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图2-1-13 采集电路的基本组成 2-1-4 、采集电路的参数设计和选择 采集电路是实现模拟信号数字化的电路,A/D转换器是采集电路的核心。一般A/D前都设置模拟多路切换器MUX,以便从多路模拟信号中选一路进行A/D转换。若模拟信号为恒定或变化缓慢的信号,则可直接进行A/D转换,如图2-1-13(a)所示。 如果被测模拟信号为动态信号,必须在MUX与A/D之间设置采样保持器S/H,如图2-1-13(b)所示。S/H在MUX的闭合期间采样,A/D在S/H保持期间进行A/D转换。如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大,必须在S/H与MUX之间设置程控增益放大器PGA或瞬时浮点放大器作为主放大器,如图2-1-13(c)所示。 (1) 分辨率 ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量 用ADC输出数字量的位数n表示,代表ADC有2n个可能状态,可分辨出满量程值的1/2n 的输入变化量。此输入变化量称为1LSB(即一个量子Q) 最低有效位 一、A/D转换器的选择要点 (2) 转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。其倒数称为转换速率。 与实现转换所采用的电路技术有关 与位数有关 采集系统转换时间还与接口模式有关 (3) 精度与误差 绝对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。 相对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比,用%表示 。绝对误差/满量程值之比。 偏移误差(又称为偏移电压) 定义:为使ADC的输出最低位为1,施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值之差。 在一定环境温度条件下,偏移电压是可以调零的。在ADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数,单位为10-6/℃,其值约在几到几十范围内 增益误差(满量程误差) 指ADC输出达到满量程时,实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值,以模拟输入满量程的百分数表示。可调,受温度影响。 线性度误差 积分线性度误差和微分线性度误差两种。 2.A/D转换器的选择 选择A/D转换器时需要考虑 A/D转换器的位数 A/D转换的速度 A/D转换器工作的环境(温度、功耗、可靠性) A/D转换的输出(串行、并行),与选用的计算机和系统的整体设计有关。 1.A/D转换器位数的确定 设:模拟输入电压的最大值:Vimax 模拟输入电压的最小值: Vimin 前置放大器的增益:kg m位A/D转换器的满量程:E 能转换的最小模拟量: 小信号不被量化噪声淹没 大信号不使A/D转换器溢出 由前面两式可得: 上式两边取对数: 整理,得: 测量范围要求 也可以根据数据采集系统的误差要求来确定A/D转换器的位数,通常A/D转换器的精度应是系统的十倍左右。 A/D转换器的误差为: 如果系统要求的精度是:δ A/D转换位数m的最终确定 (测量范围要求) (测量精度要求) 且 2.A/D转换速度的确定 不同原理的A/D转换器的A/D转换时间是不一样的,积分型、电荷平衡型和跟踪比较型的A/D转换器较慢,逐次比较型较快。 A/D的转换周期由两部分组成,转换时间tc和恢复时间to,即: tC――A/D转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量所需要的时间 t0――A/D转换器从转换结束到下一次再启动转换所需要的时间。 若一个采样周期内,要完成N路模拟信号的采样,则: N――A/D转换器在一个采样周期TS内依次转换的子样个数即采集的信号路数。 设待转换的模拟信号的最高频率为: 则滤波器的截止频率: 由上式可知对信号频率较高的高频数据采集系统,应采取以下措施(提高转换速度的措施) : (TA/D一定,提高fmax) ①减少通道数,最好用分散采集方式N=1; ②减少截频系数C,增大去混淆低通滤波器陡度; ③选用转换时间短的A/D芯片 ④选用直接读取存储器的技术(DMA),以大大缩短休止时间t0 3、根据环境选择A/D:温度、功耗、可靠性等; 4、选择A/D转换的输出状态: 并行、串行输出,二进制、BCD码输出,时钟等 A/D转换芯片的类型: 积分型 逐次比较 (逼近)型: 比较型和积分型 电压-频率转换型: 速度快,抗干扰能力弱。 双积分型(即电压-时间转换式):抗干扰能力强,价低 速度慢,价低 分辨率高但速度较慢。 ?-?转换型: 比较器和计数逻辑器件完成转换,AD574 1位DAC、滤波和附加采样来实现精
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