4.3 数据采集系统设计

1 10 7 50 0.35V
9
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： U C I D
t CH
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。
30 M
% ∴ εmux 0 .0013
（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%。
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：
( MUX ) 2 ( AMP ) 2 ( SH ) 2 ( ADC ) 2
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
∴ ε ADC 0.35%
（4）数据采集系统总误差

( MUX AMP SH ADC )
0.0013 0 0.01% 0.35% % 0.3613 0.5% %
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。
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 ADC (2 ~ 3)LSB 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。
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：
§4.3 数据采集系统设计
课本 197-207页
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
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：
• 原理图见课本200页。 • 工作过程见课本 199－200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。
TH
每通道的吞吐率为：
f TH
1 N tTH
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：
绝对值和方式综合误差的表达式：
( MUX AMP SH ADC )
式中：
MUX 多 路 模 拟 开 关 的 误 差 AMP 放 大 器 的 误 差 SH 采 样 保 持 器 的 误 差 ADC A/D转 换 器 的 误 差
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%
（3）AD574控制状态表
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
0.05 10 15 10 7.5 10 V
9 9
可以忽略不计
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= 400 100% 0.0013%
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
(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。
tTH tON toff t AC t AP ts tc tout
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 Nt ，
(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
模拟信号输人范围； 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；
4、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。拟采用多路分时输入分时采集结构，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