ADC在数据采集和控制系统中的应用

数据采集系统是将通过传感器或其他方式得到的模拟信号，经过必要的处理（如放大、滤波等）后转换为数字信号，供存储、传输、处理和显示之用。数字分配系统把计算机或其他方式提供的数字信号转换为模拟信号，经必要的处理（如滤波、功率放大等）后，送给执行机构。数字控制系统是包括数据采集、数据分配的完整闭环过程控制系统。下面分别介绍它们的组成和功能。

1）数据采集系统

数据采集技术的应用十分广泛。大至数据遥控系统、脉冲编码与数字调制通信、自动测试系统、数据记录系统、音视频处理系统等，小至数字电压表、数字面板表等，都是数据采集系统。

数据采集的任务是把传感器采集到的模拟信号转换成数字信号，关键器件是ADC。此外，信号调理器、模拟多路器、定时控制器也是不可缺少的。典型的数据采集系统电路组成方框图如图10.31所示。

图中各部分的作用如下：

（1）传感器及变送器

传感器将非电量物理量转换为电信号；但如温度传感器、压力传感器、气敏传感器、位移传感器等输出的电信号十分微弱，变送器将其初步整理放大。通常这两部分组装在一起。

（2）输入网络

图10.31　数据采集系统电路方框图

过电压保护电路、滤波电路和隔离放大器电路共同组成输入网络。滤波器用来滤除信号中不需要的高频分量、电噪声等无用成分；隔离放大器实现对多通道模拟信号的隔离，防止相互串扰。

（3）多路模拟开关

大型控制系统中，需要同时监控多路信号。在输入地址的控制下，多路模拟开关顺序或按指定次序把各路模拟信号依次送入ADC。

（4）信号调理电路

它将传感器给出的模拟信号加以调节放大，使之适合ADC的要求。传感器输出的信号通常为毫伏数量级；而ADC的满量程输入电压大都是2.5 V、5 V、10 V，为了充分利用ADC的满量程分辨率，需把传感器输出的模拟信号放大到与ADC满量程相应的量级。放大器的增益通常要求可现场编程，以实现对不同电平信号的放大。调理还包括信号电平移位、去除共模分量及直流分量等。

（5）采样保持S/H及ADC

采样电路对模拟信号周期地进行瞬间采样；保持电路使转换期间信号保持采样时刻的电平；ADC将输入模拟量转换为对应的数字量，送入微机进行分析处理。

（6）定时控制器

整个数据采集系统的各部件在定时控制器的控制下按一定的时间顺序有秩序地工作，这一部分也可由计算机直接代替。

（7）接口电路(www.xing528.com)

ADC与微型计算机相接，其接口方式与使用的ADC芯片的型号有关，一般来说，其接口方式有以下四种：

①与CPU直接连接；

②利用三态门或简单接口电路相连；

③利用I/O接口器件与CPU相连；

④通过DMA（直接数据存取设备）与CPU相连。

目前，新型ADC大都带有输出寄存器和三态门与微机兼容，可直接实现与CPU连接，简化了电路的设计。只有在采样速率很高，程序控制器跟不上采样频率变化的时候，才要插入DMA接口。

图10.32为一典型的8路计算机数据采集系统（DAS），可实现在计算机控制下进行对模拟信号的采集和处理。

系统通过数据总线、地址总线和控制总线进行通信。

数据采集系统的工作过程是：传感器将被测物理量转换为与其成正比的模拟电压，经ADC转换成数字量。微处理器按一定时间间隔周期性地向各检测点发出采集命令，将采集到的数据送入微处理器进行处理。经处理后的信号送到控制装置完成各种动作，如报警、调温等。

图10.32　8路数据采集系统（DAS）

数据采集系统的工作原理为：微处理器通过控制总线向多路开关发送地址信号，选择需转换的模拟信号，再由多路开关送到采样保持电路，经可编程增益控制放大器放大并选择调整后送入ADC。微处理器发出片选信号转换启动信号使ADC工作；当转换结束时，微处理器向输出允许端发出允许输出的命令信号的数据通过数据总线送入微处理器，然后送入随机存取存储器RAM。这样，8个数据的采集、转换、存储完毕。

目前，传感器技术发展迅速，有的产品将传感器和信号调理电路集成在一个芯片上，并有自补偿、自校准功能；也有的有专用的系统编程信号调理器。单片集成的ADC将多路模拟开关、采样/保持和ADC电路集成在一起，并有多种形式的组合，使数据采集系统的设计变得越来越容易。

2）数据控制系统

计算机与控制技术相结合产生了数据控制系统，其应用十分广泛。它是自动化生产、自动控制的支柱。工厂生产的全过程均可受工业过程控制系统的监测和控制。计算机过程控制系统、分布式管理控制系统广泛应用于现代化生产、测控、管理的各行各业。数据控制系统的广泛应用和发展提高了工业自动化的技术水平、产品质量和劳动生产率，是现代工业革命的重要技术标志，也是市场竞争的重要手段。

一个典型的多变量数据控制系统方框图如图10.33所示。

图10.33　多变量数据控制系统组成方框图

系统以计算机为控制核心，对控制对象的工作状态实施检测与控制。计算机通过模拟输入接口界面和数字输出接口界面与被控制装置形成一个控制环路。被控对象的工作状态通过各种类型的传感器被实时采集，并由ADC变成等效的数字量送给计算机进行分析、处理与存储。计算机将分析处理的结果输出数字最佳给定值，由DAC变换成模拟控制信号，对控制对象执行机构的现有状态实施调整，使其工作保持在期望状态。

计算机数据采集和数据控制系统由软、硬件两部分组成，软件处理程序也是系统的重要组成部分。数据的采集、智能化处理、控制信息的输出等按照程序协调动作，构成一个高度统一的自动控制体系。