【国家级课程】-浙江大学—《微机原理与接口技术》-（1217）案例设计与分析.ppt 微机系统设计案例分析 浙江大学光电系 2010.12 主要内容 数据采集系统设计案例 数字频率计设计案例 温度测控系统设计案例 数据采集系统设计案例 数据采集系统的结构 多路模拟开关 采样/保持器 A/D转换器选择原则 数据采集系统的结构 数据采集系统的结构 多路模拟开关 多路开关完成多路信号到一路的转换；或反向多路开关（多路分配器），完成一到多的转换。 模拟开关的主要参数： 接通电阻：RON，越小越好。 断开电阻：ROFF，越大越好。 CD4051是双向8通道多路开关，输入电平范围宽，其数字量信号电平幅度可为3V～20V，模拟量信号的峰值可达20V。 CD4051带有三个通道选择输入端A，B，C和一个使能端INH，低电平有效。 CD4051真值表 使用使能端INH，可以方便地实现通道数的扩展，用两片CD4051可组成16路的多路开关。 采样/保持器 为了保证A/D转换的精度，在转换时间τ内模拟信号应保持不变。通常在对高频信号进行A/D转换时，在A/D转换器的前端加入采样/保持（S/H）电路。 采样/保持电路有采样和保持两种状态，其原理如图所示。电容CH为保持电容，运放A1和A2都接成跟随器，其运行状态由方式控制输入端来决定。 在采样状态下，S闭合，由于跟随器A1的隔离作用，输入模拟电压以很快的速度给CH冲电，输出随输入变化。 在保持状态下，S打开，此时由于跟随器A2的隔离作用，电容CH两端的电压（即输出电压）将保持不变，直到新的采样命令到来为止。 采样/保持器的技术参数 1. 孔径时间（tAP） 孔径时间是指发出保持指令到开关真正打开所需要的时间。孔径时间对高频信号的转换精度会有影响。孔径时间一般在10ns～20ns量级。（通常可以忽略） 2. 捕捉时间（tAC） 捕捉时间是指从开始采样至采样保持器输出达到当前输入信号的值所需要的时间。它与保持电容器CH的值，放大器的频响时间以及输入信号的变化幅度有关。 显然，A/D转换的采样时间必须大于捕捉时间，才能保证采样阶段充分地采集到输入模拟信号。一般采样/保持电路的捕捉时间在几us到几十us之间。捕捉时间将影响信号的采样频率。 3. 保持电压的下降 指在保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散漏电流而引起的保持电压的下降，其值一般在0.1μV/s～15μV/s之间。 外接保持电容CH ： 保持电容直接影响捕捉时间和保持下降率，这2个参数是相互矛盾的，所以要权衡后作出选择。 1、电容值的大小：电容值小，捕捉时间短，可以提高采样频率；但保持下降速率提高，要影响转换精度。 2、电容的材料：要选择滞后小（介质吸收小）的介质做成的电容器。 最好的是聚丙烯电容，其次是聚苯乙烯、聚四氟乙烯电容。 A/D转换器选择原则 考虑因素：分辨率、精度、转换速度 （根据数据采集系统的精度指标（总的检测误差），在系统的前向通道进行误差分配。） 系统总误差是分配在各环节上的（传感器精度、信号调节电路精度和A/D转换精度），根据分配在A/D上的误差，选择A/D转换器的位数和精度。 根据检测信号的频率（变化率）及转换精度要求，确定A/D转换速度，以保证系统的实时性要求。对快速信号还要考虑是否要加采/保电路。 根据环境条件选择A/D芯片的一些环境参数要求。如工作温度、功耗、可靠性等。 例如：要求设计一温度测量仪，测量范围：0～100 ?C，经信号调理后对应输出电压为0～5V；要求测量误差≦?1?C。 误差分配： 温度传感器测量误差?0.5 ?C； 信号调理电路误差折合： ? 0.2 ?C； A/D转换器的误差允许： ? 0.3 ?C。 A/D转换器分辨率和精度的选择： 先计算0.3 ?C对应的电压值是5000mV×0.3/100＝15mV，所以不能用8位A/D转换器（分辨率为19.6mV），可选用10位（分辨率为4.88mV）或12位A/D（分辨率为1.22mV）；精度可以选择?1～2LSB。 数字频率计设计 V/F转换与接口技术 频率测量原理 高频测量方法与误差分析 低频测量方法与误差分析 V/F转换与接口技术 V/F转换：把模拟信号转换为与输入电压成比例的频率信号。 V/F转换器是把电压信号转变成频率信号的器件，具有良好的精度、线性和积分输入特点。 V/F转换器的应用电路简单，外围件性能要求不高，适用于对采样速率要求不高的场合。 频率信号与计算机接口特点 接口简单、占用计算机硬件资源少。对于一路模拟信号只要占用一个数字输入通道。 频率信号输入灵活。可输入到单片机或微处理器的任一根I/O线或作为计数输入或作为中断源等。 抗干扰性能好。频率信号与计算机的接口很容易采用光电耦合器进行光电隔离，提高系统的抗干扰能力。
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