第7章测量和数据采集系统ppt课件

1、第7章上页下页前往 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7.1 电量测量电量测量7.1.2 测量误差和仪表准确度7.1.3 电流、电压和功率的测量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。第7章上页下页电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。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，从而确定被测量的数值。前往上页下页第7章几种常见的测量仪表几种常见的测量仪表指针式指针式万用表万用表数字式万数字式万用表用表钳型电钳型电流表流表兆欧表兆欧表前往

2、 1 工作环境等级分A、B、C三组，其中A组温度0+40,相对湿度80%以下不在面板上标出；B温度-20+50，相对湿度85 %以下；C温度-40+60，相对湿度98 %以下。符号意义符号意义-直流仪表 2 或2kV绝缘强度实验电压2kV交流仪表或仪表直立放置 _ 交直流仪表或仪表水平放置1.5 或1.5准确度等级1.5级B C工作环境等级 1第7章上页下页表表7.1.1 7.1.1 电工测量仪表上的几种符号及其意义电工测量仪表上的几种符号及其意义前往第7章上页下页 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。误差的表示方法主要有绝对误差和相对误差： 绝对误差

3、是指仪表的指示值Ax与被测量实际值A0之间的差值，即 A = Ax-A0 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= AA0100%相对误差是指绝对误差相对误差是指绝对误差 A与被测量的实际值A0之间的差值，即前往第7章上页下页 目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如表7.1.2所示五个等级。 仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来分级的，即：Am相对额定误差：m=Am100%5.0表7.1.2 各级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% %0.10.10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.0前往7.1.3 电

4、流、电压和功率的测量1. 电流和电压的测量测量直流电流常用磁电式电流表测量直流电压常用磁电式电压表第7章上页下页圆柱型铁心FF磁电式仪表的结构示意前往第7章上页下页 测量交流电流常用电磁式电流表，测量交流电压常用电磁电压表。 电磁式仪表常采用推斥式结构。可动铁片固定铁片固定线圈电磁式仪表结构示意前往上页下页前往第7章2. 2. 功率的测量功率的测量 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。固定线圈固定线圈可动线圈FF电动式仪表结构示意i2ii1*+-u功率计接线负载第7章上页下页前往 7.2.1 7.2.1 非电量电测法非电量电测法*7.2非电量电测法和

5、数据采非电量电测法和数据采集系统的组成集系统的组成7.2.2 数据采集系统的组成非电量电测法示意图上页下页第7章前往 传感器传感器非非电电量量信信号号信号处理信号处理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 7.2.1 7.2.1 非电量电测法非电量电测法上页下页第7章前往7.2.2 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 传传感感器器1模拟信号1滤波放大1 S/H 1 传传感感器器2模拟信号2滤波放大2 S/H 2A/D微机系统多路转换开关 传传感感器器n模拟信号3滤波放大n S/H n数据采集系统的组成示意图 第7章上页下页前往 7.3.1 7.3.1 有源滤波电路有源滤

6、波电路*7.3 有源滤波器和测量有源滤波器和测量放大电路放大电路7.3.2 测量放大电路测量放大电路第7章上页下页前往 7.3.1 7.3.1 有源滤波电路有源滤波电路RCRf一阶低通有源滤波电路一阶低通有源滤波电路R1ui负反馈网络负反馈网络同相输入比例同相输入比例放大电路放大电路1.低通有源滤波电路低通有源滤波电路RC滤波环节滤波环节上页下页第7章前往UO.= (1+ RfR1)R - jC1- jC1Ui.= (1+ RfR1)1+ jRCUi.=Af1 + j cUi.=Af1 + j c11 + ( c)2=Af arctancH(j)=Ui.UO.H(j)1 + ( c)2=Af

7、arctan（c （ ） =）幅频特性相频特性第7章上页下页前往H(j)1 + ( c)2=Af arctan（c （ ） =）幅频特性相频特性 )(00 -4-20.707Af0c H(j )2. 高通滤波电路高通滤波电路RCRfR1uiUO.= (1+ RfR1)R - jC1Ui.RR - jC1Ui.R=Af1 - jUi.=Afc第7章上页下页前往=Af1 - j c1H(j)=Ui.UO.H(j)1 + ( c)2=Af arctan（c （ ）=）第7章上页下页前往幅频特性相频特性0.707Af0c H(j) )(0c 42第7章上页下页前往 7.3.2 7.3.2 测量放大电路

8、测量放大电路 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、失调小、并有一定的抗干扰能力。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，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第7章上页下页前往ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2 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差分放大电路 同相 输入 同相 输入iP第7章上页下页前往ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPuo2uo1=（R1+RP R1+） iP=（1+2R1RP）（ui2 ui1）

9、uo=R3R2uo2uo1（）（1+2R1RP）（ui2 ui1）=R3R2=ui1ui2Aduo=R3R2（1+2R1RP）iP=ui1ui2RP第7章上页下页前往 7.4.1 7.4.1 模拟开关模拟开关*7.4 模拟开关和采样模拟开关和采样-保持电路保持电路7.4.2 采样-坚持S/H电路第7章上页下页前往 7.4.1 7.4.1 模拟开关模拟开关 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。 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。构成

10、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第7章上页下页前往UiUoCPCPUDDT1T2CPUoUiCPTGCMOS传输门传输门电电路路图图形形符符号号模拟开关模拟开关UoUiTG1DDUiUo第7章上页下页前往 CC4051 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第7章上页下页前往7.4.2 采样采样-坚持坚持S/H电路电路uoA2CuiA1uc（t）（t）（t） 输入

11、缓冲输入缓冲 放大器放大器模拟开关模拟开关 输出缓冲输出缓冲 放大器放大器保持电容保持电容第7章上页下页前往采样-保持电路波形图采采样样采采样样采采样样坚坚持持坚坚持持uiucuo（t）（t）（t）000ttt第7章上页下页前往 7.5.1 T 7.5.1 T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器7.5 数数/模模(D/A)转换器转换器7.5.2 集成集成D/A转换器举例转换器举例 概述概述上页下页第7章前往 传感器传感器非非电电量量信信号号信号处理信号处理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 概述概述 D/A转换转换 执行机构执行机构非电量电测系统非电量电测系统

12、上页下页第7章前往 D/A 转换器的作用是将输入的数字信号转换成模拟量。7.5.1 T型电阻网络D/A转换器 实际上就是“译码安装，它将输入数字的每一位二进制代码按权的大小转换为相应的模拟量。D/A的组成框图上页下页第7章前往 T T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器 T 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，其右边的电阻网其右边的电阻网络等效电阻均等络等效电阻均等于于R R 。 S S为电子开关。为电子开关。 当当 D=0D=0时时 S S 接地；当接地；当 D=1D=1时时 S S 接接“地地”（

13、虚地）。（虚地）。并行数字输入并行数字输入上页下页第7章模拟信号输出模拟信号输出RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO8ABCDIo1Io2+_前往 基准电源电电子子开开关关 T型电阻网络 求和放大器RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIUO8ABCDIo1Io2_+当当 D=0D=0时时S S 接地；当接地；当 D=1D=1时时S S 接接“地地”（虚地），（虚地），T型电阻网络的等效电路型电阻网络的等效电路即不论模拟开关接到左边还是右边，电阻2R一端总是零电位。其等效电路如图：第7章上页下页

14、RRUREFII =UREF R 梯形电阻梯形电阻网络网络A A、B B、C C、D D任意一任意一点，其右边点，其右边的电阻网络的电阻网络等效电阻均等效电阻均等于等于R R 。前往I=UREFR 上页下页第7章RRR2R2R2R2RI0I1I2I3UREFIABCDI0I1I2I3343222III2432222III1421222III0410222III2RRRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO8ABCDIo1Io2+_Io1 =I3I2 I1I0+=（D3 23 +D2 22 + D12124I + D020 ）UO= Rf I01

15、= （D3 23 +D2 22 + D12124Rf I + D020 ）UO= (D3 23+D2 22+D121+D020) UREF Rf24 RUO= (Dn-1 2n-1+Dn-2 2n-2+D121+D020) UREF Rf2n R前往上页下页第7章 D/A D/A的主要技术参数的主要技术参数 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）与最大输出电压大输出电压( (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。 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：分辨率分辨率=1/=1/

16、（2n-12n-1）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。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。1210-10.001 分 辨 率: 转换精度： 转换速度：前往 CC7520 外部引脚图 Iout1、Iout2：电流输出端：电流输出端RF：反馈信号输入端：反馈信号输入端UDD：电源输入端，：电源输入端，5 10VGND：接地端：接地端UREF：基准电源，：基准电源，10V +10V上页下页第7章 CC7520 D/A CC7520 D/A转换器转换器 CC7520 CC7

17、520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RFRF，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。引脚功能引脚功能D9D0：数字信号输入：数字信号输入端端Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF123456781615141312111097.5.2 集成集成D/A转换器举例转换器举例前往上页下页第7章 CC7520 D/A CC7520 D/A转

18、换器应用电路转换器应用电路12341615141312CC7520D0D1D9UREF UDD+_U0UO= (D9 29+D8 28+D121+D020) UREF 210 前往 程控三角波程控三角波/ /方波发生器方波发生器D8D7D0+_U01123416151413CC752056D9_+UREF+15VU02A1A2UO2UO1第7章上页下页前往1kR1R2CDZ10k20k第7章上页下页前往 7.6.1 7.6.1 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器7.6 模模/数数(A/D)转换器转换器*7.6.2 双积分型双积分型A/D转换器转换器概述概述上页下页第7章前往 A/D

19、转换器的作用是将输入的模拟电压数字化。直接转换器：主要分为 两大类：间接转换器：逐次逼近型、并联比较型等单积分型、双积分型等概述：概述：7.6.1 逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器转换器顺顺序序砝码重量砝码重量 比较判断比较判断 砝码去砝码去留留18g 8g13g 留留 1 128g+4g 12g13g 去去 0 048g+4g+1g 13g=13g 留留 1 1逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物上页下页第7章前往 结果表示结果表示逐次逼近型逐次逼近型A/D转换器原理框图转换器原理框图上页下页第7章前往电电压压比比较较器器输出数字量输出数字量模拟信号输入模

20、拟信号输入参考电压参考电压逐次逼逐次逼近寄存器近寄存器D/A 转换器转换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CP四四位位D/A转转换换器器1D QCD QCD QCD QC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比较器节节拍拍脉脉冲冲发发生生器器时钟脉冲数码寄存器d3d2d1d0上页下页第7章前往逐次比较寄存器U0U+U+JKU0= (d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C40 01 1000UR=8VU0=4V1 10 00 00 00 00 010 01 11 11 10

21、 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脉冲发生器反相器顺序顺序d3 d2 d1 d0UA/V比较比较该位该位1 1的去留的去留11 0 0 01 0 0 04UAUI1 0 1 01 0 1 035UAUI1 0 1 11 0 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ADCADC的的转换过程转换过程UA逼近逼近U1的波形的波形上页下页第7章5.52O512346UA/V2341脉冲顺序前往集成集成A/D芯片芯片ADC0801ADC0801外引脚图外引脚图ADC

22、0801各管脚功能：各管脚功能：上页下页第7章 UIN(+)、UIN(-)：模拟量输入端：模拟量输入端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，低电平有：读出端，低电平有效效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：输出控制端前往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

23、分辨率。位数越多以输出二进制的位数表示分辨率。位数越多, ,误差越小误差越小, ,转换精转换精度越高。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。转换时间是指从接到转换控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字输出信号所经过的这段时间。制信号开始到输出端得到稳定的数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。在理想情况下，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。所有的转换点应当在一条直线上。上页第7章前往下页7.6.1结束结束上页下页前往第7章*7

24、.6.2 双积分型双积分型A/D转换器转换器 双积分型双积分型A/D转换器属于电压时间变换的间转换器属于电压时间变换的间接接A/D转换器。转换器。 基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 Ui 和参考电压UR 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，再变换成正比于输入模拟信号的数字量。上页下页前往第7章UiURABS1RS2Cuo积分器比较器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A/D转换器原理图上页下页前往第7章CPuottt000UPT1T2DoutURUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻

25、辑电路_+&脉冲发生器+A1A2 1. 定时采样阶段： S1合向A侧，从0开始对Ui积分。01dtoiuU tRC A/D转换器的工作波形转换器的工作波形上页下页前往第7章CPuottt000UPT1T2DoutURUiABS1RS2Cuo积分器比较器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 t=T1 时， S1合向B侧，停止采样。 t=t1积分器输出为A/D转换器的工作波形转换器的工作波形UP =-RCT1Ui=-RCTCUi2n上页下页前往第7章CPuottt000UPT1T2DoutURUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出数字

26、量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2 2. 比较读数阶段： t T1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。位数越多以输出二进制的位数表示分辨率。位数越多, ,误差越小误差越小, ,转换精转换精度越高。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。转换时间是指从接到转换控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字输出信号所经过的这段时间。制信号开始到输出端得到稳定的数字输出信

27、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。在理想情况下，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。所有的转换点应当在一条直线上。上页第7章前往下页数码显示电路计算机系统A/D转换电路模拟开关放大滤波电路* *7.7 7.7 非电量测量系统举例非电量测量系统举例上页下页前往温度测量系统原理框图：温度信号1温度信号2信号采集电路阐明：一般阐明：一般A/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

28、种控制功能。本例中，用数码显示电路替代微机。微机。第7章上页下页前往5VAD590R12k35.7k9k35.7k2k1k3C 0.1F+5VS1-S3R3R2R4R2R3R42k2k9k+_A0OP077.2kUx84AD584115VUR+10VR1测温系统电路图测温系统电路图1COMMANCC4051INHABC01模拟模拟开关开关 基准电源 信号采集 放大滤 波电路第7章上页下页前往第7章123CC1403UREFEOCDUUAGUx+5VRD20k2VUxR1C1C01C02R1/C10.1F0.1F470kCLKICLKO300kABCDLTLEBICC4511+5V-5VORQ0

29、Q1Q2Q3USSUDD R71007ROPRM20021513141216+5V912345CC14138DS4 DS3 DS2 DS1测温系统电路图测温系统电路图2CC14433 A/D转换器位选择位选择 驱动器驱动器 译码器1.信号采集电路信号采集电路 温度传感器AD590，二端式集成温度电流传感器。 测温范围：55150，精度0.3 使用直流电源范围4V30V 线性电流输出：1A/K 留意：AD590测量的是热力学温度K。 K=C+273.2上页下页前往第7章2.模拟开关模拟开关 采用八选一多路模拟开关CC4051,可巡回监测8路被测温度信号 通过开关S1、S2、S3控制CC4051地址输入端A、B、C的电平，以选择通道。 本系统以2路被测温度信号为例。上页下页前往第7章上页下页前往7.2kR1R235.7k2kR3R42k9kUx5V+10VI1I2IT3. 放大电路放大电路AD590一路信号的放大电路一路信号的放大电路由图可知：由图可知：21IIIT又又2121110RRRRUIR，4320RRUIx那么：那么：432110RRUIRRxT)(10(4321RRRRIUTxVIUTx361010)102 .273(调调R2R20.9k0.9k，R3=1k,R3=1k,00时，时，IT=273.2IT=273.210-6A,Ux=0;10-6A,Ux=0;故故温