2.1　数据采集系统

现代液压测试系统的数据采集系统组成框图如图2-1所示，它充分利用了计算机测试技术的优点。与传统的测试系统相比较，现代液压测试系统除了信号调理电路外，还包括信号采样与保持电路、A/D和D/A转换器及其他计算机硬件设备。A/D和D/A转换器是计算机测试系统中模拟电路和数字电路的接口，实现模数之间的转化。所以它们是测试系统必不可少的部件。在ROM存储器中，还存储有计算机系统程序和应用程序。

现代液压测试系统将传感器测得的模拟信号转换为数字信号，通过系统的软件资源，对数据进行分析和处理，达到测试自动化和智能化的目的。现代液压测试系统较传统的测试系统具有精度高、分辨率高、性能稳定、性价比高、设计方便灵活、操纵方便和维修方便的优点，并且具有运算和记忆、自动校准、故障自诊断等功能。

2.1.1　多路模拟开关

多路模拟开关又称为多路模拟信号转换器（Multiplexer，MUX），它是具有公共输入端（或公共输出端）的多个模拟开关的集合体，其作用是切换各路输入信号，它是数据采集系统的主要部件之一。计算机测试系统往往需要执行多参数的测量，如果多个传感器的信号都采用独立的输入回路（信号调理、采样/保持、A/D转换），则系统使用的元件数量将成倍上升。这不但使系统的体积庞大、成本高，而且模拟器件、阻容元件的参数和特性不一致，将会给系统的校准带来很大的麻烦。因此，通常采用多路模拟开关将多个传感器信号逐个、分时地送入公共的输入回路进行测量，以减少系统输入回路元件的数量。

（1）多路模拟开关的结构与原理

目前大量生产和广泛应用的MUX组件几乎全部是CMOS型的。虽然多路模拟开关种类繁多，但是其基本功能基本相同，只是在引线排列及通道数、输入电压、漏电流、方向切换等性能参数上有所不同。图2-2给出了一种八选一CMOS多路模拟开关原理框图，根据控制信号A0、A1及A2的状态，三-八译码器在同一时刻只选中S0～S7中相应的一个开关闭合。实际的CMOS集成多路模拟开关通常还具有一个使能（enable）控制端，当使能输入有效时才允许闭合选中的开关，否则所有开关均处于断开状态。使能端的存在主要是便于通道扩展，如将八选一扩展为十六选一。

（2）多路模拟开关种类

多路模拟开关的种类很多，按通道数可分为四选一、双四选一、八选一、十六选一等类型；按输入信号的连接方式可分为单端输入和差动输入方式；按信号的传输方向可分为单向开关和双向开关。双向开关既能完成从多到一的转换，也能完成从一到多的转换。

（3）多路模拟开关的优点

目前，计算机测试系统中常采用CMOS场效应模拟电子开关，尽管模拟电子开关的导通电阻受电源、模拟信号电平和环境温度变化的影响将会发生改变，但是相对于传统的机械触点式开关，有速度快、功耗低、体积小、易于集成且没有机械式开关的抖动现象等优点。CMOS场效应模拟电子开关的导通电阻一般在200Ω以下，关断时漏电流一般可达纳安级甚至皮安级，开关时间通常为数百纳秒。

2.1.2　A/D转换

（1）转换原理

A/D转换器是将传感器输出的模拟信号转换为计算机能接收的数字信号的器件，其转换过程如图2-3所示，由采样、量化和编码三个过程组成。A/D转换器输入信号x（t）为模拟量，输出信号x（n）为二进制数。

采样就是将连续的时间信号离散化。采样后，信号在幅值上仍然是连续取值的，必须进一步通过幅值量化转换为幅值离散的信号。若信号x（t）可能出现的最大值为A，将其分为d个间隔，则每个间隔大小为q=A/d，q称为量化当量或量化步长。量化的结果即是将连续信号的幅值通过截尾或舍入的方法表示为量化当量的整数倍。量化后的离散幅值需通过编码表示为二进制数字以适应数字计算机处理的需要，即A=qD。编码是把已经量化的数字量的输出用一定的代码表示，通常采用二进制码，其中D为编码后的二进制数。

经过量化和编码后得到的数字信号的幅值必然带来误差，这种误差被称为量化误差。当采用截尾量化时，最大量化误差为-q；采用舍入量化时，最大量化误差为±q/2。量化误差的大小一般取决于二进制编码的位数，因为它决定了幅值被分割的间隔数量d。如采用8位二进制编码时，d=28=256，即量化当量为最大可测信号幅值的1/256。

A/D转换器通常利用测量信号与标准参考信号进行比较获得转化后的数字信号，根据其比较方式的不同，可以划分为直接比较型和间接比较型两大类。

①直接比较型A/D转换器　直接比较型A/D转换器将输入模拟电压信号直接与作为标准的参考电压信号相比较，得到相应的数字编码。逐次逼近式A/D转换器是一种常见的直接比较型A/D转换器，其原理图如图2-4所示。它通过将待转换的模拟输入量Ui与一个推测信号UR相比较，根据比较结果调节UR以向Ui逼近。该推测信号UR由D/A转换器的输出获得，当UR与Ui相等时，D/A转换器的输入数字量即为A/D转换的结果。

移位寄存器的每一位从最高位开始依次置1，每置一位时均进行比较，若Ui小于UR，则比较器输出为0，并使该位清0；反之，比较器输出为1，并使该位保持为1。直至比较至最后一位为止，此时数据锁存器中的数值即为转换结果。显然，逐次比较型A/D转换是在移位时钟的控制下进行转换，其比较的次数等于其位数，完成一次转换共需要n+1个时钟脉冲。

②间接比较型A/D转换器　间接比较型A/D转换器首先将输入的模拟信号与参考信号转化为一中间变量，再对其比较得到相应的数字量输出。常用的双积分式A/D转换器就是一种间接比较型A/D转换器，其转换原理如图2-5所示。先对输入模拟电压进行固定时间的积分，通过控制逻辑转为对标准电压UREF反向积分，直至积分输出返回起始值，这样对标准电压积分的时间T将正比于Ui。Ui越大，反向积分时间越长。

直接比较型A/D转换器属于瞬时比较，转换速度快，常作为数字信号处理系统的前端，但缺点是抗干扰能力差。间接比较型A/D转换器抗干扰能力强，但转换速度慢，常用于数字显示系统中。

（2）主要技术指标

A/D转换器的主要技术指标包括以下几方面。

①分辨率（Resolution）：数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辨率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。

②转换速率（Conversion Rate）：完成一次从模拟量转换到数字量的A/D转换所需的时间的倒数。积分型A/D的转换时间是毫秒级，属低速A/D转换；逐次比较型A/D是微秒级，属中速A/D转换；全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。

采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率（Sample Rate）必须小于或等于转换速率。因此也有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率。

③量化误差（Quantizing Error）：由于A/D转换的有限分辨率而引起的误差，即有限分辨率A/D转换的阶梯状转移特性曲线与无限分辨率A/D转换（理想A/D转换）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差，通常是1个或半个最小数字量的模拟变化量。

④偏移误差（Offset Error）：输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。

⑤满刻度误差（Full Scale Error）：满刻度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。

⑥线性度（Linearity）：实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。

其他指标还包括：绝对精度（Absolute Accuracy）、相对精度（Relative Accuracy）、微分非线性、单调性和无错码、总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD）和积分非线性。

2.1.3　D/A转换

（1）转换原理

D/A转换器将输入的数字量转换为输出的模拟电压或电流信号，其基本要求是输出信号A与输入数字量D成正比，即

式中，q为量化当量，即数字量的二进制码最低有效位所对应的模拟信号幅值。根据二进制计数方法，一个数是由各位数码组合而成的，每位数码均有确定的权值，即

式中，ai（i=0，1，…，n-1）等于0或1，表示二进制数的第i位，即二进制数可表示为an-1an-2…a2a1a0。

为了用数字量表示模拟量，应将其每一位代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后根据迭加原理将各位代码对应的模拟分量相加，其和即为与数字量成正比的模拟量，这就是D/A转换的基本原理。从D/A转换器得到的输出电压值Uo是转换指令来到时刻的一次瞬时值，不断转换可得到各个不同时刻的瞬时值，这些瞬时值的集合对一个信号而言在时域仍是离散的，还必须通过保持电路进行波形复原才能将其恢复为原来的时域模拟信号。

保持电路在D/A转换器中相当于一个模拟存储器，其作用是在转换间隔的起始时刻接收D/A转换输出的模拟电压脉冲，并保持到下一个转换间隔的开始（零阶保持器）。由图2-6可见，D/A经保持器输出的信号实际由许多矩形脉冲构成，为了得到光滑的输出信号，还必须通过低通滤波器去除其中的高频噪声，从而恢复原信号。

（2）主要技术指标

D/A转换器的主要技术指标包括以下几方面：

①分辨率：最小输出电压（对应的输入数字量只有最低有效位为“1”）与最大输出电压（对应的输入数字量所有有效位全为“1”）之比。如N位D/A转换器，其分辨率为1/（2N―1）。在实际使用中，表示分辨率大小的方法也常用输入数字量的位数来表示。

②线性度：用非线性误差的大小来表示D/A转换的线性度，并且把理想的输入输出特性的偏差与满刻度输出之比的百分数定义为非线性误差。

③转换精度：D/A转换器的转换精度，与D/A转换器集成芯片的结构和接口电路配置有关。如果不考虑其他D/A转换误差，则D/A的转换精度就是分辨率的大小。因此要获得高精度的D/A转换结果，首先要保证选择有足够分辨率的D/A转换器。同时D/A转换精度还与外接电路的配置有关，当外部电路器件或电源误差较大时，会造成较大的D/A转换误差，当这些误差超过一定程度时，D/A转换就产生错误。在D/A转换过程中，影响转换精度的主要因素有失调误差、增益误差、非线性误差和微分非线性误差。

④温度系数：在满刻度输出的条件下，温度每升高1℃，输出变化的百分数。

⑤电源抑制比：对于高质量的D/A转换器，要求开关电路及运算放大器所用的电源电压发生变化时，对输出电压影响极小。通常把满量程电压变化的百分数与电源电压变化的百分数之比称为电源抑制比。

⑥温度系数：工作温度范围一般情况下，影响D/A转换精度的主要环境和工作条件因素是温度和电源电压变化。由于工作温度会对运算放大器加权电阻网络等产生影响，因此只有在一定的工作范围内才能保证额定精度指标。较好的D/A转换器的工作温度范围在-40～85℃之间，较差的D/A转换器的工作温度范围在0～70℃之间。多数器件其静、动态指标均在25℃的工作温度下测得，工作温度对各项精度指标的影响用温度系数来描述，如失调温度系数、增益温度系数、微分线性误差温度系数等。

⑦失调误差（或称零点误差）：数字输入全为0时，其模拟输出值与理想输出值之偏差值。对于单极性D/A转换，模拟输出的理想值为零伏点。对于双极性D/A转换，理想值为负域满量程。偏差值的大小一般用LSB的份数或用偏差值相对满量程的百分数来表示。

⑧增益误差（或称标度误差）：D/A转换器的输入与输出传递特性曲线的斜率称为D/A转换增益或标度系数，实际转换的增益与理想增益之间的偏差称为增益误差。增益误差在消除失调误差后用满码。

⑨非线性误差：实际转换特性曲线与理想特性曲线之间的最大偏差，并以该偏差相对于满量程的百分数度量。

2.1.4　采样保持

（1）采样保持的作用

在对模拟信号进行A/D变换时，从启动变换到变换结束，需要一定的时间，即A/D转换器的孔径时间。当输入信号频率较高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的孔径误差。为了防止孔径误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持不变，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即使输入信号处于采样状态。能完成上述功能的器件称为采样保持器。

图2-7所示为采样保持的波形，对一连续信号x（t）以一定的时间间隔快速取其瞬时值后，将该瞬时值保存在记忆元件中，以供模/数转换器进行量化处理。在A/D转换过程中，采样保持可保证A/D转换时采样值不变，以确保A/D转换的精确度。

（2）采样保持的原理

采样保持电路及其基本原理如图2-8所示，采样保持电路主要由起记忆作用的电容C，输入、输出缓冲放大器以及控制开关S等组成，两放大器均接成跟随器形式。采样期间，开关闭合，输入信号通过输入放大器给电容器C快速充电；保持控制信号使开关断开，保持期间，由于输出缓冲放大器的输入阻抗极高，电容器上存储的电荷将基本保持充电时的最终值不变，并通过输出放大器送至A/D转换器进行量化处理。

由于开关状态的切换需要一定的时间，因此实际保持的信号电压会存在一定的误差，这种滞后时间称为采样保持器的孔径时间。显然，它必须远小于A/D的转换时间，同时也必须远小于信号的变化时间。实际系统中，是否需要采样保持电路，取决于模拟信号的变化频率和A/D转换时间。通常对直流或缓变低频信号进行采样时可不用采样保持电路。