§4.3 数据采集系统设计
一、数据采集系统设计的一般步骤 二、数据采集系统的误差分析 三、DAS设计实例
一、数据采集系统设计的一般步骤
1、分析问题和确定任务
在进行系统设计之前，必须对要解决的问题 进行调查研究、分析论证，在此基础上，根据实际 应用中的问题提出具体的要求，确定系统所要完成 的数据采集任务和技术指标，确定调试系统和开发 软件的手段等。另外，还要对系统设计过程中可能 遇到的技术难点做到心中有数，初步定出系统设计 的技术路线。
和方根方式综合误差的表达式：
( MUX )2 ( AMP )2 ( SH )2 ( ADC )2
绝对值和方式综合误差的表达式：
( MUX AMP SH ADC )
式中： MUX 多 路 模 拟 开 关 的 误 差
AMP 放大器的误差 SH 采 样 保 持 器 的 误 差 ADC A/D转 换 器 的 误 差
➢ 所需精度（包括线性度、相对精度、增益及偏置误差）是多少； ➢ 当环境温度变化时，各种误差限制在什么范围; ➢ 各通道模拟信号的采集是否要求同步； ➢ 所有的通道是否都使用同样的数据传输速率； ➢ 数据通道是串行操作还是并行操作； ➢ 数据通道是随机选择，还是按某种预定的顺序工作； ➢ 系统电源稳定性的要求是什么，由于电源变化引起的误差是多少；
时，采样周期至少为
Nt TH
，
每通道的吞吐率为：
fTH
N
1 tTH
2、模拟电路误差
模拟开关导通电阻RON的误差 模拟开关存在一定的导通电阻，信号经
过模拟开关会产生压降。另外，导通电阻的 变化会使放大器或采样保持器的输入信号波 动，引起误差。
多路模拟开关泄漏电流IS引起的误差
模拟开关断开的泄漏电流IS一般在1nA左右，当 某一路接通时，其余各路均断开，断开的各路的泄 漏电流IS都经过导通的开关和这一路的信号源流入 地。在信号源的内阻上产生的压降，引起误差。
2、确定采样频率 采样频率决定了采样数据的质量和数量。
利用采样定理来确定采样频率。 3．系统总体设计
在系统总体设计阶段，一般应做以下几项 工作。 (1) 进行硬件和软件的功能分配 (2) 系统A／D通道方案的确定 (3) 确定微型计算机的配置方案
(1) 进行硬件和软件的功能分配 ➢ 一般来说，多采用硬件，可以简化软件设计工 作，并使系统的速度性能得到改善，但成本会增 加，同时，也因接点数增加而增加不可靠因素。 ➢ 若用软件代替硬件功能，可以增加系统的灵活性，降低成本，但系统的工作速度
(3) 确定微型计算机的配置方案
可以根据具体情况，采用微处理器芯片、 单片微型机芯片、个人微型计算机等作为数据 采集系统的控制处理机。选择何种机型，对整 个系统的性能、成本和设计进度等均有重要的 影响。
二、数据采集系统的误差分析
数据采集系统中的元器件很多，从数 据采集、信号调理、模数转换，直至信号输 出，经过许多环节，其中既有模拟电路，又有 数字电路，各种误差源很复杂。误差分析需要 结合具体系统、电路和元器件来进行。
数据采集系统的误差主要包括模拟电路 误差、采样误差和转换误差。
1、采样误差
采样频率引起的误差 采样频率必须大于信号最高有效频率的两倍 系统的通过速率引起的误差 通过速率：单位时间内系统对模拟信号的采集 次数。 系统的通过速率的倒数为吞吐时间，表明系统 每采样并处理一个数据所占用的时间。
系统通过周期（吞吐时间）TTH可用下式表示：
例如：一个8路的模拟开关，泄漏电流IS为1nA，信
号源内阻50Ω，断开的7路泄漏电流IS在导通这一 路的信号源内阻上产生的压降为：
1 109 7 50 0.35V
采样保持器衰减率引起的误差 保持状态下，由于保持电容的漏电流和其他杂散电 流，引起保持电压的衰减，衰减率反映了采样保持 器的输出值在保持期间的变化。衰减率为：UC I D
选择元器件精度的一般原则：
每一个元器件的精度指标应该优于系统规定 的某一最严格的性能指标的10倍。
例如： 0.1%级精度性能的数据采集系统，所 选元器件的精度应该不大于0.01%。
也降低。 ➢ 要根据系统的技术要求，在确定系统总体方案时进行合理的功能分配。
(2)系统A／D通道方案的确定
➢ 模拟信号输入范围； ➢ 完成一次转换所需的时间； ➢ 模拟输入信号的特性是什么，是否经过滤波，信号的最高频率是多少； ➢ 模拟信号传输所需的通道数； ➢ 采样/保持器的采集时间是多少； ➢ 在保持期间允许的电压下降是多少；
t C H
ID为流入保持电容CH的总泄漏电流，ID包括采样保 持中的缓冲放大器的输入电流和模拟开关截止时的 漏电流，电容内部的漏电流。 放大器的误差 数据采集系统往往需要使用放大器对信号进行放大。 放大器是系统的主要误差源之一。其中有放大器的非 线性误差、增益误差、零位误差等。
3、A/D转换的误差
A/D转换器速度用转换时间来表示。选用A/D转换器
时必须考虑到转换时间满足系统通过率的要求，否则
会产生较大的统误差时，必须对各部分电路进行仔细分 析，分别计算各部分的相对误差，然后进行误差综合。如果 误差在5项以上，按和方根方式综合；若误差项在五项以下， 按绝对值和的方式综合。
ADC是数据采集系统中的重要部件，它的性能指标对整
个系统起着至关重要的作用，也是系统中的重要误差源。选择
A/D转换器时，必须从精度和速度两方面考虑，考虑位数、速
度及输出接口。
A/D转换器的静态误差。
包括量化误差、失调误差、增益误差、非线性误差。
工程应用中，取
是比较合理的。
A/D转换器的速度 AD对C 误(2 差~ 3的)LS影B 响
tTH tON toff t AC t AP ts tc tout
多路模拟开关接通时间Ton和断开时间Toff、采样保
持器的捕获 TAC 、孔径时间TAP 和保持建立时间Ts、 A/D转换时间Tc和数据输出时间Tout。
为了保证系统正常工作，消除系统在转换过程的
动态误差，模拟开关对N 路信号顺序进行等速率切换