【文章內(nèi)容簡介】 模擬輸人通道可分為集中采集式（簡稱集中式）和分散采集式（簡稱分布式）兩大類型。 其中， 集中采集式多路模擬輸人通道的典型結(jié)構(gòu)有分時采集型和同步采集型兩種 ； 分散采集式傳感器 模擬信號調(diào)理 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 微機(jī)系統(tǒng) 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 7 頁 共 54 頁 的特點是每一路信號一般都有一個 S/H 和 A/D，因而也不再需要模擬多路切換器MUX。每一個 S/H 和 A/D 只對本路模擬信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換即數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或隨機(jī)地輸人計算機(jī)，根據(jù)采集系統(tǒng)中計算機(jī)控制結(jié)構(gòu)的差 異可以分為單機(jī)采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)式采集系統(tǒng) 。 ２．１．３ 信號分析與處理 信號分析是信號調(diào)理的基礎(chǔ)，分析的目標(biāo)通常有信號的概率密度、相關(guān)性、頻譜等，分析的目的就是要提取或利用信號的特征。信號是信息的載體，信號特征本質(zhì)上往往體現(xiàn)出信號源的特征。這種特征可以從各個方面域表現(xiàn)出來，因此分析也可以從各個方面 (域 )去進(jìn)行。不同域的特征之間通常是有對應(yīng)關(guān)系的。但某種信號在某個域能更清晰地體現(xiàn)自己的特征，比如在很多情況下，信號的頻域表示比它的時域表示更簡單明了，容易解釋和表征。便于特征分析、參數(shù)識別、數(shù)據(jù)壓縮、信號合成等。 譜是指信號的某些特征隨頻率的分布，如幅度譜、相位譜、能量功率譜等。對譜的研究，有些是為了研究信號本身，比如通信中研究信號譜以便讓信號更好地匹配通信信道的特性；也有些只是借助譜去研究其他的東西，比如通過譜去研究信源，通過輸入輸出譜的對照去研究系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，從而研究系統(tǒng)特征。不管出于什么樣的目的，譜分析目前在工程領(lǐng)域中已經(jīng)成為不可缺少的一項技術(shù)手段。 數(shù)字譜分析的對象是表征物理量現(xiàn)象的各種信號。不同類型的信號其譜的定義和計算方法也不同。對于工程實際中用的物理信號，可以從不同的角度進(jìn)行分類。 1．確定性信號和隨 機(jī)信號； 2．能量信號和功率信號； 3．周期信號和非周期性信號； 4．連續(xù)時間信號和離散時間信號。 確定信號是自變量的確定函數(shù)。對于自變量的每一個值，可以通過數(shù)字關(guān)系式或圖表對照唯一地確定其信號值。比如正旋信號、指數(shù)信號、衛(wèi)星軌跡信號、電容充放電的電壓信號等。都是確定信號。另一類信號，比如白噪聲、語聲信號、圖象信號、信道中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號等屬于隨機(jī)信號。它們無法用數(shù)字或圖表的關(guān)系來描述，無法準(zhǔn)確預(yù)測。它們在常規(guī)意義上是最無規(guī)律的但是在統(tǒng)計意義上還是有服從一定規(guī)律的。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 共 54 頁 能量有限的信號稱為能量信號，它滿足： ? ? 2E x t dt????? ? ?? （ ） 能量信號可以是有限長的，也可以是無限長的，比如指數(shù)衰減信號。如果信號能量無限大，比如確定性的周期信號、階躍信號以及隨機(jī)信號等，就不能從能量，應(yīng)該從功率方面去研究這類信號叫功率信號，它們必須滿足： ? ? 21p li m 2 TTT x t dtT ???? ? ?? （ ） 能量信號可以分析其幅度譜、相位譜和能量譜。確定性的功率信號可以分析其幅度譜、相位譜和功率譜。隨機(jī)信號是非周期、不確定的功率信號 ，不能分析其頻譜和能量譜，只能分析其功率譜。 為了把變動的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，首先要對模擬信號采樣，得到一系列在時域上是離散的樣值。樣值從幅值上看仍然是模擬量。然后把樣值用振幅域離散的值來近似，這就是量化。經(jīng)過量化的樣值就可以進(jìn)行編碼，變換為數(shù)字信號了。因此，采樣，量化和編碼是模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的基礎(chǔ)。 ２．２ 信號調(diào)理電路 ２．２．１ 信號調(diào)理電路概述及其設(shè)計原則 送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各種待轉(zhuǎn)換物理參數(shù)如溫度、壓力、位移、流量等都是模擬量。首先要把這些模擬量轉(zhuǎn)換成電信號，才能由電路實現(xiàn)進(jìn)一步的處理。 把各種物理量轉(zhuǎn)換成電信號的器件稱為傳感器。傳感器給出的電信號往往遠(yuǎn)不是所需要的理想狀態(tài)，這就需要對信號加以調(diào)理。 一般的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為模擬信號調(diào)理部分和數(shù)字部分。其中模擬部分完成輸入阻抗變換、根據(jù)信號大小進(jìn)行增益調(diào)節(jié)及抗混疊濾波等，因此模擬信號調(diào)理電路在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中具有重要的作用。采樣頻率的高低、對環(huán)境噪聲的抑制能力、自身對有用信號的干擾和采樣精度等都是模擬信號調(diào)理電路中必須要考慮的問題。特別是對信號幅度微弱、干擾和噪聲幅度大、精度要求高、動態(tài)范圍大、數(shù)據(jù)的時實性要求高的情況。對模擬信號的調(diào)理提出了更高 的要求。 信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（ Signal Conditioning ），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 9 頁 共 54 頁 圖 典型調(diào)理電路 的基本組成 在選擇確定模塊總體設(shè)計方案時，應(yīng)遵循以下設(shè)計原則： 1．確保性能指標(biāo)的完全實現(xiàn) 系統(tǒng)設(shè)計的根本依據(jù)是所要達(dá)到的性能指標(biāo)。它必須首先得到保證，如輸入阻抗、模擬通道的帶寬、采 樣率、系統(tǒng)分辨率及系統(tǒng)精度等。 2．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理選擇 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理與否，對系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性有直接影響。 3．安全可靠 有足夠的抗干擾能力，要保證在規(guī)定的工作環(huán)境下，系統(tǒng)能穩(wěn)定，可靠地工作。保證系統(tǒng)精度能符合要求，同時也要保證系統(tǒng)應(yīng)用人員的人身安全。 4．經(jīng)濟(jì)性原則 在遵循以上設(shè)計原則的條件下，在器件選擇上盡量以完成相同的功能的基礎(chǔ)上選擇那些價格相對來說比較低～些的器件為標(biāo)準(zhǔn)，這樣可以有效地降低生產(chǎn)成本，為產(chǎn)品進(jìn)入市場打下良好的基礎(chǔ)。 ２．２．２ 信號調(diào)理電路中的關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn) 1．輸入阻抗 (Impedance matching)的設(shè)計 阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵源內(nèi)部阻抗互相適配，得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。在高速數(shù)據(jù)采集的信號調(diào)理過程中，常用的輸入阻抗設(shè)計需要考慮兩個因素，一是較高的輸入阻抗，對微弱的輸入信號不會帶來波動的影響，但是在被測信號源頻率較高時，會帶來嚴(yán)重的信號反射，破壞信號的完整性。二是較低的輸入阻抗，可以與被測信號源的內(nèi)部阻抗進(jìn)行匹配，達(dá)到最大功率的輸出狀態(tài)，但是這種輸入阻抗會對較微弱的信號帶來破壞性。所以本設(shè)計的輸入阻抗需要考慮被測信號的能量及頻率因素。 2．合理的增益控制電路 的設(shè)計 前端信號調(diào)理電路的目的一般有兩個，一是對大信號的測量能力，通過對幅度較大信號的程控衰減，使其滿足 ADC 的輸入量程，來達(dá)到有效的對大信號進(jìn)行測量的目的。二是對小信號的測量能力，通過對小信號的程控放大，達(dá)到精確測量小信號的目的。通過對信號有效的放大和衰減電路，來保證整個信號調(diào)理部分足夠的動態(tài)范圍。 3． ADC 前端緩沖及電壓變換的設(shè)計 高速 ADC 模擬輸入通道，為了降低共模干擾，一般采用差動電壓輸入模式，所以在進(jìn)入 ADC 模擬通道前，需要一級單傳感器 前置放大 低通 陷波 高通 采集電路 中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 54 頁 端變差分的電壓形式變換。另外大多數(shù)高速 ADC 對被測源輸入阻抗有較高 的要求，所以需要加一級緩沖電路。 ２．３ ADC 及外圍電路 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是數(shù)字系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于各種學(xué)科領(lǐng)域及日常生活，微型計算機(jī)就是一個典型的數(shù)學(xué)系統(tǒng)。但是數(shù)字系統(tǒng)只能對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理，其輸出信號也是數(shù)字信號。而在工業(yè)檢測控制和生活中的許多物理量都是連續(xù)變化的模擬量，如溫度、壓力、流量、速度等。這些模擬量可以通過傳感器或換能器變成與之對應(yīng)的電壓、電流或頻率等電形式模擬量。為了實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)對這些電模擬量進(jìn)行檢測、運(yùn)算和控制，就需要一個模擬量與數(shù)字量之間的相互轉(zhuǎn)換的過程。即常常需要將 模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，簡稱為 AD 轉(zhuǎn)換，完成這種轉(zhuǎn)換的電路稱為模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (Analog to Digital Converter)，簡稱 ADC。 ２．３．１ 常用 ADC 的類型及其主要特征參數(shù) 現(xiàn)實世界的模擬信號，例如溫度、壓力、聲音或者圖像等，需要轉(zhuǎn)換成更容易儲存、處理和發(fā)射的數(shù)字形式。模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)這個功能，在各種不同的產(chǎn)品中都可以找到它的身影。傳統(tǒng)方式的 ADC，例如逐次逼近型、積分型、壓頻變換型等，主要應(yīng)用于中速或較低速、中等精度的數(shù)據(jù)采集和智能儀器中。在全并行基礎(chǔ)上發(fā)展起來的分級型和流水線型 ADC， 主要應(yīng)用于高速情況下的瞬態(tài)信號處理、快速波形存儲與記錄、高速數(shù)據(jù)采集、視頻信號量化及高速數(shù)字通訊技術(shù)等領(lǐng)域。此外，采用脈動型和折疊型等結(jié)構(gòu)的高速 ADC，可應(yīng)用于廣播衛(wèi)星中的基帶解調(diào)等方面。這些高速 ADC 今后的發(fā)展方向是在現(xiàn)有高速基礎(chǔ)上盡可能提高其分辨率，以滿足兼顧高速、高精度的發(fā)展方向。 20 世紀(jì) 90 年代以來獲得很大發(fā)展的∑ △型 ADC 利用高抽樣率和數(shù)字信號處理技術(shù)，將抽樣，量化、數(shù)字信號處理融為了一體，從而獲得了高精度的 ADC，目前可達(dá) 24 位，主要應(yīng)用于高精度數(shù)據(jù)采集特別是數(shù)字音響系統(tǒng)、多媒體、地震勘探儀器 、聲納等電子測量領(lǐng)域。 在 ADC 器件的選擇過程中主要需要考慮以下特征參數(shù)： 1．分辨率 它相應(yīng)于最低二進(jìn)制 (LSB)的模擬量。它規(guī)定了 ADC 轉(zhuǎn)換器能夠區(qū)分的模擬量的最小變化值。因為能夠滿足分辨率的模擬量的值取決于二進(jìn)制數(shù)，所以通常采用位數(shù)表示分辨率，比如： 4 位、 8 位、 12 位等； 2．量化誤差 (Quantizing Error) 由于 ADC 的有限分辨率而引起的誤差，即有中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 共 54 頁 限分辨率 ACD的階梯狀轉(zhuǎn)移特性曲線與無限分辨率 ADC(理想 ADC)的轉(zhuǎn)移特性曲線 (直線 )之間的最大偏差。通常是 1 個或半個最小數(shù)字量的模擬變化 量，表示為lLSB、 1/2LSB； 3．精度 除了量化誤差，還有其他的因素，非線性引起的誤差。在手冊中，對這種附加誤差的總和，成為不可調(diào)誤差，實際上就是 ADC 轉(zhuǎn)換器調(diào)整到最精確的時候還存在的誤差。精度指的是量化誤差與附加誤差之和； 4．轉(zhuǎn)換速率 (Conversion Rate) 是指完成一次從模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字的 ADC 轉(zhuǎn)換所需的時間的倒數(shù)。積分型 ADC 的轉(zhuǎn)換時間是毫秒級屬低速 ADC，逐次比較型ADC 是微秒級屬中速 ADC，全并行 /串并行型 ADC 可達(dá)到納秒級。采樣時問則是另外一個概念，是指兩次轉(zhuǎn)換的間隔。為了保證轉(zhuǎn) 換的正確完成，采樣速率 (Sample Rate)必須小于或等于轉(zhuǎn)換速率。因此有人習(xí)慣上將轉(zhuǎn)換速率在數(shù)值上等同于采樣速率也是可以接受的。常用單位是 Ksps 和 Msps，表示每秒采樣千 /百萬次 (kilo/Million Samples per Second)。 除了上述主要技術(shù)參數(shù)外，在選購 ADC 芯片時，還要考慮貨源、價格等方面的因素。 ２．３．２ 常用 ADC 的應(yīng)用實現(xiàn) ADC 主要的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，廣泛應(yīng)用于多媒體、通訊、自動化、儀器儀表等領(lǐng)域。對不同的領(lǐng)域有不同的要求，例如轉(zhuǎn)換速率、精度、接口、電源、通道、內(nèi) 部配置的要求等，每一類 ADC 都有相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計方法；同時，用戶不僅要考慮到 ADC 本身的工藝和電路結(jié)構(gòu)，而且還應(yīng)考慮到 ADC 的外圍電路，如相應(yīng)的信號調(diào)理電路等模擬電路的設(shè)計。 低速率高精度 ADC 的方案實現(xiàn)： 低速率高精度 ADC 最常用的即∑ △型。由于其極高的精度和防噪性能非常適合直接連接多種傳感器，且廣泛應(yīng)用于壓力、應(yīng)力測量，工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)視及醫(yī)療電子領(lǐng)域。 但是由于其極高的精度，使得模擬量噪聲，對此類系統(tǒng)影響很大。此類 ADC共同特點是有一個片上數(shù)字低通濾波器，該濾波器對內(nèi)部調(diào)節(jié)器取樣率具有極好的抑制作用。在內(nèi)部 調(diào)節(jié)器取樣率倍頻處，令人討厭的輸入擾動幾乎沒有衰減就折回到 DC 部分 (即混疊 )。∑ △轉(zhuǎn)換器以輸出速度的倍數(shù)對輸入取樣，這個倍數(shù)通常稱中北大學(xué) 2021 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 54 頁 為過取樣比 (OSR)。由于 OSR 通常很大 (≥ 64)，因此數(shù)字濾波器可以對輸入噪聲源提供極好的抑制作用，并簡化抗混疊要求。 由于其廣泛的應(yīng)用空間，各大半導(dǎo)體公司均有種類繁多的∑ △型 ADC。例如Linear 公司的 LTC24XX 系列， TI 公司的 ADSl2XX 系列， Analog Device 公司的AD77XX 系列、 Entail 公司的 H171XX 系列及 Microchip 公司的 MCP35XX 系列等。雖然種類繁多，不過他們的應(yīng)用方法基本一致，其內(nèi)部均包含∑ △調(diào)制器、數(shù)字濾波及易用的串行接口。 單 ADC 芯片實現(xiàn)多路數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方案： 在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往需要對多通道模擬信號進(jìn)行采集與處理。且此系統(tǒng)并不需要太高的處理速度及實時性，例如電力監(jiān)控、工業(yè)過程監(jiān)控等。此類系統(tǒng)多以時間為橫坐標(biāo)，以記錄形式來保存多通道的測量結(jié)果。在很多應(yīng)用場合，需求 16 通道甚至 3 64 通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、記錄。這時，如果每通道利用一片 ADC的話，整個系統(tǒng)就很難控制。并且從成本的角度來說，也是不可接受的。這時候，我們 可以利用多路模擬信號配合單個 ADC，用合適的模擬開關(guān)，來完成預(yù)期的任務(wù)。 多路模擬通道單 ADC 任務(wù)形式大致分為兩種，一種為 ADC 芯片內(nèi)集成多路模擬開關(guān)，典型的芯片如 Analog Device 公司的 AD790 AD7829， Linear 公司的LTCl8X