第二章:数据采集系统设计.ppt
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1、第二章 智能仪器的数据采集技术,数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 传统A/D转换器及接口技术 -型ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析,是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、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。,数据采集系统简称(Data Acquisition System)DAS,第一节 数据采集系统的组成结构,传感器:将被测非电量转换成模拟电信号 调理电路:对模拟信号进行放大、滤波等调理 采集电路:把模拟信号转换成数字信号,多路模拟输入通道数据采集系统 同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 按照系统中数据
2、采集电路是各路共用一个还是每路各用一个,多路模拟输入通道可分为两大类型: 集中式采集 分布式采集,一、多路模拟信号集中采集式,1. 集中式数据采集系统的典型结构之一,多路分时采集分时输入结构,2. 集中式数据采集系统的典型结构之二,多路同步采集分时输入结构,二、分布式采集,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,模拟信号或数字信号,网络式数据采集结构,对A/D转换时间,第二节 模拟信号调理,1.传感器输出的电信号很微弱,大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去,需要进一步放大,有的还要进行阻抗变换。,2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声,需
3、要去掉噪声,提高信噪比。,3.某些场合,为便于信号的远距离传输,需要对传感器测量信进行调制解调处理。,采集系统信号调理(Signal Conditioning)的任务: 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波; 零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。,典型模拟调理电路的组成框图,传感器是信号输入通道的第一环节,也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 自行设计,一、传感器的选用,将被测量转换后续电路可用电量: 转换范围:与被测量实际变化范围相一致。 转换精度:符合整个测
4、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(带宽):符合整机要求; 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; 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。,(一) 传感器的主要技术要求,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、可靠性等因素进行取舍,尽可能选择性能价格比高的传感器。,(二) 选用什么类型传感器,大信号输出
5、传感器(可省去小信号放大环节 ) 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。,大信号输出传感器的使用,2. 数字式传感器 采用频率敏感效应器件构成,也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器,或模拟电压输入经 V/F转换等。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。,频率量及开关量输出传感器的使用,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入通道的信号调理任务,简化通道结构。,3. 集成传感器,4. 光纤传感器 这种传感器其信号拾
6、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。 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。,输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标定电路,如下页图所示。S为继电器开关,控制1001衰减器是否接入。V5V10是场效应管模拟开关,控制放大器不同的增益。继电器开关S、V5V10在微机发出的控制信号的控制下,形成不同的通、断组合,构成0.1V、1V、10 V、100 V和1000 V五个量程以及自动测试状态。,(三) 传感器量程的自动转换, (1) 0.1 V量程。V8、V6导通,放大电路被接成电压负反馈放大器, 其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为,量
7、程标定电路原理,(2) 1V量程。V8、V10导通,此时放大电路被接成串联负反馈放大器,其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为,(3) 10V量程。7、V9导通,放大电路被接成跟随器,放大倍数为1,然后输出经分压,此时,(4) 100V量程。V8、V10导通,放大电路仍为串联负反馈放大器,同时继电器开关S吸合,使1001衰减器接入,此时,(5) 1000 V 量程。继电器开关S吸合,使1001衰减器接入,同时V7、V9导通,放大电路被接成跟随器,并使输出再经分压,此时,由上述计算可见,送入A/D转换器的输入规范电压为 03.16 V,同时, 由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举电源,
8、因此0.1 V、 1 V和10 V三挡量程的输入电阻高达10 000 M。10 V和1000 V挡量程由于接入衰减器,输入阻抗降为10 M。 当V5、V6和V8导通,继电器开关S吸合时,电路组态为自测试状态。此时放大器的输出应为-3.12 V。仪器在自诊断时测量该电压,并与存储的数值相比较。若两者之差在6%以内,即认为放大器工作正常; 否则视为故障, 必须排除。,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?,二、运用前置放大器的依据,当传感器输出信号比较小,必须选用前置放大器进行放大。,输出噪声:电路在没有信号输入时,输出端输出一定幅度的波动电压。 输入噪
9、声:把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K,得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN,1 电路的噪声,2 放大器噪声分析,总的等效输出噪声:,总的等效输入噪声:,假定不设前放时,输入信号被电路噪声淹没,即:VISVIN, 加入前放后,希望VISVIN,就必须使VINVIN,,(a),(b),由于 K1,所以, ,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。,选用低噪声运放:必须保证放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低。 放大器增益:在保证不使A/D转换器发生溢出的前提下,前置放大器增益越大越好。K0越大,等效输入噪声越低。
10、,3 前置放大器参数的选择,(1)直流放大电路,反相放大器,反馈电阻RF值不能太大,否则会产生较大的噪声及漂移,一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,4 基本放大电路,同相放大器,同相放大器具有输入阻抗非常高,输出阻抗很低的特点,广泛用于前置放大级。,(2)交流放大电路,若只需要放大交流信号,可采用集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。,交流反相放大电路 Kf= R2 / R1 R3= R2 C1:隔直电容 C3:旁路电容,防止振荡 C3R3C1R1,(3)直流电桥,平衡条件,(4)交流电桥,电感,电容,传感器,平衡条件,电桥的接法,(c)差
11、动输入电桥放大电路,(d)线性电桥放大电路,(5)电荷放大器,三、信号调理通道中的常用放大器,仪用放大器 程控增益放大器 隔离放大器,(一) 仪用放大器,仪用放大器的原理是采用3个性能一致的运放和精密电阻共同构成闭环放大器,输入级的两个运放采用同相输入,输入阻抗高,输出级的一个运放与精密电阻构成减法器。,仪用放大器上下对称,即图中R1=R2,R4R6,R5R7。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,可很方便地改变仪用放大器的闭环增益。采用集成仪用放大器时,RG一般为外接电阻。,仪用放大器是靠匹配和牺牲放
12、大倍数来获得高共模抑制比的。由于性能匹配困难,仪用放大器一般都是集成的,价格也高。,仪用放大电路重点考虑以下主要性能指标: 1.非线性度 2. 温漂 3. 建立时间 4. 恢复时间 5. 电源引起的失调 6. 共模抑制比,它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。,VI,VO,1 非线性度,温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。 输出电压会随温度的变化而发生(150)V/变化,这与仪用放大器的增益有关。,2 温漂,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。,放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定,直接影响数据采集系统的采样速率。,3
13、 建立时间,4 恢复时间,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。,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。,5 电源引起的失调,共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc 应用于要求共模抑制比大于100dB的场合,如人体心电测量。,6 共模抑制比,双运放高共模抑制比放大电路,(1) 反相串联结构型 uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2 当R2/R1=R4/R5,ui1=ui2时, uo=0 通常取R1=R5,R2=R4,(2)
14、 同相串联结构型 uo1=(1+R2/R1) ui1 (uo1ui2)/R3= (ui2uo)/R4 uo=(1+R4/R3) ui2 -(1+R2/R1)(R4/R3)ui1 为了获得零共模增益,可取 R1/R2=R4/R3,三运放高共模抑制比放大电路,IR=(uo2ui2)/R2=(ui1uo1)/R1=(ui2ui1)/Rp uo1=ui1(1+R1/Rp)ui2R1/Rp ,uo2=ui2(1+R2/Rp)ui1R2/Rp uo =(uo2uo1)R5 /R3,程控放大器: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。 程控放大器是常用部件,在许多实际应用中,为了在整个测
15、量范围内获取合适的分辨力,常采用可变增益放大器。,(二) 程控增益放大器,程控放大器原理框图,隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合,信号在传输过程中没有公共的接地端。,(三) 隔离放大器,两口隔离:信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离; 三口隔离:信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离; 三种隔离办法:光隔离、电容隔离、变压器隔离。,原理框图,i1=10V/R2+ui/R1 i2=10V/R3+uo/(R5+ Rp) uo=(R5+ Rp) ui/R1,互补式光电耦合放大电路,应用场合: 高共模电压场合:如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差; 测试现场干扰
16、比较大的微弱模拟信号,而对信号的传递精度要求又高; 多个系统不能共地.,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进行准确、安全的测量。,GF289集成隔离放大器,GF289典型接法,程控增益隔离放大电路,AD277变压器耦合隔离放大器,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,ADC的基本概念 技术指标的含义 比较型ADC、积分型ADC、V/F的转换原理 典型芯片选择及接口设计,量化特性及量化误差,1.ADC的基本概念,一般而言,n位ADC的理想传输函数
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