拟开关在单片机控制下，分时选通各个通道信号，然后把信号送采样/保持器和A/D转换器，经过A/D转换器转换后送单片机处理。 由于各路信号的幅值可能有很大的差异，常在系统中放置放大器，使加到A/D输入端的模拟电压幅值处于FSR/2~FSR范围，以便充分利用A/D转换器的满程分辨率。 多通道共享采样/保持器与A/。 根据本设计的系统被采集信号的数量、特性（类型、带宽、动态范围等）、精度和转换速度的要求、各路模拟信号之间相位差的要求和工作环境要求等实际情况，使之既在系统性能上达到或超过预期的指标，又造价低廉。 所以本设计的系统采用多路模拟通道共享采样/保持器的方案。 模拟多路开关模数转换单片机控 制 逻 辑模拟输入信号放大器采样保持 多通道共享采样/保持器与A/D转换器图如果在某一温度调整转换器的偏移和增益误差为零，则温度改变时，偏移和增益误差就不再是零了。 因此，要对各项误差做出估算。 A/D转换器的各项误差误差源性 能误 差量化误差177。 LSB/2%微分线性度误差177。 LSB/2%微分线性度温漂误差[（2～5）106/℃] 25℃～%偏移温漂误差5106/℃25℃%增益温漂误差[（10～20）106/℃] 25℃%～%电源电压误差1%%长周期变化一般估计%总误差（最坏情况）～%总静态误差（均方根值）～%2. 逐次逼近型12位模/数转换器AD574模数转换电路的作用是把模拟信号转化数字信号。 本系统的模/数转换电路选取逐次逼近型12位模数转换器AD574，并用一片8位D锁存器74LS373构成系统控制寄存器，进行数据采集。 AD574是美国Analog Devices公司生产的一种快速12位逐次比较式A/D变换器，是单通道变换器。 片内具有三态数据锁存器、电压基准和时钟电路。 温度的调节范围为20℃～40℃，十进制分度为200，非线性误差小于177。 (1/2)LSB，一次转换时间为25μs，电源供电为177。 15V(177。 12V)和+5V；AD574具有转换时间快，与单片机接口方便可直接采用双极性模拟信号输入等优点。 有着广泛的应用场合。 （1）结构与引脚 ，AD574由模拟芯片和数字芯片混合组成。 模拟部分由高性能的12位A/D转换器和参考电压组成。 数字部分由控制逻辑、逐次逼近寄存器和三态输出缓冲器构成，控制逻辑发出启/停及复位信号，控制转换过程。 由于芯片内部的比较输入回路，接有可改变量程的电阻和双极型输入偏置电阻，因此，AD574的输入模拟电压量程范围有0V~+10V，0V~+20V，5V~+5V，10V~+10V四种。 AD574的引脚图（2）AD574A的引脚说明： [1]. Pin1(+V)——+5V电源输入端。 [2]. Pin2( )——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。 [3]. Pin3( )——片选端。 [4]. Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。 与 端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。 须注意的是， 端TTL电平不能直接+5V或0V连接。 [5]. Pin5( )——读转换数据控制端。 [6]. Pin6(CE)——使能端。 现在我们来讨论AD574A的CE、12/ 、CS 、R/ 和A0对其工作状态的控制过程。 在CE=CS =0同时满足时，AD574A才会正常工作，在AD574处于工作状态时，当R/=0时A/D转换，当R/=1是进行数据读出。 12/ 和A0端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。 A0=0时，启动的是按完整12位数据方式进行的。 当A0=1时，按8位A/D转换方式进行。 当R/ =1，也即当AD574A处于数据状态时，A0和12/ 控制数据输出状态的格式。 当12/ =1时，数据以12位并行输出，当12/ =0时，数据以8位分两次输出。 而当A0=0时，输出转换数据的高8位，A0=1时输出A/D转换数据的低4位，这四位占一个字节的高半字节，低半字节补零。 其控制逻辑真值表见表1。 [7]. Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。 [8]. Pin8(REF OUT)——10V基准电源电压输出端。 [9]. Pin9(AGND)——模拟地端。 [10]. Pin10(REF IN)——基准电源电压输入端。 [11]. Pin(V)——负电源输入端，输入15V电源。 [12]. Pin1(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。 [13]. Pin13(10V IN)——10V量程模拟电压输入端。 [14]. Pin14(20V IN)——20V量程模拟电压输入端。 [15]. Pin15(DGND)——数字地端。 [16]. Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12条数据总线。 通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。 [17]. Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。 AD574A的工作模式：以上我们所述的是AD574A的全控状态，如果需AD574A工作于单一模式，只需将CE、12/ 端接至+5。