智能仪表设计基础讲解

1、 接口技术 运算放大器 带深度负反馈的直流放大器 运算放大器是具有高输入阻抗、低输出阻 抗、宽频带特性和高增益的放大器 。 由于早期应用于模拟计算机中，用以实现 数学运算，故得名“运算放大器” 。 电压跟随器 LM741 UiUo Uo=Ui 输入阻抗高 输出阻抗低 同相放大器 特点： 输入阻抗大 增益 1 1 R R A f Ui R1 Rf Uo rail-to-rail 也称为“满摆幅”，是指 输出(或输入)电压范围与 电源电压相等或近似相等。 从输入方面来讲，其共模 输入电压范围可以从负电 源电压到正电源电压；从 输出方面来讲，其输出电 压范围可以从负电源电源 到正电源电压。 rail

2、-to-rail放大器的输 出电压摆幅至少应在各个 电源轨100mV以内。 Uo Ui +E -E 100mV 双电源供电 Uo Ui +E 100mV 单电源供电 直流放大器 反相放大器 增益 1 R R A f R1 Rf R2 Ui Uo Rf 调零及偏置 Ui Uo +E -E 差动放大器 特点 平衡输入 增益 Rf R1 R1 Rf Uo Ui 1 R R A f 测量放大器 特点 高输入阻抗 高共模抑制比 便于调整增益 增益 1 2 1 R R A f Rf Rf R1 集成测量放大器 AD620 Rf= 49.4K 限幅 R? POT2 R? POT2 D? DIODE D? D

3、IODE +E -E Uo Ui 限幅 D? ZENER2 D? ZENER2 Ui Uo 直流电压测量 衰减 R4 10k R3 90k R2 900k R1 9M 05000V 5V 50V 500V 5000V To ADC 直流电压测量 放大 R2 10K R1 9.1K RF 91K TLV2251 C2 104 RX2K 0500mV I/V 变换 无源变换 R2 500 VD+5V R1 100 0-10mA0-5V I/V 变换 有源变换 0-10mA 0-5V R1 R5 R2 250 R3 1k R6 Rf 4.7k 0-2.5V 半波精密整流电路 Uo UiD1 D2 R

4、f R1 传感器与变送器 传感器作用 将生产过程工艺参数转换为电量 变送器 将传感器输出信号变换成标准信号 DDSII 型仪表 010mA DDSIII 型仪表 420mA 集成电路温度传感器 AD590电流型温度传感器 测温范围：-55 +155 灵敏度：1A / K 额定输出电流： 25时 298.2 A 误差： 0.5 集成电路温度传感器 LM35电压型温度传感器 测温范围：-55 +155 灵敏度：10mV / 误差： 0.5 数字式温度传感器 单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要 一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 在使用中不需要任何外围元件。 电压范

5、围：+3.0+5.5 V。 测温范围：-55 +125 。分辨率为0.5 。 通过编程可实现912位的数字读数方式。 用户可自设定非易失性的报警上下限值。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一 的三线上，实现多点测温。 18B20与计算机连接 PT100 铂电阻温度传感器 测温范围 （-80500） （铠装 ） PT100变送器 一体式PT100温度变送器 信号调理电路 对信号进行 变换 放大 滤波 线性化 共模抑制 隔离 变换：电桥（三线制） 取R1=R2=R3=R0=100 r 为导线电阻 AB Iq 线性化 线性化 PT100热电阻传感器 R-T曲线（兰） 模拟量输入通道

6、多路 开关 ZOH 采样 -保持 放大AD转换 DB 信号调理 或 I/V变换 传感器 或 变送器 多路开关 模拟开关 断阻高 通阻较小 速度快 寿命长 CD4051 单刀8位开关 CD4052 两刀4位开关 CD4053 三单刀双位开关 X0 X1 Xi X A B C INH 真值表 输入结构 单端方式 差动方式 模入 通道 模入 通道 CD4051单端接入八路模拟量 X0 13 X1 14 X2 15 X3 12 X4 1 X5 5 X6 2 X7 4 INH 6 A 11 B 10 C 9 VEE 7 X 3 U?4051 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7

7、 TO ADC TO I/O CD4052差动接入四路模拟量 X0 12 X1 14 X2 15 X3 11 Y0 1 Y1 5 Y2 2 Y3 4 INH 6 A 10 B 9 VEE 7 X 13 Y 3 16 16 U?4052 TO I/O TO 放 大 器 VCC 采样 将连续信号转换为离散信号的过程 y t y* t K T T yy* T y 连续信号 y* 离散信号 T 采样周期 采样时间 fs = 1/T 采样频率 fmax 信号最高频率 采样定理： 若有 fs 2 x fmax 则 y* 能不失真的 恢复为 y 量化 整量化 用数字表示模拟量的数 值 量化由AD转换器实现

8、q 量化单位 量化误差 21 i M q 000 001 010 011 100 101 110 111 N A 2 q 分辨率 分辨率取决于AD转换的字长 8位 0.4% 10位 0.1% 12位 0.025% 分辨率 1 21 i 采样-保持器 作用：减小孔径误差(减小采样时间） 电路原理： LF198/298/398 AR? OPAMP AR? OPAMP S? SW-SPST C? CAP UiUo LC 采样-保持器 采样状态 采样保持器的输出随输入模拟电压变化 保持状态 采样保持器的输出维持不变 AR? OPAMP AR? OPAMP S? SW-SPST C? CAP UiUo

9、LC 采样-保持器 主要参数 捕获时间 从采样命令发出到输出电压能在给定的误差带 内(一般为满量程输入的0.1%或0.01%)跟踪输 入电压的最小时间。 电压下降率 保持状态下，单位时间内的电压下降。 AD转换时间短，信号变化缓慢条件下，可 以不用采样-保持器。 放大器 单端： 反向放大器 同向放大器 差动： 差动放大器 测量放大器 可程控增益放大器 AD526 增益：1、2、4、8、16 误差： A=1、2、4 0.01% A= 8、16 0.02% 单位增益带宽 A=1、2、4 100kHz A= 8、16 35kHz 测量放大器 特点 高输入阻抗 高共模抑制比 便于调整增益 增益 R3=

10、R4=R5=R6 1 2 1 R R A f Rf Rf R1 集成测量放大器 AD620 AD转换器 ADC0809 8位逐次比较式AD转换器 AD574 12位逐次比较式AD转换器 MC14433 3 位双积分式AD转换器 ICL7135 4 位双积分式AD转换器 8051F310 内置10位逐次比较式AD转换器 8051F410 内置12位逐次比较式AD转换器 模拟量输出通道 模拟量输出通道结构 数字保持方式 一个通道一个DA转换器 模拟保持方式 多个通道共用一个DA转换器 接 口 D/A D/A V/I变换 V/I变换 总线 通道1 通道n 接 口 D/A V/I变换 V/I变换 总线

11、 通道1 通道n 多路开关 ZOH ZOH V/I变换器 AD694 特点: 输出信号范围:420mA 或020mA ; 输入信号范围:02V 或010V ; 工作电源范围宽:4. 536V ; 输入端带有缓冲放大器; 具有开路或超限报警功能; 非线性度 0. 002 % V/I变换器 AD694 数字量I/O通道 数字量 开关量 数字量 脉冲量 数字量I/O接口一般采用并行I/O接口 嵌入式处理器本身的并行接口 TTL数字集成电路 输入口 74LS244 8三态缓冲器 （三态） 输出口 74LS273 8D触发器 （锁存） 可编程并行I/O接口 Intel 8255 Intel 8155 数

12、字量I/O通道要解决的主要问题 数字量输入通道 隔离 抗干扰（去抖动） 数字量输出通道 隔离 驱动 隔离 光电隔离 光电耦合器 光电耦合电路 图2-14 继电器隔离 按键去抖动 在理想状态下，按键引脚电压变化如上图所示。但实际上，在按键被按下或 放开的瞬间，由于机械触点存在弹跳现象，实际按键电压波形如下图所示， 即机械按键在按下和释放瞬间存在抖动现象，抖动时间的长短与按键的机械 特性有关，一般在5ms10ms之间，而按键稳定闭合期长短与按键时间有关， 从数百毫秒到数秒不等。为了保证按键由“按下”到“松手”之间仅视为一 次或数次输入（对于具有重复输入功能的按键），必须在硬件或软件上采取 去抖动措

13、施，避免一次按键输入一串数码。 按键去抖动 硬件去抖动 积分电路 RS触发器 软件延时去抖动 输出驱动继电器 CPU J1 D VCC CPU J1 D VCC R1 270 +5V 4N25 R2 (b) 驱动较大功率继电器 (a) 驱动微型继电器 P1.0 V P1.0 V V1 2N5401 12 IC1A 7407 R V1 2N5551 12 IC1A 7407 大功率晶体管驱动 达林顿晶体管驱 动 晶体管阵列 MC1416 耐压 50V 驱动电流 500mA VCC 驱动双向晶闸管驱动双向晶闸管 固体继电器 智能仪表设计基础 数字滤波技术 与模拟滤波器相比，有以下几个优点: (1)

14、数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬设备，所以可靠 性高，稳定性好。 (2)数字滤波可以对频率很低(如0.01HZ)的信号实现滤波，克 服了模拟滤波器的缺陷。 (3)数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或 滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 主要数字滤波算法： 算术平均值法、中位值滤波法、限幅滤波法、惯性滤波法 算术平均值法是对输入的N个采样数据xi(i=1N)，寻找 这样一个y，使y与各采样值间的偏差的平方和为最小，使 由一元函数求极值原理可得： N i i E 1 2 )(minxy N i i N 1 1 xy 算术平均值法 例：某压力仪表采样数据如下： 1234567

15、8910 24252027246024252623 序 号 采样值 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采用算术平均值滤波后，其采样值为： Y=(24+25+20+27+24+60+24+25+ 26+23)/10=28 干扰被平均到采样值中去了 特点 1）、N值决定了信号平滑度和灵敏度。随着N的增大，平滑 度提高，灵敏度降低。应该视具体情况选择N，以便得到满 意的滤波效果。 2）、对每次采样值给出相同的加权系数，即1/N。在不同采 样时刻采集数据受到同样重视。实际上某些场合需要增加新 采样值在平均值中的比重，可采用加权平均值滤波法。滤波 公式为： 3）、平均值滤波法一般适用于具有周期性

16、干扰噪声的信号， 但对偶然出现的脉冲干扰信号，滤波效果尚不理想。 中位值滤波法 中位值滤波法的原理是对被测参数连续采样m 次(m3)且是奇数，并按大小顺序排列；再取中间 值作为本次采样的有效数据。 特点: 中位值滤波法对脉冲干扰信号等偶然因素引发 的干扰有良好的滤波效果。如对温度、液位等变化 缓慢的被测参数采用此法会收到良好的滤波效果； 对流量、速度等快速变化的参数一般不宜采用中位 值滤波法。 抗脉冲干扰平均值滤波法 中位值滤波法和平均值滤波法结合起 来使用，滤波效果会更好。即在每个采样 周期，先用中位值滤波法得到m个滤波值， 再对这m个滤波值进行算术平均，得到可用 的被测参数。 123456

17、789 242520272460242526 例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 采样值 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 采用去脉冲干扰平均值滤波后，其采样值为：25.33 对1、2、3次采样中位值滤波后值：24 对4、5、6次采样中位值滤波后值：27 对7、8、9次采样中位值滤波后值：25 123456789 242520272460242526 例：某压力仪表采样数据如下： 序 号 采样值 采样数据明显存在被干扰现象（彩色数据）。 剩下七个采样值用干扰平均值滤波， 平均值为：25 去掉最小值：20 去掉最大值：60 滑动平均滤波 滑动平均滤波法把n个测量数据看成一个队列，队 列

18、的长度固定为n，每进行一次新的采样，把测量 结果放入队尾，而去掉原来队首的一个数据，这 样在队列中始终有n个“最新”的数据。然后把队 列中的n个数据进行算术平均运算，就可获得新的 滤波结果。 滑动平均值滤波对周期性干扰有良好的抑制作用， 平滑度高，灵敏度低；但对偶然出现的脉冲性干 扰的抑制作用差，不易消除由于脉冲干扰引起的 采样值的偏差，因此它不适用于脉冲干扰比较严 重的场合，而适用于高频振荡系统。 限幅滤波法 由于大的随机干扰或采样器的不稳定，使得采样数据偏离 实际值太远，为此采用上、下限限幅，即 当y(n)yH时，则取y(n)=yH(上限值)； 当y(n)yL时，则取y(n)=yL(下限值

19、)； 当yLy(n)yH时，则取y(n)。 而且采用限速(亦称限制变化率)，即 当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n); 当|y(n)-y(n-1)|y0时，则取y(n)=y(n-1)。 其中y0为两次相邻采样值之差的可能最大变化量。y0值的选 取，取决于采样周期T及被测参数y应有的正常变化率。因此， 一定要按照实际情况来确定y0、yH及yL，否则，非但达不到滤 波效果，反而会降低控制品质。 惯性滤波法 常用的RC滤波器的传递函数是 其中Tf=RC,它的滤波效果取决于滤波时间常数Tf。因此，RC滤波器 不可能对极低频率的信号进行滤波。为此，人们模仿上式做成一阶惯性 滤波器亦称低通滤波

20、器。 即将上式写成差分方程 稍加整理得 其中，称为滤波系数，且01，Ts为采样周期，Tf为滤波器时间 常数。 根据惯性滤波器的频率特性，若滤波系数越大，则带宽越窄，滤 波频率也越低。因此，需要根据实际情况，适当选取值，使得被测参 数既不出现明显的纹波，反应又不太迟缓。 sTsx sy f 1 1 )( )( )()( ) 1()( nxny T nyny T s f ) 1()()1 () 1()()( nynxny TT T nx TT T ny sf f sf s 开关量的软件抗干扰技术 1.开关量(数字量)信号输入抗干扰措施 干扰信号多呈毛刺状，作用时间短，利用这一特点，我们 在采集某一

21、开关量信号时，可多次重复采集，直到连续两次或 两次以上结果完全一致方为有效。 2.开关量(数字量)信号输出抗干扰措施 在软件上，最为有效的方法就是重复输出同一个数据。只 要有可能，其重复周期尽可能短些。 输出设备是电位控制型还是同步锁存型，对干扰的敏感性 相差较大。前者有良好的抗“毛刺”干扰能力，后者不耐干扰， 当锁存线上出现干扰时，它就会盲目锁存当前的数据，也不管 此时数据是否有效。 线性化处理和非线性补偿 1铂热电阻的阻值与温度的关系 2热电偶的热电势与温度的关系 3孔板差压与流量的关系 4气体体积流量的非线性补偿 K型(镍铬-镍硅）热电偶分度表（部分） C mV 计算法 热电偶的热电势与

22、温 度 孔板差压与流量 01 2 2 3 3 4 4 TaEaEaEaEa 01234 )TaEaEaEaEa PkF 1)-y(k x 1)-y(k 2 1 )(yk 01 10 0 PT PT FF 线性差值 Y X X0,Y0 X1,Y1 X2,Y2 X3,Y3 X4,Y4 X5,Y5 1 1 () ii ii ii YY YXXY XX Y0Y1Y2Y3Y4Y5 X0X1X2X3X4X5 所谓截尾就是舍掉数值中小于q的余数( q)，其截尾误差t为：t=xt-x，式中x为实际 数值，xt为截尾后的数值。显然-qt0。 所谓舍入是指，当被舍掉的余数大于或等于量 化单位的一半时，则最小有效位

23、加1；而当余数 小于量化单位的一半时，则舍掉。这时舍入误差 为r=xr-x，式中x为实际数值，xr舍入后的数值。 显然，-q/2rq/2。 量化误差 量化误差来源 (1)A/D转换的量化效应 (2)控制规律计算中的量化效应。 (3)控制参数的量化效应 (4)D/A转换的量化效应 A/D转换器的字长选择 为把量化误差限制在所允许的范围内，应使A/D 转换器有足够的字长。确定字长要考虑的因素是： 输入信号x的动态范围和分辨率。 (1)输入信号的动态范围 为转换当量 (2)分辨率 )1 (log minmax 21 xx n ) 1 1 ( 0 21 D logn 标度变换方法 计算机控制系统在读入被测模拟信号并转换成数 字量后，往往要转换成操作人员所熟悉的工程值。这 是因为被测量对象的各种数据的量纲与AD转换的输 入值是不一样的。例如，压力的