天免大哥 3 数字化电气测量系统设计 电气工程系罗利文wluo@sjtu.edu.cn 上海交通大 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY
数字化电气测量系统设计 ▪ 电气工程系 罗利文 lwluo@sjtu.edu.cn
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.2 数字化电气测量系统基本构成 交流电压 PT/HALL/分压器 交流电流 CT/HALL/分流器 直流电压 模拟信 S/H Hall/分压器 & 16-32bits Hall/分流器 直流电流 号调理 温度/力等传感器 T、F A/D MCU&DSP PT/HALL/分压器 交流电压 脉冲 INT Capture CT/HALL/分流器 交流电流 整形 Control A脉冲 光电 B脉冲 正交脉 编码器 QEP DIR 冲整形 CPU ON 数字量 GPIO 输入缓 H & RAM OFF 冲接口 INT ROM
Page . 2 S/H & A/D Capture QEP GPIO & INT 16-32bits MCU&DSP 模拟信 号调理 脉冲 整形 正交脉 冲整形 数字量 输入缓 冲接口 L H 交流电压 交流电流 直流电压 A脉冲 B脉冲 DIR 直流电流 PT/HALL/分压器 CT/HALL/分流器 Hall/分压器 Hall/分流器 温度/力等传感器 光电 编码器 交流电压 交流电流 PT/HALL/分压器 CT/HALL/分流器 CPU RAM ROM INT Control ON OFF T、F 数字化电气测量系统基本构成
上海文通大学 SHANGHAI IIAD TONC UNIVERSITY Page.3 数据采集系统(S/H&A/D) 集中式 ·多路分时采集 多路同步采集 分布式 、 利用计算机网络将分散的数据采集站点联接成一个大 的数据采集系统
Page . 3 • 多路分时采集 • 多路同步采集 集中式 • 利用计算机网络将分散的数据采集站点联接成一个大 的数据采集系统 分布式 数据采集系统（S/H &A/D）
上游文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.4 集中式数据采集系统(S/H&A/D) ·按照是否多路共用采样保持器SH,多路模拟 传感器 调理电路 输入通道可分为 模拟多 AD 计 传感器 鸿理电路 采样/保持器 ·集中式数据采集 转换器 机 切换 ·多路分时采样 传感器 调理电路 ·不强调多路输入数据的相关性 ·分布式数据采集 (a)多路分时果集分时输人结构 ·多路同时采样 采用/ 传感器 调理电路 保持器 ·强调多路输入数据的相关性， 如同时采样电 模拟多路 传感器 采样/ 采样/ A/D 调理电路 压和电流计算功率、阻抗等。 保持器 保持器 转换 计算机 换 传感器 果样 调理电路 保持器 控制逻辑 (b》多路同步采集分时输人结构
Page . 4 ▪ 按照是否多路共用采样保持器S/H，多路模拟 输入通道可分为： ▪ 集中式数据采集 ▪ 多路分时采样 ▪ 不强调多路输入数据的相关性 ▪ 分布式数据采集 ▪ 多路同时采样 ▪ 强调多路输入数据的相关性，如同时采样电 压和电流计算功率、阻抗等。 集中式数据采集系统（S/H &A/D）
上海充通大学 5 HIANCIHEAI1n作TtB时etty Page.5 分布式数据采集系统 上位机 通信接口 数据 数据 数据 数据 采集站1 采集站2 采集站3 采集站N 个 模拟信号和数字信号 ·每个采集站都可成为数据采集系统 。不要求实时数据，一般用于设备的数据维护和管理
Page . 5 分布式数据采集系统 • 每个采集站都可成为数据采集系统 • 不要求实时数据，一般用于设备的数据维护和管理
上海充通大￥ SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.6 常用片上外围接口 可用的微处理器种类非常多，但片上外围接口基 本一致。 通信接口 A/D输入 外部中断 外部事件 显示接口 (I2C、SPIL、 脉冲捕捉 正交编码 编程及调调试工具： 接口 输入接口 计数输入 (LED、 bCI、CAN、 接口 脉冲接口 PWM输出 试平台： ]tag仿真 接口 LCD) IAR,Keil USB) (Capture) (QEP) 器
Page . 6 常用片上外围接口 可用的微处理器种类非常多，但片上外围接口基 本一致。 A/D输入 接口 外部中断 输入接口 外部事件 计数输入 接口 显示接口 （LED、 LCD） 通信接口 （I 2C、SPI、 SCI、CAN、 USB） 脉冲捕捉 接口 （Capture） 正交编码 脉冲接口 （QEP） PWM输出 编程及调 试平台： IAR，Keil 调试工具： Jtag仿真 器
上海充通大￥ SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.7 A/D转换器基础 AVD转换器：将模拟量转换成与之相应的数字量的器件 A/D转换过程主要包括采样、量化和编码三个过程组。 采样：把输入连续变化的 量化：把采样取得的在时 模拟量离散化，即变成时 编码：把已经量化的数字 域上断续但是在幅值上连 间域上断续的模拟量。 续的模拟量进行量化。 量用一定的代码表示输出
Page . 7 A/D 转换器基础 A/D转换器：将模拟量转换成与之相应的数字量的器件。 A/D转换过程主要包括采样、量化和编码三个过程组。 采样：把输入连续变化的 模拟量离散化，即变成时 间域上断续的模拟量。 量化：把采样取得的在时 域上断续但是在幅值上连 续的模拟量进行量化。 编码：把已经量化的数字 量用一定的代码表示输出
上海充通大￥ SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.8 A/D转换器的主要技术指标 3.转换速度 转换速度是战次换所用的时间。钱换逯度与转换原理有 速黛 位 10 原 季 多沙伊 8心模 串 最 受到转换递度的时限制。“如5u5闪完成0 位5转换的高逯转糗器，°这样，其采样频率可高达20KHZ
Page . 8 A/D转换器的主要技术指标 1．分辨力: Q=VFS／2 n • 位数n越多，则量化增量越小，量化误差越小，分辨力也就 越高。常用的有8位、10位、12位、16位、24位等。 例 如，某 A／D转换器输入模拟电压的变化范围为-10V～+10V， 转换器为 8位，若第一位用来表示正、负符号，其余 7位表 示信号幅值，则最末一位数字(一个LSB)可代表80mV模拟电 压，即转换器可以分辨的最小模拟电压为80mV。而同样情 况用一个 10位转换器能分辨的最小模拟电压为20mV（分辨 力 Q=10V／2 9≈20mV）。 2．转换精度（最大量化误差） • 由于采用了四舍五入的方法，最大量化误差为 分辨力数值的一半。全量程的相对误差则为（Q ／2VFS×100％）。可见，A／D转换器数字转换 的精度由最大量化误差决定。实际上，许多转 换器末位数字并不可靠，实际精度还要低一些。 3．转换速度 • 转换速度是指完成一次转换所用的时间。转换速度与转换原理有 关，如逐位逼近式A／D转换器的转换速度要比双积分式A／D转 换器高许多。除此以外，转换速度还与转换器的位数有关，一般 位数少的转换器转换速度高。目前常用A／D转换器转换位数有8、 10、12、14、16位，其转换速度依转换原理和转换位数不同而 不同，一般在几微秒至几百毫秒之间。 • 由干转换器必须在采样间隔Ts内完成一次转换工作，因此转换器 能处理的最高信号频率就受到转换速度的限制。如50us内完成10 位A／D转换的高速转换器，这样，其采样频率可高达20KHZ
上海文通大￥ SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.9 A/D转换原理 逐次比较 (SAR) 型ADC 并行比较型AVD转换器 双积分型(Dual Ramp)ADC ∑-△型ADC工作原理
Page . 9 逐次比较（SAR）型ADC 并行比较型A/D转换器 双积分型（Dual Ramp ） ADC Σ-Δ型 ADC 工作原理 A/D 转换原理
上海文通大学 SHANGHAI IIAD TONG UNIVERSITY Page.10 逐次比较(SAR) 型ADC 3bits逐次逼近式转换器的构成和工作 D/A转换器 原理 D2 DI 二进制代码 声 Do 输出 ·1.控制电路使SAR寄存器的输出为100，经过 D2 DiDo D/A转换成相应的电压Vr,送到电压比较器于 CLK- SAR寄存器 模拟输入电压Vin进行比较，若Vin>Vr,则通过 比较器 控制电路将最高位的1保留，反之，则将最高 Vin- 控制电路 位置0； 模拟电压输入 ·2.接着将次高位置1，再经D/A转换为相应的 特点： 电压Vr,重复上一步，根据比较结果决定次 ·一般最快转换时间>1us 高位是1还是0；最后所有位都比较结束后， •电路规模中等，功耗低 转换完成。这样SAR寄存器中保存的二进制 •低分辩率（12位)时价格很高
Page . 10 逐次比较（SAR）型ADC 3bits逐次逼近式转换器的构成和工作 原理 • 1.控制电路使SAR寄存器的输出为100，经过 D/A转换成相应的电压Vr,送到电压比较器于 模拟输入电压Vin进行比较，若Vin>Vr,则通过 控制电路将最高位的1保留，反之，则将最高 位置0； • 2.接着将次高位置1，再经D/A转换为相应的 电压Vr，重复上一步，根据比较结果决定次 高位是1还是0；最后所有位都比较结束后， 转换完成。这样SAR寄存器中保存的二进制 数就是A/D转换后的输出数码。 + - 控制电路 SAR寄存器 D/A转换器 D2 D1 D0 二进制代码 输出 CLK 比较器 模拟电压输入 D2 D1D0 Vr Vin 特点： •一般最快转换时间>1us •电路规模中等, 功耗低 •低分辩率（12位）时价格很高