數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)試卷

一、緒論

（一）、1、“數(shù)據(jù)采集”是指什么？

將溫度、壓力、流量、位移等模擬量經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輸出電量后再采集轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，再由PC

機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、解決、顯示或打印的過程。

2、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成？

由數(shù)據(jù)輸入通道,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與管理,數(shù)據(jù)解決,數(shù)據(jù)輸出及顯示這五個(gè)部分組成。

3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能的好壞的參數(shù)？

取決于它的精度和速度。

4、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有的功能是什么？

⑴、數(shù)據(jù)采集,（2）、信號(hào)調(diào)理,（3）、二次數(shù)據(jù)計(jì)算,（4）、屏幕顯示,（5）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ),（6）、

打印輸出,（7）、人機(jī)聯(lián)系。

5、數(shù)據(jù)解決系統(tǒng)的分類？

分為預(yù)解決和二次解決兩種;即為實(shí)時(shí)（在線）解決和事后（脫機(jī)）解決。

6、集散式控制系統(tǒng)的典型的三級(jí)結(jié)構(gòu)？

一種是一般的微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),一種是直接數(shù)字控制型計(jì)兌機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),尚有一種是

集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

7、控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)？

實(shí)現(xiàn)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳送?J異地遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

（二）、問答題：

1、數(shù)據(jù)采集的任務(wù)是什么？

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的任務(wù)：就是傳感器輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入工業(yè)控制機(jī)機(jī)解決，得出所需的

數(shù)據(jù),同時(shí)顯示、儲(chǔ)存或打印，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)某些物理量的監(jiān)視，還將被生產(chǎn)過程中的PC機(jī)控制系

統(tǒng)用來控制某些物理量。

2、微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)是

（1）、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡樸；（2）、微型計(jì)算機(jī)對(duì)環(huán)境規(guī)定不高；（3）、微型計(jì)算機(jī)的價(jià)格低廉，減少了數(shù)

據(jù)采集系統(tǒng)的成本；（4）、微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可作為集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一個(gè)基本組成部

分；（5）、微型計(jì)算機(jī)的各種I/O模板及軟件齊全，易構(gòu)成系統(tǒng)，便于使用和維修；

3、簡述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式，并比較其特點(diǎn)？

（1）、一般微型計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與解決系統(tǒng)是由傳感器、模擬多路開關(guān)、程控放大器、采樣/保持

器、A/D轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及外設(shè)等部分組成。

（2）、直接數(shù)字控制型數(shù)據(jù)采集與解決系統(tǒng)（DDC）是既可對(duì)生產(chǎn)過程中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè),

還可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，按照一定的算法，計(jì)算出執(zhí)行器應(yīng)當(dāng)?shù)臓顟B(tài)（繼電器的通斷、閥門的位置、電

機(jī)的轉(zhuǎn)速等），完畢自動(dòng)控制的任務(wù)。系統(tǒng)的I/O通道除了AI和DI外，尚有模擬量輸出（A0）通

道和開關(guān)量輸出（FDO）通道。

（3）、集散式控制系統(tǒng)也稱為分布.式控制系統(tǒng)，總體思想是分散控制，集中管理，即用幾臺(tái)計(jì)算機(jī)

分別控制若干個(gè)回路，再用監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中管理,

（三）、分析題：

1、如圖所示，分析集散型數(shù)據(jù)采集與解決系統(tǒng)的組成原理，系統(tǒng)有那些特點(diǎn)？

集散式控制系統(tǒng)也稱為分布式控制系統(tǒng)，總體思想是分散控制，集中管理，即用幾臺(tái)DDC計(jì)算機(jī)分

別控制若干個(gè)回路，再用監(jiān)督控制計(jì)算機(jī)對(duì)各DDC進(jìn)行集中管理。集散式控制系統(tǒng)的分級(jí)規(guī)?？纱?/p>

可小，可以只有兩級(jí)也可以多級(jí)。

集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的特點(diǎn)：（1）、系統(tǒng)的適應(yīng)能力強(qiáng)；（2）、系統(tǒng)的可靠性高；（3）、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)

響應(yīng)性好；（4）、對(duì)系統(tǒng)硬件的規(guī)定不高。

二、模擬信號(hào)的數(shù)字化解決

（一）、填空與選擇題：

1、在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中同時(shí)存在著那兩種不同形式的信號(hào)？

離散數(shù)字信號(hào)和連續(xù)模擬信號(hào)

2、保持的概念？

3、傳感器所測(cè)量到的連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字信號(hào)的環(huán)節(jié)？

連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)歷了兩個(gè)斷續(xù)過程：

(1).時(shí)間斷續(xù)：采樣X(t)fX,(nTj

(2).數(shù)值斷續(xù)：量化，即把采樣信號(hào)XcTj以最小數(shù)量單位的整倍數(shù)來度量.

信號(hào)轉(zhuǎn)換過程如圖所示

舊與物4過”

4、采樣周期Ts決定采樣信號(hào)的質(zhì)量和數(shù)量：

Ts太小，Xs(nTj數(shù)量劇增，占用內(nèi)存；

Ts太大，模擬信號(hào)的某些信息被丟失.

5、采樣定理

設(shè)有連續(xù)信號(hào)x(t),其頻譜為X(f),以采樣周期Ts采得的離散信號(hào)為xs(nTj.

假如頻譜X(f)和采樣周期滿足下列條件：

(1).頻譜X(f)為有限頻譜,即當(dāng)F1的絕對(duì)值大于等于fc(截止頻率)時(shí),x(f)二0;

(2).Ts<=l/2fc

則連饃信號(hào)

唯一擬定.Fc稱為截止頻率，又稱為奈奎斯特頻率。

6采樣定理中兩個(gè)條件的物理意義

(1)連續(xù)模擬信號(hào)x(t)的頻率范圍是有限的，即信號(hào)的頻率f在0<=f〈=fc

(2)采樣周期Ts不能大丁信號(hào)周期Tc的?半。

7、采樣定理在Fc二l/(2Ts)時(shí)是不適應(yīng)的。

例如，設(shè)連續(xù)信號(hào)為：x(r)=Asin(2啦?+夕);0<夕<2”，其采樣值為：=Asin(2次77?\+夕)

當(dāng)fc=l/(2Ts)

M

有xs(nTs)=Asin(2^?n75+(p)=A(-1)sin(p,則當(dāng)0二0時(shí),采樣信號(hào)為零，無法恢復(fù)原模擬信號(hào);

當(dāng)?！床访笸?時(shí)，采樣信號(hào)幅值小于原模擬信號(hào)；當(dāng)卜山時(shí)=1時(shí)，采樣信號(hào)幅值等于原模擬信號(hào).

8、頻率混淆

假如Ts取的過大，使Ts>l/(2fc)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)x(t)中的高頻成分被疊加到低頻成分上去的現(xiàn)象,這

種現(xiàn)象稱為頻率混淆

不產(chǎn)生頻率混淆現(xiàn)象的臨界條件是fs=l/Ts=2fc。或者說，當(dāng)采樣間隔一定期，不發(fā)生頻率混淆的

信號(hào)最高頻率為fc=l/(2Ts)

9、消除頻率混淆的措施：

1.對(duì)于頻域衰減較快的信號(hào)，可用提高采樣頻率的方法來解決。

2、對(duì)于頻域衰減較慢的信號(hào)，可用消除頻混濾波器來解決：低通濾波器。

10、采樣控制方式的選擇：

(1)、無條件采樣，僅合用于隨時(shí)處在準(zhǔn)備好狀態(tài)的A/D轉(zhuǎn)換器，且規(guī)定CPU與A/D轉(zhuǎn)換器同時(shí)工

作。

(2)、中斷方式(3)、查詢方式

(4)、DMA方式，有硬件完畢數(shù)據(jù)的傳送操作，常用于高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

11、量化就是把采樣信號(hào)的幅值與某個(gè)最小數(shù)量單位的一系列整數(shù)倍比較，以最接近于采樣信號(hào)幅

值的最小數(shù)量單位來代替該幅值，這一過程稱為“量化過程”，簡稱“量化”。

量化單位定義為量化器滿量程電壓FSR與2n的比值，即4=攀，其中n為量化器位數(shù)。

12、完畢量化和編碼的器件是模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)化器。

13、量化的方法有哪兩種？

(1)、“只舍不入”的量化，信號(hào)幅值小于量化單位q的部分一律舍去。

(2)、“有舍有入”的量化，采樣信號(hào)幅值小于q/2的部分舍去，大于q/2的部分計(jì)入。

結(jié)論：通過量化之后，把本來幅值連續(xù)變化的采樣模擬信號(hào)，變成了幅值為有限序列的量化信號(hào)。

通過量化后的信號(hào)，其精度取決于所選的量化單位q.

14、量化誤差：e=xs(nTs)-xq(nTx),前為采樣信號(hào)，后為量化信號(hào)。

(1)、“只舍不入”的量化誤差：量化誤差e只能是正誤差，它可以取0—Q之間的任意值。最大量

化誤差e,.*q,量化誤差的方差是弓，這表白：即使模擬信號(hào)X(t)為無噪聲信號(hào)，通過量化器

量化后，量化信號(hào)"(〃工)將包含噪聲量化誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為4=品。0.2汩

⑵、“有舍有入”的量化誤差，最大量化誤差叼，標(biāo)準(zhǔn)差與“只舍不入”的情況相同，即

%為°29q

結(jié)論：量化誤差是一種原理性誤差，它只能減小而無法完全消除。

量化方法比較：“有舍有入”的方法比較好，由于“有舍有入”法德最大量化誤差只有“只舍不入”

法德1/2。目前大部分A/D轉(zhuǎn)換器都是采用“有舍有入”的量化方法，但也有少數(shù)價(jià)格低廉的A/D

轉(zhuǎn)換器，采用“只舍不入”的方法。

增長A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)n能減小量化誤差，即增長A/D的位數(shù)，減小量化誤差。

編碼

1、編碼是指把量化信號(hào)的電平用數(shù)字代碼來表達(dá)。

2、單極性編碼：

(1)、二進(jìn)制碼是單極性編碼中使用最普遍的編碼，在這種碼制中，一個(gè)十進(jìn)制數(shù)D的量化電平可

表達(dá)為。=為2‘言+爭爭++會(huì).一個(gè)模擬輸出電壓用一進(jìn)制表達(dá)為

U°M=FSRZM=FSR(?+果+…+段

FSR

最低有效位的值=

注意：由于二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)n是有限的，即使二進(jìn)制碼的各位4=叵=1,2,,〃)，最大輸出電壓

。鵬也不與FSR相等，而是差一個(gè)量化單位q,可擬定下式心3/?(14)

(2)、二-十進(jìn)制編碼(BCD碼)：是用一組四位二進(jìn)制碼來表達(dá)一位0-9的十進(jìn)制數(shù)字。

例：一個(gè)電壓按BCD編碼,則有二千FSR-(84+4/+2生+&)+F高SR(84+4%+次+%)+…

BCD編碼常用超量程附加位，這樣對(duì)A/D轉(zhuǎn)化器來說，量程需增長一倍。

(3)、格雷碼：又稱反射二進(jìn)制碼，優(yōu)點(diǎn)是從一個(gè)數(shù)到下一個(gè)相鄰的數(shù)只需改變一位，中間錯(cuò)誤的

變化就可避免。

二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成格雷碼的規(guī)律：從二進(jìn)制碼的最低兩位開始，按異或規(guī)律定下格雷碼的最低位，然后

再用二進(jìn)制碼末前兩位按異或規(guī)律定下格雷碼的末前一位，如此往前推，最后可以定下所有格雷碼。

所謂異或規(guī)律：相鄰兩數(shù)相同為“0”，不同時(shí)為“1”。

1、雙極性編碼:

（1）、偏移二進(jìn)制碼是轉(zhuǎn)化器最容易實(shí)現(xiàn)的雙極性編碼。

偏移情況：a）代碼為“0000”時(shí),表達(dá)模擬負(fù)滿量程，即-FSR;

b）代碼為“1000”時(shí)，表達(dá)模擬零，即模擬零電壓相應(yīng)于數(shù)；

C）代碼為“1111”時(shí)，表達(dá)模擬正滿量程值減1LSB,即/SR-片F(xiàn)SR

偏移二進(jìn)制碼的優(yōu)點(diǎn)：容易實(shí)現(xiàn)，容易換成2的二進(jìn)制補(bǔ)碼。

缺陷：在零點(diǎn)附近會(huì)發(fā)生主碼躍遷。

三、模擬多路開關(guān)

1、電子多路開關(guān)根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為雙極性晶體管開關(guān)、場(chǎng)效應(yīng)晶體管開關(guān)、集成電路開關(guān)三大類型。

2、多路開關(guān)的電路特性：

1）漏電流：通過斷開的模擬開關(guān)的電源。

一般情況有&?凡小,+《，因而

UOE=-I”.,（七+—,式中n是并

聯(lián)的模擬開關(guān)數(shù)，是單個(gè)開關(guān)斷

開時(shí)的漏電流。

2）動(dòng)態(tài)響應(yīng)

見右圖的多路開關(guān)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的等效電路

其中。表達(dá)連到測(cè)試點(diǎn)的所有開關(guān)輸出電

容嬴7?與負(fù)載電容CL之和得時(shí)間常數(shù)Tc=（Rs+R°N）?CT,對(duì)時(shí)間常數(shù)及的RC電路，其設(shè)定期間為

八In禺對(duì)于開關(guān)閉合時(shí)的帶寬,]

設(shè)C1?CT,則該電路的帶寬為力dB

2TT(RS+RON)CT

3）源負(fù)載效應(yīng)誤差：指有信號(hào)源電阻（和開關(guān)導(dǎo)通電阻

與多路開關(guān)所接器件的等效電阻乙分壓而引起的誤差.

等效電路如右圖。由于負(fù)載效應(yīng)是一種分壓作用，它使輸出到勺上的信號(hào)減小，因此應(yīng)合理設(shè)計(jì),

開關(guān)所接器件的R/.>(Rs+R。J，可根據(jù)與，兒N，%計(jì)算出負(fù)載效應(yīng)引起的衰減，然后用提高下集

增益的方法加以補(bǔ)償。

4、多路開關(guān)的配置

(1)單端接法：是把所有的輸入信號(hào)源的一端接至同一個(gè)信號(hào)地，然后再將信號(hào)地與A/D轉(zhuǎn)換器

A接法可保證系統(tǒng)的共?？酥颇芰Γ鵁o需減少一半的通道數(shù)；B接法系統(tǒng)的共?？酥颇芰疚?/p>

發(fā)揮，但是系統(tǒng)可以得到最大的通道數(shù)。

(2)雙端接法：是把所有的輸入信號(hào)源的兩端

各自分別接至多路開關(guān)的輸入端

當(dāng)信號(hào)源的信噪比較小時(shí)，必須使用此接法,

此接法抗共?？酥颇芰?qiáng)，合用于采集低電平信

號(hào)，，旦實(shí)際通道數(shù)只有單端接法的一半。

應(yīng)當(dāng)指出：多路開關(guān)從一個(gè)通道切換到另一個(gè)通道時(shí)會(huì)發(fā)生瞬變現(xiàn)象，是輸出產(chǎn)生短暫的尖峰電壓,

假如此時(shí)采集多路開關(guān)輸出的信號(hào)，就會(huì)引起誤差。

四、測(cè)量放大器

1、測(cè)量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件，由于它具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，強(qiáng)抗

共模干擾能力，低溫漂，低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益的特點(diǎn)。

2、測(cè)量放大器的電路原理：如右圖

U。.M-UJU。

（1）測(cè)量放大器的增益K=

?！?4）（4乜）

為提高共?？酥票群蜏p少溫漂影響，測(cè)量放大器采用

對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即=凡，則K==Y+等）5

Ui\~Ui2%%

3、測(cè)量放大器的重要技術(shù)指標(biāo)：

（1）非線性度：是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與抱負(fù)直線的偏差。它與增益有關(guān)，對(duì)數(shù)據(jù)采

集的精度的影響很大。在選擇測(cè)量放大器時(shí)，一定選擇非線性度偏差小于0.024%的測(cè)量放大器。

（2）溫漂：指測(cè)量放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的限度"它也與測(cè)量放大器的噌益有關(guān)C

（3）建立時(shí)間：指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至測(cè)量放大器輸出電壓達(dá)成并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需

的時(shí)間。它隨增益的增長而上升。

（4）恢復(fù)時(shí)間：是指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值隨需的時(shí)間。它

直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。

（5）電源引起的失調(diào)：是指電源電壓每變化1%,引起放大器的漂移電壓值，測(cè)量放大器一般用作

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的重要依據(jù)之一。

（6）共?？酥票?/p>

當(dāng)放大器兩個(gè)輸入端具有等量電壓變化值外,時(shí)，在放大器輸出端測(cè)量出電壓變化值U?！?，則

共?？酥票菴MRR可為CMRR=20log媼

Ug

五、采樣/保持器

1、采樣/保持器是?種具有信號(hào)輸入、信號(hào)輸出以及由外部指令控制的模擬門電路，它重要由模擬開關(guān)K、電容

CH和緩沖放大器A組成。

2、采樣/保持器是一種用邏輯電平控制其工作狀態(tài)的器件，它具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：

（1）跟蹤狀態(tài)。在此期間它盡也許快地接受模擬輸入信號(hào)，并精確地跟蹤模擬輸入信號(hào)的變化，一直到接到保

持指令為止；

（2）保持狀態(tài)。對(duì)接受到的指令前一瞬間的模擬輸入信號(hào)進(jìn)行保持。

3、在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)采集系統(tǒng)中，采樣/保持器重要以下兩種作用：

（1）"稔定"快速變化的輸入信號(hào)，以利于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以減少采樣誤差。

<2）用來儲(chǔ)存模擬多路開關(guān)輸入的模擬信號(hào)，這樣可使模擬多路開關(guān)繼續(xù)切換下一個(gè)待轉(zhuǎn)換的信號(hào)。

4、采樣/保持器按結(jié)構(gòu)可分為兩種類型：串聯(lián)型和反饋型。

（1）串聯(lián)型采樣/保持器

串聯(lián)型采樣/保持器的結(jié)構(gòu)原理如下圖，圖中4和A?分別是輸入和輸出緩沖放大器，用以提A?采樣/保持器的輸

入阻抗，減小輸出阻抗以便與信號(hào)源和負(fù)載連接；K是模擬開關(guān)，宜由控制信號(hào)電壓Uq控制其斷開或閉合；a

串聯(lián)型型采樣/保持器的缺陷：它的失調(diào)電壓為兩個(gè)運(yùn)放失調(diào)電壓之和，比較大，影響到型采樣/保持器的精度。

此外，它的跟蹤速度也較低。

（2）反饋型型采樣/保持器

反饋型型采樣/保持器的結(jié)構(gòu)如下圖，其輸出電壓反饋到輸入端，使4和4共同組成一個(gè)跟蹤器。

注意：在保持狀態(tài)，由于K?是閉合的，放大器A的輸出仍在跟蹤輸入，避免A開環(huán)而進(jìn)入飽和，使得當(dāng)采樣/

保持器再次轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)時(shí)，4能立即跟蹤u,。

5、孔徑時(shí)間，“：孔徑時(shí)間是指保持指令給出瞬間到模擬開關(guān)有效切斷所經(jīng)歷的時(shí)間。

6、孔徑不定門”：孔徑不定」”是指孔徑時(shí)間的變化范圍。孔徑時(shí)間只是使采樣時(shí)刻延遲，假如每次采樣的延

遲時(shí)間都相同，則對(duì)總的采樣結(jié)果的精確性不會(huì)有影響。但若孔徑時(shí)間在變化，則對(duì)精度就會(huì)有影響。假如改變

保持指令發(fā)出的時(shí)間，可將孔徑時(shí)間消除。

7、捕獲時(shí)間r.c：捕獲時(shí)間?是指當(dāng)采樣/保持器從保持狀態(tài)轉(zhuǎn)到跟蹤狀態(tài)時(shí)，采樣/保持器的輸出從保持狀態(tài)

的值變到當(dāng)前的輸入值所需的時(shí)間，它涉及邏輯輸入開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間、保持電容的充電時(shí)間、放大器的設(shè)定期間

等。

8、電荷轉(zhuǎn)移偏差

電荷通過寄生電容轉(zhuǎn)移到電容器上引起的，可通過加大保持電容器容量來克服。但是當(dāng)增大保持電容時(shí)，也增大

了采樣/保持器的響應(yīng)時(shí)間。

采樣尸呆持器的性能在很大限度上取決于保持電容器CH的質(zhì)量。

9、假如在轉(zhuǎn)換時(shí)間左ONV內(nèi)，正弦信號(hào)變化不超過1LSB所代表的電壓，則在=FSB條件下,數(shù)據(jù)

采集系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率為：(‘CONV為A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間)Fmax=l/2n*pi*lconv

假如允許信號(hào)變化為$LS8，則系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率為：Fmax=l/2(n+l)*pi*tconv

例：已知A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)為ADC0804,其轉(zhuǎn)換時(shí)間,CONV=100〃$(時(shí)鐘頻率為640kHz),位數(shù)『8,允許

信號(hào)變化為JLSB,計(jì)算系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率。

解:Fmax=l/2(n+1)*pi*tconv=6.22Hz

此例說明無采樣/保持器的系統(tǒng)只能對(duì)頻率低于6.22Hz的信號(hào)進(jìn)行采樣。

10、假如正弦信號(hào)電壓的最大變化不超過1LSB所代表的電壓，則在n位A/D轉(zhuǎn)換器前加上采樣/保持器后，系

統(tǒng)可采集的信號(hào)最高頻率為：Fmax=l/2n*pi*tAp

假如允許正弦信號(hào)電壓的最大變化為1/2LSB,則系統(tǒng)可采集的最高信號(hào)頻率為：Fmax=l/2（n+l）xpi*tAp

11x系統(tǒng)課解決的最高輸入信號(hào)頻率應(yīng)為：Finax=I/2（（ac+tcomv+tap）

式中：tac……采樣/保持器的捕獲時(shí)間；

tap------采樣/保持器的最大孔徑時(shí)間（涉及抖動(dòng)時(shí)間）；

tconv—A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間。

六、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器

1、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器是一種器件，它把采集到的采樣模擬信號(hào)經(jīng)量化和編碼后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并輸出。

2、A/D轉(zhuǎn)換器的分類

（1）直接比較型：將輸入的采樣模擬最直接與座位標(biāo)準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓相比較，得到可按數(shù)字編碼的離散量或直接得

到數(shù)字量。

這種類型涉及連續(xù)比較、逐次逼近、斜波（或階梯波）電壓比較等，其中最常見的是逐次逼近型。

（2）簡介比較型：輸入的采樣模擬量不是直接與基準(zhǔn)電壓比較，而是將兩者都變成中間物理量再進(jìn)行比較，然

后將比較得到的時(shí)間（t）或頻率（f）進(jìn)行數(shù)字編碼。

例如：雙斜式、脈沖調(diào)寬型、積分型、三斜率型、自動(dòng)校準(zhǔn)積分型等。

2、分辨率：分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換起所能分辨模擬輸入信號(hào)的最小變化帶。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為n,滿量程電

壓為FSR,則A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為：分辨率:FSR/2n

此外，也可以用百分?jǐn)?shù)來表達(dá)分辨率，此時(shí)的分辨率稱為相對(duì)分辨率。相對(duì)分辨率定義為：

相對(duì)分辨率二分辨率/FSB*100%=l/2n*100%

3、量程：展程是指A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍。

4、精度：A/D轉(zhuǎn)換器的精度分為絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種。

（I）絕對(duì)精度：絕對(duì)精度定義為相應(yīng)于輸出數(shù)碼的實(shí)際模擬輸入電壓與抱負(fù)模擬輸入電壓之差。

在A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，量化帶內(nèi)的任意模擬輸入電壓都能產(chǎn)生同一輸出數(shù)碼，上述定義則限定為量化帶中點(diǎn)的模

擬輸入電壓值。

絕對(duì)誤差一般在士,LSB范圍內(nèi)。絕對(duì)誤差涉及增益誤差、偏移誤差、非線性誤差，也涉及量化誤差。

2

（2）相抵精度：相對(duì)精度定義為絕對(duì)精度與滿量程電壓值之比的比例：相對(duì)精度:絕對(duì)精度/FSB*100%

5、注意：精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念，精度是指轉(zhuǎn)換后所得結(jié)果相對(duì)于實(shí)際值的準(zhǔn)確度；分辨率是指轉(zhuǎn)換

器所能分辨的模擬信號(hào)的最小變化值。

6、轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率

（I）轉(zhuǎn)換時(shí)間：轉(zhuǎn)換時(shí)間是指按照規(guī)定的精度將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出所需要的時(shí)間。

（2）轉(zhuǎn)換速率是指能反復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，即每秒鐘的次數(shù)，

7、可見當(dāng)精度一定期，信號(hào)頻率越高，規(guī)定的轉(zhuǎn)換時(shí)間也就越短；若信號(hào)頻率一定，轉(zhuǎn)換時(shí)間越長，誤差越小。

對(duì)于平均值的轉(zhuǎn)換，被轉(zhuǎn)換的采樣模擬量是直流（或緩慢變化）電壓，而干擾則是交變的，因此轉(zhuǎn)換一次的

時(shí)間,CONV越長，其克制干擾的能力就越強(qiáng)。換言之，平均值響應(yīng)的轉(zhuǎn)換器是在犧牲轉(zhuǎn)換時(shí)間的情況卜.提高轉(zhuǎn)

換精度的。

8、逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器

（1）工作原理：它重要由逐次逼近寄存器SAR、D/A轉(zhuǎn)換器、比較器、基準(zhǔn)電源、時(shí)序與邏輯控制電路等部分

組成。

并

行

數(shù)

字

量

輸

出

9、工作過程：見課本P83

10、8位A/D轉(zhuǎn)換器芯片ADC0809：見課本P86

11、12位A/D轉(zhuǎn)換器芯片AD547A：見課本P89

12、A/D轉(zhuǎn)換器與微機(jī)接口的重要任務(wù)有兩個(gè)：

（1）A/D轉(zhuǎn)換器每接受一次微機(jī)發(fā)出的轉(zhuǎn)換指令，就進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換；

（2）當(dāng)微機(jī)發(fā)出取數(shù)據(jù)指令時(shí)?，轉(zhuǎn)疾所得的數(shù)據(jù)從A/D轉(zhuǎn)換器的輸出寄存器中取出，經(jīng)數(shù)據(jù)總線存入微機(jī)存儲(chǔ)

器的指定單元。

13、A/D轉(zhuǎn)換器在與微機(jī)接口時(shí)，需要解決以下三個(gè)問題：

（I）A/D轉(zhuǎn)換器輸出到總線的數(shù)據(jù)需加緩沖，以免對(duì)數(shù)據(jù)總線的工作導(dǎo)致干擾：

（2）產(chǎn)生芯片選通信號(hào)和控制信號(hào);

(3)從A/D轉(zhuǎn)換器讀出數(shù)據(jù)。

14、A/D574A與8031的接口

n+15V

1nO+5V

絡(luò)7CSo

4。15V

RW1

AD574A

100Q

74I,S373

REFIN

滿量程調(diào)控

RICREFOUT

片o

E4o-15V

8031100Q

2BIP0FF

EA

lOVin

模擬量輸入

20Vin

AGND

ALE12/8

WR

DGND

RDEF

STS

15、例：編寫采用杳詢法完畢一次A/D轉(zhuǎn)換的程序

解程序清單如下：

ORG0500H

START:MOVDPTR.,#8000H

MOVR0,#0FCH

MOVX@R0,A

LOOP:JBP1.0,LOOP

MOVR0.#0FEH

MOVXA,@R0

MOVX@DPTR,A

INCRO

INCDPTR

MOVXA,@R()

MOVX@DPTR.A

RET

七、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器

1、D/A轉(zhuǎn)換器重要有兩大類型：并行D/A轉(zhuǎn)換器和串行轉(zhuǎn)換器

（1）并行D/A轉(zhuǎn)換器

并行D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換器的位數(shù)與輸入數(shù)碼的位數(shù)相同，相應(yīng)數(shù)碼的每一位都有輸入

端，月以控制相應(yīng)的模擬切換開關(guān)把基準(zhǔn)電壓。前尸接到電阻網(wǎng)絡(luò),

%

2T52-2............/2f

輸入并行數(shù)?，最

并行D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度不久，只要在輸入端加入數(shù)字信號(hào)，輸出端立即有相應(yīng)的模擬電壓輸出。它的轉(zhuǎn)換

速度與模擬開關(guān)的通斷速度、電阻網(wǎng)絡(luò)的寄生電抗和運(yùn)算放大器的輸出頻率有關(guān)，但重要決定丁后者。

（2）串行D/A轉(zhuǎn)換器

串行D/A轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)圖如下圖:

注：具體講解見課本PI14

2、D/A轉(zhuǎn)換器的基本組成

（I）電阻網(wǎng)絡(luò)

（2）基準(zhǔn)電源：在D/A轉(zhuǎn)換器中，基準(zhǔn)電源的精度直接影響D/A轉(zhuǎn)換器的精度。

（3）模擬切換開關(guān)

（4）運(yùn)算放大器：D/A轉(zhuǎn)換器的輸出端一般都接有運(yùn)算放大器，其作用有兩個(gè)：一個(gè)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各支路電流進(jìn)

行求和，另一個(gè)是為D/A轉(zhuǎn)換器提供一個(gè)阻抗低、負(fù)載能力強(qiáng)的輸出。

3、D/A轉(zhuǎn)換器的重要技術(shù)指標(biāo)

（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率定義為最小輸出電壓（相應(yīng)的輸入數(shù)字量只有最低有效位為“1”）與最大輸

出電壓（相應(yīng)的輸入數(shù)字量所有有效位全為“I”）之比。分辨率=l/（2n-l）

（2）精度：精度分為絕對(duì)精度與相對(duì)精度兩種。

絕對(duì)精度是指輸入滿量程數(shù)字量時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸口值與理論輸出值之差，該偏差一般應(yīng)小于

+_l/2LSBo

相對(duì)精度是指絕對(duì)精度與額定滿量程輸出值的比值。相對(duì)精度有兩種表達(dá)方法：一種是用偏差多少LSBA

來表達(dá)；另一種是用該偏差相對(duì)滿量程的百分?jǐn)?shù)表達(dá)。

（3）線性誤差：線性誤差是指D/A轉(zhuǎn)換器芯片的轉(zhuǎn)換特性曲線與抱負(fù)之間的最大偏差。

（4）建立時(shí)間：建立時(shí)間是指D./A轉(zhuǎn)換器的輸入數(shù)碼滿量程變化（即從全“0”變成全“1”）時(shí)，其輸出模擬

量值達(dá)成范圍所需的時(shí)間。

2

（5）單調(diào)性（6）溫度系數(shù)（7）電源克制比（8）輸出電平（9）輸入代碼（10）輸入數(shù)字電平

（11）工作溫度

4、權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換器

權(quán)電阻D/A轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的方法是先把輸入的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的噗擬電流，然后再把模擬電流轉(zhuǎn)換為模擬電壓

輸出。

5、T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器

T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器的突出特點(diǎn)是：

（1）當(dāng)數(shù)字量相應(yīng)位為“1”時(shí)，相應(yīng)當(dāng)位的支路電流進(jìn)入求和放大器的輸入端；當(dāng)數(shù)字量相應(yīng)位為“0”時(shí),

相應(yīng)當(dāng)位餓支路電阻入地，從主線上消除尖峰脈沖的產(chǎn)生。

（2）為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換速度，可以使每個(gè)支路流過電阻2R的電流保持恒定，即不管輸入數(shù)字量的各位是

“0”還是“1”，相應(yīng)支路電流的大小不變。

T型電阻網(wǎng)路D/A轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)i能換速度比較快。在動(dòng)態(tài)過程中的尖峰脈沖很小，使得T型電阻網(wǎng)路D/A轉(zhuǎn)

換器成為目前D/A轉(zhuǎn)換器中速度最快的一種。

附:1、分辨率一一它說明A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。

2、轉(zhuǎn)換誤差一一表達(dá)A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論上的輸出數(shù)字量之間的差別。

3、系統(tǒng)的分辨率是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號(hào)最小的變化量。

4、A/D轉(zhuǎn)換器從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束，輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時(shí)間，這就是A/D轉(zhuǎn)換器

的轉(zhuǎn)換時(shí)間。其倒數(shù)就是A/D轉(zhuǎn)換器每秒完畢的轉(zhuǎn)換次數(shù),稱轉(zhuǎn)換速率。

5、多通道并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成？

每個(gè)通道都帶有獨(dú)自的采樣/保持器、信號(hào)調(diào)理電路直接送到計(jì)算機(jī)中去。

6、逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器完畢一次轉(zhuǎn)換所需時(shí)間與其位數(shù)和時(shí)鐘脈沖頻率的關(guān)系？

位數(shù)愈多，時(shí)鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換所需時(shí)間越短。

這是采樣過程；開關(guān)斷開時(shí)，電容C上的電

8、簡答題:

為什么A/D轉(zhuǎn)換需要采樣、保持電路？信號(hào)采集通道中是否需要采樣/保持器的依據(jù)是什么？

依據(jù)是：模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)、轉(zhuǎn)換結(jié)束到輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間。在此

轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號(hào)要基本保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度部2樣/

保持器。

9、分析題:

37、如圖逐次逼近型ADC轉(zhuǎn)換器的工作原理？

答：工作原理：逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器，就是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)

換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的相應(yīng)值。

10、計(jì)算題

例：37、若一抱負(fù)的3位ADC滿刻度模擬輸入為10V,當(dāng)輸入為7V時(shí)，求此ADC采用自然二進(jìn)

制編碼時(shí)的數(shù)字輸出量。

3-2.設(shè)某12位A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0—+5V,求出當(dāng)輸入模擬量為下列值時(shí)輸出的數(shù)字

量：(1)1.25V；(2)2V；(3)2.5V(4)3.75V；(5)4V；(6)5V

1.由于：3位ADC滿刻度模擬輸入為10V的輸出量：

精確度：10T0*l/23=10*7/8=8.75(V)所以：10/7=8.75/x；x=7*8.75/10=6.125(V)

1212

2.N=(2-1)U/UMUM=5V：2=4096

解：N=(212-1)*1.25/5=1023.75g21°；同理以此類推。

一、填空選擇題：

1、模擬量輸入通道的任務(wù)是什么？

把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PC機(jī)可以接受的數(shù)字量信號(hào)。

2、模擬多路開關(guān)的工作原理？

模擬多路開關(guān)是一種重要器件，在多路被測(cè)信號(hào)共用一路A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中,通常用來

將多路被測(cè)信號(hào)分別傳送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,以便PC機(jī)能對(duì)多路被測(cè)信號(hào)進(jìn)行解決。

3、程控增益放大器的工作原理？

運(yùn)用PC機(jī)采用軟件控制的辦法來實(shí)現(xiàn)增益的自動(dòng)變換U

4、跨接器的作用？短接。

二、計(jì)算題

4-K某數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有8個(gè)模擬通道。各通道輸入信號(hào)的頻率可達(dá)5kHZ,并且至少要用每個(gè)采

樣周期10個(gè)采樣點(diǎn)的速度進(jìn)行采樣。問：

(1)多路開關(guān)的切換速率應(yīng)是多少？(2)可選用什么類型的多路開關(guān)？

答:選用AD7501單片集成的CMOS8選1多路模擬開關(guān)。

切換速率為：t=1/5=0.2ms；v=l0/0.2=50(kbt)

二、填空與選擇題：

1、(CPU)和外設(shè)之間輸入/輸出數(shù)據(jù)的傳送方式通常有哪二種？各起什么作用？

程序控制傳送方式:生蚯傳送方式。

①無條件傳送方式假設(shè)外設(shè)已做好傳送數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備，CPU不必預(yù)先查詢外設(shè)的狀態(tài)。

②在查詢傳送方式下,CPU要不斷地查詢外設(shè),當(dāng)外設(shè)沒有準(zhǔn)備好時(shí)，CPU要等待，致使CPU

的運(yùn)用率不高。

2、串行通信的三種制式？其工作方式如何？

為單工、半雙工和全雙工三種制式。

3、異步串行通信接口重要有哪幾個(gè)？

RS-232接口;RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA電流環(huán)。

4、接口電路的作用？

由于CPU與外設(shè)之間速度不匹配等因素，在主機(jī)和外設(shè)之間需要加入接口電路。

三、簡答題：

1、CPU與I/O設(shè)備數(shù)據(jù)傳送的查詢式輸入輸出方式以及中斷方式輸入輸出的流程？

2、RS-449與RS-232c的重要區(qū)別?

2.

①RS-232c是運(yùn)用傳輸信號(hào)與公共地的電壓差，RS-449是運(yùn)用信號(hào)導(dǎo)線之間的信號(hào)電壓差。

②RS-449規(guī)定了兩種接口標(biāo)準(zhǔn)連接潛，一種為37腳，一種為9腳。

③RS-449比R5-232C傳輸速率高，通信距離K,噪聲低，RS-449通信電纜可與多個(gè)設(shè)備并聯(lián)。

四、分析題

1、結(jié)合圖分析說明AD574的12位ADC轉(zhuǎn)換器及接口電路的工作過程，編寫完畢一次A/D轉(zhuǎn)換的接

口程序。

1名ADC被換后的12位數(shù)據(jù)存入43?4OH中，三詢結(jié)果

MOVE>FTR.4xOOH，運(yùn)洲口土也址至!1

MOVX<^￡>PTR,A

SETBP1.0，HT“P1.O為鐲入歸益~

LXJOPsJBPl0,.LOOPs檢測(cè)Pl0口

IWCDFTR?使K/C—o-，

MOXAXA?@T>PTR;送*8位1

MOV41H,A*有8位?人?在存入

IZCDPTR.

Ib4CDPTR.健20,Ao均為12

MQVXA,@T>PTR，t賣低4位~

AWLA，#QFHs府ffen-n4,

P7IOV401-I,A，存入腮4位劊。。?!?

一、填空與選擇題：

1、內(nèi)部或外部噬聲對(duì)有用信號(hào)的不良作用。

2、傳導(dǎo)耦合,靜電耦合,電磁耦合,公共阻抗耦合。

3、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的參考接地點(diǎn)與PC機(jī)系統(tǒng)輸入或輸出通道的參考接地點(diǎn)之間存在一個(gè)電位差Ucm。這

個(gè)電位差Ucm是加在放大器輸入端上共有的干擾電壓,故稱共模干擾電壓。措施具體的有變壓器隔

離、光電隔離與浮地屏蔽等三種措施。

4、即噪聲源、有對(duì)噪聲敏感的接受電路和兩者之間的耦會(huì)通道。

5、浮置是指把儀器中的信號(hào)放大器的公共線不接外殼或大地的克制干擾措施。

①浮地就是運(yùn)用屏蔽方法使信號(hào)的“模擬地”浮空，使共模輸入阻抗大為提高，共模電壓在輸

入回路中引起的共模電流大為減少，使共模干擾降至很低，從而達(dá)成克制共模干擾的目的。

6、假如把某一物體放入空心導(dǎo)體的空腔內(nèi)，該物體就不受任何外電場(chǎng)的影響，這就是靜電屏蔽.

四、分析題

PO.O

PO.3

P0.4

■OUTI

P0.7I