程分辨率。为了充分利用A/D转换器的分辨率(A/D转换器输出的数字位数),就要把模拟输入信号放大到与A/D转换器满量程电压相应得电平值。
(2)采样保持部分
模拟信号进行A/D转换时,从启动转换到转换结束输出数字量,需要一定的转换时间。在这个转换时间内,模拟信号要基本保持不变。否则转换精度没有保证,特别当输入信号频率较高时,会造成很大的转换误差。要防止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将输入信号的电平保持住,而在A/D转换结束后又要跟踪输入信号的变化。实现这种功能可以用采样/保持器来实现,因而,由于采样/保持器的加入,大大提高了数据采集系统的采集频率。
(3)A/D转换部分
因为单片机只能处理数字信号,所以需要把模拟信号转换成数字信号,实现这一转换功能的器件是A/D转换器。A/D转换器是采样通道的核心,因此,A/D转换器是影响数据采集系统采样速率和精度的主要因素之一。
(4)硬件和单片机的连接部分
该部分用来将传感器输出的数字信号进行整形或电平调整,然后再传给单片机。单片机及外设负责对数据采集系统的工作进行管理和控制,并对采集到的数据作相应的处理。
(5)D/A转换部分
D/A转换部分也是数据采集系统的一个重要部分,在数字控制系统中作为关键器件,用来把单片机输出的数字信号转换成电压或电流等模拟信号,并送入执行机构进行控制或调节。
2.2 硬件电路设计
本系统的硬件设计主要包括:多路转换开关及前置放大电路的设计,采样保持电路的设计,模数转换电路的设计,数模转换电路的设计。
2.2.1 多路转换开关
1. 多路开关的选择
多路转换开关在模拟输入通道中的作用是实现多选一操作,即利用多路转换开关将多路输入中的一路接至后续电路。切换过程可在CPU或数字电路的控制下完成。常用的模拟开关大都采用CMOS工艺,如8选1开关CD4051、双4选1开关CD4052、三3选1开关CD4053等。本设计是实现32路数据采集,所以选择4片8选1的模拟开关。
模拟多路开关中,不可避免导通电阻RON的存在。RON使信号电压产生跌落,跌落量与流过开关的电流成正比[3]。设计中希望RON越小越好,但是RON越小的器件价格越高。所以根据器件的价格和系统的容忍度,选择RON的值。
多路开关的主要参数是精度和速度。多路开关的精度以传输误差的大小来间接表示。多路开关的速度以信号通过多路开关的通过率来间接表示。
传输误差是衡量多路开关的一个指标,多路开关的传输误差包括两个方面。
(1)多路开关导通电阻加上信号源阻抗与负载阻抗构成了分压器。当要求精度为0.01%时,负载阻抗就应至少是开关导通电阻与信号源阻抗之和的104倍。在数据采集系统中,多路开关的负载一般是采样/保持器。因为典型的多路开关的导通电阻为200欧姆~200千欧姆,所以,如果信号源阻抗在几百欧姆以下,则作为负载的采样/保持器,其输入阻抗应在108欧姆以上。
(2)多路开关的漏电流在信号源阻抗上产生偏移电压,而漏电流与工作温度关系很大。因此,应该根据最高工作温度时的漏电流来计算偏移误差。
通过率是衡量多路开关的另一个指标,是多路开关从一个通道切换并使下一个通道建立到规定精度所能达到的最高切换率。它一方面取决于多路开关建立时间,并与规定的建立精度有关,另一方面为了避免两个通道同时接通,多路开关被设计为"先断后通",这增加了断开到接通的延时,影响了通过率的提高。在确定多路开关的通过率时,要跟据系统的采样速率来考虑。
根据上面的分析,本设计选用的是采用CMOS工艺的8选1开关CD4051。CD4051的模拟信号范围为±7.5V,导通电阻RON为