第7章测量和数据采集系统第4版(姜)

1、7.1 7.1 电量测量电量测量7.2 7.2 非电量电测法和数据采集系统的组成非电量电测法和数据采集系统的组成7.3 7.3 传感器传感器* *7.4 7.4 有源滤波和测量放大电路有源滤波和测量放大电路* *7.5 7.5 模拟开关和取样模拟开关和取样- -保持电路保持电路7.6 7.6 数数- -模（模（D/AD/A）转换器）转换器7.7 7.7 模模- -数（数（A/DA/D）转换器）转换器7.8 7.8 非电量测量系统举例非电量测量系统举例第第7 7章章 测量和数据采集系统测量和数据采集系统7.1.1 常用电工测量仪表的分类7.1.2 测量误差和仪表准确度7.1.3 电流、电压、功率

2、和电能的测量7.1 7.1 电量测量电量测量电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟 式仪表和数字式仪表。式仪表和数字式仪表。比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电桥）是将被测量和已知的标准量进行比较，从而确定桥）是将被测量和已知的标准量进行比较，从而确定被测量的数值。被测量的数值。7.1.1 7.1.1 常用电工测量仪表的分类常用电工测量仪表的分类表表7.1.1 7.1.1 电工测量仪表上的几种符号及

3、其意义电工测量仪表上的几种符号及其意义 1 1 工作环境等级分工作环境等级分A、B、C三组，其中三组，其中A组（温度组（温度0 +40,相对湿度相对湿度8080% %以下）不在面板上标出；以下）不在面板上标出；B温度温度-20+50，相对湿度相对湿度85 %以下；以下；C温度温度-40+60，相对湿度相对湿度98 %以下。以下。 在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被测量的实际值之间总要存在一定的误差。测量的实际值之间总要存在一定的误差。误差的表示方法主要有误差的表示方法主要有绝对误差绝对误差和和相对误差相对误差： 绝对误差绝对误差是指仪表的指示值

4、是指仪表的指示值Ax与被测量实际值与被测量实际值A0之间的差值，即之间的差值，即 A = Ax-A0 = AA0100%100%相对误差相对误差是指绝对误差是指绝对误差 A与被测量的实际值与被测量的实际值A0之间的差值，即之间的差值，即7.1.2 7.1.2 测量误差和仪表准确度测量误差和仪表准确度 仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来分级的，即：分级的，即：Am相对额定误差：相对额定误差：m=Am100% 目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如表表7.1.2所示所示7个等级。个等级。5.0表7.1.2 各级

5、仪表的最大基本误差仪表的准确度等级仪表的准确度等级基本误差基本误差% %0.10.10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.01. 电流和电压的测量电流和电压的测量测量直流电流常用测量直流电流常用磁电式电流表磁电式电流表测量直流电压常用测量直流电压常用磁电式电压表磁电式电压表圆柱型铁心FF磁电式仪表的结构示意磁电式仪表的结构示意7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量 测量交流电测量交流电流常用电磁式流常用电磁式电流表，测量电流表，测量交流电压常用交流电压常用电磁电压表。电磁电压表。 电磁式仪表电磁式仪表常采用推斥式常采用推斥式结构。结构。可动铁片固定铁片固定线圈电磁式

6、仪表结构示意电磁式仪表结构示意2. 2. 功率和电能的测量功率和电能的测量 功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。固定线圈固定线圈可动线圈FF电动式仪表结构示意电动式仪表结构示意i2ii1*+-u功率计接线功率计接线负载感应式电度表结构 非电量电测法非电量电测法 传感器传感器信号处理信号处理A/D转换转换 模拟显示模拟显示数字显示数字显示计算机计算机原理框图* *7.27.2非电量电测法和数据采集系统的组成非电量电测法和数据采集系统的组成 数据采集系统的组成数据采集系统的组

7、成 传感器1模拟信号1滤波放大1 S/H 1 传感器2模拟信号2滤波放大2 S/H 2 传感器n模拟信号n滤波放大n S/H nA/D微机系统多路转换开关原理框图传感器是一种以测量为目的，能够感受规定的被传感器是一种以测量为目的，能够感受规定的被测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件测量，并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。或装置。按被测对象的参数分类按被测对象的参数分类：温度、速度、力：温度、速度、力正确合理选择传感器正确合理选择传感器: 精度、可靠性、稳定性、精度、可靠性、稳定性、抗干扰性。抗干扰性。7.3 7.3 传感器传感器几种常用传感器介绍温度传感器温度传感器金属热电阻、

8、半导体热电阻（热敏电阻）、热电金属热电阻、半导体热电阻（热敏电阻）、热电偶、集成稳度传感器。偶、集成稳度传感器。热敏电阻又分：热敏电阻又分：PTC（阻值随温度成正比变（阻值随温度成正比变化）、化）、NTC（阻值随温度成反比变化）。（阻值随温度成反比变化）。常用测温电路常用测温电路力传感器力传感器外引线外引线焊接电极焊接电极内引线内引线硅条硅条胶膜衬底胶膜衬底半导体应变片半导体应变片应变测量电路应变测量电路kllRRRRUUs4热释电红外线传感器热释电红外线传感器气体传感器气体传感器电极电极加热器加热器瓷绝缘管瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体烧结体12345

9、6（a）结构）结构（b）符号）符号220VBZ 氖管氖管家用可燃性气体报警器电路家用可燃性气体报警器电路气敏传感器气敏传感器蜂鸣器蜂鸣器BR霍尔传感器霍尔传感器o 霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补偿器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线性的电压信号输出。性的电压信号输出。o 用霍尔元件可以制成霍尔电流传感器、霍尔电用霍尔元件可以制成霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及霍尔功率传感器压传感器及霍尔功率传感器o 另外，霍尔元件可用于位置

10、及位移检测，转速、另外，霍尔元件可用于位置及位移检测，转速、转角及移动速度检测等。转角及移动速度检测等。电梯智能称重变送装置电梯智能称重变送装置 7.4.1 7.4.1 有源滤波电路有源滤波电路7.4.2 7.4.2 测量放大电路测量放大电路* *7.4 7.4 有源滤波器和测量放大电路有源滤波器和测量放大电路1.低通有源滤波电路低通有源滤波电路RCRfR1uiRC滤波环节滤波环节同相输入比例同相输入比例放大电路放大电路负反馈网络负反馈网络一阶低通有源滤波电路一阶低通有源滤波电路 7.4.1 7.4.1 有源滤波电路有源滤波电路= (1+ RfR1)1+ jRCUi.=Af1 + j c11

11、+ ( c)2=Af arctancH(j)=Ui.UO.H(j)1 + ( c)2=Af arctan（c （ ） =）幅频特性相频特性UO.= (1+ RfR1)R - jC1- jC1Ui.=Af1 + j cUi.H(j)1 + ( c)2=Af 0.707Af0c H(j ) )(00 -4-2 arctan（c （ ） =）幅频特性相频特性 用低通滤波器进行信号处理示例用低通滤波器进行信号处理示例高通滤波电路高通滤波电路RCRfR1uiUO.= (1+ RfR1)R + jC1Ui.RR + jC1Ui.R=Af1 - jUi.=Afc一阶高通滤波电路uo=Af1 - j c1H(

12、j)=Ui.UO.H(j)1 + ( c)2=Af arctan（c （ ）=）0.707Af0c H(j) )(0c 42带通和带阻滤波电路的幅频特性带通和带阻滤波电路的幅频特性测量放大电路的作用测量放大电路的作用 将传感器送来的微弱信号进行放大，将传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。再送到后面电路去处理。对测量放大电路的要求对测量放大电路的要求 输入电阻高、躁声低、稳定性好、精输入电阻高、躁声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。失调小、并有一定的抗干扰能力。7.4.2 7.4.2 测量放大

13、电路测量放大电路 1. 用集成运放组成的测量放大电路用集成运放组成的测量放大电路ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iP 同相 输入 同相 输入ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPiP=ui1ui2RP=ui1ui2Aduo=R3R2（1+2R1RP）uo2uo1=（R1+RPR1+） iP=（1+2R1RP）（ui2ui1）uo=R3R2uo2uo1（1+2R1RP）（ui2ui1）=R3R2）2. 2. 集成测量放大电路芯片集成测量放大电路芯片在要求较高场合采用。具有外接元件少，无需精密在要求较高场合采用。具有外接元件少，

14、无需精密匹配电阻，结构简单，抗干扰能力强等优点。匹配电阻，结构简单，抗干扰能力强等优点。IN+IN-+-UiRSU Uo oU-U+RG10K100KAD5217121310846115142913GSiodRRUUARG取不同值取不同值，Ad:0.110003 3 隔离放大器隔离放大器+UC2+UC1UoUiI2I3I1CR3R2R1V2V1+-+)()(123112IgIIgI231112232233)()(RRIgIgRRIRIRUUAio 7.5.1 7.5.1 模拟开关模拟开关7.5.2 7.5.2 取样取样- -保持（保持（S/HS/H）电路）电路* *7.5 7.5 模拟开关和取

15、样模拟开关和取样- -保持电路保持电路 模拟开关用于传输模拟信号，它主要由控制电模拟开关用于传输模拟信号，它主要由控制电路和开关电路两部分组成。路和开关电路两部分组成。构成方式：双极型晶体管电路构成方式：双极型晶体管电路MOS场效应晶体管场效应晶体管 主要介绍由主要介绍由CMOS传输门构成的模拟开关和集传输门构成的模拟开关和集成多路模拟开关。成多路模拟开关。 7.5.1 7.5.1 模拟开关模拟开关UiUoCPCPUDDT1T2电路电路CPUoUiCPTG图形符号图形符号CP=1，Uo=Ui；CP=0，高阻，高阻，Ui无法传输到无法传输到UoCMOS传输门传输门模拟开关UoUiTG1DDUiU

16、o电路电路图形符号图形符号当当D=1，开关闭合，开关闭合，Uo=Ui；D=0，开关断开，开关断开 CC4051模拟开关模拟开关CBA30UDD123456781615141312111091246COMMON75INHUEEUSSCC4051ABCINH电平转换电路译译 码码 电电 路路12345670输出输出COMMON CC4051功能表功能表地址输入地址输入输出通道输出通道INHABCCOMMON100000000-00000101001110010111011101234567uoA2CuiA1uc（t）（t）（t） 输入缓冲输入缓冲 放大器放大器模拟开关模拟开关保持电容保持电容 输出

17、缓冲输出缓冲 放大器放大器采样采样- -保持电路波形图保持电路波形图采采样样采采样样采采样样保保持持保保持持uiucuo（t）（t）（t）ttt调零调零输入输入逻辑控制逻辑控制参考电压参考电压输出输出+-+S-H集成芯片及峰值检测电路集成芯片及峰值检测电路 7.6.1 T 7.6.1 T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器7.6.2 7.6.2 集成集成D/AD/A转换器举例转换器举例7.6 7.6 数数/ /模模(D/A)(D/A)转换器转换器RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO8ABCDIo1Io2基准电源基准电源模模拟拟开开

18、关关T T型电阻网络型电阻网络电流求和放大器电流求和放大器并行数字输入并行数字输入D=0， S 接地；接地；D=1， S 接接“虚地虚地”。7.6.1 T7.6.1 T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器梯形电阻网络梯形电阻网络A A、B B、C C、D D任意一点，任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于其右边的电阻网络等效电阻均等于R R 。RUIREF34322II24222II14122II04022II)2222(20011223341DDDDIIout)2222(2)2222(20011223340011223341DDDDRRUDDDDIRIRUfREFfoutfo)2.

19、22(2002211DDDRRUUnnnnnfREFo对对n位位D/A有有 D/AD/A的主要技术参数的主要技术参数 分分 辨辨 率率: : 是指最小输出电压（是指最小输出电压（ 对应的输入二进制数为对应的输入二进制数为1 1 ）与最大）与最大输出电压输出电压( (对应的输入二进制数的所有位全为对应的输入二进制数的所有位全为1)1)之比。之比。 分辨率分辨率= =1/（2n-1）例如十位数模转换器的分辨率为：例如十位数模转换器的分辨率为：1210-10.001 转换精度：转换精度：表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。 转换速度转换

20、速度：从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。 CC7520 D/A转换器转换器 CC7520 CC7520是是1010位位CMOSCMOS电流开关型电流开关型D/AD/A转换器，其结构简单，通用性好。转换器，其结构简单，通用性好。片内只含倒片内只含倒T T型电阻网络、电子开关和反馈电阻型电阻网络、电子开关和反馈电阻R RF F，应用时外部要接参考，应用时外部要接参考电压源和运算放大器。电压源和运算放大器。Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF12345678161514131211109

21、 CC7520 CC7520 外部引脚图外部引脚图引脚功能引脚功能 Iout1、Iout2：电流输出端：电流输出端GND：接地端：接地端D9D0：数字信号输入端：数字信号输入端UDD：电源输入端，：电源输入端，5 10VUREF：基准电源，：基准电源，10V +10VRF：反馈信号输入端：反馈信号输入端7.6.2 7.6.2 集成集成D/AD/A转换器举例转换器举例 CC7520 D/ACC7520 D/A转换器应用电路转换器应用电路12341615141312CC7520D0D1D9UREFUDD+_U0UO= (D9 29+D8 28+D121+D020) UREF 210 程控三角波程控

22、三角波/ /方波发生器方波发生器D8D7D0+_U01123416151413CC752056D9_+UREF+15VU02A1A2CR1R210kUO2UO110091281922224 DDDDRCT概述概述 7.7.1 7.7.1 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器7.7 7.7 模模/ /数数(A/D)(A/D)转换器转换器 A/D A/D 转换器的作用是将输入的模拟电压数转换器的作用是将输入的模拟电压数字化。字化。直接直接转换器：转换器：逐次逼近型、并联比较型等逐次逼近型、并联比较型等间接间接转换器：转换器：单积分型、双积分型等单积分型、双积分型等概述概述电电压压比比较较器

23、器n位位D/A 转换器转换器逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器节节拍拍脉脉冲冲发发生生器器输输 出出 寄存器寄存器基准电源基准电源7.7.1 7.7.1 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器顺序顺序d3 d2 d1 d0UA/V比较比较该位该位1 1的去留的去留11 1 0 0 0 0 0 04UAUI1 1 0 0 1 1 0 035UAUI1 1 0 0 1 1 1 145.5UAUI留留去去留留留留UA逼近逼近UI的波形的波形四位逐次逼近型四位逐次逼近型ADC的的转换过程转换过程UA逼近逼近U1的波形的波形5.52O512346UA/V2341脉冲顺序四四位位D/A转转换换器器1D Q

24、CD QCD QCD QC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比较器比较器节节拍拍脉脉冲冲发发生生器器时钟时钟脉冲脉冲数码寄存器数码寄存器d3d2d1d0逐次比较寄存器逐次比较寄存器U0U+U+JKU0= (d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C40 01 1000UR=8VU0=4V1 10 00 00 00 00 010 01 11 11 10 01 11 1U0=5VU0=6V0 01 1U0=5.5V四位逐次逼近型四位逐次逼近型A/DA/D转换器转换器D/A集成集成A/DA/D芯片

25、芯片ADC0801各管脚功能各管脚功能：D0 D7：八位数字信号输出端：八位数字信号输出端UCC：电源端，：电源端， UCC =5VDGND：数字地端：数字地端AGND：模拟地端：模拟地端CS：片选信号，低电平有效：片选信号，低电平有效RD：读出端，：读出端，低电平有效低电平有效WD：写入端，低电平有效：写入端，低电平有效CLKIN：外部时钟脉冲输入端：外部时钟脉冲输入端CLKR：内部时钟脉冲端：内部时钟脉冲端INTR：输出控制端：输出控制端 UIN(+)、UIN(-)：模拟量输入端：模拟量输入端ADC0801ADC0801外引脚图外引脚图 双积分型双积分型A/DA/D转换器属于电压时间变换转

26、换器属于电压时间变换的间接的间接A/DA/D转换器。转换器。 基本原理是将一段时间内的输入模拟电基本原理是将一段时间内的输入模拟电压压 U Ui i 和参考电压和参考电压U UR R 通过两次积分，变换成与通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔，再变换输入电压平均值成正比的时间间隔，再变换成正比于输入模拟信号的数字量。成正比于输入模拟信号的数字量。* *7.7.2 7.7.2 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器UiURABS1RS2Cuo积分器积分器比较器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2双积分型双积分型A/DA/D转换器原理图转

27、换器原理图URUiABS1RS2Cuo积分器积分器比较器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2CPuottt000UPT1T2Dout 1. 定时采样阶段：定时采样阶段： S1合向合向A侧，从侧，从0开始对开始对Ui积分。积分。dtURCutio01URUiABS1RS2Cuo积分器积分器比较器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2CPuottt000UPT1T2Dout t=T1 时，时， S1合向合向B侧，停止采侧，停止采样。样。 t=t1积分器输出为积分器输出为UP =-RCT1Ui=-RCTCUi2nURU

28、iABS1RS2Cuo积分器积分器比较器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2CPuottt000UPT1T2Dout 2. 比较读数阶段：比较读数阶段： t T1时，积分器的输出电压时，积分器的输出电压UPuo =-RC1（U R）tT1dtDout =2nU RUi模数转换器的主要技术指标模数转换器的主要技术指标分分 辨辨 率率 以输出二进制的位数表示分辨率以输出二进制的位数表示分辨率。位数越多,误差越小,转换精度越高。转换速度转换速度 它是指完成一次转换所需的时间。它是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数

29、字输出信号所经过的这段时间。相对精度相对精度 它是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差它是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。输出结果状态输出结果状态千位数为千位数为0千位数为千位数为1输出结果为正值输出结果为正值输出结果为负值输出结果为负值输入信号过量程输入信号过量程输入信号欠量程输入信号欠量程千位千位百位百位十位十位个位个位千位千位百位百位十位十位温度测量系统原理框图：温度信号1温度信号2信号采集电路模拟开关放大滤波电路A/D转换电路数码显示电路计算机系统说明说明：一般：一般A/DA/D转换后的数字信号直接送给计转换后的数字信号直接送给计算机系

30、统处理、显示、传输、打印和实现各算机系统处理、显示、传输、打印和实现各种控制功能。本例中，用数码显示电路替代种控制功能。本例中，用数码显示电路替代微机。微机。* *7.8 7.8 非电量测量系统举例非电量测量系统举例5VAD590R12k35.7k9k35.7k2k1k3 3C 0.1F+5VS1-S3R3R2R4R2R3R42k2k9k+_A0OP077.2kUx84AD584115VUR+10VR1测温系统电路图测温系统电路图1COMMANCC4051INHABC01 基基准电准电源源模拟模拟开关开关 信信号采号采集集 放大滤放大滤 波电路波电路123CC1403UREFEOCDUUAGU

31、x+5VRD20k2VUxR1C1C01C02R1/C10.1F0.1F470kCLKICLKO300kABCDLTLEBICC4511+5V-5VORQ0Q1Q2Q3USSUDD R7 71001007 7ROPRM20021513141216+5V912345CC14138DS4DS3DS2DS1测温系统电路图测温系统电路图2CC14433 A/D转转换器换器位选择位选择 驱动器驱动器 译码器译码器o 温度传感器温度传感器AD590AD590，二端式集成温度电流传感器。，二端式集成温度电流传感器。o 测温范围：测温范围：5555 150150，精度，精度0.30.3o 使用直流电源范围使用

32、直流电源范围4V4V 30V30Vo 线性电流输出：线性电流输出：1 1A/KA/K注意：注意：AD590AD590测量的是热力学温度测量的是热力学温度K K。 K=K=。C+273.2C+273.21.1.信号采集电路信号采集电路o 采用八选一多路模拟开关采用八选一多路模拟开关CC4051,CC4051,可巡回监测可巡回监测8 8路路被测温度信号被测温度信号o 通过开关通过开关S S1 1、S S2 2、S S3 3控制控制CC4051CC4051地址输入端地址输入端A A、B B、C C的电平，以选择通道。的电平，以选择通道。本系统以本系统以2 2路被测温度信号为例路被测温度信号为例。2.

33、2.模拟开关模拟开关7.2kR1R235.7k2kR3R42k9kUx5V10VI1I2ITAD5903. 3. 放大电路放大电路由图可知：由图可知：21IIIT2121110RRRRUIR4320RRUIx432110RRUIRRxT)(10(4321RRRRIUTx调调R20.9k，R3=1k, ,361010)102 .273(TxIU00时，时，IT=273.210-6A,Ux=0;故故温度升高温度升高1，Ux增加增加10mV。4. A/D转换和显示电路转换和显示电路 由由CC14433A/DCC14433A/D片、驱动片、驱动LEDLED的译码显示器的译码显示器CC4511CC4511和位选择驱动器和位选择驱动器CC1413CC1413组成。组成。（1 1） CC14433A/D转换器转换器 积分电阻积分电阻R1=470k，积分电容，积分电容C1= 0.1F， 时钟频率时钟频率66kHz66kHz，采样速率，采样速率4.16次次/ /秒，