项目11.1 传感器与微机接口

1、项目11 传感器与微机接口和抗干扰技术 模块一模块一 传感器的信号预处理电路传感器的信号预处理电路 模块二模块二 传感器信号的放大电路传感器信号的放大电路 模块三模块三 传感器的补偿与标度变换传感器的补偿与标度变换 模块四模块四 数据的采集技术数据的采集技术 模块五模块五 抗干扰技术抗干扰技术模块一模块一 传感器的信号预处理电路传感器的信号预处理电路 如图11-1所示， 传感器与微机的接口电路主要由信号预处理电路、 数据采集系统和计算机接口电路组成。 其中， 预处理电路把传感器输出的非电压量转换成具有一定幅值的电压量； 数据采集系统把模拟电压量转换成数字量； 计算机接口电路把A/D转换后的数字

2、信号送入计算机， 并把计算机发出的控制信号送至输入接口的各功能部件； 计算机还可通过其他接口把信息数据送往显示器、 控制器、 打印机等等。 由于信号预处理电路随被测量和传感器而不同， 因此传感器的信号处理技术则是构成不同系统的关键。 图11-1 传感器与微机的接口框图 由于待检测的非电量种类繁多， 传感器的工作原理也各不相同， 因此待检测物理量作用于传感器后， 传感器输出的相应信号种类亦各式各样。 总结前面所学知识， 可将传感器按下列方式分类。 11.1.1 11.1.1 开关式输出信号的预处理开关式输出信号的预处理如图11-2(a)所示， 在输入传感器的物理量小于某阈值的范围内，传感器处于“

3、关”的状态，而当输入量大于该阈值时， 传感器处于“开”的状态，这类传感器称为开/关式传感器。实际上，由于输入信号总存在噪声叠加成分，使传感器不能在阈值点准确地发生跃变， 如图11-2(b)所示。另外，无接触式传感器的输出也不是理想的开关特性， 而是具有一定的线性过渡。 因此， 为了消除噪声及改善特性，常接入具有迟滞特性的电路， 称为鉴别器或称脉冲整形电路，多使用施密特触发器，如图11-2(c)所示。 经处理后的特性如图11-2（d）所示。 图11-2 开关量传感器特性示意图及处理方案（a） 理想特性； （b） 实际特性； （c） 处理方案； （d） 处理后特性 11.1.2 11.1.2 模拟

4、脉冲式输出信号的预处理模拟脉冲式输出信号的预处理1. 1. 峰值脉冲式传感器信号处理方法峰值脉冲式传感器信号处理方法不少传感器在受输入冲击时，其输出信号呈指数性衰减， 若直接进行A/D转换， 必将导致错误的结果。 因此， 在传感器后面接脉冲限幅电路，使输出变成窄脉冲，方可采用脉冲峰值保持电路将脉冲扩展， 以便进行A/D转换。如图11-3所示， US为峰值脉冲式传感器输出信号波形，UC为限幅后的波形， UH为经峰值保持电路后的波形。 图11-3 脉冲峰值信号变换2. 2. 脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处理方法脉冲宽度式和脉冲间隔式信号的处理方法脉宽式传感器输出脉冲的宽度受被测物理量调制，与被测量

5、大小成正比， 例如采用脉冲调宽电路的电容传感器的输出信号。 脉冲间隔式传感器在受到一次输入作用时，便产生两个脉冲，两个脉冲的时间间隔与被测物理量成正比，例如应变式扭矩传感器，超声波测距等。这两类信号都是时间间隔信号， 在时间间隔大于微秒级时，可将其作为门控信号，用数字计数器计数。 另一种方法是利用时间峰值转换电路(TAC)将时间间隔转换成电压峰值， 再进行A/D转换， 其原理如图11-4所示。 图11-4 时间间隔信号处理11.1.3 11.1.3 模拟连续式输出信号的预处理模拟连续式输出信号的预处理模拟连续式传感器的输出参量可以归纳为五种形式： 电压、 电流、 电阻、 电容和电感。 这些参量

6、必须先转换成电压量信号， 然后进行放大及带宽处理才能进行A/D转换。 它们的预处理一般体系可用图11-5表示。可见， 数字万用表已包括了预处理、 数据采样与A/D转换等全部功能电路。 图11-5 模拟连续输出预处理的一般体系 1. 电流电流/电压转换电路电压转换电路用一只电阻可构成简单的电流/电压转换电路。 在要求较高的场合，可采用图11-6（a）所示的I/U转换电路。 该电路输入阻抗Rin10 m，输出电压UoIiRS，RS10 M，电路输出电阻Ro一般小于1 k。 I/U转换电路也可由运算放大器组成，如图11-6（b）所示。 电路的输出电压Uo=-IsRf。 一般Rf比较大，若传感器内部电

7、容量较大时容易振荡， 需要消振电容Cf。Cf的大小随Rf用实验方法确定。 因此该电路不适用于高频。电路利用运算放大器“虚短”的原理， 若与光电池直接相接，可获得光电池的短路电流输出特性。 但是， 当运算放大器直接接到高阻抗的传感器时， 需要加保护电路。 当信号较大时， 可在运算放大器输入端用正、 反向并联的二极管保护；当信号较小时，可在运算放大器输入端串联100 k的电阻保护。 图11-6 电流/电压转换电路（a）I/U转换器； （b） 采用运放的I/U转换电路 2. 电压电压/电流变换（电流变换（V/I变换）变换）V/I变换器的作用是将电压信号变换为标准电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且

8、要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不能超过允许值。 图11-7 420mA的V/I变换电路2. 2. 模拟频率式输出信号的预处理模拟频率式输出信号的预处理模拟频率式输出信号，一种方法是直接通过数字式频率计变为数字信号； 另一种方法是用频率/电压变换器变为模拟电压信号， 再进行A/D转换。 频率/电压变换器的原理如图11-8所示。 通常可直接选用LM2907/LM2917等单片集成频率/电压变换器。 图11-8 频率/电压变换器原理框图 3. 3. 数字式输出信号的预处理数字式输出信号的预处理数字式输出信号分为数字脉冲式信号和数字编码式信号。 数字脉冲式输出信号可直接将输出脉冲经整形电路后

9、接至数字计数器，得到数字信号。数字编码式输出信号通常采用格雷码而不用8421二进制码，以避免在两种码数交界处产生计数错误。 因此，需要将格雷码转换成二进制或二十进制码。 传感器信号的预处理应根据传感器输出信号的特点及后续检测电路对信号的要求选择不同的电路。 11.1.4相敏检波电路相敏检波电路一、调制与解调的概念一、调制与解调的概念调制是利用直流或低频信号来控制高频振荡的过程。原始的低频控制信号称为调制信号。受控的高频振荡信号称为载波信号。经过调制后的信号称为已调信号。载波信号的振幅、频率和相位都可受调制信号的控制，相应的调制分别称为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。一般载波频率应大于

10、调制信号频率10倍以上，通常取20倍。 解调是从已调信号中取出（恢复）原始信号（调制信号）的过程。与调制相对应，有鉴幅（检波）、鉴频和鉴相。如上述交流电桥，传感器参数的变化为调制信号，电桥的供电电源为载波信号，输出为调幅信号；由电感、电容、电涡流式传感器构成的谐振电路，当LC谐振电路作信号源的负载，则输出调幅信号，当LC谐振电路作信号源的振荡回路，则输出调频信号。因此，信号在经过交流放大后都需要接入相应的解调电路：检波电路、鉴频电路和鉴相电路。 二、相敏检波电路二、相敏检波电路 1. 二极管相敏检波电路二极管相敏检波电路 如图11-9所示为二极管相敏检波电路的一般形式。它由四个二极管顺向串联成

11、一个闭合回路，四个端点分别接变压器T1、T2的二次侧。T1、T2均有中心抽头，输出检波后的信号接至负载。T1的一次侧输入调幅波ui，T2的一次侧输入参考电压ur，ur可直接取自载波，它与ui频率相同，相位相同或相反，比ui幅度大35倍。变压器的极性标定如图所示。图11-9 二极管相敏检波电路2. 集成模拟乘法器相敏检波电路集成模拟乘法器相敏检波电路如图11-10所示为用集成模拟乘法器LM1496实现相敏检波的电路。该电路的工作电压为30V，常用9V；信号输入端最大电压为5V；载波输入端为5V；偏置电流为12mA。 图图11-10 集成模拟乘法器相敏检波电路集成模拟乘法器相敏检波电路 相敏检波器

12、是对调幅信号与参考信号间相位敏感的检波器，它有以下特点： 1）相敏检波输出信号的极性与调制信号极性相同，即能识别方向； 2）相敏检波输出信号的幅值与调制信号的幅值相同，即能表示被测值； 3）相敏检波输出信号的频率等于载波频率的二倍。因此，只要在相敏检波后加入适当的低通滤波器，便可得到调制波信号。如果测量装置频率响应较低，如磁电式电流表，也可不需加滤波器。 模块二模块二 传感器的信号放大电路传感器的信号放大电路11.2.1 11.2.1 测量放大器测量放大器测量放大器又叫仪表放大器（简称IA）。它不仅能满足上述要求，而且具有精确的增益标定，因此又称数据放大器。 1. 1. 通用通用IAIA通用I

13、A由三个运算放大器A1、A2、A3组成，如图11-11所示。 其中，A1和A2组成具有对称结构的差动输入输出级，差模增益为1+2R1/RG，而共模增益仅为1。A3将A1、A2的差动输出信号转换为单端输出信号。 A3的共模抑制精度取决于四个电阻R的匹配精度。 通用IA的电压放大倍数为 )21 (112110uGRRuuuA（11-1） 图11-11 通用IA的结构2. 2. 增益调控增益调控IAIA在多通道数据采集系统中，为了节约费用，多种传感器共用一个IA。当切换通道时，必须迅速调整IA的增益，称增益调控IA。在模拟非线性校正中也要使用增益调控IA。增益调控IA分为自动增益IA和程控增益IA两

14、大类。 自动增益IA基本工作过程如图11-12（a）所示。 它先对信号作试探放大、 将放大信号送至ADC， 使其转换成数字信号， 再经逻辑电路判断， 送至译码驱动装置， 用以调整IA的增益。 这种方法工作速度较慢， 不适用于高速系统。 图11-12 增益调控IA（a） 自动增益IA； （b） 程控IA 3. IA3. IA的技术指标的技术指标测量放大器最重要的技术指标有： 非线性度、 偏置漂移、 建立时间以及共模抑制比等， 这些指标均为放大器增益的函数。 （1） 非线性度： 它的定义为放大器输出、 输入实际特性曲线与理想特性曲线（直线）的相对偏差。 在增益G=1时，一个12位（bit）系统的非

15、线性度若为0.025， 则在G500时， 其非线性度可达0.1%， 相当于系统精度降低到10倍以下。 （2） 偏置漂移：它是指工作温度变化1时， 相应的直流偏置变化量。一个放大器的分辨率主要被直流偏置的不可预料性所限制。 放大器的偏置漂移一般为150 V/，也与增益G有关。如一个有2 V/漂移的放大器，当G=1000、t=10时， 其输出端将产生20 mV的偏置电压。这个数字相当于12位ADC在输入范围为010 V时的八个LSB值。值得注意的是，一般厂家只给出典型值，而最大值可以是典型值的34倍。 （3） 建立时间： 放大器的建立时间定义为从输入阶跃信号起，到输出电压达到满足给定误差（典型值为

16、0.01）的稳定值为止所需用的时间。 一般IA的增益G200，精度约为0.01， 建立时间约为50100 s， 而高增益IA在同样精度下的建立时间可达350 s。因此，在数据采集系统中决定信号传输能力的往往是IA而不是ADC。 （4） 恢复时间：放大器的恢复时间是指从断掉输入IA的过载信号起，到IA的输出信号恢复至稳定值时（与输入信号相应）的时间。 （5） 共模抑制比： IA的共模抑制比定义为差模电压放大倍数Ad与共模电压放大倍数Ac比值的对数单位，即 cdlg20CMRAA表表11-1 IA的的CMR要求值要求值(dB) 四、测量放大器的选择四、测量放大器的选择因传感器输出的信号很微弱，故对

17、放大器的精度要求很高，要求它能鉴别被测量的微小变化，进行缓冲、隔离、放大和电平转换等处理。上述这些功能大多可用运算放大器来实现。运算放大器往往不能消除各种形式的共模干扰信号，因此，需要引入另一种形式的放大器，即仪表放大器。它广泛用于传感器信号放大，特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合。 在传感器的两条输出线上经常产生较大的干扰信号（噪音），有时是完全相同的干扰，称为共模干扰。11.2.2 11.2.2 集成仪表放大电路介绍集成仪表放大电路介绍可以用作仪表放大器的集成电路有： 集成运算放大器OP07， 斩波自动稳零集成运算放大器7650， 集成仪表放大器AD522， 集成变送器WS112、 X

18、TR101， TD系列变压器耦合隔离放大器， ISO100等光耦合隔离放大器， ISO102等电容耦合隔离放大器， PG系列程控放大器， 2B30/2B31电阻信号适配器等。 具体内容可参考相关资料。 一、仪表放大器一、仪表放大器仪表放大器又称为数据放大器。一般是由三只高精度运放及精密电阻一起组装而成。其中两只高精度远方参数对称，构成电路对称的差分输入级。仪表放大器输入阻抗高，共模抑制比高，噪声低，稳定性好。仪表放大器主要用于微小信号的精确测量。广泛应用于传感器信号放大、高阻电桥、光电管、生物电放大及高阻比较器等各种场合。 二、仪表放大器应具有如下性能二、仪表放大器应具有如下性能1. 低噪声，

19、采用地噪声放大器件并采取有效的减小噪声措施，以免测量信号被淹没在噪声中。2. 高稳定性、低漂移，减小温度漂移和防止自动激荡等。3. 高抗干扰性能，放大器的前级是最易受干扰，要尽量缩短导线影响，采用调制的方法和妥善的屏蔽措施等。 4. 高输入阻抗，由于传感器输出信号很微弱，要求放大器的接入，尽可能对传感器影响小。传感器输出阻抗很高时，更要求放大器有高输入阻抗。模块三模块三 传感器的补偿与标度变换传感器的补偿与标度变换11.3.1 传感器的温度补偿传感器的温度补偿 1. 温度补偿原理温度补偿原理设被测物理量为x，环境温度为T，则线性传感器的特性可表示为 y=f（x，T）=A0（T）+A1（T）x式

20、中，A0为传感器的输出零点; A1为传感器的灵敏度。它们都随环境温度T变化。 因此， 传感器的温度灵敏度可表示为 xTTATTATTxfSd)(dd)(dd),(d10T可见，对传感器进行温度补偿就是使ST0，包括对传感器零点温度漂移的补偿和对传感器灵敏度的温度补偿。 2. 2. 常用温度补偿方法常用温度补偿方法1） 自补偿法自补偿法就是利用传感器本身的一些特殊结构来满足温度补偿条件。 例如组合式温度自补偿应变片， 用两种具有正、 负电阻温度特性的电阻丝栅串联制成一个应变片， 只要使两段丝栅的电阻随温度变化的增量相等， 便可实现温度补偿。 2） 并联式温度补偿法并联式温度补偿法就是人为地附加一

21、个温度补偿环节，该补偿环节与被补偿环节并行相连， 使补偿后的合成输出基本不随温度而变化。如图11-13所示为并联式温度补偿原理框图。 图中，yA为待补偿环节特性，yB为补偿环节特性，只要满足dB0（T）/dTdA0（T）/dT、dB1（T）/dTdA1（T）/dT、B1（T）A1（T）， 理论上就可以实现温度补偿。 但实际上并联式温度补偿只能做到近似补偿， 即在两点或三点是全补偿， 而其他点不是“过补偿”就是“欠补偿”。 应用并联式温度补偿法的实例如图9-4所示的热电偶的冷端温度补偿器及直流放大器的差动输入等。 可证明热电偶的冷端温度补偿器的补偿条件为 ab0041),(UTTTEcu 国产热

22、电偶的冷端温度补偿器电桥电源E=4 V，电桥在20时调平衡， 补偿范围有050和010两种。 图11-13 并联式温度补偿原理框图 3. 电桥温度补偿法电桥温度补偿法以应变式传感器电桥为例，对于不平衡电桥电路，以应变式传感器电桥为例，对于不平衡电桥电路，其温度补偿条件的表达式为其温度补偿条件的表达式为 式中，式中，1、3、2、4分别为分别为R1、R2、R3、R4的电阻的电阻温度系数。温度系数。 全桥的温度补偿：四个桥臂电阻为相同的电阻应变片即可全桥的温度补偿：四个桥臂电阻为相同的电阻应变片即可实现温度补偿。实现温度补偿。 半桥的温度补偿：半桥的温度补偿：单臂电桥的温度补偿：按如图单臂电桥的温度

23、补偿：按如图11-14（a）所示选择）所示选择R1和和R2为为同样的电阻应变片，将同样的电阻应变片，将R1粘贴在弹性敏感元件上，粘贴在弹性敏感元件上，R2粘贴在粘贴在附近非应变部位；附近非应变部位；R3和和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制， 即可实现温度补偿。即可实现温度补偿。 4231图11-14 电阻应变片的设置(a) 温度补偿应变结构； (b) 差动补偿应变结构 双臂电桥的温度补偿： 如按如图11-14（b）所示选择R1和R2为同样的电阻应变片，粘贴在弹性敏感元件上，构成差动电桥；R3和R4用电阻温度系数很小的锰铜丝绕制，即可实现温度补偿。 由于相邻桥臂

24、间具有温度补偿作用， 所以在热电阻测温电桥中， 采用三线制或四线制接法来消除引线电阻随环境温度变化造成的测量误差。 图11-15 灵敏度补偿 4） 热敏电阻补偿法在测量电路中用热敏电阻可以实现传感器的灵敏度温度补偿和输出零点温度漂移补偿。 （1） 灵敏度温度补偿：其原理是在规定的温度范围内保证传感器的灵敏度稳定，而不要求每个电阻应变片与温度无关。 如图11-15所示， 电桥灵敏度温度补偿的方法是在电桥电源对角线上串接热敏电阻Rt，补偿用热敏电阻Rt的阻值可用下式求出： 2112t11)(KTTKKKRRR（2） 零电平温度补偿：根据传感器的类型和结构，可采用不同的方法稳定其零点。对于测量电桥，

25、一种十分有效的零电平温度补偿方法是在一个桥臂上引入热敏电阻。虽然每个桥臂电阻都随温度变化， 但所有桥臂电阻的总变化可以用某个桥臂电阻Ri的等效变化来代替。 补偿用热敏电阻Rt的阻值可用下式求出， 即 itRRR式中，“-”号表示电桥的电阻温度系数R和补偿电阻的温度系数符号应相反。 必须强调，电桥电阻的温度系数不同于一个桥臂的电阻温度系数， 它是表征电阻随测量电路所有桥臂的温度变化而变化的特性。 R可用下式求出： )()1 (12i2o12oTTnUnUUR式中，n=R1/R2为两相邻桥臂的电阻比； Ui为电桥的电源电压； Uo1、Uo2分别为在温度T1、T2时测得的传感器输出电压。 5） 反馈

26、式温度补偿法反馈式温度补偿就是应用负反馈原理，通过自动调整过程， 保持传感器的零点和灵敏度不随环境温度而变化。如图11-16所示为反馈式温度补偿的原理框图。 图中，B0和B1是检测环节， 检测测量电路（或仪表）的零点A0(T)和灵敏度A1(T)；C0和C1是信号变换环节； Ur0和Ur1是恒定的参考电压， K0和K1是电子放大器；D0和D1是执行环节； y=f(x，T，x0，x1)是仪表被补偿部分特性。 图11-16 反馈式温度补偿原理框图 由图可见，反馈式温度补偿的关键问题有两个： （1） 如何将传感器测量电路(或仪表)的输出零点A0(T)和灵敏度A1(T)通过B0和B1检测出来，并经C0和

27、C1转换为电压信号Uf0和Uf1。 （2） 如何将K0和K1的输出电压通过D0和D1产生控制信号去自动改变A0(T)和A1(T)，以达到自动补偿环境温度T对A0(T)和A1(T)的影响。 在采用反馈式温度补偿时， 应首先通过理论分析找出测量电路(或仪表)的刻度方程表达式，进而通过刻度方程分析找出反映A0(T)和A1(T)值变化的参数， 最后确定控制A0(T)和A1(T)的方法。 如图11-17所示为差动变压器式传感器的反馈温度补偿原理电路图。由图可见，检测灵敏度S的方法是通过在差动变压器二次侧增加两个绕组和。 与绕组、 与绕组采用双线并绕而成， 但是与绕组之间不是采用“差接”， 而是采用“和接

28、”方式。 这样(+)绕组的“和接”电压经整流滤波后所取出的信号Uf显然正比于U， 即Uf正比于灵敏度S。 图11-17 差动变压器式传感器的反馈温度补偿原理电路图 12.3.2 12.3.2 传感器的非线性补偿传感器的非线性补偿非线性补偿也叫非线性校正， 或线性化。 多数传感器都具有非线性特性， 它既不利于读数和测量结果的分析处理， 而且是产生测量误差的主要原因之一。 因此， 为了减小或消除非线性误差， 必须进行非线性补偿。 目前， 实现非线性特性补偿的方法很多， 典型的补偿原理可分为开环式、 闭环式和增益控制式三种。 这些补偿方法都是要求在测量回路中加入某个线性化器， 利用线性化器的非线性函

29、数去补偿传感器的非线性特性。 例如， 对于常用的线性化器可以用硬件电路构成， 也可以用计算机软件构成。 常见的传感器非线性特性可分为两种类型：指数型曲线和有理代数型曲线。 指数曲线型非线性特性的输出量y和输入量x的关系可表示为 y=aebx+c 式中， a、b、c为常数。 例如热敏电阻传感器、 射线测厚仪等， 其特性属于这种类型。它们可以用对数函数的线性化器进行补偿。 有理代数曲线型非线性特性的输出量y和输入量x关系可表示为 y=a0+a1x+a2x2+anxn 式中，a0、a1an为常数。 这类传感器特性可以用连续拟合或分段拟合的线性化器进行校正。 11.3.3 11.3.3 传感器的标度变

30、换传感器的标度变换在多路数据采集系统中，各种被测量都有着不同的量纲和数值。如用热电偶测温，温度单位为，但不同热电偶输出电势不同，分度号为S热电偶在1600时为16.716 mV，分度号为K热电偶在1200时为48.087 mV；又如测量压力的弹性元件膜片、 膜盒以及弹簧管等，其压力范围从正负几帕到几十甚至几百兆帕。这些量纲不同、满度电压值也不同的信号经变送器转换成05 V的标准信号，又经A/D转换成00FFH(8位)的数字量，同样的数字往往代表着不同的被测量。为了进行显示、 记录、打印及报警等，必须把这些数字量转换成与被测量相应的量纲，这就是标度变换。对一般线性仪表，标度变换公式为 0m0 x

31、0m0)(NNNNAAAAx式中，A0为一次测量仪表的下限，Am为一次测量仪表的上限，Ax为实际测量值，N0为仪表下限所对应的数字量，Nm为仪表上限所对应的数字量，Nx为测量值所对应的数字量。 设计专门的子程序， 把各个不同参数所对应的A0、Am、 N0、Nm存放在存储器中， 然后当某一个参量需要进行标度变换时， 只要调用标度变换子程序即可。 模块四模块四 数据的采集技术数据的采集技术 11.4.1数据采集的基本概念数据采集的基本概念 数据采集系统是指实现模拟信号转换成数字信号的电路系统。数据采集系统中最重要的器件便是模数转换器（A/D转换器）。 一、数据采集系统的分类一、数据采集系统的分类

32、典型的数据采集系统由传感器（T）、放大器（IA）、模拟多路开关（MUX）、采样保持器（SHA）、A/D转换器、计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置： 1. 同时采集系统：同时采集系统配置方案，可对各通道传感器输出量进行同时采集和保持，然后分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。 2. 高速采集系统：高速采集配置方案，在时实控制中对多个模拟信号的同时实时测量是很有必要的。 3. 分时采集系统：分时采集方案，这种系统价格便宜，具有通用性，传感器与仪表放大器匹配灵活，有的已实现集成化，在高精度、高分辨率的系统中，可

33、降低IA和ADC的成本，但对MUX的精度要求很高，因为输入的模拟量往往是微伏级的。这种系统每采样一次便进行一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。这样，每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒)，使各通道采样值在时轴上产生扭斜现象。输入通道数越多， 扭斜现象越严重，不适合采集高速变化的模拟量。 4. 差动结构分时采集系统：在各输入信号以一个公共点为参考点时，公共点可能与IA和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压UN，从而造成测量误差。 二、数据采集系统的组成二、数据采集系统的组成 数据采集系统常由包括放大器、滤波器等在内的信号调理电路、多路模拟开关、采样/保持电路、A/D转换器以

34、及接口控制逻辑电路所组成。如图11-21为数据采集系统的典型构成框图。1. 信号调理电路：传感器输出的模拟信号往往因其幅值较小，可能含有不需要的高频分量或其阻抗不能与后续电路匹配等原因，不能直接送给A/D转换器转换成数字量，需要对这个信号进行必要的处理，这些处理电路就叫信号调理电路。信号调理电路是各种电路的综合名称，如放大器、滤波器和线性修正电路等。对于一个具体的数字采集系统而言，所采用的信号调理技术及其电路，由传感器输出信号的特性和后续采样/保持电路（或A/D转换）的要求或确定的测量要求决定。2. 多路模拟开关：多路模拟开关在控制信号作用下，按指定的次序把各路模拟信号分时地送到A/D转换器转

35、换成数字信号。3. 采样/保持电路（S/H电路）：由于A/D转换器的转换需要一定的时间，如在转换过程中输入的信号有所改变，则转换结果与转换之初的模拟信号便有较大的误差，甚至是面目全非。故为了保证转换的精度，需要在模拟信号源与A/D转换器之间接入采样/保持电路。4. A/D转换器：A/D转换器是数据采集系统的核心器件，它把模拟信号输入转换成数字信号输出。最常用的A/D转换器是逐次逼进型和双斜积分型。5. 接口电路及控制逻辑：A/D转换器所输出的数字信号无论在逻辑电平还是时序要求、驱动能力等方面与计算机的总线信号可能会有差别，因此，A/D转换器的输出信号不能直接送至计算机总线上，必须在两者之间加入

36、接口电路以实现电路参数匹配。逻辑控制电路是受控于计算机来产生一定时序要求的逻辑控制信号的电路系统。 三、数据采集系统的工作过程三、数据采集系统的工作过程首先让多路模拟开关接通被测的某路模拟输入，其次让采用/保持电路进入采样模式，待输出跟踪输入到达某一指定的误差带内之后再进入保持模式，然后才开始A/D转换（此时模拟开关可切换至另一路模拟输入），待A/D转换结束后，才允许计算机读数数据。图11-21 数据采集系统的典型构成 11.4.2 A/D转换器转换器 模数转换的作用是将传感器接口电路预处理过的模拟信号转换成适合计算机处理的数字信号，并输入到计算机中去。即，把连续变化的模拟信号转换为阶跃变化的

37、数字信号。模数转换的过程包括量化和编码。量化就是模拟量按数字量的单位量（即最低有效位所代表的量值）进行量度；编码是将量化后的数字量按数制的要求写成所需要的数字形式。A/D转换器的输入输出关系可以表示为： DA/D 式中，A为输入模拟量，D为输出的数字编码，Q为量化单位。一、一、A/D转换器的定义及分类转换器的定义及分类A/D转换可分成两大类：直接转换法和间接转换法。直接转换法常用的有计数法、逐次逼近法等。间接转换法有双积分法、电压频率转换法等。最通用A/D转换方法：计数式ADC 和逐次逼近式ADC。1. 按转换原理分类按转换原理分类按A/D转换的原理，ADC主要分为比较型和积分型两大类。 其中

38、，常用的是逐次逼近型、双积分型和V/F变换型（电荷平衡式）。 逐次逼近ADC： 它是以数模转换器DAC为核心，配上比较器和一个逐次逼近寄存器，在逻辑控制器操纵下逐位比较并寄存结果。它也可以由DAC、比较器和计算机软件构成。逐次逼近ADC的特点是： 转换速度较高(1 s1 ms)，814位中等精度，输出为瞬时值，抗干扰能力差。 双积分型ADC：它的转换周期由两个单独的积分区间组成。未知电压在已知时间内进行定时积分，然后转换为对参比电压反向定压积分，直至积分输出返回到初始值。双积分ADC测量的是信号平均值， 对常态噪声有很强的抑制能力， 精度很高， 分辨率达1220位， 价格便宜， 但转换速度较慢

39、(4 ms1 s)。 V/F转换器：它是由积分器、比较器和整形电路构成的VFC电路，把模拟电压变换成相应频率的脉冲信号，其频率正比于输入电压值，然后用频率计测量。VFC能快速响应，抗干扰性能好，能连续转换，适用于输入信号动态范围宽和需要远距离传送的场合， 但转换速度慢。 2. 按输入、输出方式分类按输入、输出方式分类不同的芯片具有不同的连接方式，其中最主要的是输入、 输出以及控制信号的连接方式。1）从输入端来看，有单端输入和差动输入两种方式。 差动输入有利于克服共模干扰。 输入信号的极性有单极性和双极性， 由极性控制端的接法决定。 2）从输出方式来看，主要有以下两种： 数据输出寄存器具有可控的

40、三态门。此时芯片输出线允许和CPU的数据总线直接相连，并在转换结束后利用读信号RD控制三态门将数据送上总线。 不具备可控的三态门。 输出寄存器直接与芯片管脚相连，此时芯片的输出线必须通过输入缓冲器连至CPU的数据总线。 二、二、A/D转换器的性能指标转换器的性能指标1. 分辨率分辨率D分辨率指输出数字量对输入模拟量变化的分辨能力，利用它可以决定使输出数码增加（或减少）一位所需要的输入信号最小变化量。D=1/2n式中，n为转换器的位数，n越高，测量的误差越小，转换精度越高，但成本也高。分辨力表示ADC对输入量微小变化的敏感度，它等于输出数字量最低位一个字（1 LSB）所代表的输入模拟电压值。如输

41、入满量程模拟电压为Um的N位ADC，其分辨率为 ADC的位数越多，分辨力越高。因此, 分辨力也可以用A/D转换的位数表示。 NNUU21-2LSB1mm 2. 精度精度 精度分为绝对精度和相对精度。绝对精度：它是指输入模拟信号的实际电压值与被转换成数字信号的理论电压值之间的差值。它包括量化误差、线性误差和零位误差。绝对精度常用LSB的倍数来表示，常见的有1/2 LSB和1 LSB。相对精度：它是指绝对误差与满刻度值的百分比。由于输入满刻度值可根据需要设定，因此相对误差也常用LSB为单位来表示。 3. 量程量程(满刻度范围满刻度范围) 量程是指输入模拟电压的变化范围。 例如，某转换器具有10 V

42、的单极性范围或-55 V的双极性范围，则它们的量程都为10 V。应当指出，满刻度只是个名义值，实际的A/D、D/A转换器的最大输出值总是比满刻度值小1/2N。 4. 线性度误差线性度误差 理想的转换器特性应该是线性的，即模拟量输入与数字量输出成线性关系。线性度误差是转换器实际的模拟数字转换关系与理想直线不同而出现的误差，通常也用LSB的倍数来表示。 5. 转换时间转换时间 转换时间指从发出启动转换脉冲开始到输出稳定的二进代码，即完成一次转换所需要的最长时间。转换时间与转换器工作原理及其位数有关。同种工作原理的转换器，通常位数越多，其转换时间则越长。对大多数ADC来说，转换时间就是转换频率（转换

43、的时钟频率）的倒数。 三、三、ADC的选择与使用的选择与使用在实际使用中，需要考虑精度、分辨率、转换时间和价格等因素。应根据具体情况选用合适的ADC芯片。比较型A/D转换器的转换速度快，但要实现高精度则价格比较高。积分型A/D转换器虽然转换时间较长，但价格低，精度高。例如某测温系统的输入范围为0500，要求测温的分辨率为2.5，转换时间在1 ms之内，可选用分辨率为8位的逐次比较式ADC0809芯片，如果要求测温的分辨率为0.5（即满量程的1/1000），转换时间为0.5 s，则可选用双积分型ADC芯片14433。 ADC转换完成后，将发出结束信号，以示主机可以从转换器读取数据。结束信号可以用

44、来向CPU发出中断申请，CPU响应中断后，在中断服务子程序中读取数据；也可用延时等待和查询的方法来确定转换是否结束，以读取数据。 11.4.3其它常见数据采集部件其它常见数据采集部件 一、模拟多路转换器一、模拟多路转换器(MUX) 模拟多路转换器又称模拟多路开关，是电子模拟开关的一种类型。只有当输入信号数大于1的数据采集系统，才有必要使用MUX来轮流切换各被采集通道。因此，对MUX的参数要求是：接通时导通电阻要小，典型值为170300 ，断开时泄漏电流要小，典型值为0.22 mA；导通和断开时间，典型值为0.8 s；用于交流时，应有好的高频特性，即寄生电容要小。 二、采样保持电路二、采样保持电

45、路(SHA) 采样保持电路又称作采样保持放大器。其作用是在ADC对模拟量进行量化所需的转换时间内，保持采样点的数值不变，以保证转换精度。普通型和高速型可在26 s、甚高速型可在300500 ns内把模拟信号的瞬时值采集下来并保持住。当然，如果输入信号在A/D转换时间内是恒定的，则无需SHA。但输入信号都可认为是随时间变化的，当不采用SHA时，必须保证在A/D转换期间内输入信号的最大变化量不超过LSB/2。计算无SHA时的可数字化的最高频率简化公式为： 表表11-1 三类三类SHA速度和精度速度和精度模块五模块五 抗抗 干干 扰扰 技技 术术 11.5.1 11.5.1 干扰的来源及形式干扰的来

46、源及形式1. 1. 外部干扰外部干扰从外部侵入检测装置的干扰称为外部干扰。 来源于自然界的干扰称为自然干扰； 来源于其他电气设备或各种电操作的干扰， 称为人为干扰（或工业干扰）。 自然干扰主要来自天空，如雷电、宇宙辐射、太阳黑子活动等，对广播、通信、导航等电子设备影响较大，而对一般工业用电子设备（检测仪表）影响不大。 人为干扰来源于各类电气、 电子设备所产生的电磁场和电火花， 及其他机械干扰、 热干扰、 化学干扰等。 1） 非电磁干扰及其防护 （1） 机械的干扰：指机械、震动或冲击使电子检测装置的电气参数发生改变，从而影响检测系统的性能。机械的干扰的防护方法是采用各种减震措施，如应用专用减震弹

47、簧-橡胶垫脚或吸振海绵垫来隔离震动与冲击对传感器的影响。 （2） 热的干扰：温度波动以及不均匀温度场引起检测电路元器件参数发生改变，或产生附加的热电动势等，都会影响传感器系统的正常工作。常用的热干扰防护措施有：选用低温漂、低功耗、低发热组件；进行温度补偿；设置热屏蔽； 加强散热；采取恒温等。 （3） 温度及化学干扰： 潮湿会降低绝缘强度， 造成漏电、 短路等； 化学腐蚀会损坏各种零件或部件， 所以应注意防潮、 保持清洁。 2） 电磁干扰电磁干扰主要来源于各类电气、 电子设备所产生的电磁场和电火花。 放电过程会向周围辐射从低频到高频大功率的电磁波， 大功率供电系统输电线会向周围辐射工频电磁波。

48、下面说明各种电磁干扰源的特征。 （1） 放电噪声干扰： 由各种放电现象产生的噪声， 称为放电噪声。 它是对电子设备影响最大的一种噪声干扰。 在放电现象中属于持续放电的有电晕放电、 辉光放电和弧光放电； 属于过渡现象的有火花放电。 电晕放电噪声：电晕放电主要来自高压输电线，在放电过程中产生脉冲电流并会出现高频振荡，成为干扰源。电晕放电具有间歇性质和与距离平方成反比的衰减特性，因此对一般测量装置影响不大。 火花放电噪声： 自然界的雷电， 电机整流子上的电火花， 接触器、 断路器、 继电器接点在闭合和断开时产生的电火花， 电蚀加工及电弧焊接过程中产生的电火花， 汽车发动机的点火装置产生的电火花， 以

49、及高电压器件由于绝缘不良而引起的闪烁放电等， 都是产生火花放电噪声的噪声源。 火花放电会辐射频谱很宽的强烈的电磁波而形成干扰源。 放电管噪声： 属于辉光放电和弧光放电的放电管(如荧光灯、 点弧灯等)具有负阻特性， 和外接电路连接时容易引起振荡， 有时可达甚高频波段。 对交流供电的放电管， 在半周期的起始和终了时， 由于放电电流变小， 也要产生再点火振荡和灭火振荡。 这些现象也都构成了噪声源。 其中， 荧光灯是一种最普遍的灯具， 无处不在。 （2） 电气设备干扰具有以下几点： 工频干扰：大功率输电线，甚至就是一般室内交流电源线对于输入阻抗高和灵敏度甚高的测量装置来说都是威胁很大的干扰源。在电子设

50、备内部，由于工频感应而产生干扰， 如果波形失真，则干扰更大。 射频干扰： 指高频感应加热、 高频介质加热、 高频焊接等工业电子设备通过辐射或通过电源线给附近测量装置带来的干扰。 电子开关通断干扰： 电子开关、 电子管、 晶闸管等大功率电子开关虽然不产生火花， 但因通断速度极快， 使电路电流和电压发生急剧的变化， 形成冲击脉冲而成为干扰源。 在一定的电路参数下还会产生阻尼振荡， 构成高频干扰。 2. 内部干扰内部干扰1） 固有噪声源（1） 热噪声：又称为电阻噪声。由电阻内部载流子的随机热运动产生几乎覆盖整个频谱的噪声电压，其有效值电压。式中，K为波耳兹曼常数（1.3810-23JK）；T为热力学

51、温度（K）；R为电阻值；f为噪声带宽， 取决于系统带宽。 如某电路输入电阻为470 k，带宽为105 Hz， 环境温度为300 K， 则噪声电压达27.9 V。因此，减小输入电阻和通频带有利于降低噪声。 fKTRU4t（2） 散粒噪声：它由电子器件内部载流子的随机热运动产生，其均方根电流。式中，Idc为通过电子器 件 的 直 流 电 流 ， Q 为 电 子 电 荷 量 。 散 粒 噪 声 与成正比，其功率幅值服从正态分布，属于白噪声。 （3） 低频噪声：又称为1/f噪声。它取决于元器件材料表面的特性，噪声电压频率越低，噪声电压越大。 （ 4 ） 接 触 噪 声 ： 它 也 是 一 种 低 频

52、噪 声 。 噪 声 电 流。 为每单位均方根带宽。 fQIIdcsh2ffKU/fBfKIIdcfB2） 信噪比(S/N)在测量过程中，人们不希望有噪声，但是噪声不可能完全排除， 也不能用一个确定的时间函数来描述。实践中只要噪声小到不影响检测结果, 是允许存在的，通常用信噪比来表示其对有用信号的影响，而用噪声系数Nf表征器件或电路对噪声的品质因数。 信噪比S/N是用有用信号功率PS和噪声功率PN或信号电压有效值US与噪声电压有效值UN的比值的对数单位来表示，即 NSNSlg20lg10/UUPPNS（12-38） 其单位为分贝（dB）。 噪声系数NF等于输入信噪比与输出信噪比的比值， 即 输出

53、信噪比输入信噪比NoSoNiSiF/ PPPPN（12-39） 信噪比小，信号与噪声就难以分清，若S/N=1， 就完全分辨不出信号与噪声。 信噪比越大， 表示噪声对测量结果的影响越小， 在测量过程中应尽量提高信噪比。 三、干扰的传输途径三、干扰的传输途径 1. 通过通过“路路”的干扰的干扰 泄漏电阻：元件支架、探头、接线柱、印刷电路以及电容器内部介质或外壳等绝缘不良等都可产生漏电流，引起干扰。 共阻抗耦合干扰： 两个以上电路共有一部分阻抗， 一个电路的电流流经共阻抗所产生的电压降就成为其他电路的干扰源。 在电路中的共阻抗主要有电源内阻（包括引线寄生电感和电阻）和接地线阻抗。 经电源线引入干扰：

54、交流供电线路在现场的分布很自然地构成了吸收各种干扰的网络， 而且十分方便地以电路传导的形式传遍各处， 通过电源线进入各种电子设备造成干扰。2. 通过通过“场场”的干扰的干扰通过电场耦合的干扰：电场耦合是由于两支路（或元件）之间存在着寄生电容，使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去，因此又称电容性耦合。 通过磁场耦合的干扰 ：当两个电路之间有互感存在时，一个电路中的电流变化，就会通过磁场耦合到另一个电路中。例如变压器及线圈的漏磁，两根平行导线间的互感就会产生这样的干扰。 因此这种干扰又称互感性干扰。 通过辐射电磁场耦合的干扰： 辐射电磁场通常来自大功率高频用电设备、广播发射台、电视发

55、射台等。 例如当中波广播发射的垂直极化强度为100 mV/m时，长度为10 cm的垂直导体可以产生5 mV的感应电势。 4. 4. 干扰的作用方式干扰的作用方式1） 串模干扰凡干扰信号和有用信号按电势源的形式串联(或按电流源的形式并联)起来作用在输入端的称为串模干扰， 其等效电路如图11-22所示。 图11-22 串模干扰等效电路（a） 电流源串联形式； （b） 电流源并联形式 2. 共模干扰共模干扰 干扰信号使两个输入端的电位相对于某一公共端一起变化（涨落）的属共模干扰，其等效电路如图11-23所示。共模干扰本身不会使两输入端电压变化，但在输入回路两端不对称的条件下，便会转化为串模干扰。因共

56、模电压一般都比较大，所以对测量的影响更为严重。 共模干扰的例子有漏电阻耦合干扰，分布电容耦合干扰；两点接地的地电流干扰以及在远距离测量中，因使用长电缆使传感器的地端与仪表地端产生的电位差也会引起干扰。 图11-23 共模干扰等效电路11.5.2 11.5.2 干扰的抑制技术干扰的抑制技术1. 1. 抑制干扰的方法抑制干扰的方法（1） 消除或抑制干扰源： 如使产生干扰的电气设备远离检测装置； 对继电器、 接触器、 断路器等采取触点灭弧措施或改用无触点开关； 消除电路中的虚焊、 假接等。 （2） 破坏干扰途径： 提高绝缘性能， 采用变压器、 光电耦合器隔离以切断“路”径； 利用退耦、 滤波、 选频

57、等电路手段引导干扰信号转移； 改变接地形式消除共阻抗耦合干扰途径； 对数字信号可采用甄别、 限幅、 整形等信号处理方法或选通控制方法切断干扰途径。 （3） 削弱接收电路对干扰的敏感性： 例如电路中的选频措施可以削弱对全频带噪声的敏感性， 负反馈可以有效削弱内部噪声源， 其他如对信号采用绞线传输或差动输入电路等。常用的抗干扰技术有屏蔽、 接地、 浮置、 滤波、 隔离技术等。 1. 屏蔽技术屏蔽技术 1）静电屏蔽：众所周知，在静电场作用下，导体内部各点等电位，即导体内部无电力线。 因此，若将金属屏蔽盒接地，则屏蔽盒内的电力线不会传到外部，外部的电力线也不会穿透屏蔽盒进入内部。前者可抑制干扰源，后者可阻截干扰的传输途径。所以静电屏蔽也叫电场屏蔽，可以抑制电场耦合的干扰。为了达到较好的静电屏蔽效果，应注意以下几个问题：选用铜、铝等低电阻金属材料作屏蔽盒；屏蔽盒要良好地接地；尽量缩短被屏蔽电