第三章 智能仪器
的数据采集技术
智能仪器的数据采集系统简称 DAS
（ Data Acquisition System），是指将温
度、压力、流量、位移等模拟量进行采
集、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。
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 3.1 数据采集系统的基本组成
实际的数据采集系统往往需要同时
测量多种物理量或同一种物理量的多个
测量点。因此，多路模拟输人通道更具
有普遍性。按照系统中数据采集电路是
各路共用一个还是每路各用一个，多路
模拟输人通道可分为集中采集式和分散
采集式两大类型。
一、集中采集式
图 3.2 集中式数据采集系统的典型结构
二, 分散采集式 (分布式 )
(a) 分布式单机数据采集结构
通信接口
上位机
数据
采集站 1
数据
采集站 2
数据
采集站 3
数据
采集站 N
…
…
…
…
…
…
…
…
……
模拟信号和数字信号
(b) 网络式数据采集结构
图 3.3 分布式数据采集系统的典型结构
第二节 模拟信号调理
在一般测量系统中信号调理的任务
较复杂，除了实现物理信号向电信号的
转换、小信号放大、滤波外，还有诸如
零点校正、线性化处理、温度补偿、误
差修正和量程切换等，这些操作统称为
信号调理（ Signal Conditioning），相应
的执行电路统称为信号调理电路。
传感
器
前置放
大
低通 陷波 高通 至采集
电路
图 3.4 典型调理电路的组成框图
一, 传感器的选用
传感器是信号输人通道的第一道环节, 也是
决定整个测试系统性能的关键环节之一 。 要正
确选用传感器, 首先要明确所设计的测试系统
需要什么样的传感器 —— 系统对传感器的技术
要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可
供选择的传感器, 把同类产品的指标和价格进
行对比, 从中挑选合乎要求的性能价格比最高
的传感器 。
(一 ) 对传感器的主要技术要求
1,具有将被测量转换为后续电路可用电量的功
能, 转换范围与被测量实际变化范围相一致 。
2,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, 转换速度应符合整
机要求 。
3,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 。
4,能满足用户对可靠性和可维护性的要求 。
(二 ) 可供选用的传感器类型
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、相配电路是否简单等因素进
行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
1,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
传感器
传感器
小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机
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
2,数字式传感器：数字式传感器一般是
采用频率敏感效应器件构成，也可以是
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，因此，数字
量传感器一般都是输出频率参量，具有
测量精度高、抗干扰能力强、便于远距
离传送等优点。
传感器 放大整形 光电隔离 计算机
传感器 整形 光电隔离 计算机
频率量
输出
开关量
输出
图 3.6 频率量及开关量输出传感器的使用
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人通道的信
号调理任务，简化通道结构。
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。在信号输
入通道中采用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。
二, 运用前置放大器的依据
多数传感器输出信号都比较小, 必须
选用前置放大器进行放大 。
?判断传感器信号, 大, 还是, 小, 和要
不要进行放大的依据又是什么？
?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？
VIN
前置放大器 K0 后级电路 KVISV
IN0
VOSV
ON
KVV ONIN /?
22
00 )()( KVKKVV ININON ???
图 3.7 前置放大器的作用
2
0
2
0
0
)(
K
V
V
KK
V
V ININONIN ??
?
??
2
0
2
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K
V
VV INININ ??
2
0
0
1
1
K
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图 3.8 两种调理电路的对比
2
1
2
0
2
0
2
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ININ
ININ
IN VVK
KVKV
V ??
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??
212
0
2
1
2
0 )()(
K
VV
K
VKV
V INININININ ??
?
?
由于 K＞ 1,所以，,这就是
说，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。
ININ VV ??
三、信号调理通道中的常用放大器
在智能仪器的信号调理通道中，针
对被放大信号的特点，并结合数据采集
电路的现场要求，目前使用较多的放大
器有 仪用放大器, 程控增益放大器 以及
隔离放大器 等。
(一 ) 仪用放大器
图 3.9 仪用放大器的基本结构
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：
假设 R4=R5,即第二级运算放大器增益为
1,则可以推出仪用放大器闭环增益为：
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。
451 /)/21( RRRRA Gf ???
)/21( 1 Gf RRA ???
在实际的设计过程中，可根据模
拟信号调理通道的设计要求，并结合
仪用放大器的以下主要性能指标确定
具体的放大电路。
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。 当增益为 1时，如果
一个 12位 A/D转换器有 0.025%的非线性
偏差，当增益为 500时，非线性偏差可达
0.1%，相当于把 12位 A/D转换器变成 10
位以下转换器，故一定要选择非线性偏
差小于 0.024%的仪用放大器。
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。通常仪用放大器
的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。
3,建立时间
建立时间是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
恢复时间是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 。 显然, 放大器的建立时间和恢复时
间直接影响数据采集系统的采样速率 。
5,电源引起的失调
电源引起的失调是指电源电压每变化 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。
6,共模抑制比
当放大器两个输入端具有等量电压变化值 UI时
,在放大器输出端测量出电压变化值 UCM,则
共模抑制比 CMRR可用下式计算：
CMRR也是放大器增益的函数, 它随增益的
增加而增大, 这是因为测量放大器具有一个不
放大共模的前端结构, 这个前端结构对差动信
号有增益, 对共模信号没有增益 。 但 CMRR的
计算却是折合到放大器输出端, 这样就使
CMRR随增益的增加而增大 。
I
CM
U
UC MR R lg20?
(二 ) 程控增益放大器
程控放大器是智能仪器的常用部件之
一，在许多实际应用中，特别是在通用测
量仪器中，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。在
智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪
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。
图 3.10 程控放大器原理框图
(三 ) 隔离放大器
隔离放大器主要用于要求共模抑制比
高的模拟信号的传输过程中，例如输入数
据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而
测试现场的干扰比较大对信号的传递精度
要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入
系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证
系统的可靠性。
由于隔离放大器采用了浮离式设计, 消除了输
入, 输出端之间的耦合, 因此具有以下特点：
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 （ 电压
或电流 ） 进行准确, 安全的测量 。
图 3.12 GF289集成隔离放大器
图 3.14 GF289典型接法
第三节 A/D转换器及接口技术
A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器
件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间
等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而
言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般
用一个称为量子 Q的基本单位来度量。
图 3.15 量化特性及量化误差
QBVbbbaaaVV nnrnnnnnnrn ????????? ??????? )2/)(222()222( 0022112211 ??
)2/)(2/1()2/)(2/1( nrninrn VVVVV ????
一般而言,n位 ADC的理想传输函数由以
下两个式子定义：
图 3.16 理想 ADC的传输特性和量化误差
A/D转换器常用以下几项技术指标来评
价其质量水平 。
(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。
(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。
(3) 精度
① 绝对精度
绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输
出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入
电压的差值。
绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误
差以及噪声等组成。
② 相对精度
相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字
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。
③ 偏移误差 。
ADC的偏移误差定义为使 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 1/2(Vr／ 2n)(即 0.5LSB所对应的电压值 )之
差（又称为偏移电压）。
④ 增益误差
增益误差是指 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。
⑤ 线性度误差
ADC的线性度误差包括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
积分线性度误差定义为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。
b,微分线性度误差
积分线性度误差是从总体上来看 ADC的数
字输出，表明其误差最大值。但是，在很
多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴
趣。微分线性度误差就是说明这种问题的
技术参数，它定义为 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。
图 3.17 ADC的积分线性度误差 图 3.18 ADC的微分线性度误差
与微分线性度误差直接关联的一个 ADC的常用
术语是失码（ Missing Cord）或跳码 (Skipped
Cord)，也叫做非单调性。
图 3.19 ADC的失码现象
⑥ 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。
二, 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
图 3.20 逐次逼近式转换器原理
(二 ) 积分型 ADC
图 3.21 双积分 ADC
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 。
(三 )Δ-Σ型 ADC
过采样 Σ -Δ A/D变换器由于采用了过采
样技术和 Σ -Δ 调制技术，增加了系统中数字
电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且
易于与数字系统实现单片集成，因而能够以
较低的成本实现高精度的 A/D变换器，适应
了 VLSI技术发展的要求。
① 过采样技术
图 3.22 理想 3位 ADC转换特性
图 3.23 过采样技术原理图
② Σ -Δ 调制及噪声整形技术
图 3.24 带模拟滤波和数字滤波的过采样
图 3.25 一阶 Σ-Δ ADC
图 3.26 Σ -Δ 调制器的频域线性化模型
图 3.27 整形后的量化噪声分布
图 3.28 二阶 Σ -Δ ADC
图 3.29 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系
③ 数字滤波和采样抽取技术
图 3.30 M=4的采样抽取
(四 ) V/F型 ADC
智能仪器中常用的另一种 ADC是 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。
三, 常用 ADC集成芯片及其与智能仪
器中微处理器的接口
考虑到逐次逼近式 ADC具有转换速度快, 精度
较高, 价格适中的优点, Σ-Δ型 ADC具有转换精
度高, 价格低廉的优点, 下面将介绍逐次逼近
式 ADC-AD574A和 Σ-Δ型 ADC-CS5360及其与
CPU的接口 。
(一 ) AD54A及其与微处理器的接口
图 3.31 AD57A的管脚图
图 3.32 ADC574A单极性和双极性输入接法
表 3.1 AD574的控制状态表：
图 3.33 AD574的 8位输出数据格式
图 3.34 AD574A启动转换和读数据时序
图 3.35 AD574A与 8031的接口
表 3.2 AD574系列产品主要性能比较
(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 低噪声, 总谐波失真 >95dB
u Δ-Σ 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
图 3.36 CS5360功能框图
图 3.37 CS5360串行输出数据格式 0
图 3.38 CS5360串行输出数据格式 1
图 3.39 CS5360串行输出数据格式 2
2,CS5360与 CPU的接口电路设计
在设计 CS5360的接口电路时，需要考虑的
一个主要问题是如何将其转换输出的 24位串
行数据读出并存储。有两种方案可以考虑：
一是将 CS5360的数据输出接口直接与 MCU的
I/O口相连，利用 MCU内部提供的串行接口或
者采用软件来实现数据的读出和保存，该方
案对 MCU的速度要求相对较高；另一方案是
设计专门的硬件电路来实现数据的读出和存
储，适用于采用低速 MCU的应用场合。
图 3.40数字接口电路功能框图
基于 FPGA的数字接口电路部分的设计
图 3.41 接口功能框图
图 3.42 串并转换电路原理图
图 3.43 工作时序图
的数据采集技术
智能仪器的数据采集系统简称 DAS
（ Data Acquisition System），是指将温
度、压力、流量、位移等模拟量进行采
集、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。
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 3.1 数据采集系统的基本组成
实际的数据采集系统往往需要同时
测量多种物理量或同一种物理量的多个
测量点。因此，多路模拟输人通道更具
有普遍性。按照系统中数据采集电路是
各路共用一个还是每路各用一个，多路
模拟输人通道可分为集中采集式和分散
采集式两大类型。
一、集中采集式
图 3.2 集中式数据采集系统的典型结构
二, 分散采集式 (分布式 )
(a) 分布式单机数据采集结构
通信接口
上位机
数据
采集站 1
数据
采集站 2
数据
采集站 3
数据
采集站 N
…
…
…
…
…
…
…
…
……
模拟信号和数字信号
(b) 网络式数据采集结构
图 3.3 分布式数据采集系统的典型结构
第二节 模拟信号调理
在一般测量系统中信号调理的任务
较复杂，除了实现物理信号向电信号的
转换、小信号放大、滤波外，还有诸如
零点校正、线性化处理、温度补偿、误
差修正和量程切换等，这些操作统称为
信号调理（ Signal Conditioning），相应
的执行电路统称为信号调理电路。
传感
器
前置放
大
低通 陷波 高通 至采集
电路
图 3.4 典型调理电路的组成框图
一, 传感器的选用
传感器是信号输人通道的第一道环节, 也是
决定整个测试系统性能的关键环节之一 。 要正
确选用传感器, 首先要明确所设计的测试系统
需要什么样的传感器 —— 系统对传感器的技术
要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可
供选择的传感器, 把同类产品的指标和价格进
行对比, 从中挑选合乎要求的性能价格比最高
的传感器 。
(一 ) 对传感器的主要技术要求
1,具有将被测量转换为后续电路可用电量的功
能, 转换范围与被测量实际变化范围相一致 。
2,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, 转换速度应符合整
机要求 。
3,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 。
4,能满足用户对可靠性和可维护性的要求 。
(二 ) 可供选用的传感器类型
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、相配电路是否简单等因素进
行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
1,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
传感器
传感器
小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机
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
2,数字式传感器：数字式传感器一般是
采用频率敏感效应器件构成，也可以是
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，因此，数字
量传感器一般都是输出频率参量，具有
测量精度高、抗干扰能力强、便于远距
离传送等优点。
传感器 放大整形 光电隔离 计算机
传感器 整形 光电隔离 计算机
频率量
输出
开关量
输出
图 3.6 频率量及开关量输出传感器的使用
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人通道的信
号调理任务，简化通道结构。
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。在信号输
入通道中采用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。
二, 运用前置放大器的依据
多数传感器输出信号都比较小, 必须
选用前置放大器进行放大 。
?判断传感器信号, 大, 还是, 小, 和要
不要进行放大的依据又是什么？
?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？
VIN
前置放大器 K0 后级电路 KVISV
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图 3.8 两种调理电路的对比
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?
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由于 K＞ 1,所以，,这就是
说，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。
ININ VV ??
三、信号调理通道中的常用放大器
在智能仪器的信号调理通道中，针
对被放大信号的特点，并结合数据采集
电路的现场要求，目前使用较多的放大
器有 仪用放大器, 程控增益放大器 以及
隔离放大器 等。
(一 ) 仪用放大器
图 3.9 仪用放大器的基本结构
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：
假设 R4=R5,即第二级运算放大器增益为
1,则可以推出仪用放大器闭环增益为：
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。
451 /)/21( RRRRA Gf ???
)/21( 1 Gf RRA ???
在实际的设计过程中，可根据模
拟信号调理通道的设计要求，并结合
仪用放大器的以下主要性能指标确定
具体的放大电路。
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。 当增益为 1时，如果
一个 12位 A/D转换器有 0.025%的非线性
偏差，当增益为 500时，非线性偏差可达
0.1%，相当于把 12位 A/D转换器变成 10
位以下转换器，故一定要选择非线性偏
差小于 0.024%的仪用放大器。
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。通常仪用放大器
的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。
3,建立时间
建立时间是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
恢复时间是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 。 显然, 放大器的建立时间和恢复时
间直接影响数据采集系统的采样速率 。
5,电源引起的失调
电源引起的失调是指电源电压每变化 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。
6,共模抑制比
当放大器两个输入端具有等量电压变化值 UI时
,在放大器输出端测量出电压变化值 UCM,则
共模抑制比 CMRR可用下式计算：
CMRR也是放大器增益的函数, 它随增益的
增加而增大, 这是因为测量放大器具有一个不
放大共模的前端结构, 这个前端结构对差动信
号有增益, 对共模信号没有增益 。 但 CMRR的
计算却是折合到放大器输出端, 这样就使
CMRR随增益的增加而增大 。
I
CM
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UC MR R lg20?
(二 ) 程控增益放大器
程控放大器是智能仪器的常用部件之
一，在许多实际应用中，特别是在通用测
量仪器中，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。在
智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪
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。
图 3.10 程控放大器原理框图
(三 ) 隔离放大器
隔离放大器主要用于要求共模抑制比
高的模拟信号的传输过程中，例如输入数
据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而
测试现场的干扰比较大对信号的传递精度
要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入
系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证
系统的可靠性。
由于隔离放大器采用了浮离式设计, 消除了输
入, 输出端之间的耦合, 因此具有以下特点：
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 （ 电压
或电流 ） 进行准确, 安全的测量 。
图 3.12 GF289集成隔离放大器
图 3.14 GF289典型接法
第三节 A/D转换器及接口技术
A/D转换器是将模拟量转换为数字量的器
件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间
等参量，但在一般情况下，模拟量是指电压而
言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般
用一个称为量子 Q的基本单位来度量。
图 3.15 量化特性及量化误差
QBVbbbaaaVV nnrnnnnnnrn ????????? ??????? )2/)(222()222( 0022112211 ??
)2/)(2/1()2/)(2/1( nrninrn VVVVV ????
一般而言,n位 ADC的理想传输函数由以
下两个式子定义：
图 3.16 理想 ADC的传输特性和量化误差
A/D转换器常用以下几项技术指标来评
价其质量水平 。
(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。
(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。
(3) 精度
① 绝对精度
绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输
出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入
电压的差值。
绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误
差以及噪声等组成。
② 相对精度
相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字
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。
③ 偏移误差 。
ADC的偏移误差定义为使 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 1/2(Vr／ 2n)(即 0.5LSB所对应的电压值 )之
差（又称为偏移电压）。
④ 增益误差
增益误差是指 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。
⑤ 线性度误差
ADC的线性度误差包括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
积分线性度误差定义为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。
b,微分线性度误差
积分线性度误差是从总体上来看 ADC的数
字输出，表明其误差最大值。但是，在很
多情况下往往对相邻状态间的变化更感兴
趣。微分线性度误差就是说明这种问题的
技术参数，它定义为 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。
图 3.17 ADC的积分线性度误差 图 3.18 ADC的微分线性度误差
与微分线性度误差直接关联的一个 ADC的常用
术语是失码（ Missing Cord）或跳码 (Skipped
Cord)，也叫做非单调性。
图 3.19 ADC的失码现象
⑥ 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。
二, 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
图 3.20 逐次逼近式转换器原理
(二 ) 积分型 ADC
图 3.21 双积分 ADC
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 。
(三 )Δ-Σ型 ADC
过采样 Σ -Δ A/D变换器由于采用了过采
样技术和 Σ -Δ 调制技术，增加了系统中数字
电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且
易于与数字系统实现单片集成，因而能够以
较低的成本实现高精度的 A/D变换器，适应
了 VLSI技术发展的要求。
① 过采样技术
图 3.22 理想 3位 ADC转换特性
图 3.23 过采样技术原理图
② Σ -Δ 调制及噪声整形技术
图 3.24 带模拟滤波和数字滤波的过采样
图 3.25 一阶 Σ-Δ ADC
图 3.26 Σ -Δ 调制器的频域线性化模型
图 3.27 整形后的量化噪声分布
图 3.28 二阶 Σ -Δ ADC
图 3.29 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系
③ 数字滤波和采样抽取技术
图 3.30 M=4的采样抽取
(四 ) V/F型 ADC
智能仪器中常用的另一种 ADC是 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。
三, 常用 ADC集成芯片及其与智能仪
器中微处理器的接口
考虑到逐次逼近式 ADC具有转换速度快, 精度
较高, 价格适中的优点, Σ-Δ型 ADC具有转换精
度高, 价格低廉的优点, 下面将介绍逐次逼近
式 ADC-AD574A和 Σ-Δ型 ADC-CS5360及其与
CPU的接口 。
(一 ) AD54A及其与微处理器的接口
图 3.31 AD57A的管脚图
图 3.32 ADC574A单极性和双极性输入接法
表 3.1 AD574的控制状态表：
图 3.33 AD574的 8位输出数据格式
图 3.34 AD574A启动转换和读数据时序
图 3.35 AD574A与 8031的接口
表 3.2 AD574系列产品主要性能比较
(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 低噪声, 总谐波失真 >95dB
u Δ-Σ 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
图 3.36 CS5360功能框图
图 3.37 CS5360串行输出数据格式 0
图 3.38 CS5360串行输出数据格式 1
图 3.39 CS5360串行输出数据格式 2
2,CS5360与 CPU的接口电路设计
在设计 CS5360的接口电路时，需要考虑的
一个主要问题是如何将其转换输出的 24位串
行数据读出并存储。有两种方案可以考虑：
一是将 CS5360的数据输出接口直接与 MCU的
I/O口相连，利用 MCU内部提供的串行接口或
者采用软件来实现数据的读出和保存，该方
案对 MCU的速度要求相对较高；另一方案是
设计专门的硬件电路来实现数据的读出和存
储，适用于采用低速 MCU的应用场合。
图 3.40数字接口电路功能框图
基于 FPGA的数字接口电路部分的设计
图 3.41 接口功能框图
图 3.42 串并转换电路原理图
图 3.43 工作时序图
