Transcript 第15章数据采集系统

第15章
数据采集系统
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第15章 数据采集系统
15.1
传感器
15.2
信号调理电路
15.3
15.4
15.5
15.6
模拟多路开关
采样/保持器
模/数转换器
数据采集系统设计
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15.1 传感器

传感器（sensor）是信息采集系统的首要部件，
且置于系统的最前端，它对系统的功能起着决
定性的作用。
传感器的分类方法很多，较常用的有以下几种：⑴ 按
被测量的类型来分可分为位移、压力、温度、流量、
转速、气体成分等传感器。⑵ 按传感器的作用原理来
分可分为：电阻式、电感式、磁电式、压电式、电容
式、光电式、热电式、谐振式、力平衡式等传感器。
⑶ 按能量关系来分可分为：能量转换型（无源型）传
感器、能量控制型（有源型）传感器。⑷ 按输出量类
型来分可分为：模拟式传感器、数字式传感器。
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国际上习惯称智能传感器为“Intelligent sensor” 或者为
“smart sensor”，它是能够与微处理器有机结合，具有信息检
测和信息处理功能的传感器。这里讲的与微处理器结合有两
方面含义：一是把敏感元件、信号调理电路、采集电路与微
处理器在工艺上集成在一块芯片上，这种传感器称为集成智
能化传感器或单片式传感器。
非
电
量
传
感
传
感
器
信
号
调
理
器
数
据
采
集
电
路
微
处
理
器
外
部
通
信
接
口
总线
单片智能传感器原理框图
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智能传感器的基本功能
智能传感器具有以下基本功能：
（1）具有自调零、自校准、自补偿的功能。
（2）具有自动诊断、检验功能。
（3）能够自动进行数据采集及预处理。
（4）具有数据存储、记忆、分析、判断、决策功能。
（5）具有双向通信功能。
智能传感器与传统传感器的区别
与传统传感器相比智能传感器具有以下特点：
（1）精度高。
（2）可靠性、稳定性及信噪比大大提高 。
（3）功能更多 。
（4）自适应能力强 。
（5）性价比更高。
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15.2 信号调理电路
数据采集系统的主要任务是检测信息，并对这些信息进行
分析、处理。非电量经传感器转换成的电信号是千差万别的，
有模拟信号、频率信号、逻辑信号等，其中有些信号非常微小
（可能只有几毫伏），有些信号夹杂在大量的干扰之中，甚至
被干扰所淹没。对于这些信号处理方法各不相同，但最终都要
把它们变成标准信号供模/数转换器转换，然后送入处理器中去
分析、处理。同时，某些传感器内阻比较大，输出功率比较小，
还需要进行阻抗变换处理。因此信号调理电路的任务非常复杂，
除了小信号放大滤波外，还有诸如信号缓冲、零点校正、线性
化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等，这些操作统称为
信号调理，相应的执行电路为信号调理电路。信号调理电路处
于数据采集系统的最前端，它的任务是有效抑制干扰、放大有
用信号。它的设计质量会直接影响到系统的精度、数据采集速
度、分辨率等一系列指标。
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滤波电路
传感器采集来的电信号都混杂有不同程度的
干扰噪声，严重情况下，这些干扰会淹没有用信
号。虽然干扰噪声和有用信号混杂在一起，但在
频域上二者有不同的特性，因此可以通过滤波电
路选出有用信号。
滤波电路可按以下几种方式分类。按是否使用有
源器件分类、按选频特性分、按选频特性分、按
逼近方式来分类、按电路结构分类。
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一、按是否使用有源器件分类
滤波器按结构分为有源滤波器和无源滤波器。无源滤波器
是指用无源器件如电感、电容、电阻组成的滤波电路，下
图为一最简单的L型无源RC低通滤波器，Ui（jω）为输入电
压，Uo（jω）为输出电压，传递函数为：
1
H j  
1  jRc
它随输入信号的频率增加而成下降趋势。 即对高频信号有
衰减作用。 +
+
U i（jω）
R
C
-
U o（jω）
-
RC低通滤波器
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无源滤波器在低频场合使用时需要的电感、电容值
很大，而大电感不仅体积大，而且价格昂贵，RC电路尽
管可以做到体积小、廉价，但电阻会消耗能量，选择性
差，效果不佳。
有源滤波器是指利用有源器件（晶体管或集成运算
放大器）、电容和电阻等组成的滤波电路,它具有体积小、
重量轻的特点，同时可利用有源器件不断补充由电阻造
成的损耗，改善了对频率的选择性，而且它还具有无源
滤波器所不具有的信号放大、信号缓冲功能。因此在低
频领域（<1MHZ）得到广泛使用。当然集成运放的带宽
有限，所以有源滤波器的最高工作频率受运放的限制，
这是它的不足之处。在这里主要介绍有源滤波器的特性。
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二、按选频特性分
滤波器（电路）为频率选择电路，当信号通过滤波电路
时，被衰减的信号频率范围称为阻带，被传输的信号频率
范围称为通带，即滤波电路只允许通带内的频率信号通过。
因此滤波电路按其频率特性分可分为低通滤波电路（Low
Pass Filter,简称LPF）、高通滤波电路（High Pass Filter,简称
HPF）、带通滤波电路（Band Pass Filter,简称BPF）、带阻
滤波电路（Band Reject Filter,简称BRF）等四类。它们的理
想幅频特性曲线如下图所示。
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H（jω）
H（jω）
阻带
阻带
通带
ω
0
H
ω
（a）低通电路（LPF）
通带
ω
0
ω
L
（b）高通电路（HPF）
H（jω）
H（jω）
通带
阻带
0
ω ω ω
L
0
通带
阻带
H
（c）带通电路（BPF）
ω
0
阻带
通带
ω ω ω
H
0
L
ω
（d）带阻电路（APF）
各种理想滤波器幅频特性曲线
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按阶次分类
实际可实现的滤波器复频域传输函数为一有理数
AS  
bm S m  bm  1S
S n  an  1S
m1
n 1
   b1 S  b0
   a1 S  a0
式中a 、b为实常数，n为滤波器的阶数，滤波器按其阶次可
分为一阶滤波器、二阶滤波器、三阶滤波器等等 ，这里m
小于或等于n。
一阶滤波器的传递函数可为
b 2 S 2  b1 S b 0
AS   2
S  a1 S  a 0
b 2 S 2  b1 S b 0

n S
2
2
S 
 n
Q
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按逼近方式来分类
各种滤波器的实际频率响应特性与理想情况是有
差别的，理想滤波器不可能用实际电路实现，只能
寻求出某一传递函数，使其幅频特性和相频特性逼
近理想特性，通常用频带内所允许的最大衰减或带
阻内最小衰减及滤波陡度等主要技术指标来表示实
际特性逼近理想特性的程度。
20 lg
A j 
/ dB
A0
巴特沃兹
0
契比雪夫
贝塞尔
-20
1
10
三种同阶低通滤波器的幅频特性
ω/ω0
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放大电路
传感器的输出信号大小形式各不相同，就需要不同
的放大电路与之相匹配，放大电路包括最普通的比例放
大电路（有时和滤波电路结合）、低漂移放大器、交流
电桥输出型放大电路、测量放大电路、程控增益放大电
路等等。
下面以测量放大电路、程控增益放大电路、隔离放
大电路为例进行说明。
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测量放大器
普通的比例放大器只能在没有干扰的情况下对小信
号进行放大，然而，传感器的工作环境往往是比较复杂
和恶劣的，工频、静电和电磁耦合等共模干扰信号有时
会很严重。虽然很多运算放大器共模抑制比（CMRR）
较高,但还是不能够对来自信号源的共模干扰信号起到有
效的抑制作用。测量放大器就是专为这种场合设计的放
大电路。
在微弱信号的检测系统中通常采用测量放大电路
（又称仪表放大器）作为前置放大器。它具有高输入阻
抗、低输出阻抗、强共模干扰抑制能力、低温漂、低失
调电压和高稳定增益等特点。
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电路的组成和工作原理
下图为由三个单运放组成的测量放大器，它由两级组成，
两个对称的同相放大器A1、A2构成第一级,差动放大器
A3构成第二级，若A1、A2选用相同特性的运放，则它们
的共模输出电压和漂移电压也都相等，通过差分放大器，
可以相互抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输
出漂移电压，同时该电路可具有较高的差模电压增益。
为保证精度常采用精密匹配的外接电阻。同时要求
R1=R2、R3=R5、R4=R6。
u1
uo1
+
-
A1
n
R3
R4
-
R1
R2
RG
A3
uo
+
u2
A2
+
uo2 R5
p
R6
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设三个运放都是理想运算放大器，则有
u1  u 2
u o1  u1 
R1
RG
uo2  u 2 
u1  u 2
R2
RG
由上式可得出第一级放大器的放大倍数
A f 1
uo1  uo 2
R  R2
2R
1 1
1 1
u1  u2
RG
RG
整个放大器的闭环放大倍数为
Af 
uo
u1  u 2

2R  R
 1  1  4
RG  R3

调整电阻即可改变放大倍数
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下面讨论电路的共模抑制比，设CMRR1为运放A1的共模
抑制比，CMRR2为运放A2的共模抑制比，CMRRA为第一
级放大器的共模抑制比，CMRRB为第二级差动放大器的
CMRR1  CMRR2
共模抑制比，则
CMRRA 
CMRR1  CMRR2
整个测量放大电路的共模抑制比为
CMRR 
A f 1CMRRB  CMRR A
A f 1CMRR B CMRRA
由于第一级放大器结构对称，所以CMRR1= CMRR2，
CMRRA趋近于无穷大，上式可化简为
CMRR  A f 1  CMRRB
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一般情况下，取测量放大电路的第二级放大器增
益为Af2=1, Af1= Af ,可见测量放大电路的共模抑制比
比普通差动放大电路提高了Af倍。为了提高整个电
路的共模抑制比，通常将第一级差放的增益做的很
大，同时尽量提高第二级差动放大器的共模抑制比。
在某些只需对信号简单放大的情况下，采用一
般运放组成的测量放大器来对传感器的输出信号放
大是可行，为了保证精度常需采用精密匹配的外接
电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益的非
线性也比较大，因此在要求较高的场合，常采用集
成测量放大器。
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隔离放大器
隔离放大器又称隔离器，它是采用隔离放大技术的放
大器，它不仅具有通用运放的特性，而且由于它的输入
回路与输出回路和电源之间没有直接的电路耦合，信号
的传递和电源的传递均通过变压器耦合或光电耦合实现，
所以输入回路与输出回路之间有良好的绝缘性能，绝缘
电阻可达数十MΩ。
许多测量系统的输出与仪表和信号源间的地电位差
以及电磁感应产生的共模干扰有很大关系。普通的差动
放大器和测量放大器虽然也能抑制共模干扰，但却不允
许共模电压高于放大器的电源电压，而隔离放大器不仅
具有很强的共模抑制能力，而且能承受上千伏的高共模
电压。因此隔离放大器一般用于信号回路具有很高的共
模电压的情况。
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被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化
三、程控增益放大器
范围不同，此外在多路数据采集系统中，也经常遇到各
路信号动态范围不一致的情况，因此在数据采集系统中，
当被测量变化范围较大时，通常会通过改变放大器增益
的办法，来实现对不同幅度信号的放大，即信号通过放
大器后，具有合适的动态范围，以保证A/D转换的精度。
程控放大器又称数控放大器，它是利用程序控制的
办法来实现增益的自动变换。目前，数字控制系统中最
常使用的数控增益放大器有以下几种：增益电阻切换型、
D/A转换器实现型、浮点放大器型。
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下图为利用改变反馈电阻的办法实现的可变增益放大电
路，它其实是采用多路开关来切换放大器中决定增益的电阻，
从而来改变放大器的增益，这种电路的缺点为：当切换增益
电阻时，会因运放输入端电阻失去对称性而使放大器共模抑
制比降低、零漂增大。为克服这一缺点，通常采用的方法是：
由测量放大器与多路模拟开关配合，来实现自动增益控制。
目前使用最多的是集成程控测量放大器,它是将所需电阻、
多路开关及其控制电路与运放都集成在同一组件中。
R5
K1
R4
R3
K2
K3
R1
ui
uo
R2
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15.3 模拟多路开关
模拟多路开关又称为多路模拟信号转换器，简称
MUX（Analog Multiplexer）。它是具有公共输入端（或
公共输出端）的多个模拟开关的集合体。它的作用是切
换各路输入信号，是数据采集系统的主要部件之一。目
前大量生产和广泛使用的MUX组件几乎全是CMOS型的。
模拟多路开关种类繁多，但其基本功能基本相同，只是
在引线排列及通道数、漏电流、输入电压、方向切换等
性能参数上有所不同。下图是集成MUX的一种典型结构。
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COM
IN/OUT1
CH1
A1
CHn
模
拟
开
关
驱
动
器
通
道
地
址
译
码
器
地
址
缓
冲
寄
存
器
逻
辑
电
平
转
换
器
A2
…
…
IN/OUTn
…
IN/OUT2
Am
INH
集成MUX结构示意图
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15.4
采样/保持器
模/数转换器在对模拟信号进行转换的过程中，需要一定的
稳定时间（孔径时间），为保证模/数转换的精度，应在它前面
加入采样/保持器。采样/保持器（S/H）有采样和保持两种工作
状态：在采样期间，其输出能跟随输入的变化而变化，而在保
持状态，能使其输出值保持不变。因此利用采样/保持器，在
A/D启动转换时，保持住输入信号，从而可避免孔径时间带来
的转换误差。A/D转换结束后，又能跟踪输入信号的变化。在
进行多路瞬态采集时，可给多个采样/保持器在同一时刻发出一
个保持信号，则能得到各路信号某一时刻的瞬时值，然后可依
次对各路保持信号进行模/数转换。
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采样/保持器的工作原理如下图所示，A1为高输入阻
抗的场效应管组成的跟随器，A2为输出缓冲器，开关K
是由工作方式控制输入端所控制的开关。电容器CH为保
持电容。在采样状态下，采样命令由控制输入端控制开
关K使其闭合，输入信号ui经放大器A1向电容器CH充电。
由于开关K的导通电阻和A1的输出阻抗很小，充电速度
很快，因此输出电压u0跟随输入电压ui变化。在保持状
态下，开关K打开，由于运算放大器A2的输入阻抗很高，
在理想情况下，电容器C两端的电压（即输出电压）将保
持充电的最终值，直到新的采样命令到来。
ui
K
A1
+
A2
uo
+
方式控制
CH
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15.5
模/数转换器
模/数转换器习惯上被称为A/D转换器或ADC，它是数据采集系
统的核心。它的任务是把模拟量转换成数字量。在一般情况下，
这个模拟量是指电压而言。
无论是分析或设计数据采系统，还是面对课题选购ADC芯片，
都会涉及有关ADC的技术指标及术语。所以非常有必要弄清一
些有关的基本概念。同时要注意世界各公司生产的A/D转换器所
给出的技术指标在其名称和表达方式上不完全相同，在使用时
应充分注意。
1.分辨率
分辨率反映转换器所能分辨的输入模拟量的最小值。即输
出数码增加或减少一个单位所对应的输入信号最小变化量。它
取决于A/D转换器的位数n。因此分辨率通常用二进制数码的位
数来表示。如8位A/D转换器的分辨率即8位。说明它能分辨出的
U
U
输入电压的最小量为：1LSB  FS
 FS
8
2
256
其中UFS为A/D转换器的满度值。
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2. 转换精度
转换精度反映了转换结果相对于实际的偏差。它有两种表示方
法：
（1）绝对精度
A/D转换器所输出的任何数码所对应的实际模拟电压与理想的电
压值之差值并非为一个常数，把这个差值的最大值定义为绝
对精度。通常用最低位的倍数来表示。如 1LSB 、1/2 LSB。
（2）相对精度
通常用绝对精度除以满量程的百分数来表示。转换精度有时以
综合误差指标的表达方式给出，有时又以分项误差的表达方
式给出。通常给出的分项误差的指标有：量化误差、偏移误
差、满刻度误差、非线性误差等。
（3）转换速率
ADC的转换速率是指每秒钟所能完成的A/D转换次数。完成一次
转换所需要的时间称为转换时间。
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A/D转换器的种类
目前ADC芯片型号很多，在精度、速度、价
格方面千差万别。较为常见的主要分以下几类。
下面简要介绍它们的工作原理。
1.逐次逼近型A/D转换器
目前流行的逐次逼近型A/D转换器产品主要
有两类，一类属于双极型集成电路，另一类属于
CMOS线性集成电路。前者的转换速率较高，一
般在0.1μs～40μs范围内，后者的转速率略低，
一般在20μs～200μs范围内。后者因功耗低、价
格便宜而被广泛应用。目前常用的单片集成化逐
次逼近型A/D转换器一般为8～12位、主要应用
于中高速数据采集系统。
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双积分型A/D转换器
双积分型A/D转换器实质上是一个“电压－时间－数
字”间接A/D转换器。双积分式A/D转换器与逐次逼近式
A/D转换器相比，最大的优点是它具有较强的抗干扰能力，
因为ADC的转换结果正比于模拟输入电压在定时阶段的
平均值，所以对于周期等于T1或T1/m（m为正整数）的
对称干扰（即在整个周期内平均值为零的干扰）在理论
上具有无穷大的抑制力。常用的测控系统中经常碰到的
是50HZ工频干扰，所以ADC的定时积分时间T1通常选为
20ms的整数倍。如果ADC要求外接时钟，那么时钟频率
fcp应为：
NFS  50
fcp 
m
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双积分式A/D转换器的性价比非常高，这是因为在
转换过程中的两次积分中使用了同一积分器，转换结果
和精度与积分器的有关参数没有很大关系，所以对相关
元件的性能指标要求不是非常高，降低了成本。
双积分式A/D转换器的编码非常方便，数字量输出
既可以是二进制的也可以是BCD码的，这仅仅取决于计
数器的计数规律。
双积分式A/D转换器的缺点是速度慢。因为它的转
换时间等于两次积分的时间和加上一个准备复位时间，
一般为几到几十毫秒。一般只适用于对温度、压力、流
量等变化缓慢参量的检测和控制。
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并行比较型ADC和串－并比较型ADC
并行比较型ADC又称为闪烁式ADC，并行比较型
ADC转换速度非常快，其转换时间只取决于比较器及逻
辑控制电路、寄存器、译码器的延时时间，通常在几纳
秒到几十纳秒之间，如美国RCA公司生产的CA3308其转
换速率可达15MHZ。但这种类型的ADC分辨率很难提高，
因为速度高是以牺牲片内器件数量为代价的，如8位并行
比较型ADC就需要256个低漂移比较器（含过量程比较器）
和256个精密电阻。所以并行比较型ADC的位数一般不超
过8位，并且只在高速采集时才被采用。
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∑—△型模/数转换器
传统的积分式或逐次比较式ADC的主要缺点是分辨力较低，
成本较高，线性度不够理想，且抑制噪声的能力相对较差。近年
来随着大规模集成电路技术（VLSI）的发展，高性能∑—△型模
/数转换器，已成为数字通信、数字音响等领域的主流产品。它
能以很高的采样速率将模拟信号转换成数字信号，再通过采样、
噪声整形和数字滤波等方法来提高有效分辨率。它具有滤除量化
噪声能力强、分辨率高、线性度好、成本低等显著优点。此外它
对串模干扰的抑制能力很强，而对外围元件的精度要求不太高。
由于采用了数字反馈式比较，因此比较器的失调电压即零点漂移
不会影响转换精度。
由于∑—△型模/数转换器具有积分式或逐次比较式模/数转
换器无法比拟的优点，所以已经在音频范围内得到了广泛的应用，
许多公司相继推出了应用∑—△技术的芯片，如美国AD公司生产
的AD7701（16位）、AD7703（20位）、AD7710（24位）、
AD7701（16位且带放大倍数为1～128倍的可编程放大器）及美
国ADI公司的ADu812系列单片数据采集系统。
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模/数转换器应用举例
12位逐次逼近式快速模/数转换器AD574
AD574是应用广泛、价格适中的一种低功耗模/数转
换器，它内配三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8
位或16位微处理器相连；且片内包含高精度的参考电压
源（10.0V）和时钟电路；它共需三组电源：VCC（5v）、
VSS（-12V～-15V）、VDD（+12V～+15V）；，输入
模拟信号范围可为单极性0～+10V，0～+20V，也可为双
极性-5V～+5V或-10V～+10V；它的转换时间分别为
25μs（12位转换时）、12μs （8位转换时）；它的线性
工作范围宽，在恶略环境下亦能稳定工作。下图为
AD574与89C51单片机的一接口电路实例。
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15.6
数据采集系统设计
如果要设计一个数据采集系统，总体方案是关键，
它直接影响着系统的技术先进性、经济指标和性能价格
比。在设计总体方案之前，首先必须充分了解输入信号
的特性以及系统要求，如待测信号的数量，是模拟量还
是数字量，信号的强弱和变化范围、是电压还是电流输
出、信号变化速度、要求的分辨率、现场的干扰大小、
信号源输出阻抗的大小、系统要求的采集、控制精度等
等。根据这些条件来确定系统的精度、采集速度、抗干
扰能力，从而对采集系统进行设计。其次要合理配置系
统，恰当安排软件、硬件功能。
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数据采集系统结构形式的确定
对数据采集系统进行设计时，要根据系统性
能要求及被测信号的特点来选择系统的结构形式。
常见的系统数据采集形式有以下几种。
1.数据采集系统
这种数据采集系统转换精度很高，速度快，
但成本非常高，适合于采样点少、精度要求高的
系统。其方框图见下图
输入信号
信号调理电路
S/H
CPU
A/D
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2. 通道并行数据采集系统
这种数据采集系统中（如下图）每个通道都带有独
自的采样/保持器、信号调理电路和A/D转换器，各个通
道的信号可以独立进行采样和A/D转换。转换的数据可经
过接口电路直接送到计算机中去，数据采集的速度快，
但占用大量资源。如被测信号为静态或变化缓慢的信号
则可以不加采样/保持器。
A/D
…
信号调理电路
S/H
…
…
信号调理电路
…
输
入
信
号
S/H
A/D
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C
P
U
退出
信号调理电路
S/H
…
…
输
入
信
号
…
3.多通道同步型数据采集系统
在这种采样系统中，所有通道共享A/D转换器，这种采样形式，
适合于各通道的转换精度、转换速度要求基本一致的场合，它占
用CPU的输入口较少，CPU对每个通道的访问，可以由软件决定，
也可由硬件决定。由于每一路都有采样/保持器，可以在同一个指
令控制下对各路信号同时采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时
值，多路模拟开关分时将各瞬时值送入A/D转换器进行转换。因
此这种系统被称为同步型数据采集系统。这是一种比较经济的工
作方式，尤其对于那些接口有限的微型机。这种采样系统的不足
之处：一是采集速度较前两种方式慢，二是在被测信号路数较多
的情况下，同步采得的信号在采保器中保持的时间会加长，使信
号有所衰减，由于各路信号保持的时间不同，致使各个信号的衰
减量不同，出现一定的误差。
信号调理电路
S/H
A/D
MUX
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C
P
U
退出
4.多通道共享采样/保持器与A/D转换器
如图，这种结构采用分时转换的工作方式，各路被测信
号公用一个采样/保持器和一个A/D转换器。它对信号的
采集是由多路转换开关分时切换、轮流选通的，因此不
能获得同一时刻的数据。这种结构形式简单，所用芯片
数量少，它适用于信号变化速率不高，对采样信号不要
求严格同步的中、低速采集系统。
…
信号调理电路
…
输
入
信
号
信号调理电路
M
U
X
S/H
A/D
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C
P
U
退出
近年来为了适应采集与控制的需要，一些厂家设计了
各种直接插入计算机插槽的数据采集接口卡，利用这些采集
卡，可方便的构成一个数据采集系统或自动测量系统。从而
大大节省硬件的研制时间。目前应用较多的采集卡主要有基
于ISA总线和基于PCI总线的数据采集卡。采集卡中通常包
括ADC、DAC、MUX开关、采样/保持器、程控放大器，此
外还包括数字量的输入输出接口、定时计数通道、总线接口
逻辑电路、DMA控制器和电源，可以非常方便的与计算机
适配。在使用这些数据采集卡时应着重了解采集卡的结构和
参数、总线要求，以便进行系统设计，并认真熟悉其基地址、
操作接口地址、控制数据格式和汇编语句格式，为软件设计
打下基础。
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系统参数设计和器件选择
1. 数据采集系统的主要技术指标
数据采集系统的主要技术指标有以下几项：
⑴被采集信号的特点
在系统设计之前，要充分了解被采集信号的特点，这是
设计好数据采集系统特别是信号调理电路的关键。
⑵系统响应时间
通常又称为系统的采集周期，表示系统每采样并处理一
个数据所占用的时间。它是设计数据采集系统的重要指标。
它的倒数称为系统传输速率或采样速率。为了使采样结果能
够真正反映信号的变化，其采样速率应满足奈奎斯特采样频
率。设fmax为被采集信号的最高频率，则在实际工程中，
系统采样频率fx为： f  3  10 f
x
max
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设系统的通道数为N，那么系统响应时间为：Tx 
N
fx
在实际的采集系统中，系统的响应时间要受到很多因素的限制。
其中包括信号调理电路的响应时间t1、模拟开关的切换时间ton、toff 、
采样/保持器的捕获时间tac、孔径时间tap和保持时间ts、A/D转换时
间tc和数据输出时间tout 。
所以系统中单个通道实际的响应时间应为：
ＴＮ＝t1＋ton＋toff＋tac＋tap＋ts＋tc＋tout
（1）
整个系统实际响应时间应为：Ｔ＝ＮＴＮ
在选择器件时应注意Ｔ不应大于ＴＸ
如果使用重叠采样方式，在转换器的转换和数据输出的同时，切换
模拟开关采集下一路信号，则可提高每个通道的采样时间。
在设计系统选择器件时，必须使器件的速度指标满足系统的采样速
率指标要求。信号调理电路、模拟开关、采样/保持器、A/D转换器
的动态参数必须满足式（1）。
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⑶系统的分辨率
系统的分辨率是指数据采集系统可以分辨的输入信
号最小变化量。通常用最低有效位值、系统满刻度的百
分数或系统可分辨的实际电压数值来表示。它主要与信
号调理电路和ADC芯片有关。
⑷系统的精度
系统的精度是指当系统工作在额定采集速率下，系
统采集的数值和实际值之差。它表明系统的误差总合。
对于采集系统中的调理电路及其它每个元件，其精度应
优于系统精度10倍左右。例如要构成一个误差为0.1%的
数据采集系统，所用的ADC、MUX、S/H、及放大器的
误差都应小于0.01%。
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2 . 信号调理电路参数设计
在设计信号调理电路时最重要的是要综合考虑被采集信
号以及噪声的特点，选取放大、滤波、整形电路。如果信号
非常小，应在滤波电路前加一级低噪声的前置放大器。我们
知道，由于电路内部有这样和那样的噪声源存在，使得电路
在没有信号输入时，输出端仍有一定幅度的波动电压，这就
是电路的输出噪声，把电路输出端测得的噪声有效值VON折
合到该电路的输入端，即除以该电路的增益A，可得到该电路
的等效输入噪声VIN。
VIN  VON A
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如果电路的输入信号非常小，低于VIN，那么这时
就可以说输入信号被噪声所淹没。为了不使输入信号被
噪声淹没，就必须在该电路之前加一级低噪声的前置放
大器。此前置放大器可选低噪声的运算放大器，必要的
时候要用好的对管做成单管放大电路。
在选择放大器类型时，还应考虑信号源的内阻，以
及可能出现的强干扰的形式。在工频干扰比较强的场合，
通常可在滤波电路中加一级50HZ陷波器（带阻滤波器）
用以消除工频干扰。
在信号调理电路和采样电路之间有时还需要加一级
抗混叠滤波器。
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３. 多路模拟开关的选择要点
选择多路模拟开关时，应充分考虑信号源的特点以
及系统特性，尽量选择导通电阻小、漏电流小、切换速
度快的芯片，同时应注意要适当地限制通道数量，有必
要时可以采用MUX的多路扩展方式。
４. A/D转换器的选择要点
A/D转换器是数据采集系统的核心部件，正确选择好
A/D转换器是整个系统设计的关键。
⑴如何确定A/D转换器的位数
A/D转换器的位数与整个系统所要测量控制的范围和精度
有关，但又不能唯一确定系统的精度。因为系统精度涉
及的环节较多。但首先要保证A/D转换器精度应优于系统
精度10倍左右。
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（2）如何确定A/D转换器的转换速率
A/D转换器从启动转换到转换结束，输出稳定的数字量，
需要一定的时间，这就是A/D转换器的转换时间。其倒数就是
A/D转换器每秒完成的转换次数，称转换速率。用不同原理实
现的A/D转换器其转换时间是不大相同的。积分型、电荷平衡
型和跟踪比较型A/D转换器的转换速度较慢，转换时间从几毫
秒到几十毫秒不等，只能构成低速A/D转换器，一般适用于对
温度、压力、流量等变化缓慢的参量的检测和控制。逐次比较
型的A/D转换器转换时间可从几μs～100μs左右，属于中速
A/D转换器，常用于工业多通道单片机控制系统和声频数字转
换系统。转换时间最短的高速A/D转换器是那些用双极性
CMOS工艺和VLSI工艺制成的全并行、串并行、电压转移函
数型和∑—△型的A/D转换器，转换时间仅为10ns～100ns。
高速A/D转换器主要用于雷达、数字通讯、视频数字转换、实
时瞬态记录等系统。
选择A/D转换器的时候，一定要对整个数据采集系统进行
综合考虑。如信号的频率特性、采集系统的结构形式、与计算
机的接口特点、特别是CPU的工作速度等。
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采样保持器的选择要点
A/D转换器在对模拟信号进行转换的过程中，需要一定的稳定
时间（孔径时间），在这个转换时间内，被转换的模拟量应
基本维持不变。因此为保证A/D转换的精度，应在它前面加采
样/保持器。原则上直流信号和变化缓慢的信号可不采用采样/
保持器。在信号采集通道中是否需要加采样/保持器应根据被
转换信号频率、A/D转换器的分辨率和转换时间来综合考虑。
设A/D转换器的满度电压为UFS，位数（字长）为n，转换时
间（孔径时间）为tc那么其分辨率应为：
1LSB 
UFS
2n
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又假设被转换的信号为正弦信号为。此正弦信号的最大
变化率为：
du
max  U  2fU m
dt
为保证A/D转换器的分辨率为1LSB，那么在一个转换时间内，
被转换信号的最大变化率应小于或等于1LSB，即
f
max 
1
2 n 1 tc
即如果不加采样/保持器，fmax为待转换信号所允许的最高频
率。如一8位ADC，其转换时间为100μs，如果不加采样/保持
器那么信号频率不能超过6HZ，如ADC为12位，该频率不能
超过0.35HZ。
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