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数据采集接口

数据采集接口. 计算机对温度、压力、位移、流量、光亮度、速度等模拟量进行分析前，需要一个接口电路把模拟物理量转变数字序列，或将计算机产生的数字序列变换成物理装置可以接受的模拟量. 数据采集系统框图. 数据采集系统说明. 多路模拟开关 (MUX) ：多个模拟输入通道通过 MUX 分时使用 A/D 变换器 多路模拟开关 MUX 有 N 个通道选择端， 2 N 个模拟输入端 可编程放大器 (PGA) ：多路模拟通道之间电压范围可能有较大差异，因此各通道采用不同的放大倍数 采样 / 保持：在一次 A/D 转换时间内，保持输入端电压不变， 减小 A/D 转换的输出误差.

jariah
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数据采集接口

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Presentation Transcript

  1. 数据采集接口 • 计算机对温度、压力、位移、流量、光亮度、速度等模拟量进行分析前，需要一个接口电路把模拟物理量转变数字序列，或将计算机产生的数字序列变换成物理装置可以接受的模拟量

  2. 数据采集系统框图

  3. 数据采集系统说明 • 多路模拟开关(MUX)：多个模拟输入通道通过MUX分时使用A/D变换器 • 多路模拟开关MUX有N个通道选择端，2N个模拟输入端 • 可编程放大器(PGA)：多路模拟通道之间电压范围可能有较大差异，因此各通道采用不同的放大倍数 • 采样/保持：在一次A/D转换时间内，保持输入端电压不变， 减小A/D转换的输出误差

  4. 数据采集系统说明 • A/D转换器：是数据采集系统的前向通道(模拟至数字转换通道)的核心 • N位A/D的分辨层次是2N，每级电压是LSB=ΔV/2N • 系统的采集频率：A/D转换时间tAD和采/保跟踪时间th之和决定系统的采集频率fs • D/A转换器是后向通道(数字至模拟转换通道)的核心，决定后向通道的速度与精度

  5. 数据采集系统说明 • 模拟放大与平滑 • D/A输出模拟值进行放大，满足目标要求 • 阻抗匹配，由高阻抗输入低阻抗输出的运放电路提供输出缓冲 • 提供低通滤波，将D/A输出的阶梯波形变 成平滑波形 • 数据缓冲与接口电路 • A/D转换结果由接口控制传入内存 • 内存中的数字序列通过接口传送给D/A • 定时与控制逻辑

  6. 时序图

  7. 时序说明 • (1)开始MUX开关切换 • (2)开始PGA放大倍数切换 • (3)开始采样/保持 • (4)开始A/D转换 • (5)A/D转换完成

  8. 数据传送方法 • I/O方式 • 查询方式 • 中断方式 • DMA方式 • 存储器方式 • 数据缓存：高速采集一组数据后，再成组向主机传送 • 乒乓缓存 • 采用内存直接映像方法

  9. 采样/保持电路 • 任何A/D转换器都要时间来完成量化及编码，转换时，如果模拟量变化，将直接影响转换精度 • 特别在同步系统中，几个量均要取同一瞬时的值,就要采样/保持器，简称S/H

  10. 采样/保持电路

  11. 采样/保持器的作用 • 保持模拟信号稳定以便能够完成A/D转换 • 在测量中同时对多路模拟输入量采样 • 消除D/A转换器的输出瞬变，如限制输出电压的尖峰 • 把一个D/A变换器输出分配到电压必须保持恒定的几个点,使这些点上的电压保持恒定不变

  12. 采样/保持器的主要参数 • 采集时间(捕捉时间)：当置于采样方式时，输出跟踪输入需要的时间。采集时间T是指从采样开始到输出稳定之间的时间 • 转换速率：指输出变化的最大速率，以V/s为单位 • 孔径时间：当采样保持器从采样转入保持时，采样开关完全断开所需的时间，即进入保持控制后，实际的保持点会滞后真正要求保持点一段时间，一般是纳秒级

  13. 孔径时间示意图

  14. 下跌率(衰减率) • 在进入保持阶段后,输出不会绝对不变而会有一个小的下跌，以mV/s表示 • 这是由于开关的漏电流及保持电容的其它泄漏通路造成的 • 在选择保持电容的容量时,要折衷地考虑采集时间和下跌率

  15. 常用的采样/保持器芯片 • 采样/保持器分为单片型、混合型和模块型 • LF398的CH=0.001μF时，采样精度为0.1%的采集时间为4μs • 当CH=0.01μF时，同样精度的采集时间为20μs • 在转换时间较长且精度高的系统中应该用较大电容 • 当然较大电容带来的是采样时间加长 • 这对矛盾应该根据精度和A/D转换时间折中选取

  16. 数据采集系统简化框图

  17. 数据采集过程 • 预采样滤波器为满足采样定理的要求而滤除高频干扰 • 采样器按预定的时间间隔将模拟信号离散化，再把离散子样进行量化与编码变成数字信号 • 计算机对数字进行处理 • 处理结果由数模转换器转换成模拟量 • 经平滑滤波器送到外界系统

  18. 模拟信号的数字化过程

  19. A/D转换原理 • A/D分类：计数式A/D转换，逐次逼近转换，双积分式A/D转换，并行A/D转换，串/并行A/D转换等 • 计数式A/D转换线路比较简单，但转换速率比较慢 • 双积分式A/D转换精度高 • 并行A/D转换、串/并行A/D转换速度快 • 逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，又具有一定的精度

  20. 逐次逼近型A/D的原理

  21. 逐次逼近A/D的原理 • A/D转换时，先将最高位置1，即取最大电压的1/2与输入电压比较，如果输入小于1/2，最高位置0，否则最高位就是1 • 次高位再置1，即在1/2范围中再作对半搜索 • 以此决定次高位的值，依次类推 • 逐次逼近法也称为二分搜索法或对半搜索法

  22. A/D转换器的主要参数 • 1、分辨率 • 它相应于最低二进位 (LSB)的模拟量值，图中为0.625V • 通常用位数表示分辨率，如4位、8位、12位等 • 4位A/D的满度电压为9.375V • 则LSB=9.375/(24-1)=0.625V

  23. 4位A/D的理想转换特性

  24. 2、量化误差 • 对一定范围连续变化的模拟量只能反映成同一个数字量，因此有误差 • 从6.875-1/2×(0.625)至6.875+1/2×(0.625)范围内，所反映的数字量都是1011 • 所以存在±1/2LSB的量化误差 • 这个误差是量化过程不可避免的

  25. 3、精度 • 除了量化误差，还有其他因素如非线性引起的误差 • 精度指量化误差和附加误差之和 • 附加误差的总和，称总不可调误差 • 实际上就是A/D调整到最精确情况下还存在的附加误差 • 4、转换时间 • 从发出启动转换命令到转换结束获得整个数字信号为止所需的时间间隔

  26. A/D精度定义说明

  27. A/D转换器的外部特性 • 1.转换启动线(输入) • 信号有效，A/D开始转换,有边沿与电平之分 • 2.转换结束线(输出) • 转换完毕后A/D发出的一种状态信号 • 3.模拟信号输入线 • 有单通道输入与多通道输入之分 • 4.数字信号输出线 • 数据线的根数表示A/D转换器的分辨率，一般有锁存器，数据形式有二进制或BCD码 • 有的A/D转换器还有时钟输入线和模拟输入通道选择线

  28. AD574功能概述 • 是逐次逼近型12位A/D转换器，可作8位用 • 转换时间为15~35μs • 12位数据时，可一次读出，也可两次读出，即先读出高8位,后读出低4位 • AD574内部自动提供基准电压 • 具有三态输出缓冲器

  29. AD574引脚功能

  30. AD574引脚功能 • 12/8：输出数据选择，高电平时，12位；低电平时，两个8位字输出 • A0：A0为高时，启动A/D进行12位转换，A0为低时，启动A/D进行8位转换 • /CS：片选信号 • R/C：读/转换选择,当为高电平时，可将转换后的数据读出，当为低电平时，启动A/D选择 • CE：芯片允许信号，只有当它为高时，并且/CS=0时R/C信号的控制才起作用

  31. AD574引脚功能 • REFOUT：+10V参考输出，有1.5mA负载能力 • REFIN：参考电压输入 • BIPOFF：双极性偏移，当单极性或双极性输入时，该端加相应的偏移电压，作零点调整 • 10VIN：单极性输入0~10V，双极性输入±5V • 20VIN：单极性输入0~20V，双极性输入±10V • STS：状态输出信号，转换时为高电平，转换结束时为低电平 • D0~D11：输出转换结果的数据线

  32. AD574控制信号功能表

  33. AD574的启动时序

  34. AD574的读时序

  35. 基于PC总线的AD574接口卡

  36. 接口卡电路说明 • 74LS245用于数据缓冲 • DIR=1，即R/C=1时，系统读AD结果 • DIR=0，即R/C=0时，系统用假定外设操作来启动AD574作双极性A/D转换 • 由于模拟电压从10VIN输入，所以外接+12V和-12V即可 • 译码电路用系统地址线A1~A9参加译码 • /IOR和/IOW也参加译码，Y0~Yn为读写端口

  37. 接口卡电路说明 • 系统地址A0接AD574的A0，偶地址写AD574时，启动12位转换，否则启动8位转换 • 偶地址读AD574时，读出高8位，否则读出低4位 • 由于AD574没有考虑转换结束信号，因此只能用延时的方法来转换。 • 图示电路能保证在CE=1以及/CS=0启动转换时，R/C=0 • 因此不会发生启动转换变成读操作的错误

  38. 采集程序 • MOV DX，Ye；Ye为偶地址 • OUT DX，AL；写外设，启动12位A/D转换 • CALL DELAY；调用延时100μs • MOV DX，Yo；Yo为偶地址 • IN AL，DX；读高8位 • MOV AH，AL • MOV DX，Yo；Yo为奇地址 • IN AL，DX；从D4~D7位读入低4位

  39. D/A转换主要参数 • (1)分辨率：D/A能够转换的二进制数的位数 • (2)转换时间；指数字量输入到完成D/A转换,输出达到最终值并稳定为止所需的时间 • (3)精度：指D/A转换器实际输出电压与理论值之间的误差 • (4)线性度：当数字量变化时,D/A转换器的输出量按比例关系变化的程度

  40. D/A输入输出特性 • (1)输入缓冲能力：D/A转换器是否带有三态输入缓冲器来保存输入数字量 • (2)输入数据的宽度：有8、10、14、16位之分 • (3)电流型还是电压型 • (4)输入码制：数字量输入为二进制或BCD码 • (5)是单极性输出还是双极性输出

  41. D/A转换器0832 • 0832是CMOS工艺的DIP单片8位A/D转换器，可直接与微机接口 • 片内有R/2R T型电阻网络 • 产生两个电流信号IOUT1和IOUT2 • 有8位输入寄存器和8位DAC寄存器两次缓冲方式 • 每个输入数据为8位,可以直接与微机8位数据总线相连

  42. 0832内部结构及引脚特性

  43. 基于0832的ISA接口卡原理

  44. D/A接口卡说明 • D/A转换器的接口方法比较简单 • 由于自带缓存器,只要将数据写入缓存器中变换就开始 • 0832的数据输入线可以直接与微机系统数据总线D0~D7相连

  45. 6通道12位A/D转换器 • 分辨率：12位 • 单+5V电源 • 编程选择信号输入范围：±10V，±5V，0-10V，0-5V • 内部提供基准4.096V参考源，也可外面输入 • 6us转换时间，100KSPS • 两种省电模式 • 内部或外部时钟

  46. MAX196引脚排列

  47. MAX196引脚说明 • CLK：时钟输入，外部输入或接电容内部产生，100pF时为1.56MHZ • /CS：芯片选择 • D11-D0：数据输出 • CH0-CH5：模拟输入 • REFADJ：参考调整 • REF：参考输出/输入 • /INIT：结束指示，低完成转换 • /RD：读 • /WR：写

  48. 内部结构框图

  49. 典型连接

  50. 控制字 • PD1 PD0：00正常操作/外部时钟；01正常操作/内部时钟；10省电模式/时钟无关；11睡眠模式/时钟无关 • ACQMOD：0内部控制采样，1外部控制采样 • RNG BIP：00输入0-5V；01输入±5V；10输入0=10V；11输入±10V • A2A1A0：输入通道选择：000通道0；001通道1；…；101通道5

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