數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合誤差研究及軟硬件設(shè)計(jì)

張恩迪，李翔

(湖南大學(xué)，長沙 410082)

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數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)綜合誤差研究及軟硬件設(shè)計(jì)

張恩迪，李翔

(湖南大學(xué)，長沙 410082)

摘要:在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，由于受放大電路的自身原因和其外圍元器件精度的影響，給信號(hào)的采集和傳送帶來一定的誤差。為了使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在室外惡劣環(huán)境條件下仍保持較高的精度，著重研究了放大電路外圍元器件對(duì)信號(hào)傳送產(chǎn)生的誤差，并總結(jié)出實(shí)用的誤差計(jì)算控制公式，同時(shí)提出了一種新的算法，采用軟硬件結(jié)合的方式來消除數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)本身的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象對(duì)采集信號(hào)傳送的影響。此算法已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)論證，并在溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；誤差計(jì)算；零點(diǎn)漂移；自調(diào)零算法

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提出了越來越高的要求，如一般工業(yè)過程控制誤差≤1%，則要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差為0.3%～0.4%。而對(duì)一般實(shí)驗(yàn)室過程控制來說，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的要求更高，達(dá)到了0.025%～0.01%。從傳感器到采集器，如何有效實(shí)現(xiàn)傳感器信號(hào)的高精度傳送和采集、消除可能的干擾，一直是困擾工程技術(shù)人員的一大難題。

圖1　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)傳送電路模型

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能主要由其精度與速度決定，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，總會(huì)不可避免地存在信號(hào)傳送誤差和零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，對(duì)于隨機(jī)波動(dòng)干擾，可以采用RC濾波或者數(shù)字濾波等方法進(jìn)行消除和改善，系統(tǒng)的放大電路由于自身原因和外圍元器件的原因，同樣對(duì)采集系統(tǒng)的精度產(chǎn)生了極大的影響。而本文基于典型放大電路精度誤差的研究，提出了控制放大電路信號(hào)傳送誤差的計(jì)算公式；另外通過軟硬件結(jié)合的方式，提出了一種系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零算法。上述兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)對(duì)于現(xiàn)實(shí)中提高數(shù)據(jù)采集精度具有較高價(jià)值。

1典型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將外界的模擬信號(hào)采集后通過傳感器輸出，并轉(zhuǎn)換成能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后送入計(jì)算機(jī)。根據(jù)不同的需要，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算和處理，得出所需的數(shù)據(jù)。典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)信號(hào)傳送的電路模型如圖1所示。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中經(jīng)常要用到放大器，尤其是運(yùn)算放大器，因此研究典型運(yùn)算放大電路的信號(hào)傳送誤差變成了一項(xiàng)必不可少的工作。前人雖然對(duì)運(yùn)放信號(hào)傳送做過一定研究，但都局限于運(yùn)放的失調(diào)電壓、失調(diào)電流領(lǐng)域，而對(duì)外圍元器件參數(shù)如電阻、電容的精度對(duì)運(yùn)放的信號(hào)傳送影響研究甚少。另外，由于放大器本身存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，當(dāng)采集信號(hào)與零點(diǎn)信號(hào)混合后，將在一定程度上影響采集系統(tǒng)的精度，因此放大器自調(diào)零算法一直是科研人員研究的一個(gè)熱門方向?；谏鲜鰞牲c(diǎn)，本文著重研究了外圍元器件的精度對(duì)放大器信號(hào)傳送的影響和放大器的自調(diào)零技術(shù)。

2典型放大電路信號(hào)傳送誤差計(jì)算分析

2.1同相放大電路

圖2　同相放大電路

圖2為單個(gè)同相放大電路，當(dāng)運(yùn)放為理想運(yùn)放，且外圍元器件電阻在標(biāo)稱值時(shí)，電路輸出電壓為：

電壓增益為：

假設(shè)有n個(gè)這樣的同相放大電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，則最后一級(jí)輸出電壓：

當(dāng)R1、R2的精度分別為M1、M2時(shí)，輸出電壓Vo的范圍為：

此時(shí)，對(duì)n個(gè)這樣的同相放大電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，則最后一級(jí)輸出電壓Vo的范圍為：

而令R2=xR1，可得級(jí)聯(lián)電路的增益最大相對(duì)誤差公式：

圖3　電壓跟隨器

在上述放大電路中，若令R1=∞,R2=0,則得到電壓跟隨器，如圖3所示。此時(shí)利用虛短的概念，可得電路輸出電壓:

電壓增益:

此時(shí),因x為0上述級(jí)聯(lián)電路的增益最大相對(duì)誤差公式中，最大增益誤差為0，即表示電壓跟隨器不存在信號(hào)傳輸誤差。

圖4　反相放大器

2.2反向放大電路

圖4為單個(gè)反向放大電路。理想狀態(tài)下，由電路分析可得電路輸出電壓為：

電壓增益為：

假設(shè)有n個(gè)這樣的反相放大電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，則最后一級(jí)輸出電壓：

當(dāng)R1、R2的精度分別為M1、M2時(shí)，輸出電壓Vo的范圍為：

此時(shí)，對(duì)n個(gè)這樣的反相放大電路進(jìn)行級(jí)聯(lián)，則在最后一級(jí)可得輸出電壓Vo的范圍為：

級(jí)聯(lián)電路的增益最大相對(duì)誤差計(jì)算公式為：

根據(jù)該公式可得出，在理想運(yùn)放狀態(tài)下，典型放大電路信號(hào)傳送誤差不僅與放大電路級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)n有關(guān)，而且還與電路的外圍元器件精度密切相關(guān)?；谏鲜龉?，工程技術(shù)人員可以快速地估算出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中信號(hào)傳送誤差，并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)高精度數(shù)據(jù)采集與傳送電路，建立一個(gè)高精度的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3零點(diǎn)漂移及其軟硬件消除

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，采集信號(hào)的放大和處理過程總是伴隨著零點(diǎn)漂移問題的存在。所謂零點(diǎn)漂移是指放大電路在輸入端短路(即沒有輸入信號(hào)輸入)用靈敏的直流表測量輸出端，也會(huì)有變化緩慢的輸出電壓產(chǎn)生。零點(diǎn)漂移的信號(hào)會(huì)在各級(jí)放大電路間傳遞，經(jīng)過多級(jí)放大后，在輸出端成為較大的信號(hào)。如果有用信號(hào)較弱，那么存在零點(diǎn)漂移現(xiàn)象的直接耦合放大電路中，漂移電壓和有效信號(hào)電壓混雜在一起被逐級(jí)放大，當(dāng)漂移電壓大小可以和有效信號(hào)電壓相比時(shí)，很難在輸出端分辨出有效信號(hào)的電壓。在漂移現(xiàn)象嚴(yán)重的情況下，往往會(huì)使有效信號(hào)“淹沒”，使放大電路不能正常工作。因此，必須找出抑制零點(diǎn)漂移的方法。

常見的消除零點(diǎn)漂移方法可以從硬件和軟件兩方面入手。首先，硬件上可以采用簡單的調(diào)零電路，但此方法較機(jī)械、操作不便、調(diào)節(jié)時(shí)間長，而且成本較高、在軟件方面可以采用自調(diào)零方案，其基本原理如下：首先測量信號(hào)經(jīng)一級(jí)放大電路后，進(jìn)入二級(jí)差分放大電路，同相輸入端接前級(jí)放大器的輸出信號(hào)，而反相輸入接單片機(jī)控制的輸出信號(hào)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)零。其本質(zhì)是一個(gè)閉環(huán)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)組成圖如圖5所示。

圖5　傳統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)組成圖

但在上述傳統(tǒng)算法中，由于A/D轉(zhuǎn)換和D/A轉(zhuǎn)換的量化誤差限制，采樣零漂信號(hào)經(jīng)A/D和D/A轉(zhuǎn)換后得到的單片機(jī)輸出信號(hào)與實(shí)際零漂信號(hào)之間存在一定的誤差；

同時(shí)傳統(tǒng)算法需要的電路硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，電路成本較高。新算法系統(tǒng)組成圖如圖6所示。

圖6　新型自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)組成圖

此自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)原理說明：主要利用了單片機(jī)STC15F2K60S2的A/D轉(zhuǎn)換和PWM輸出功能。首先，出現(xiàn)中斷事件后，單片機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求，利用A/D轉(zhuǎn)換采集零點(diǎn)漂移信號(hào)，將采集到的信號(hào)經(jīng)數(shù)字濾波后存入單片機(jī)內(nèi)存中，然后通過單片機(jī)的PWM功能和RC濾波輸出等幅值的采樣信號(hào)。將此輸出與反相電路輸入端相連，以此輸出等幅值的反向零漂信號(hào)，最后利用求和電路實(shí)現(xiàn)零漂信號(hào)的消除。其具體電路原理圖如圖7所示。

圖7　自調(diào)零系統(tǒng)電路原理圖

此自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)如下：

① 利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字濾波算法進(jìn)行零漂信號(hào)的采樣；

② 將得到的零漂信號(hào)存儲(chǔ)在單片機(jī)的Flash內(nèi)存單元中；

③ 通過單片機(jī)的PWM輸出功能實(shí)現(xiàn)零漂信號(hào)的復(fù)現(xiàn)；

④ 將由PWM輸出的零漂復(fù)現(xiàn)信號(hào)傳送到輸入端。

具體的程序流程圖如圖8所示。

參考文獻(xiàn)傳統(tǒng)自動(dòng)調(diào)零算法中的電路元器件較多，硬件組成復(fù)雜，如[5]中的硬件構(gòu)成就包括了采樣保持器、積分器。雖然此電路可以在一定程度上抑制零漂信號(hào)，但增加了整個(gè)調(diào)零電路成本，以及采樣系統(tǒng)潛在的故障幾率。

本文提出的基于PWM的自動(dòng)調(diào)零系統(tǒng)不僅硬件結(jié)構(gòu)簡潔明了，而且成本大大降低。同時(shí)，利用單片機(jī)自身的高精度A/D轉(zhuǎn)換完成采樣，簡化了采樣系統(tǒng)的硬件電路，提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖8　程序流程圖

另外，利用存儲(chǔ)在單片機(jī)中的數(shù)字信號(hào)與PWM波輸出占空比的對(duì)應(yīng)關(guān)系來自動(dòng)生成PWM波，經(jīng)RC濾波后實(shí)現(xiàn)對(duì)零漂信號(hào)的復(fù)原，可以明顯提高量化精度，以及數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的精度，進(jìn)而提升了采樣系統(tǒng)的性能。

結(jié)語

[1] 康華光，陳大欽.電子技術(shù)基礎(chǔ)——模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[2] 張華，邱紅，宋智.由于電阻精度引起差分放大電路誤差的分析[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007,30(18).

[3] 張春飛，羅家融.軟件去除零點(diǎn)漂移方法的討論[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2004,12(7).

[4] 馬月輝，嚴(yán)世強(qiáng).智能儀表自調(diào)零[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2001(1).

[5] 侯明亮，任慧美，董京娥.自動(dòng)調(diào)零技術(shù)的研究[J].萊陽農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,23(2).

Comprehensive Error Research of Data Acquisition System and Design of

Software and Hardware

Zhang Endi,Li Xiang

(Hunan University,Changsha 410082,China)

Abstract：In the data acquisition system,there are some errors in the signal acquisition and transmission,which causes by the amplifier circuit and the peripheral components. In order to make the data acquisition system remain the high accuracy in the outdoor harsh environmental conditions,the error of signal transmission caused by the peripheral components of the amplifier circuit is researched and a practical calculation formula of error control is gotten.A algorithm is proposed,that combinates the hardware and software to eliminate the influence of zero drift of data acquisition in signal transmission.The experiment has proved the effectiveness of the algorithm,and it has been widely used in temperature and humidity monitoring system.

Key words:data acquisition system;error calculation;zero drift;automatic zero adjustment algorithm

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-06-10)

中圖分類號(hào):TN710

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A