智能仪器数据采集系统

1、第二章第二章 智能仪器的输入输出接口智能仪器的输入输出接口技术及其应用技术及其应用 数据采集系统数据采集系统模拟信号调理模拟信号调理A/DA/D转换器转换器 2.1 2.1 数据采集系统数据采集系统（Data Acquisition System），简称），简称DASDAS是，指将是，指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量温度、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。理、显示或打印的装置。传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图2.1 数据采集系

2、统的基本组成数据采集系统的基本组成 多路模拟输入通道数据采集系统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同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。量的多个测量点。 多路模拟输入通道可分为多路模拟输入通道可分为两大类型两大类型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 一、多路模拟信号集中采集式一、多路模拟信号集中采集式 1. 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一集中式数据采集系统的典型结构之一传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理模模拟拟多多路路开开关关A/ /D计计算算机机控制逻辑控制逻辑S/HS/H多路共用采集电路分时采集多路共用采

3、集电路分时采集2. 2. 集中式数据采集系统的典型结构之二集中式数据采集系统的典型结构之二传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理S/HS/H模模拟拟多多路路开开关关S/HA/ /D计计算算机机控制逻辑控制逻辑多路同步取样共用多路同步取样共用A/DA/D分时采集分时采集3. 3. 集中式数据采集系统的典型结构之三集中式数据采集系统的典型结构之三多通道同步采样多通道同步采样A/D，分时传输数据，分时传输数据多通道独立取样多通道独立取样A/D，有通道缓存，有通道缓存通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站

4、采集站N模拟信号或数字信号模拟信号或数字信号网络式数据采集结构网络式数据采集结构二、分布式采集二、分布式采集请总结每种数据采集系统结构的主要特点！采集系统信号调理采集系统信号调理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任务：的任务：实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。和量程切换等。传感传感器器前置前置放大放大滤滤波波程控程控放大放大滤滤波波采集采集电路电路 典型模拟调理电路的组成框图典型模拟调理电路的

5、组成框图 传感器是信号输入通道的第一环节，也是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。决定整个测试系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器：正确选用传感器： 明确所设计的测控系统对传感器的技术明确所设计的测控系统对传感器的技术要求；要求； 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器传感器， 自行设计传感器自行设计传感器 三、传感器的选用三、传感器的选用将被测量将被测量转换转换后续电路可用电量后续电路可用电量：1.1.转换范围：转换范围：与被测量实际变化范围相一致。与被测量实际变化范围相一致。2.2.转换精度：转换精度：符合整个测试

6、系统根据总精度要求符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标；而分配给传感器的精度指标；3.3.转换速度（带宽）：转换速度（带宽）：符合整机要求；符合整机要求；4.4.能能满足满足被测介质和使用被测介质和使用环境的特殊要求环境的特殊要求，如耐，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰高温、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；、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；5.5.能满足用户对能满足用户对可靠性和可维护性可靠性和可维护性的要求。的要求。( (一一) ) 对传感器的主要技术要求对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，

7、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、半导体电阻、半导体PN结、结、IC温度传感器、光纤温度传感器温度传感器、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。高的传感器。 ( (二二) ) 选用什么类型传感器选用什么类型传感器1. 1. 大信号

8、输出传感器大信号输出传感器 : : 为了与为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与开始设计、制造一些专门与A/D相配套的相配套的大信号输出传感器。大信号输出传感器。 传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号修正与变换滤波滤波A/D微机微机微机微机I/V转换转换V/F光电耦合光电耦合小电流小电流小电压小电压大电压大电压大电流大电流图图3.5 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 2. 2. 数字式传感器：数字式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数敏感参数R R

9、、L L、C C构成的振荡器，或模拟构成的振荡器，或模拟电压输入经电压输入经 V/FV/F转换等。转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。远距离传送等优点。 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用 传感器传感器放大放大整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机传感器传感器整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机频率频率输出输出开关量开关量输出输出开关量输入通道开关量输入通道 集成传感器是将传感器与信号调理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

10、做成一电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。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。信号调理任务，简化通道结构。 3. 3. 集成传感器集成传感器4. 4. 光纤传感器：光纤传感器： 这种传感器其信号拾取、变换、传输这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。系统的电磁干扰。 光纤传感器可以从根本上解决由现场通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。过传感器引入的干扰。 四、信号调理通道中的常用放大器四、信号调理

11、通道中的常用放大器 仪用放大器仪用放大器程控增益放大器程控增益放大器隔离放大器隔离放大器 (一一) 仪用放大器仪用放大器 仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构 仪用放大器上下对称，即图中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：。则放大器闭环增益为：假设假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为，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：，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，集成仪用

12、放大器时，RG一般为外接电阻。一般为外接电阻。 451/)/21 (RRRRAGf)/21 (1GfRRA 在实际的设计仪用放大电路过程中，在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要重点考虑以下主要性能指标：性能指标： 1.非线性度非线性度 2. 温漂温漂 3. 建立时间建立时间 4. 恢复时间恢复时间 5. 电源引起的失调电源引起的失调 6. 共模抑制比共模抑制比 1. 非线性度非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。与理想直线的偏差。VIVO2. 温漂温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程

13、度。度变化而变化的程度。 输出电压会随温度的变化而发生输出电压会随温度的变化而发生(150)(150) V/V/变化，这与仪用放大器的增变化，这与仪用放大器的增益有关。益有关。 3. 3. 建立时间建立时间 指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电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。压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。4. 4. 恢复时间恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和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。状态恢复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决放大器的建立时间和恢复时间是由频

14、带宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。定，直接影响数据采集系统的采样速率。 放大器增益带宽积指标放大器增益带宽积指标5. 5. 电源引起的失调电源引起的失调 指电源电压每变化指电源电压每变化1%1%，引起放大器的，引起放大器的漂移电压值。漂移电压值。 仪用放大器一般用作数据采集系统的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。是设计系统稳压电源的主要依据之一。 6. 6. 共模抑制比共模抑制比CMRR=20logAdef/Acom 共模电压存在场合共模电压存在场合( (二二) ) 程控增益放大器

15、程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在许多实际程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，为了在整个测量范围内获取合适应用中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。的分辨力，常采用可变增益放大器。 增益由仪器内置计算机的程序控制。这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，称为程控放种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。大器。 程控放大器原理框图程控放大器原理框图 选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。PGA202/204PGA202/204等是增益等是增益1 1、1010、100100、10001000四档、由两条四

16、档、由两条TTLTTL逻逻辑控制。辑控制。(三三) 隔离放大器隔离放大器隔离模式：隔离模式：两口隔离：两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离；隔离；三口隔离三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离；率供给部分彼此欧姆隔离；三种隔离办法三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。离（电磁）。应用场合应用场合:高共模电压场合：如电力线电流取样、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；强电场中测量小范围电压差；测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，测试现场干扰

17、比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高而对信号的传递精度要求又高;多个系统不能共地多个系统不能共地.特点：特点：1. 1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害，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。防止高压对低压信号系统的损坏。2. 2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须 提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3. 3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。确、安全的测量。GF289GF289集成隔离放大器集成隔离放大器GF289GF289典型接法典型接法 五多路开关五多路开关CD405l 组成：组成：逻辑电平转换、逻辑电平转换、二进制译码器二进制译码器及及8个开关电个开关电路。路。 主要特性：主要特性： 直流供电电源：直流供电电源：VDD+5V+15V， 数字信号电位变化范围：数字信号电位变化范围：315V 输入电压：输入电压：UIN0VDD， 模拟信