數據采集系統綜合誤差研究及軟硬件設計

張恩迪，李翔

(湖南大學，長沙 410082)

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數據采集系統綜合誤差研究及軟硬件設計

張恩迪，李翔

(湖南大學，長沙 410082)

摘要:在數據采集系統中，由于受放大電路的自身原因和其外圍元器件精度的影響，給信號的采集和傳送帶來一定的誤差。為了使數據采集系統在室外惡劣環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信號傳送產生的誤差，并總結出實用的誤差計算控制公式，同時提出了一種新的算法，采用軟硬件結合的方式來消除數據采集系統本身的零點漂移現象對采集信號傳送的影響。此算法已經過實驗論證，并在溫濕度監測系統中得到了廣泛應用。

關鍵詞:數據采集系統；誤差計算；零點漂移；自調零算法

引言

物聯網技術的發展和普及，對數據采集系統提出了越來越高的要求，如一般工業過程控制誤差≤1%，則要求數據采集系統的誤差為0.3%～0.4%。而對一般實驗室過程控制來說，數據采集系統的要求更高，達到了0.025%～0.01%。從傳感器到采集器，如何有效實現傳感器信號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人員的一大難題。

圖1　數據采集系統信號傳送電路模型

數據采集系統的性能主要由其精度與速度決定，當系統運行時，總會不可避免地存在信號傳送誤差和零點漂移現象，對于隨機波動干擾，可以采用RC濾波或者數字濾波等方法進行消除和改善，系統的放大電路由于自身原因和外圍元器件的原因，同樣對采集系統的精度產生了極大的影響。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傳送誤差的計算公式；另外通過軟硬件結合的方式，提出了一種系統自動調零算法。上述兩個創新點對于現實中提高數據采集精度具有較高價值。

1典型數據采集系統模型

數據采集系統將外界的模擬信號采集后通過傳感器輸出，并轉換成能識別的數字信號，然后送入計算機。根據不同的需要，由計算機進行相應的計算和處理，得出所需的數據。典型的數據采集系統信號傳送的電路模型如圖1所示。

在數據采集系統中經常要用到放大器，尤其是運算放大器，因此研究典型運算放大電路的信號傳送誤差變成了一項必不可少的工作。前人雖然對運放信號傳送做過一定研究，但都局限于運放的失調電壓、失調電流領域，而對外圍元器件參數如電阻、電容的精度對運放的信號傳送影響研究甚少。另外，由于放大器本身存在零點漂移現象，當采集信號與零點信號混合后，將在一定程度上影響采集系統的精度，因此放大器自調零算法一直是科研人員研究的一個熱門方向。基于上述兩點，本文著重研究了外圍元器件的精度對放大器信號傳送的影響和放大器的自調零技術。

2典型放大電路信號傳送誤差計算分析

2.1同相放大電路

圖2　同相放大電路

圖2為單個同相放大電路，當運放為理想運放，且外圍元器件電阻在標稱值時，電路輸出電壓為：

電壓增益為：

假設有n個這樣的同相放大電路進行級聯，則最后一級輸出電壓：

當R1、R2的精度分別為M1、M2時，輸出電壓Vo的范圍為：

此時，對n個這樣的同相放大電路進行級聯，則最后一級輸出電壓Vo的范圍為：

而令R2=xR1，可得級聯電路的增益最大相對誤差公式：

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。此時利用虛短的概念，可得電路輸出電壓:

電壓增益:

此時,因x為0上述級聯電路的增益最大相對誤差公式中，最大增益誤差為0，即表示電壓跟隨器不存在信號傳輸誤差。

圖4　反相放大器

2.2反向放大電路

圖4為單個反向放大電路。理想狀態下，由電路分析可得電路輸出電壓為：

電壓增益為：

假設有n個這樣的反相放大電路進行級聯，則最后一級輸出電壓：

當R1、R2的精度分別為M1、M2時，輸出電壓Vo的范圍為：

此時，對n個這樣的反相放大電路進行級聯，則在最后一級可得輸出電壓Vo的范圍為：

級聯電路的增益最大相對誤差計算公式為：

根據該公式可得出，在理想運放狀態下，典型放大電路信號傳送誤差不僅與放大電路級聯個數n有關，而且還與電路的外圍元器件精度密切相關。基于上述公式，工程技術人員可以快速地估算出數據采集系統中信號傳送誤差，并以此為依據設計高精度數據采集與傳送電路，建立一個高精度的數據采集系統。

3零點漂移及其軟硬件消除

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

常見的消除零點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零電路，但此方法較機械、操作不便、調節時間長，而且成本較高、在軟件方面可以采用自調零方案，其基本原理如下：首先測量信號經一級放大電路后，進入二級差分放大電路，同相輸入端接前級放大器的輸出信號，而反相輸入接單片機控制的輸出信號，這樣就可以實現動態調零。其本質是一個閉環的自動控制系統，系統組成圖如圖5所示。

圖5　傳統自動調零系統組成圖

但在上述傳統算法中，由于A/D轉換和D/A轉換的量化誤差限制，采樣零漂信號經A/D和D/A轉換后得到的單片機輸出信號與實際零漂信號之間存在一定的誤差；

同時傳統算法需要的電路硬件結構復雜，電路成本較高。新算法系統組成圖如圖6所示。

圖6　新型自動調零系統組成圖

此自動調零系統原理說明：主要利用了單片機STC15F2K60S2的A/D轉換和PWM輸出功能。首先，出現中斷事件后，單片機響應中斷請求，利用A/D轉換采集零點漂移信號，將采集到的信號經數字濾波后存入單片機內存中，然后通過單片機的PWM功能和RC濾波輸出等幅值的采樣信號。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，最后利用求和電路實現零漂信號的消除。其具體電路原理圖如圖7所示。

圖7　自調零系統電路原理圖

此自動調零系統的軟件設計如下：

① 利用單片機的A/D轉換和數字濾波算法進行零漂信號的采樣；

② 將得到的零漂信號存儲在單片機的Flash內存單元中；

③ 通過單片機的PWM輸出功能實現零漂信號的復現；

④ 將由PWM輸出的零漂復現信號傳送到輸入端。

具體的程序流程圖如圖8所示。

參考文獻傳統自動調零算法中的電路元器件較多，硬件組成復雜，如[5]中的硬件構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，但增加了整個調零電路成本，以及采樣系統潛在的故障幾率。

本文提出的基于PWM的自動調零系統不僅硬件結構簡潔明了，而且成本大大降低。同時，利用單片機自身的高精度A/D轉換完成采樣，簡化了采樣系統的硬件電路，提高了系統的可靠性。

圖8　程序流程圖

另外，利用存儲在單片機中的數字信號與PWM波輸出占空比的對應關系來自動生成PWM波，經RC濾波后實現對零漂信號的復原，可以明顯提高量化精度，以及數字信號轉換為模擬信號的精度，進而提升了采樣系統的性能。

結語

[1] 康華光，陳大欽.電子技術基礎——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].現代電子技術，2007,30(18).

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

[4] 馬月輝，嚴世強.智能儀表自調零[J].自動化與儀器儀表，2001(1).

[5] 侯明亮，任慧美，董京娥.自動調零技術的研究[J].萊陽農學院學報，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：(責任編輯：楊迪娜2015-06-10)

中圖分類號:TN710

文獻標識碼:A