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第二章 智能仪器的数据采集技术 数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 传统A/D转换器及接口技术 -型ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析
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数据采集系统简称DAS （Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。
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第一节 数据采集系统的组成结构 传感器 模拟信号调理 数据采集电路 微机系统 图2.1 数据采集系统的基本组成
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多路模拟输入通道数据采集系统 ◆同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 多路模拟输入通道可分为两大类型： ◆集中式采集 ◆分布式采集
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多路共用采集电路分时采集 一、多路模拟信号集中采集式 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一 计算机 A/D 模拟多路开关 S/H 调理
传感器1 传感器2 传感器3 调理 模拟多路开关 A/D 计算机 控制逻辑 S/H 多路共用采集电路分时采集
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多路同步取样共用A/D分时采集 2. 集中式数据采集系统的典型结构之二 计算机 A/D 模拟多路开关 S/H 调理 传感器1 传感器2
传感器3 调理 S/H 模拟多路开关 A/D 计算机 控制逻辑 多路同步取样共用A/D分时采集
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3. 集中式数据采集系统的典型结构之三 多通道同步采样A/D，分时传输数据 多通道独立取样A/D，有通道缓存
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二、分布式采集 通信接口 上位机 数据 采集站1 采集站2 采集站3 采集站N … …… 模拟信号或数字信号 网络式数据采集结构
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请总结每种数据采集系统结构的主要特点！
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第二节 模拟信号调理 采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务： 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；
第二节 模拟信号调理 采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务： 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波； 零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。
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传感器 前置 放大 滤 波 程控放大 采集 电路 典型模拟调理电路的组成框图
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一、传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器：
明确所设计的测控系统对传感器的技术要求； 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器， 自行设计传感器
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(一) 对传感器的主要技术要求 将被测量→转换后续电路可用电量： 转换范围：与被测量实际变化范围相一致。
转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标； 转换速度（带宽）：符合整机要求； 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等； 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。
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(二) 选用什么类型传感器 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
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为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。
大信号输出传感器 : 为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。 传感器 小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机 I/V转换 V/F 光电耦合 小电流 小电压 大电压 大电流 图3.5 大信号输出传感器的使用
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2. 数字式传感器： 采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。
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频率量及开关量输出传感器的使用 传感器 放大 整形 光电 隔离 计算机 频率 输出 开关量输出
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3. 集成传感器 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。
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4. 光纤传感器： 这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。 光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。
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二、运用前置放大器的依据 当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。 放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？
前置放大器的放大倍数应该多大？
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放大器噪声分析 VOS 前置放大器K0 后级电路K VIS VIN0 VON VIN 总的等效输出噪声： 总的等效输入噪声：
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假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN，
加入前放后，希望VIS>V'IN，就必须使V'IN<VIN， ‘ 为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K0＞1，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。
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两种调理电路的对比 （a） （b） 由于 K＞1,所以， ，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。
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三、信号调理通道中的常用放大器 仪用放大器 程控增益放大器 隔离放大器
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(一) 仪用放大器 仪用放大器的基本结构
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仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：
由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。
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在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要性能指标：
1.非线性度 温漂 3. 建立时间 恢复时间 5. 电源引起的失调 6. 共模抑制比
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它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。
1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。 VO VI
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2. 温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。 输出电压会随温度的变化而发生(1~50)V/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。
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3. 建立时间 4. 恢复时间 指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电 压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。
指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电 压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。 4. 恢复时间 指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和 状态恢复到最终值所需的时间。 放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。 放大器增益带宽积指标
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5. 电源引起的失调 指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。 仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。
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6. 共模抑制比 CMRR=20logAdef/Acom 共模电压存在场合
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(二) 程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。
增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
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程控放大器原理框图 选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。 PGA202/204等是增益1、10、100、1000四档、由两条TTL逻辑控制。
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(三) 隔离放大器 隔离模式： 两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离；
三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离； 三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。
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应用场合: 高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差； 测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高;
多个系统不能共地.
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特点： 1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害， 防止高压对低压信号系统的损坏。 2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须 提供偏流返回通路。 3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。
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GF289集成隔离放大器
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GF289典型接法
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第三节 传统 A/D转换器及接口技术 ADC的基本概念 技术指标的含义 比较型ADC、积分型ADC、V/F的转换原理 典型芯片选择及接口设计 （3、4看书查阅资料自学）
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1.ADC的基本概念 量化特性及量化误差
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一般而言，n位ADC的理想传输函数由以下两个式子定义：
Vr是模拟输入满量程
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理想ADC的传输特性和量化误差
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A/D转换器技术指标的含义 分辨率 转换时间 精度 误差
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(1) 分辨率 ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。
用ADC输出数字量的位数n表示，代表ADC有2n个可能状态，可分辨出满量程值的1/2n 的输入变化量。此输入变化量称为1LSB（即一个量子Q）
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(2) 转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。其倒数称为转换速率。 与实现转换所采用的电路技术有关 与位数有关 采集系统转换时间还与接口模式有关
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数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。 相对误差(精度)
(3) 精度与误差 绝对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。 相对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比，用％表示 。绝对误差/满量程值之比。
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偏移误差（又称为偏移电压） 定义:为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值 (1/2Vr／2n)(即1/2LSB所对应的电压值)之差. 在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在ADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为10-6/℃，其值约在几到几十范围内。
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增益误差（满量程误差） 线性度误差 a．积分线性度误差
指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。 线性度误差 积分线性度误差和微分线性度误差两种。 a．积分线性度误差 偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。
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b．微分线性度误差 定义为ADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于Vr/2n的偏离值。 失码（Missing Cord）或跳码(Skipped Cord)，也叫做非单调性。
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ADC的积分线性度误差 ADC的微分线性度误差
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ADC的失码现象
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温度对误差的影响 环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。
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二、传统ADC的转换原理 (一) 比较型ADC
比较型ADC可分为反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型.
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逐次逼近式转换器原理
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(二) 积分型ADC 双积分ADC
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双积分式ADC的优点： 对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。 微分线性度极好，不会有非单调性。因为积分输出是连续的，因此，计数必然是依次进行的,即从本质上说，不会发生丢码现象。 积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。
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(三) V/F型ADC 它主要由V/F转换器和计数器构成。V/F型ADC的特点是：与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。
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三、常用ADC与微处理器的接口 从计算机接口理解模式
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(一) AD54A及其与微处理器的接口 AD57A的管脚图
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ADC574A单极性和双极性输入接法
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AD574的控制状态表： AD574的8位输出数据格式
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AD574A启动转换和读数据时序
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AD574A与8031的接口
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AD574系列产品主要性能比较
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第四节 -型ADC原理与接口技术 理论基础:信号采样量化理论 过采样技术 Σ-Δ调制技术 增加了数字电路的比例，易于实现单片集成
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理论基础:信号采样量化理论 一、-型ADC原理
若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q, 量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率fs无关,功率密度谱在0~fs/2的频带范围内均匀分布。 量化噪声电平与采样频率成反比,提高采样频率,可以降低量化噪声电平,而基带是固定不变的,因而减少了基带范围内的噪声功率,提高了信噪比。
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1. 过采样技术 理想3位ADC转换特性
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功率密度 过采样技术原理图
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带模拟滤波和数字滤波的过采样
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2.Σ-Δ调制及噪声整形技术原理 图 一阶Σ-Δ ADC
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Σ-Δ调制器原理 积分器及其数量－－阶数 量化器及其数量－－级数
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Σ-Δ调制器的频域线性化模型
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图 整形后的量化噪声分布
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图 二阶Σ-Δ ADC
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信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系
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单级调制器1~4阶与达到分辨率的最低过采样比
精度(n) M(1阶) M(2阶) M(3阶) M(4阶) 12 2048 65 14 8192 129 36 22 16 32768 257 59 31 18 131072 514 93 43 20 524288 1034 145 61
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3.数字滤波和采样抽取技术 D=4的采样抽取
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二、CS5360及其与微处理器的接口 1. CS5360简介 u 真正的24位转换 u 105dB的动态范围
u Σ-Δ A/D转换技术 u 片内数字抗混叠滤波及电压参考 u 最高采样率50KHz u 差动模拟输入 u 单+5V电源供电
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CS5360功能框图 CS5380\ CS5381
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数字接口电路功能框图
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基于FPGA的数字接口电路部分的设计 接口功能框图
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串并转换电路原理图
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高速A/D转换器 视频、数字示波器、频谱测试、雷达 采样率10MHz以上 逐次近似A/D法（几十MHz） 闪电式A/D法（几百MHz）
谐振隧道二极管A/D法（1GHz以上） 参考书：席德勋，现代电子技术，高等教育教育出版社
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第五节 数据采集系统设计及举例 一、系统设计考虑的因素 二、A/D转换器的选择要点 三、采样保持器S/H的选择 四、多路测量通道的串音问题
第五节 数据采集系统设计及举例 一、系统设计考虑的因素 二、A/D转换器的选择要点 三、采样保持器S/H的选择 四、多路测量通道的串音问题 五、主放大器的设置 六、数据采集系统实例
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一、采集系统设计考虑的主要因素 输入信号的特性 对数据采集系统性能的要求 接口特性
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输入信号的特性： 信号的数量 信号的输入方式（单端、差动、单极性、双极性，接地、浮地） 信号的强弱及动态范围 信号的频带宽度
信号是周期还是瞬态 信号中的噪声 共模电压大小 信号源的阻抗
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对数据采集系统性能的要求： 系统的采样速率 系统的分辨率 系统的精度 接口特性 ： 主机（PC、MCU、DSP） 并行、串行、总线 数据的编码格式
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二、A/D转换器的选择要点 1.A/D转换位数 2.转换速度 3.环境条件 4.接口
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1.A/D转换位数m 系统精度指标的10倍原则
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2. A/D转换速度的确定 转换速率 =
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三、采样保持器S/H的选择
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最大孔径误差 在数据采集系统中，若要求最大孔径误差不超过q，则由此限定的被转换信号的最高频率为:
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不加采样/保持器 加采样/保持器 一个12位ADC，tc=25μs信号频率不能超过1.5Hz。 tAP=10ns fmax=3750Hz
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A/D转换时间tC 内S/H理想情况下应保持不变
存在输出电压的跌落 ID为流过保持电容CH的漏电流的代数和:模拟开关断开时的漏电流、保持电容本身的介质漏电和介质吸附效应引起的电荷变化。
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四、多路测量通道的串音问题 MUX电路模型 Roff 模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。 Ri Ron
低频等效电路 高频等效电路
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例: 设八路输入转换开关, 导通电阻100欧姆,关断时单路漏电流1μA。输入信号是温度传感器输出电压，内阻400欧姆。试估算漏电流产生的误差。
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(1)为减少漏电流影响,减小信号源内阻Ri，为此前级应采用电压跟随器；
(2) 选用Ron极小、Roff极大的开关管； (3) 减少输出端并联的开关数N。若N=1， 则VN=0。 (4) 减小串音应选用寄生电容小的MUX。 (5) 模拟开关不用的输入端接地。
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数据采集系统实例 误差分析 深化你所设计数据采集系统： 教材P51---58 1.详细给出系统电路图； 2.给出设计指标，逐一说明或论证。
（能够采集的信号特征，达到采样率、分辨率等，电源，成本）； 3.主要误差估算，分析达到的精度； 4.画出采集程序流程图； 4.改进或创新之处。
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前置放大器的作用 VIS 前置放大器K0 后级电路K VOS VON VIN0 VIN 总的等效输出噪声： 总的等效输入噪声：
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