石油工程測控基礎(chǔ)-隋秀香 測 控 基 礎(chǔ)(8)-數(shù)據(jù)采集

第七章計算機控制系統(tǒng)第二節(jié)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)在工程領(lǐng)域中，一個系統(tǒng)在動態(tài)進行時經(jīng)常對壓力、振動位移、速度、加速度等信號進行測試，測試就是對這些信號進行采集、處理，由于這些信號就是某個物理量隨時間變化的一個連續(xù)函數(shù)，它包含大量信息，利用這些信息，就可以辨析一個系統(tǒng)，分析一個系統(tǒng)、控制一個系統(tǒng)，因此關(guān)鍵是提取信息、處理信息。計算機是提取和處理信息的最好工具，然而計算機處理的是數(shù)字量，模擬信號如何變成計算機接收并可進行處理的離散數(shù)字量呢？數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

計算機數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對大量生產(chǎn)過程的參數(shù)進行檢測、記錄、數(shù)據(jù)計算、報警及對大量數(shù)據(jù)進行實時分析。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)框圖數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）第一節(jié)多通道模擬開關(guān)

多路開關(guān)的作用主要用于將被測模擬量按某種方式分別地輸入到公用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器上。如在某一時刻接通某一路，讓該路信號輸入而讓其它路斷開，從而達到信號切換的目的。目前用得較多得是由晶體管和場效應(yīng)管組成得電子無觸點開關(guān)。模擬集成開關(guān)是指在一個單片上包含多路開關(guān)的集成開關(guān)。常用模擬多路開關(guān)有：單端8通道：AD7501、AD7502、AD7503、CD4051差動4通道：AD7502、CD4052

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）多通道模擬開關(guān)（續(xù)）以AD7501為例，是單片集成的CMOS8選1多路模擬開關(guān)，它有三根二進制輸入端A0、A1、A2，改變A0、A1、A2數(shù)值，可譯出8種不同狀態(tài)，分別選中一個開關(guān)接通。當禁止端INH為高電平時不論A0、A1、A2為何值，8個通路均不通。下表是真值表。多通道模擬開關(guān)第二節(jié)采樣保持電路1、孔徑誤差傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電量，經(jīng)過放大、濾波等一系列處理后，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，才能送入計算機系統(tǒng)。在對模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換時，從啟動轉(zhuǎn)換到變換結(jié)束的數(shù)字量輸出，需要一定時間，例如對正弦信號在t0時刻進行采樣，理想值應(yīng)為零，但是由于在A/D轉(zhuǎn)換時間△t內(nèi)模擬量發(fā)生了變化，所以A/D輸出不再為零，有此引起得誤差叫孔徑誤差，見下圖。所以必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持住（保持狀態(tài)），而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化（采樣狀態(tài)），能完成這種功能的器件叫采樣保持器。在模擬量輸出通道，為使輸出得到一個平滑的模擬信號，或?qū)Χ嗤ǖ肋M行分時控制時，也常使用采樣／保持器。

數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）2、采樣保持器在模擬信號輸入通道中，是否需要加采樣／保持器，取決于模擬信號的變化頻率和A／D轉(zhuǎn)換的孔徑時間；對快速過程信號，當最大孔徑誤差超過允許值時，必須在A／D轉(zhuǎn)換器前加采樣／保持器，高頻率信號進行采集，就需加采樣／保持器。但如果采集的是緩變信號，可不加采樣／保持器?？傊?，是否加采樣／保持電路，完全取決于使用對象采樣保持器的作用是：在采樣期間，其輸出能跟隨輸入的變化而變化；而在保持狀態(tài)，能使其輸出值保持不變。采樣保持電路（續(xù)）原理如下圖所示，為一最簡單的采樣保持電路，由模擬開關(guān)、儲能元件和緩沖放大器組成。當施加控制信號后，開關(guān)K閉合，模擬信號Vi通過限流電阻向電容c充電，在電容值合理的情況下，V0隨vi的變化而變化；之后控制信號去除，K斷開，由于電容c有一定的容量，此時輸出V。保持輸入信號在K斷開瞬時的電平值，A/D轉(zhuǎn)化器才得以對保持在電容CH上得電壓進行整量化。由于充電時間遠小于A/D轉(zhuǎn)換時間，保持器的電壓下降率又較低，于是大大減少了孔徑誤差。采樣保持電路（續(xù)）

如圖，在t1時刻前，處于采樣狀態(tài)，此時K為閉合狀態(tài)，輸出信號V。跟輸入Vi保持同步變化；而在時間t1，K斷開，此時處于保持狀態(tài)，輸出電壓恒值保持在A2不變；而在t2時刻，保持結(jié)束，新一個采樣時刻到來，此時相當于K重新閉合，Vo又隨vi同步變化，直至時刻t3新的保持信號到來，K斷開，V0保持A3的電位不變。

采樣保持電路（續(xù)）因此，利用采樣／保持器，在啟動A／D變換時，保持住輸入信號，從而可避免A／D轉(zhuǎn)換孔徑時間帶來轉(zhuǎn)換誤差.在進行多路信號瞬態(tài)采集時，由上述分析也可知，電容c對采樣保持的精度很大影響，如果電容值過大，則其時間常數(shù)大，當信號變化頻率高時由于電容充放電時間大，將會影響輸出信號對輸入信號的跟隨特性，而且在采樣的瞬間電容兩端的電壓會與輸入信號電壓有一定的誤差；而當處于保持狀態(tài)時，如果電容的漏電流太大，負載的內(nèi)阻太小，都會引起保持信號電平的變化。在電容的選擇時，使其選擇容量大小適數(shù)適中，并選用漏泄小的電容。采樣保持電路（續(xù)）電路采樣并保持信號的示意波形如圖所示采樣保持電路（續(xù)）采樣保持電路可以用分離元件組成，也可直接選用集成采樣／保持器，在選用時，要考慮下列因素，孔徑時間：在采樣保持器中，由于模擬開關(guān)有一定的動作滯后，從保持命令發(fā)出到模擬開關(guān)斷開的時間叫孔徑時間，它會導致A／D采樣時間被延遲。捕捉時間：采樣／保持器的狀態(tài)邏輯控制信號由保持電平轉(zhuǎn)換成采樣電平后，其輸出電壓由原保持值過渡到此時輸入信號值所需的時間稱為捕捉時間，它包括模擬開關(guān)的導通延遲時間和建立跟蹤的穩(wěn)定過程時間。顯然，A／D轉(zhuǎn)換的采樣周期必須大于捕捉時間，才能保證采樣階段充分地采集到輸入模擬信號。

采樣保持電路（續(xù)）集成采樣／保持器采樣／保持器可以由分離元件組成，其中對于低速場合可以采用繼電器作為開關(guān)以減小開關(guān)漏電流的影響；在高速場合也可用晶體管、場效應(yīng)管來作為開關(guān)，然而，一般目前常采用性能優(yōu)越的集成式采樣／保持器。目前已生產(chǎn)出多種集成采樣/保持器，可用于一般目的的AD582、D583系列等；用于高速場合的有HTS-0025，HTS-0010，HTC-0300等；用于高分辨率場合釣有SHA1144等，為了使用方便，有些采樣保持器的內(nèi)部還設(shè)有保持電容加AD389、AD585等。采樣保持電路（續(xù)）第三節(jié)逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換是按對分搜索原理去逼近被測電壓的。所謂對分搜索法就是先取可轉(zhuǎn)換電壓最大值的1/2與輸入電壓比較，然后再縮小l/2鼓索范圍，在余下的1/2范圍內(nèi)進一步作對分搜索，以此類推，直至數(shù)模轉(zhuǎn)換生成的模擬量與被測模擬量的差別小于某一誤差范圍為止。以三位數(shù)字量為例，首先以半滿量程與被測量進行比較，也就是令數(shù)碼的最高位為“1”經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換與被測電壓比較，如發(fā)現(xiàn)小于被測值，則仍留這位“l(fā)”，否則，應(yīng)取消“1”而代之以“0”。之后再令次高位為“1”進行比較，如此由高到低逐位進行比較，一直到最低位為止.圖7－5所示為3位逐步逼近的對分搜索示意圖。可見此處的對分搜索就是由數(shù)字量的高位(MSB)至最低位(LSB)逐位依次為“1”與被測模擬量進行比較的過程；A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）下面舉例說明其轉(zhuǎn)換過程，例如：D/A轉(zhuǎn)換的參考電壓VREF=10.24V,被轉(zhuǎn)換的Vi＝8.30V,要求將Vi轉(zhuǎn)換成8位二進制數(shù)碼,其轉(zhuǎn)換過程如下:第一次試探。在時鐘fcp的驅(qū)動下，環(huán)形計數(shù)器對數(shù)據(jù)寄存器的最高有效位(MSB)加碼，建立1000…0碼，同時，D／A轉(zhuǎn)敦器即把它轉(zhuǎn)挨成相對應(yīng)的模擬電壓Vf1=VREF*1/2,反饋到比較器酌比較端，之后，去／留碼邏輯電路對比較的結(jié)果作出去碼或留碼的判別與操作；Vi>Vf，應(yīng)留碼“1’。第二次試探。在第二個時鐘脈沖驅(qū)動下，環(huán)形計數(shù)器(移位寄存器)右移一位，并使數(shù)碼寄存器次高位加碼，建立X100…·0碼，最高位的X是“1”還是“0，J，取決于第一次試探結(jié)果，第二次試探D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的量化電壓Vf，再反饋到比較器與Vi進行比較，如Vi大于等于Vf2則次高位留碼。否者應(yīng)去碼。該例中對應(yīng)的Vf2＝VREF(1/2+1/4)＝7.68V，A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）故Vi>Vf2，應(yīng)留碼。如此由高位到低位逐位試探，一直到最低位完成時為止，逐次逼近A／D轉(zhuǎn)換的過程可以用表7－1說明之?？梢娏炕姆答侂妷篤f一次比一次更逼近Vi，經(jīng)過8次試探與比較邏輯之后，數(shù)據(jù)寄存器中所建立的最終數(shù)碼11001111即為轉(zhuǎn)換結(jié)果。實際上，此數(shù)碼對應(yīng)的量化電壓值Vf＝8.28V，它與輸入電壓Vi＝8.30V還相差0.02V。不過兩者差值已小于1LSB所對應(yīng)酌量化電壓0·04V了。把這個逼近過程用時序圖表示，如圖7－7所示。逐次遠近A／D轉(zhuǎn)換的結(jié)果可以從數(shù)據(jù)寄存器的并行輸出端上取得。A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A/D轉(zhuǎn)換器（續(xù)）A／D轉(zhuǎn)換器的特性參數(shù)1、ADC芯片的分辨率是指輸出數(shù)字量對輸入模擬量變化的分辨能力。習慣上以輸出二進制的位數(shù)來表示，如：AD574和分辨率為12位即該轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)包含12位二進制數(shù)，實際上，它的分辨率為1LSB＝1/212，能夠分辨輸入電壓的最小變化量實際為VFS/（2n－1），一般寫成VFS/2n，顯然一個輸入要求為0～5V的12位A/D轉(zhuǎn)換器能分辨的最小電壓實際為5/(212－1）二5／4095=0.00122V=1.22mV，(一般也可寫作5／4096)。2、轉(zhuǎn)換時間：完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間。數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理技術(shù)（續(xù)）計算機并口（打印口）第四節(jié)計算機并口不論臺式機還是便攜機都配有一個標準的并行打印機適配器接口，通過對該端口內(nèi)三個I/0端口控制，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入/輸出。利用一個25針的D型插座實現(xiàn)并行口與外設(shè)的連結(jié)，其引線如圖1所示，下面介紹三個I/0端口功能：圖1并行口引線圖PC打印機適配器有8位數(shù)據(jù)D0~D7,它分別對應(yīng)圖1中的標號2~9，可通過讀寫378HI/O端口，對外引線上的數(shù)據(jù)進行讀/寫。對該口進行一次寫操作，就有一個8位數(shù)據(jù)被寫到一個8位寄存器鎖存，并輸出至外引線。對該口進行讀操作，只能用于打印口自檢。PC打印機適配器有4根控制線，它分別對應(yīng)圖1中的標號1、14、16、17，可通過寫37AI/O端口把數(shù)據(jù)輸出到外引線插座，輸出信號經(jīng)過寄存器鎖存。內(nèi)容如表1：圖中D4為用于正常打印時終端允許控制，此處不用。從外引線INIT輸出的信號邏輯與D2相同，而其它三位相反。

計算機并口（續(xù)）PC打印機適配器有5位狀態(tài)輸入線，它分別對應(yīng)的標號是15、13、12、10、11，可通過讀379HI/O端口把外引線上的狀態(tài)信號讀入計算機，該端口輸入緩沖器與狀態(tài)輸入線及對應(yīng)的標號如表2:以上為外設(shè)送給計算機的狀態(tài)信號，D7位與外引線邏輯相反，而D3~D6與外引線邏輯相同。輸入數(shù)據(jù)D7D6D5D4D3D2D1D0外引線╳╳╳標號1110121315計算機并口（續(xù)）3接口設(shè)計

打印機適配器有8位數(shù)據(jù)，可以通過讀/寫378HI/O端口對外引線上的數(shù)據(jù)進行讀寫。有5根狀態(tài)線，通過讀379HI/O端口把外引線上的狀態(tài)信號讀入計算機。有4根控制線，通過寫37AHI/O端口把數(shù)據(jù)輸出到外引線插座。借助于打印機適配器的三個口，設(shè)計的譯碼電路流程如下：

計算機并口（續(xù)）控制線譯碼器數(shù)據(jù)線觸發(fā)器譯碼器譯碼線要通過并口實現(xiàn)對外部數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備的控制，必須有足夠的地址譯碼線。圖2是接口譯碼板電路設(shè)計。圖2接口譯碼電路計算機并口（續(xù)）74LS154是4線--16線譯碼器，利用計算機并口提供的控制信號C0--C3作為U1的地址譯碼線，通過改變C0---C3可以使其輸出的Y0---Y13、YC、YS之一為低電平，如果外設(shè)需求多的話，這輸出的16根線顯然不能滿足要求，為此進行了進一步擴展，使用了第二片74LS154即U2。先通過控制口使U1的輸出Yc為低電平，將D0---D3送入U4，U4即74LS245是八雙向總線發(fā)送器/接受器，隨后數(shù)據(jù)通過U4進入U3，U3即74LS174是六上升沿D型觸發(fā)器（Q端輸出，公共清除），再令U1的輸出Ys為低電平，這樣U2被選通，同時Yc輸出高電平脈沖使D0---D3在U3鎖存并作為U2的地址譯碼線，通過改變D0---D可以使其輸出的Y14--Y29之一為低電平。由以上分析可知，該譯碼電路利用控制口和數(shù)據(jù)口使譯碼輸出線為Y0--Y13和Y14--Y29共有30條，極大的滿足了外設(shè)的需要。計算機并口（續(xù)）放大放大多路轉(zhuǎn)換開關(guān)采樣保持

A/D轉(zhuǎn)換

計算機調(diào)零1立壓信號調(diào)零1套壓信號可編程增益放大濾波計算機并口（續(xù)）采集電路設(shè)計采集電路的設(shè)計框圖如圖采集電路的設(shè)計如圖。計算機并口（續(xù)）令Y0為低電平，選通74LS174，寫數(shù)據(jù)口378H的低4位D0---D3，將其鎖存在74LS174作為多路選擇開關(guān)的選擇輸入線，改變D0--D3送可任意選擇與多路選擇開關(guān)相連的16通道之一輸出到采樣保持器，并進入A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)DB0—DB11。74LS244是八緩沖器。它的輸出與適配器的狀態(tài)口相連。由于利用了狀態(tài)口I3、I4、I5、I6數(shù)據(jù)位，所以需分三次才能將DB0—DB11讀入計算機。先使Y6為低電平，DB0—DB3通過74LS244送入狀態(tài)口，讀狀態(tài)口379H將DB0—DB3讀入計算機；同理，令Y5為低電平，讀狀態(tài)口379H，DB4—DB7讀入計算機；隨后使Y4為低電平，讀狀態(tài)口379H，DB8—DB11讀入計算。而并行口的10、12、13和15管腳所對應(yīng)的數(shù)據(jù)位是I6、I5、I4、和I