4.1概述
在微型计算机应用于智能化仪器仪表、信号处理和工业自动化等的过程中，都存在着模拟量测量与控制问题，即将温度、压力、流量、位移及角度等模拟量转变为数字信号，再收集到微型机进一步予以显示、处理、记录和传输，这个过程称为“数据采集”，相应的系统称为数据采集系统。
科学技术的发展已在速度、分辨率、精度、接口能力、抗干扰等方面向现代的数据采集系统提出了越来越高的要求。因此，从事该领域工作的设计者一方面必须熟悉日新月异的新器件，了解各种器件的性能和特点，以便应用这些器件组成系统；另一方面还必须掌握微机本身的性能、接口技术及相应的程序设计。
模拟量经过前置放大器(A)、反混叠滤波器(AF)及采样保持放大器(SHA)进入ADC，转换为数字量后送入微机。A的作用在于将输入电压放大到ADC可接受的最佳范围内，AF的作用为消除信号中高频成分所能造成的混叠误差，SHA的作用为保证ADC达到所需的动态特性。
它是通过多路转换器(MUX)将各路模拟量轮流送给SHA及ADC去进行模数转换，是结构上最简单的一种。它在每个通道上都加一个SHA，并受同一触发信号控制，这样可以做到在同一时刻内将采集信号暂存在各自的保持电容上，以后由微型机逐一取走并经ADC送入存储器中。这种电路可允许对各通道之间的相互关系进行分析。它是许多单通道数据采集系统的组合，共同由控制电路进行控制。它的灵活性强，可满足不同精度、不同速度数据采集的要求。
4.2测量放大器
4.2.1基本要求
在测量时，来自传感器的信号一般都是比较弱的低电平信号。放大器的作用是将微弱信号进行放大，以便能充分地利用ADC的满刻度分辨率。此外，还要求放大器能抑制干扰和降低噪声，并满足响应时间的要求。
在数据采集系统中应选用何种放大器应依情况不同而异，总的要求如下：
(1)高输入阻抗，反应时间快；
(2)高抗共模干扰能力；
(3)低漂移、低噪声及低输出阻抗。
只有在最简单情况下，才可将传感器输出的模拟信号直接连至数据采集系统。这是因为传感器的工作环境往往比较复杂和恶劣。在传感器的两个输出端经常产生较大的干扰信号(噪声)，有时是完全相同的干扰信号，称为共模干扰。虽然运算放大器对直接输入到差动端的共模信号都有较高的抑制能力，但由于这种电路的低输入阻抗、不平衡输出阻抗、共模抑制能力直接与电阻比的匹配有关等缺陷，使其不能在精密测量场合下运用。
测量放大器(IA)又称数据放大器，是一种能在不利于精密测量环境下良好工作、精密的差动增益部件。它的两个差动输入端+IN、-IN直接与信号源相连，故有较高的共模抑制能力。外接电阻RG用于调整测量放大器增益，有些放大器还用RS进行增益微调。负载的电压信号是测量端S与参考端R间的电位差，通常S端与VOUT端在放大器外连接，且参考电位取地电位。理想的测量放大器仅对输入端的差值放大，若放大器工作在共模方式，且VI+N=VI-N=VCM(其中VI+N、VI-N为放大器差动输入电压)，则放大器输出为零。
由于测量放大器具有高输入阻抗、较低的失调电压与温度漂移系数以及稳定的增益与低输出阻抗，从而在热电偶、应变电桥、流量计等微弱信号的数据采集系统中得到了广泛的应用。
4.2.2通用测量放大器
通用测量放大器由A1、A2、A3构成。差动输入/输出级放大器A1、A2对差动信号输入的增益为1+2R3/R1。由于结构对称，且允许被放大信号直接加到输入端，因而保证了很强的共模抑制能力，A1、A2的共模增益仅为1，与R2及R3的数值无关。A3将A1、A2的差动输出信号转换为一个对地输出的参考信号，A3的共模抑制主要由四个R2相匹配的精度确定。放大器的输出电压为：
VOUT=(VI+N-VI-N)(2R3/R1+1)
在运放输出的限度内，设计者可以按自己的愿望将前端的增益取得很大(由R1决定)，而不会增加共模信号误差。不管前端的增益是多少，它的共模信号的放大倍数只是1，这意味着共模信号误差(在运放的限度内)与增益无关。
4.2.3可编程测量放大器
由于各类传感器往往提供宽范围变化的信号电平(如从μV到V)，测量放大器必须随数据采集通道的切换而迅速调整增益。可编程测量放大器的增益由软件设定。增益选择开关成对动作，在某一时刻仅一对开关接通，开关本身电阻并不影响测量放大器的增益。
4.2.4测量放大器的技术指标
测量放大器最重要的指标有：非线性度、偏置漂移、建立时间及共模抑制比，这些指标均为放大器增益的函数。
非线性度的定义为放大器输入输出关系曲线与理想直线的偏差。在增益为1时，如果一个12位系统有±0.025%的非线性，在增益为500时，非线性偏差可达±0.1%，相当于系统精度低于10位。
一个放大器的分辨率主要被直流偏置的不可预料性所限制。偏置漂移随温度可以由1~50μV/℃变化，这也决定于增益。一个有2μV/℃漂移的放大器，当增益为1000时，在ADC输入端将产生一个20mV的偏置电压(在10℃范围内)，这个数字相当于当输入范围为0V或10V时12位ADC的8个LSB值。另外，要注意的是厂家给出的往往是偏置漂移的典型值，而最大值可以是典型值的3~4倍。
放大器的建立时间定义为在发生一个输入信号跳变以后，放大器输出电压达到并保持在一个给定误差范围所要求的时间。误差范围通常给定为mV级，典型值为±10mV，或以一个全标度输出的百分数形式给出，比如，±0.01%。
放大器的恢复时间是另一个重要参数。它通常定义为在撤出引起过载信号后，放大器由饱和状态恢复至输出信号达到最终值所要求的时间。
放大器的建立时间随其增益的增加而上升，当放大器在增益高于200时，要求在50μs~100μs内，放大器输出电压达到±0.01%。而宽增益区间的可编程放大器要求在350μs内，输出电压达到其额定误差范围。因此，往往是测量放大器，而不是ADC决定了一个数据采集系统的通过能力。虽然可编程放大器有能力处理不同的信号输入范围，但必须注意由此引起的速度精度的损失，以及成本的增加。一种较好的折衷方案是，采用较窄量程的可编程放大器，比如具有增益范围由1到8，就可以保持12位的线性以及10μs的建立时间。
作为测量放大器。还应考虑其对共模信号的抑制。共模抑制比是指放大器两个输入端具有等量电压变化时所测量出的输出电压变化。“共模抑制比”(CMRR)是一个比例式，其值以对数形式表示。
在电噪声环境中，共模误差应该保持小于1LSB。在10V共模信号输入时，当放大器增益为1，相应要求测量放大器提供的CMRR为66.2dB；当放大器增益为50，相应要求测量放大器提供的CMRR为100.2dB……显然，要求的共模抑制比为放大器增益的函数。
4.3模拟多路开关(MUX)
4.3.1模拟多路开关的功能
在数据采集系统中，往往需要同时使用多个传感器。对来自这些传感器的模拟信号进行模数转换时，常常使用公共的ADC，即采用分时方式占用ADC，也就是利用模拟多路开关轮流切换每个被采集的传感器信号与ADC的通路。
模拟多路开关器件实际上由多个模拟开关组成，由译码电路实现控制。目前电子模拟多路开关多用JFET及CMOS器件，而双极型晶体管作为电压开关已很少用(可作电流开关用)。这主要是因为双极型模拟开关存在着导通时的偏移电压。
4.3.2模拟多路开关的配置
模拟多路开关MUX的基本配置方式是单端式。此种方式应用在所有输入信号相对于系统模拟公共地测量上，而且信号电平显着大于出现在系统中的共模电压VCM。此时，测量放大器的共模抑制能力尚未发挥，但系统可以得到最多的通道数。
此种方式应用在n个输入信号有各自独立的参考电位，或者是应用在信号长线传输引起严重的共模干扰时。这种配置可以充分发挥测量放大器共模抑制的能力，用以采集低电平信号。
它可保证系统的共模抑制能力，而无需减少一半通道数。这种方式仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位的系统，而且各信号源均置于同样的噪声环境。
4.3.3器件实例
AD7501、AD7503、AD7502为美国AD公司CMOS电路，它们有8个输入端和1个公共输出端。通道的选择控制分别为三位及二位二进制地址码与EN控制端。AD7503与AD7501的差别是EN的控制状态相反。
4.3.4多级使用
第一级由4个16通道的MUX16组成，第二级由1个4通道的MUX4组成。
为什么用两级构成这个多路开关电路呢？因为它具有如下优点。
(1)降低了截止通道的负载影响：多路模拟开关是4×16=64个通道，当然可以不用第二级MUX4，而只用4个MUX16的四个输出端连接起来便可。
对于导通通道来说，每个截止通道有一个电容负载CT。共有63个截止通道，若每个通道的CT为5pF，共计63×5=315(pF)。然而，MUX16只有16个通道，其中一个通道导通，其他15个通道截止，因此截止通道对导通通道的电容负载为15×5=75(pF)。可见两级多路模拟开关电路的电容负载降低了。这里第二级起一个缓冲器的作用，负载电容的降低有利于开关速度的提高。
(2)提高了开关速度及效率：第一级由开关速度较低的电路构成。第二级由开关速度较高的电路构成。注意各信号的顺序与接法。设第一级的相邻2个通道的tON及tOFF是重叠的，tON=tOFF=2μs，而第二级的tON=tOFF=20ns。
第一个MUX16工作时，第二个MUX16可以提前导通。这样尽管MUX16的开关速度不高，但整个系统的开关速度取决于第二级的高速开关MUX2。
若MUX16组成单级多路通道开关，tsample=4μs，tdiff=2μs，则E=67%。组成两级多路通道开关时，若MUX2的tdiff=2μs，则E=99.5%。可见，多级多路通道开关的效率取决于第二级的效率；CT2、DDSON、CA2为第二级的等效参数。
(3)降低了通道串扰：CT1、DDSON1、Rg1、CA1为第一级的等效参数；CT2、DDSON、CA2为第二级的等效参数。
由于截止通道的输入信号Vi要经过两级耦合电路传到输出端，因此，比起一级耦合电路通道串扰要小。
4.3.5模拟多路开关对系统精度的影响
现在考虑在此系统中模拟多路开关MUX对系统精度的影响。
(1)导通电阻产生的误差：设误差为ε%，则：
ε%=Rg+RDSON+ΔRDSON/Rg+RDSON+ΔRDSON+Ri
式中：Rg为信号源内阻；ΔRDSON为通道开关的导通电阻的变化量；Ri为下一级的输入阻抗。
例如：RDSON=450Ω，ΔRDSON=0，Rg=0，要求允许误差ε%为0.01%(相当于12bit的ADC的1/2LSB)，则：
Rimin=RDSON(100-ε)ε=4.5MΩ
可见，由于多路模拟开关的导通电阻RDSON较大，要使其在系统中产生的误差小时，则要求下一级电路的输入阻抗是相当高的。
(2)模拟多路开关的建立时间tSON：
tSON是指模拟多路开关的输出建立到指定的精度时所需要的时间。
4.4采样保持电路
4.4.1采样保持电路功能及原理
采样保持电路常称为采样保持放大器(SHA)，是数据采集系统的基本部件之一。ADC对模拟量进行量化的过程需要一定的时间，即在转换时间内只有保持采样点的数值不变才能保证转换的精度。
SHA的采集时间TACQ是采样保持电路的输出达到与其输入相等所需要的时间。SHA的孔径时间TAV即SHA电路实际转入保持状态所需要的时间。在高速采集中孔径时间的变化影响很大，一般用孔径时间不定性(或孔径误差)来衡量这个影响程度。
采样保持电路主要使用在ADC前端。当不用SHA而将输入信号直接连至ADC时，必须考虑某些限制或信号带宽问题。例如：由一个12位、35μs的ADC直接对输入信号进行数字化(不使用SHA)，则必须对输入信号的最大变化率有所限制，使得在ADC转换周期内信号的变化小于1/2LSB(相当于满度值的0.012%)。
当输入为正弦波时，可用下述公式计算出无SHA时的可数字化的最高频率。
fmax=1/2M+1πTCONV(Hz)
其中：M为ADC的分辨位数，TCONV为ADC的转换时间。将有关数值代入，允许输入的正弦波的最高频率为1.1Hz。
