测控系统原理与设计2___测控通道

1、1第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日第二章 测控通道本章内容：n模拟输入通道n模拟输出通道n开关量输入/输出通道n单元电路的级联设计2第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日定义定义: :微机化测控系统中微机与被测对象之间的微机化测控系统中微机与被测对象之间的联系通道称为联系通道称为模拟输入通道模拟输入通道。被测对象：大多非电量被测对象：大多非电量输入通道作用：采集参数，信号调理，模数转换输入通道作用：采集参数，信号调理，模数转换目的：转换为微处理器可以处理的数字量。目的：转换为微处理器可以处理的数字量。2.1.1 基本类型与组成结构2-1 模拟输入通道3第二章第二章

2、 测控通道测控通道2022年3月27日2.1.1 基本类型与组成结构传感器调理电路采集电路微机 在测控系统中，一台微机往往要同时测量在测控系统中，一台微机往往要同时测量几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是多路的。多路的。按照各路输入通道是共用一个采集通按照各路输入通道是共用一个采集通道还是每个通道各用一个，输入通道可分为道还是每个通道各用一个，输入通道可分为集集中采集式中采集式和和分散采集式分散采集式。4第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日模拟多路切换开关A/D转换器采样/保持器控制逻辑微机传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路集中

3、采集式之分时采集结构：采集电路采集电路电路简单，成本低，电路简单，成本低，但不能获得各路信号但不能获得各路信号同一时刻的值，适于同一时刻的值，适于中、低速采样系统中。中、低速采样系统中。5第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日模拟多路切换开关A/D转换器采样/保持器控制逻辑微机传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路采样/保持器采样/保持器采样/保持器采集电路采集电路电路较复杂，时间偏电路较复杂，时间偏斜误差小于分时采样斜误差小于分时采样系统。适于中、低速系统。适于中、低速采样系统中。采样系统中。集中采集式之多路同步采集结构：6第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日集

4、中采样式总结：类型：分时采样型；同步采样型分时采样型特点：多路公用一个采样保持器和AD转换器电路简单；成本低；依次采集同步采样型特点：多路同时被采样；保持电路的泄放会产生误差。7第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日分散式采集结构传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路采样/保持器采样/保持器采样/保持器 A/D转换器 A/D转换器 A/D转换器控制逻辑计算机采集电路采集电路电路较复杂，成本较电路较复杂，成本较高。适于对速度要求高。适于对速度要求较高的采样系统中。较高的采样系统中。8第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日分散采集式特点特点：没有模拟多路切换器；都有各自

5、特点：没有模拟多路切换器；都有各自和。随机或顺序进入计算机。和。随机或顺序进入计算机。9第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日2-1-2 传感器的选用一、对传感器的主要技术要求：一、对传感器的主要技术要求：1、实现物理量到电信号的转换，满足量程、实现物理量到电信号的转换，满足量程需求。需求。2、精度满足要求，速度满足要求。、精度满足要求，速度满足要求。3、满足环境要求。、满足环境要求。4、满足可靠性和可维护性要求。、满足可靠性和可维护性要求。5、满足性能价格比要求。、满足性能价格比要求。10第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日二、可供选用的传感器类型1 1、大信号输出

6、传感器、大信号输出传感器2 2、数字式输出传感器、数字式输出传感器3 3、集成式传感器、集成式传感器4 4、光纤传感器、光纤传感器其他其他:BCD:BCD码输出、专用特制等。码输出、专用特制等。11第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日1、大信号输出传感器要求：与要求：与A/D相配套的大信号输出传感器；相配套的大信号输出传感器；特性：特性：A. A. 把放大电路与传感器做成一体，使传感器能把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出直接输出05 V、010 V或或02. .5 V要求的信要求的信号电压；号电压；B.B. 把传感器与相应的变送器电路做成一体，构成能把传感器与相应的变

7、送器电路做成一体，构成能输出输出420 mA直流标准信号的变送器。直流标准信号的变送器。C.C. 可省去小信号放大环节。可省去小信号放大环节。12第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日大信号输出传感器应用图 图图2-1-4 2-1-4 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 对于大电流输出，只要经过简单对于大电流输出，只要经过简单I/VI/V转换即可变为大信号电压输转换即可变为大信号电压输出。出。对于大信号电压可以经对于大信号电压可以经A/DA/D转换，也可以经转换，也可以经V/FV/F转换送入微机，转换送入微机，但后者响应速度较慢。但后者响应速度较慢。 13第二章第二章 测

8、控通道测控通道2022年3月27日2、数字式输出传感器1.1.构成：构成： 采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器，或模拟电压输入经构成的振荡器，或模拟电压输入经V/FV/F转换等。转换等。2.2.特性：特性： 数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 传感器输出如果满足传感器输出如果满足TTLTTL电平标准，就可以直接接入计电平标准，就可以直接接入计算机的算机的I/OI/O口或中

9、断入口。如果传感器输出不是口或中断入口。如果传感器输出不是TTLTTL电平，则须电平，则须经电平转换或放大整形。经电平转换或放大整形。 下页图下页图2-1-52-1-5所示，频率量及开关量输出的传感器还具所示，频率量及开关量输出的传感器还具有信号调理较为简单的优点。有信号调理较为简单的优点。3.3.用途：非快速测量时选用。用途：非快速测量时选用。14第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日频率开关输出传感器应用图图图2-1-5 2-1-5 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 15第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日3、集成式传感器1.1.构成：

10、构成： 将传感器与信号调理电路做成一体。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。等做成一体，构成集成压力传感器。2.2.特性：特性： 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任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。务，简化通道结构。 16第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日4、光纤传感器特性：特性： 其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。现的，避免了电路系统的电磁干扰。

11、在信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本在信号输入通道中采用光纤传感器，可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。上解决由现场通过传感器引入的干扰。17第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日1.向传感器厂家定购，价格高；2.实用设计方法：从传感器定型产品中选一个作为基础件，在其前设计一种敏感器或在其后设计一种转换器的方案进行；组合方案，各种方式的传感器组合后达到满足特定测量需要的特制传感器。特殊需要传感器的解决方法18第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日2-1-3信号调理电路的参数设计和选择 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号

12、放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。19第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日n小信号放大n滤波n零点校正n线性化n温度补偿n误差修正n量程切换前置放大低通陷波高通至采集电路传感器信号硬件完成，信号调理电路的重点硬件完成，信号调理电路的重点软件完成软件完成典型信号调理电路的组成信号调理的内容20第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日 一、前置放大器 多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。n 判断传感器信号“大”还是

13、“小”和要不要进行放大的依据是什么？n 放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？n 前置放大器的放大倍数应该多大？21第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日一、前置放大器1.1.输出噪声：输出噪声： 电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。度的波动电压，这就是电路的输出噪声。2.2.等效输入噪声：等效输入噪声： 把电路输出端测得的噪声有效值把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该折算到该电路的输入端即除以该电路的增益电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平，得到的电平值称为该电路的等效输入噪

14、声值称为该电路的等效输入噪声VIN 。KVINONV22第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日 放大器前置原因放大器前置原因1：使输入的小信号不被电路噪：使输入的小信号不被电路噪声所淹没。声所淹没。前置放大器Ko后级电路KVISVINVINV0SV0N 在无输入信号时，电路的输出为噪声。设电路的放大倍数为K，则噪声折算到输入端即为等效输入噪声VIN。电路噪声等效电路噪声信号输出信号输入VONVIN=K23第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日总输出噪声折算到前置放大器输入端为：20200)()(KVVKKVVININONIN 若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹若没有前置

15、放大器时信号刚好被噪声淹没（没（ VIS=VIN ），为使输入信号不被噪声），为使输入信号不被噪声淹没，应淹没，应VISVIN，即，即VI NVIN2020)(KVVVINININ解得：解得：20011KVVININ10K即前置电路必须是放大器24第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日VINI放大器 K滤波器 1VIN0V0NVIN0滤波器 1放大器 KVINIV0N21202120)() 1()(KVVKVKVVINININININ21202021)()(INININININVVKKVKVV 放大器前置时，电放大器前置时，电路的等效输入噪声为：路的等效输入噪声为： 放大器后置时，

16、电路放大器后置时，电路的等效输入噪声为：的等效输入噪声为：1KININVV放大器前置有放大器前置有利于减少噪声！利于减少噪声！VIN0滤波器 1放大器 KVINIV0N 放大器后置时，电路放大器后置时，电路的等效输入噪声为：的等效输入噪声为：21202021)()(INININININVVKKVKVVVIN0滤波器 1放大器 KVINIV0N 放大器后置时，电路放大器后置时，电路的等效输入噪声为：的等效输入噪声为：25第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日一、前置放大器总结1.1.前置放大特点：可有效提高信噪比前置放大特点：可有效提高信噪比2.2.要求：前置放大器的放大倍数大于要求

17、：前置放大器的放大倍数大于1 1，n 等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声要低。等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声要低。n 前置放大器要求是前置放大器要求是低噪声低噪声的。的。减少电路的等效输入减少电路的等效输入噪声实质上就是提高了电路接收弱信号的能力。所以，调噪声实质上就是提高了电路接收弱信号的能力。所以，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。26第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日一、前置放大器种类前置放大器种类：1.仪器放大器，要求：低漂移；低失调电压；非线形误差小；低噪声；共模抑制比高；输入阻抗高2.隔离放大器：消除干扰；

18、安全；保护系统3.可编程增益放大器：增益可调；量程范围大。27第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日二、滤波器1.种类：高通滤波器；陷波滤波器；去混淆滤波器2.作用：防止零点漂移；防止共频干扰；防止采集混叠现象。隔直电容隔直电容C C与电压跟随器与电压跟随器输入电阻输入电阻RiRi形成一个形成一个RCRC高通滤波器高通滤波器。陷波器陷波器是为抑制交流电干扰是为抑制交流电干扰而设置的，陷波频率应等于而设置的，陷波频率应等于交流电干扰的频率。交流电干扰的频率。图2-1-9 隔直电容的作用 28第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日n消除采样引起的信号失真的条件n被采样信号的

19、最高频率必须为有限值n采样频率要大于被采样信号最高频率的两倍n采样引起的信号失真是由于被采样频谱中含有高于fs/2的频率分量，因此滤波器的目的是要滤除掉这部分频率分量，或限制这部分频率分量的幅值，使其很微弱。滤波器截止频率和斜率的确定29第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日四、采集电路的参数设计和选择n采集电路的关键部分是A/D 转换器。n模拟多路开关（模拟多路选择器）和采样保持器S/H视具体测控问题决定是否需要。若被测信号恒定或变化缓慢，就不需要S/H.n如多路模拟信号共用一个A/D 转换器，且各模拟信号的幅值差异较大，就必须在信号进入A/D 转换器前设置程控增益放大器。30第

20、二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日采样定理结论:一个连续信号经过理想采样后, 其频谱产生周期性的延拓.每隔一个采样频率 后就以1/T的倍数重复出现.图2110 折叠失真的产生与消除31第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日 采样定理如果信号最高频率分量超过如果信号最高频率分量超过 就会就会出现频谱混叠，所以，出现频谱混叠，所以，采样频率必须采样频率必须大于大于2 2倍的信号最高频率倍的信号最高频率 。这。这就是采样定理（奈奎斯特定理，香农就是采样定理（奈奎斯特定理，香农定理）定理）另外还要注意：另外还要注意：采样信号必须为带宽有限采样信号必须为带宽有限信号信号，即最高

21、频率为有限值。，即最高频率为有限值。/2232第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日2 2、去混叠滤波、去混叠滤波采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折叠频率叠频率fsfs2 2的频率分量，产生频率混淆。的频率分量，产生频率混淆。被采样频被采样频谱包含谱包含有用信号和干扰噪声有用信号和干扰噪声两部分，大多存在高于两部分，大多存在高于fsfs2 2的频率分量。的频率分量。由于被采样频谱中高于由于被采样频谱中高于fsfs2 2的的频率分量采样后会出现在低于频率分量采样后会出现在低于fsfs2 2的信号频段上，的信号频段上，这样就这样就无

22、法用频率滤波的方法将它们与信号分离无法用频率滤波的方法将它们与信号分离。为消除频率混淆或假频干扰，就只有在采样之前为消除频率混淆或假频干扰，就只有在采样之前先先用一个截频用一个截频fhfhfsfs2 2的低通滤波器把高于的低通滤波器把高于fsfs2 2的的频率分量滤掉频率分量滤掉，以保证采样时被采样的频谱只包含以保证采样时被采样的频谱只包含33第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日低于低于fsfs2 2的频率分量，即满足采样定理。的频率分量，即满足采样定理。在采样开在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆滤波器或去假频滤波器。

23、滤波器或去假频滤波器。当然，如果被采样频谱中当然，如果被采样频谱中不包含高于不包含高于fsfs2 2的频率分量，或者虽然有但也很微的频率分量，或者虽然有但也很微弱，那就不必增加去混淆滤波这道环节。弱，那就不必增加去混淆滤波这道环节。 去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于fsfs2 2的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆滤波器截止频率滤波器截止频率fh=fsfh=fs2 2就可以了。就可以了。2 2、去混叠滤波、去

24、混叠滤波34第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日2 2、去混叠滤波、去混叠滤波1.去混叠滤波属于低通滤波器。2.在采样之前先用一个截止频率为 的低通滤波器，把高于 的频率分量滤除，另一方面可以滤除高频干扰信号。35第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日2-1-4 采样电路的参数设计和选择 图2-1-13 采集电路的基本组成采集电路是实现模拟信号数采集电路是实现模拟信号数字化的电路，字化的电路，A/DA/D转换器是转换器是采集电路的核心。一般采集电路的核心。一般A/DA/D前都设置模拟多路切换器前都设置模拟多路切换器MUXMUX，以便从多路模拟信号，以便从多路模拟信号中

25、选一路进行中选一路进行A/DA/D转换。若转换。若模拟信号为恒定或变化缓慢模拟信号为恒定或变化缓慢的信号，则可直接进行的信号，则可直接进行A/DA/D转换，如图转换，如图2113(a)2113(a)所示。所示。如果被测模拟信号为动态信如果被测模拟信号为动态信号，必须在号，必须在MUXMUX与与A/DA/D之间设之间设置采样保持器置采样保持器S/HS/H，如图，如图2113(b)2113(b)所示。所示。S/HS/H在在MUXMUX的闭的闭合期间采样，合期间采样，A/DA/D在在S/HS/H保持保持期间进行期间进行A/DA/D转换。如果各路转换。如果各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度互不相

26、同或者模拟信号幅度随时间变化很模拟信号幅度随时间变化很大，必须在大，必须在S/HS/H与与MUXMUX之间设之间设置程控增益放大器置程控增益放大器PGAPGA或瞬时或瞬时浮点放大器浮点放大器IFPIFP作为主放大器，作为主放大器，如图如图2113(c)2113(c)所示。所示。36第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日1. A/D转换器的选择n选择A/D转换器时需要考虑nA/D转换器的位数nA/D转换的速度nA/D转换器工作的环境（温度、功耗、可靠性）nA/D转换的输出（串行、并行），与选用的计算机和系统的整体设计有关。37第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日量化特性

27、及量化误差38第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日A/D转换器位数的确定mEq2mgiEqkV2minEkVgimax39第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日由前面两式可得：miiVV2minmax上式两边取对数：上式两边取对数：miiVV2lg20lg20minmax整理，得：整理，得：6lg202lg20lg20minmaxminmaxiiiiVVVVm令：令：minmax1lg20iiVVL 61Lm40第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日 也可以根据数据采集系统的误差要求来确定A/D转换器的位数，通常A/D转换器的精度应是系统的十倍左右。A/D

28、转换器的误差为：转换器的误差为：即：即：LBS21121m1210m如果系统要求的精度是：如果系统要求的精度是： 41第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日举例n设计系统误差不大于0.1%的满度值（即=0.1%），求解AD转换器的位数。42第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日A/D转换速度的确定 不同原理的A/D转换器的A/D转换时间是不一样的，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型的A/D转换器较慢，逐次比较型较快。 A/D的时间由两部分组成，转换时间tc和恢复时间to，即：0/ttTcDA DAsNTT/43第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日设待转换的模拟

29、信号的最高频率为：则滤波器的截止频率：则滤波器的截止频率：maxffhmax1CfTs0max/1ttNCfTcDA44第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日A/D转换器的选择提高转换速度的措施：减少通道数，最好用分散采集方式N=1;减少截频系数C,增大去混淆低通滤波器陡度；选用转换时间短的A/D芯片选用直接读取存储器的技术（DMA）3、根据环境选择A/D：温度、功耗、可靠性等；4、选择A/D转换的输出状态：并行、串行输出，二进制、BCD码输出，时钟等45第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日二、采样保持器的选择1、主要参数捕捉时间 tAC 由保持状态过渡到跟踪输入信号

30、电压值所需的时间，反映了A/D的采集速度。包括了开关的延迟和建立跟踪输入信号稳定时间.孔径时间 tAP 保持指令开始到模拟开关完全关断。建立时间 ts 保持命令开始到保持终值时间保持电压的跌落速度:ID为流过保持电容CH的所有漏电流代数和。046第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日图图2-1-14 采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数 采样保持器的选择47第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日采样保持器的选择2 2、要不要设置采样保持器、要不要设置采样保持器 通过计算可以知道通过计算可以知道: :为了保证为了保证1LSB1LSB的精度的精度, ,在在A/

31、DA/D转换转换时间时间t tc c内内, ,被转换信号允许的最高频率为被转换信号允许的最高频率为: : 所以所以, ,当信号频率低于上面极限值时不用当信号频率低于上面极限值时不用S/H,S/H,但是当但是当信号频率高于上面极限值时就要采用信号频率高于上面极限值时就要采用S/H.S/H.以便把采样以便把采样幅值保持下来幅值保持下来12148第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日三 采集电路时序和最高频率图2-1-15 分时采集多道数据采集系统49第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日采集电路时序和最高频率单通道工作周期为捕捉时间;采样时间和转换时间之和,即:多路采集时的

32、工作周期为:N为输入通道数所能允许的模拟信号最高频率为:)()(1150第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日四 多路通道串音问题原因原因:模拟开关的关断电阻不是无穷大模拟开关的关断电阻不是无穷大,对正在接对正在接通的采集电路构成干扰通的采集电路构成干扰.这就是串音干扰这就是串音干扰.消除措施：消除措施： 1 减少信号源内阻减少信号源内阻,可采用电压跟随器可采用电压跟随器. 2 选用开路电阻大选用开路电阻大,接通电阻小的开关管接通电阻小的开关管. 3 减少输出端并联开关数减少输出端并联开关数. 4 选用寄生电容小的多路开关选用寄生电容小的多路开关.51第二章第二章 测控通道测控通道2022年3月27日五 主放大器的设计A/D采样电路的量化相对误差为:其中Vij是模拟开关采样电压,q是绝对误差.可见,输入电压越大,相对误差也就越小,所以,通常在A/D前面放一个放大倍数为K的主放大器,以提高A/D的相对转换精