10数据采集系统的结构形式

5.数据采集系统的结构形式

常见的数据采集系统主要有以下几种结构形式。

⑴每个通道具有独立的S/H和A/D的采集系统。

图3-13 单通道独立S/H和A/D型

这种系统的结构形式如图3-13所示，图中，S/H为采样保持电路，A/D为模数转换电路，I/O为输入-输出接口电路。由图可见，每个S/H、A/D和I/O组成一个信号采集通道。也就是说，每个通道具有独立的S/H和A/D。

图3-13所示的数据采集系统，采集信号的速度快，主要用于高速数据采集和同步性要求较高的场合。该系统采集后各通道数据是完整的，有利于分析各个通道信号的相关关系。

这种类型数据采集系统的缺点是成本高。

⑵多通道分时共享S/H和A/D的采集系统

这种系统的电路结构如图3-14所示，图中，MUX为多路模拟开关。由图可见，在这种采集系统中，只有一个采样-保持电路和模数转换电路，采取分时共享的方法，实现多通道采集。各通道的采集和转换时间，取决于模拟开关和A/D转换器的工作时间。由于采集的信号是通过模拟多路开关轮流切换送入S/H和A/D电路，所以被测信号是断续的，对实时测量会引起误差。

这种电路结构适合于缓慢信号的测量，也可通过加置多路模拟开关（MUX），来扩展通道数。另外，这种电路结构简单，使用的芯片数少。

图3-14多通道分时共享S/H和A/D型

⑶多通道共享A/D的数据采集系统

图3-15 多通道共享A/D型

图3-15是多通道共享A/D的数据采集系统。这个系统的特点是每个通道具有独立的采样-保存电路，但A/D电路是共享的。根据这一特点可知，这种系统的各通道可以实现同时采样，所以这种系统又叫做同步数据采集系统。系统中的各个通道受同一个信号控制，能保证各通道在同一时刻采样。但是，这种系统不能实现同时转换，而是只能分时共享。

⑷主计算机管理的各通道可以独立工作的采集系统

图3-16是这种系统的结构示意图。由图可知，系统各通道都有S/H和A/D电路，都有单片机和采样前的必要的预处理系统，因此各个通道的独立性很强。各通道可按各自的要求，独立进行测试。

近年来，采样厚膜技术制作的多功能数据采集模块，把数据采集系统的各部分都集成在一个模块里，并可与微机兼容。在此基础上发展起来的插卡式数据采集系统功能强大，使用灵活，受到了广泛应用。这种插卡式数据采集系统，可以插入计算机方便地构成各种采集系统。

图3-16 主计算机管理的各通道可以独立各种的采集系统

3.1.2 数/模转换（D/A）

前面讨论了模数转换，下面讨论一下数模转换。所谓数模转换，就是把数字信号转换成模拟信号。我们知道，计算机输出的是数字信号，但在应用中常常需要把数字信号转换成模拟信号，所以数模转换在测试技术中，也是一个重要的环节。

大家知道，数字量是用代码按数位组合起来的，对于有权码，每位代码都有一定的权。

为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其权的大小，转换成相应的模拟量，然后将代表各位代码的模拟量相加，所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了数字量到模拟量的转换。

1.权电阻网络D/A 转换器

所谓权电阻网络就是说，这些组成网络的电阻，其值与二进制数码的权相联系。

⑴权电阻网络D/A 转换器的工作原理

图3-17是4位权电阻网络D/A 转换器原理图。由图可以看出，这种转换器由权电阻网络、4个模拟开关和一个求和放大器组成。

0123S S S S 和、、是四个电子开关，它们的状态分别受输入代码0123d d d d 和、、的取

值控制：代码为1时，开关接到参考电压REF V 上；代码为0时，开关接地。故1=i d 时，有支路电流i I 流向求和放大器；0=i d 时，支路电流为0（3210，，，=i ）.

求和放大器是一个接成负反馈的运算放大器。所谓负反馈，就是放大器的输出连接到了反向输入端。在一般情况下，运算放大器可近似地看成理想放大器，即两个输入端的电压相等，输入电流为零。但是当电路的参考电压经电阻网络加到-V 端时，放大器两个输入端的电压就会不相等。只要-V 稍高于+V ，便在0U 产生很负的输出电压。0U 经F R 反馈到-V 端，使-V 降低，其结果必然使+-≈V V 。因为+V 端接地，所以+V =0，故0=≈+-V V 。

图3-17 权电阻网络D/A 转换器

在运算放大器输入电压为零（即：0=≈+-V V ）的条件下可以得到

)(01230I I I I R i R U F F +++-=-= (3-5)

由于0≈-V ,因而各支路电流分别为

33d R

V I REF = （00,13333===

=I d R

V I d REF 时，时，）

3012

122222d R

V I d R V I d R V I REF REF REF =

== 将它们代入式（3-5），并取2/R R F =,则得到

)2222(2

01122334

0d d d d V U REF +++-= （3-6）

对于n 位的权电阻网络D/A 转换器，当反馈电阻取2/R 时，输出电压的计算公式可写成

n n

REF n n n n n

REF D V d d d d V U 2

)222

2

(2

0112

21

10-

=++++-

=---- （3-7）

上式表明，输出的模拟电压正比于输入的数字量n D ,从而实现了从数字量到模拟量的转换。从式（3-7）还可以看出：在REF V 为正电压时，输出电压0U 始终为负值；要想得到正的输出电压，可将REF V 取为负值。

⑵权电阻网络D/A 转换器的优缺点

这个电路的优点是:结构比较简单，所用电阻元件较少。其缺点是：各个电阻的阻值相差较大，在输入信号的位数较多时，这个问题就更加突出。例如，当输入信号增加到8位

时，如果取权电阻网络中最小电阻为Ω=k R 10,那么最大的电阻将达到Ω=M R 28.127

,

两者相差128倍之多，这对制作集成电路极为不便。

2.双极权电阻网络D/A 转换器 为了克服权电阻网络存在的缺点，人们研究出了一种双极权电阻网络D/A 转换器，解决了输入数字量的位数较多时存在的问题。图3-18是双极权电阻网络D/A 转换器的原理图。

图3-18 双极权电阻网络D/A 转换器

由图我们可以看出：在双极权电阻网络中，每一级仍然只有四个电阻，四个电阻之间的阻值比还是1:2:4:8。可以证明，只要取两级间的串联电阻等于8R ，即可得到 n REF REF D V d d d d d V U 8

0115566778

02

)22222(2

-

=+++++-

= （3-8）

可见，所得结果与式（3-7）相同。电阻的最大值与最小值仍为8倍。