测量和数据采集系统课件

退出退出退出退出1第7章上页下页返回

7.1.1常用电工测量仪表的分类7.1电量测量7.1.2测量误差和仪表准确度7.1.3电流、电压和功率的测量第7章上页下页返回7.1.1常用电工测量仪表的分类727.1.1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章翻页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。返回7.1.1常用电工测量仪表的分类直读式仪表能直接指示被测量3（2）按仪表的工作原理分为：磁电式、电磁式、电动式；第7章翻页上页下页（1）按被测量的不同分为：电流表（安培、毫安、微安表）、电压表（伏特、毫伏表）、功率表（瓦特表）、电能表(电度表）（千瓦时表）、频率计、电阻表（欧姆表）、功率因数表；（3）按仪表的种类分为：直流仪表、交流仪表、交直流两用仪表。返回直读式仪表分类（2）按仪表的工作原理分为：磁电式、电磁式、电动式；第7章翻4上页下页翻页第7章几种常见的测量仪表指针式万用表数字式万用表钳型电流表兆欧表返回上页下页翻页第7章几种常见的测量仪表指针式万用表数字式万用表5

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BC工作环境等级

1第7章上页下页翻页表7.1.1电工测量仪表上的几种符号及其意义返回1工作环境等级分A、B、C三组，其中A组（温度0℃+6第7章上页下页翻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测量误差和仪表准确度γ=

△AA0×100%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，即返回第7章上页下页翻页在用电工测量仪表进行测量时7第7章上页下页翻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：γm=Am×100%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基本误差%0.1±0.10.2±0.20.5±0.51.0±1.01.5±1.52.5±2.5±5.0返回Am是仪表的量程(满偏值),△Am是可能发生的最大误差。第7章上页下页翻页目前我国直读式电工测量仪表的87.1.3电流、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章上页下页翻页圆柱型铁心FF磁电式仪表的结构示意返回7.1.3电流、电压和功率的测量1.电流和电压的测量9第7章上页下页翻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返回第7章上页下页翻页测量交流电流常用电磁式电流表，测10上页下页返回第7章2.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功率计接线负载本节结束上页下页返回第7章2.功率的测量功率的测量常11第7章上页下页返回

7.2.1非电量电测法*7.2非电量电测法和数据采集系统的组成7.2.2数据采集系统的组成第7章上页下页返回7.2.1非电量电测法*7.2非电12非电量电测法示意图上页下页第7章返回翻页

传感器非电量信号信号处理A/D转换

模拟显示数字显示计算机

7.2.1

非电量电测法非电量电测法示意图上页下页第7章返回翻页非电量信号信号处理13上页下页第7章返回7.2.2数据采集系统的组成

传感器1模拟信号1滤波放大1

S/H1

传感器2模拟信号2滤波放大2

S/H2A/D微机系统多路转换开关

传感器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

本节结束上页下页第7章返回7.2.2数据采集系统的组成模拟信号114第7章上页下页返回

7.3.1有源滤波电路*7.3有源滤波器和测量放大电路7.3.2测量放大电路第7章上页下页返回7.3.1有源滤波电路*7.3有15第7章上页下页返回

7.3.1有源滤波电路翻页定义：

滤波电路是一种允许某一指定频率范围内的信号顺利通过，而抑制此频率范围以外的其他频率信号的电路分类：（1）按通频带分：高通、低通、带通和带阻；（2）按组成元件的性质分：无源滤波电路（仅含无源元件R、L、C）有源滤波电路（含晶体管或集成运放等有源元件）特点：与无源滤波电路相比，含有集成运放的有源滤波电路具有放大作用，可以通过运放使输入与负载隔离，并且带负载能力强。第7章上页下页返回7.3.1有源滤波电路翻页定义：分16第7章上页下页返回翻页RCRf一阶低通有源滤波电路R1ui负反馈网络同相输入比例放大电路1.低通有源滤波电路RC滤波环节第7章上页下页返回翻页RCRf一阶低通有源滤波电路R1ui负17上页下页第7章返回翻页UO.=(1+

RfR1)R-jωC1-jωC1Ui.=(1+

RfR1)1+

jωRCUi.=Af1+j

ωωcUi.=Af1+j

ωωc1√1+(

ωωc)2=Af–arctanωωcH(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）幅频特性相频特性上页下页第7章返回翻页UO.=(1+RfR1)R18第7章上页下页返回翻页H(jω)√1+(

ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）幅频特性相频特性ω)(0ωω0-4π-2π0.707Af0ωωcH(jω)第7章上页下页返回翻页H(jω)√1+(ωωc192.高通滤波电路RCRfR1uiUO.=(1+

RfR1)R-

jωC1Ui.RR-

jωC1Ui.R=Af1-

jωUi.=Afωc第7章上页下页返回翻页2.高通滤波电路RCRfR1uiUO.=(1+20=Af1-j

ωcω1H(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）第7章上页下页返回翻页幅频特性相频特性0.707Af0ωωcH(jω)ω)(0ωωc4π2π=Af1-jωcω1H(jω)=Ui.UO.H21第7章上页下页返回

7.3.2测量放大电路翻页输入电阻高、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第7章上页下页返回7.3.2测量放大电路翻页22第7章上页下页返回翻页用集成运放组成的测量放大电路类型：反相输入、同相输入、差分输入的比例运放电路比较：同相输入：输入电阻高，可用作测量放大电路的前置级，但易引入共模干扰；反相输入：运放输入端为“虚地”，短距离测量时抗干扰性能好，远距离测量时，地电阻易引入干扰；此外输入电阻低，不易与传感器相连。典型的测量放大电路由三个集成运放构成，如图7.3.7所示。第7章上页下页返回翻页用集成运放组成的测量放大电路类型：23第7章上页下页返回翻页ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2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章上页下页返回翻页ui1uoR1ui2R1RPR2R2R24第7章上页下页返回ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPuo2–uo1=（R1+RPR1+）iP–=（1+2R1RP）（ui2ui1）uo=R3R2uo2–uo1（）–（1+2R1RP）（ui2ui1）=R3R2=ui1ui2–Aduo=R3R2（1+2R1RP）iP=ui1ui2–RP本节结束第7章上页下页返回ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R25第7章上页下页返回

7.4.1模拟开关*7.4

模拟开关和采样-保持电路7.4.2采样-保持（S/H）电路第7章上页下页返回7.4.1模拟开关*7.4模拟开26第7章上页下页返回翻页模拟量转换成数字量通常分四个步骤：采样、保持——由采样/保持电路完成量化、编码——由A/D转换器完成第7章上页下页返回翻页模拟量转换成数字量通常分四个步骤：27第7章上页下页返回翻页

7.4.1模拟开关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。主要介绍由CMOS传输门构成的模拟开关和集成多路模拟开关。构成方式：双极型晶体管电路MOS场效应晶体管第7章上页下页返回翻页7.4.1模拟开关28第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CMOS传输门电路CPUiT1、T2导通情况结论10~7VT1导通Ui在0~UDD（10V）变化时，T1、

T2至少有一个导通，使信号从输入端传到输出端，UO=Ui3~10VT2导通3~7VT1、

T2同时导通00~10VT1、

T1同时截止开关断开、信号不能从输入端传到输出端。工作原理：假设T1、T2管的开启电压的绝对值为3V，输入电压Ui的变化范围为0~10V，CP=1时认为CP端加了10V电压。第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CMOS29第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CPUoUiCPTGCMOS传输门电路图形符号注意：由于MOS管的漏极和源极在结构上完全一样，可以互换，故传输门具有双向传输的特性，即Ui和Uo可以互换。第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CPUo30第7章上页下页返回翻页电路图形符号模拟开关UoUiTG1DDUiUo模拟开关的结构：由一个传输门加一个反相器构成。模拟开关的工作原理：当控制信号D=1时，模拟开关接通，使Ui=Uo；当控制信号D=0时，模拟开关断开。第7章上页下页返回翻页电路图形符号模拟开关UoUiTG1DD31第7章上页下页返回翻页电路图形符号单刀双掷模拟开关工作原理：当控制信号D=1时，ＴＧ１传输，Uo１=Ui；当控制信号D=0时，ＴＧ２传输，Uo２=Ui。可以通过控制端Ｄ来控制信号Ui是传输到Uo１还是Uo２。Uo１UiTG１1DTG２Uo２DUiUo１Uo２第7章上页下页返回翻页电路图形符号单刀双掷模拟开关工作原理：32第7章上页下页返回翻页多路转换开关——集成多路模拟开关作用：用于多选一种类：常见的有四选一、八选一、十六选一等类型。例子：集成块ＣＣ４０５１是一个八选一多路开关。它主要由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成。ＩＮＨ为禁止端，当其为高电平时，八个通道全部不通；当其为低电平时，相应的输出各通道。第7章上页下页返回翻页多路转换开关——集成多路模拟开关作用：33第7章上页下页返回翻页

CC4051模拟开关CBA30UDD123456781615141312111091246COMMON75INHUEEUSSCC4051ABCINH电平转换电路译码电路12345670输出COMMON第7章上页下页返回翻页CC4051模拟开关CBA30UD34第7章上页下页返回翻页7.4.2采样-保持（S/H）电路采样-保持电路的基本概念采样/保持电路的作用：若被测信号是快速变化的，则应在A/D转换前加采样/保持电路，使某一时刻采样到的被测信号，可以保持一段时间不变，让A/D变换具有足够的时间进行变换，送给计算机。第7章上页下页返回翻页7.4.2采样-保持（S/H）电路采35第7章上页下页返回翻页采样/保持电路的设计思想：采样/保持电路应由采样脉冲控制。在采样状态时，电路的输出跟随模拟电压变化在保持状态时，保持前一次采样结束瞬间的模拟电压，直至下一次采样。采样定理（香农定理）：

为保持信号的不失真，必须满足：fs≥2fimax

其中：fs—采样频率；fimax—输入信号最高频率分量的频率。第7章上页下页返回翻页采样/保持电路的设计思想：采样定理（香36第7章上页下页返回翻页uoA2CuiA1uc（t）（t）（t）

输入缓冲放大器模拟开关

输出缓冲放大器保持电容采样-保持电路示意图第7章上页下页返回翻页uoA2CuiA1uc（t）（t）（t37第7章上页下页返回采样-保持电路波形图本节结束0采样采样采样保持保持uiucuo（t）（t）（t）00ttt工作原理：（1）Uc（t）高电平时，开关S闭合，属采样时间，Ui（t）通过A1对保持电容快速充电，Uo跟随Ui的变化而变化。（2）Uc（t）低电平时，开关S断开，属保持时间，电容电压保持着开关断开瞬间的输入电压值，Uo=Ui（nT），此值一直保持到下一次采样状态开始为止。第7章上页下页返回采样-保持电路波形图本节结束0采样采样采样38第7章上页下页返回

7.5.1

T型电阻网络D/A转换器7.5数/模(D/A)转换器7.5.2集成D/A转换器举例第7章上页下页返回7.5.1T型电阻网络D/A转换器39D/A的功能：将数字信号转换成模拟信号，它通常用于系统里对外部设备实现控制操作的输出通道中。上页下页第7章返回翻页7.5.1

T型电阻网络D/A转换器T型电阻D/A变换器的工作原理：由输入二进制数码的各位分别控制相应的模拟开关，通过电阻网络得到一个与二进制数码各位的权值成比例的电流，再经过运放求和，转换成与输入二进制码成比例的模拟电压输出。D/A的功能：将数字信号转换成模拟信号，它通常上页下页第7章40D/A的组成框图上页下页第7章返回翻页电子开关电阻网络输入寄存器基准电压求和放大模拟量输出数字量输入D/A的组成框图上页下页第7章返回翻页电子开关电阻41

T型电阻网络D/A转换器

梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于R。当D=0时S接右边（接地）；当D=1时S接左边（虚地）。基准电源并行数字输入上页下页第7章翻页电子开关模拟信号输出RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_返回T型电阻网络D/A转换器梯形电阻网络A、B、C、42RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIUO－＋△8＋ABCDIo1Io2_++当D=0时S接地；当D=1时S接“地”（虚地），T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章上页下页翻页RRUREFII=UREFR

梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于R。返回RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D43I=UREFR

上页下页第7章翻页RRR2R2R2R2RI0I1I2I3UREFIABCDI0I1I2I32RRRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_Io1=I3I2I1I0+++=（D323+D222+D12124I+D020）UO=–RfI01=–（D323+D222+D12124RfI+D020）UO=–

(D323+D222+D121+D020)UREFRf24RUO=–

(Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020)UREFRf2nR返回I=UREFR上页下页第7章翻页RRR2R2R2R244上页下页第7章

D/A的主要技术参数是指最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。例如十位数模转换器的分辨率为：分辨率=1/（2n-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。从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。1210-1≈0.001※分辨率:

※转换精度：※转换速度：翻页返回上页下页第7章D/A的主要技术参数是指最小输出电压（对45

CC7520外部引脚图

Iout1、Iout2：电流输出端RF：反馈信号输入端UDD：电源输入端，5~10VGND：接地端UREF：基准电源，–10V~+10V上页下页第7章翻页

CC7520D/A转换器

CC7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器，其结构简单，通用性好。片内只含倒T型电阻网络、电子开关和反馈电阻RF，应用时外部要接参考电压源和运算放大器。引脚功能D9~D0：数字信号输入端Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF123456781615141312111097.5.2集成D/A转换器举例返回CC7520外部引脚图Iout1、Iou46上页下页第7章翻页

CC7520D/A转换器应用电路12341615141312CC7520……D0D1D9UREFUDD++_U0UO=–

(D929+D828+…+D121+D020)UREF210

返回上页下页第7章翻页CC7520D/A转换器应用电路12347

程控三角波/方波发生器……D8D7D0++_U01123416151413CC752056D9_++UREF+15VU02A1A2UO2UO1第7章上页下页返回本节结束1kR1R2CDZ10k20k程控三角波/方波发生器……D8D7D0++_U01123448第7章上页下页返回

7.6.1逐次逼近型A/D转换器7.6

模/数(A/D)转换器*7.6.2双积分型A/D转换器概述第7章上页下页返回7.6.1逐次逼近型A/D转换器749上页下页第7章返回翻页

A/D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：上页下页第7章返回翻页A/D转换器的作用是将507.6.1逐次逼近型A/D转换器顺序砝码重量

比较判断砝码去留18g8g<13g

留

128g+4g12g<13g

留

1

38g+4g+2g14g>13g

去

048g+4g+1g13g=13g

留

1逐次逼近的基本思想：转换过程类似于天平称重，从最重的砝码开始依次放到天平盘中，直到天平平衡，将盘中砝码值相加即得物体重量，只是A/D转换器是用一套二进制基准电压代替砝码。上页下页第7章返回翻页

结果表示7.6.1逐次逼近型A/D转换器顺序砝码重量比较判断砝码51逐次逼近型A/D转换器原理框图上页下页第7章返回翻页电压比较器输出数字量模拟信号输入参考电压逐次逼近寄存器D/A

转换器节拍脉冲发生器输出寄存器CP逐次逼近型A/D转换器原理框图上页下页第7章返回翻页电输出数52逐次逼近型A/D转换器原理上页下页第7章返回翻页A/D转换过程如下：1）开始前，将输出各位置0。2）转换开始，由节拍脉冲发生器将逐次逼近寄存器的最高位置1，输出变为100...0，此数码经D/A转换器转换成相应的模拟电压US，送到比较器与输入电压Ux进行比较。若Ux>US，说明数字量不够大，应将最高位的1保留；若Ux<US，表明数字量过大，应将最高位的1清除。3）按同样的方法将逐次逼近寄存器的次高位置1，并经过比较确定这个1是否应该保留。4）依次类推，逐位比较，直到最低位。5）将结果存入输出寄存器。逐次逼近型A/D转换器原理上页下页第7章返回翻页A/D转换过53四位D/A转换器1DQCDQCDQCDQC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比较器节拍脉冲发生器•••••••••••••时钟脉冲数码寄存器d3d2d1d0••••••上页下页第7章返回逐次比较寄存器U0U+U+JKU0=(d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C401000UR=8VU0=4V10000010111011翻页U0=5VU0=6V01U0=5.5V四位逐次逼近型A/D转换器D/A四1DQCDQCDQCDQC+C4SDKRDCQ0SDKRD54顺序d3d2d1d0UA/V比较该位1的去留11

0

0

04UA<UI1

1

0

026UA>UI1

0

1

035UA<UI1

0

1

145.5UA≈UI留去留留UA逼近UI的波形四位逐次逼近型ADC的转换过程UA逼近U1的波形上页下页第7章5.52O512346UA/V2341脉冲顺序返回翻页顺序d3d2d1d0UA/V比较该位11155集成A/D芯片ADC0801外引脚图ADC0801各管脚功能：上页下页第7章

UIN(+)、UIN(-)：模拟量输入端D0~D7：八位数字信号输出端UCC：电源端，UCC=5VDGND：数字地端AGND：模拟地端CS：片选信号，低电平有效RD：读出端，低电平有效WD：写入端，低电平有效CLKIN：外部时钟脉冲输入端CLKR：内部时钟脉冲端INTR：输出控制端返回翻页集成A/D芯片ADC0801外引脚图ADC0801各管脚功能56上页下页返回翻页第7章*7.6.2双积分型A/D转换器

双积分型A/D转换器属于电压－时间变换的间接A/D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。上页下页返回翻页第7章*7.6.2双积分型A/D转换器57上页下页返回翻页第7章Ui－URABS1RS2Cuo积分器比较器CP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返回翻页第7章Ui－URABS1RS2Cuo积分器比58上页下页返回翻页第7章CPuottt000UPT1T2Dout－URUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&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。A/D转换器的工作波形上页下页返回翻页第7章CPuottt000UPT1T2Dou59上页下页返回翻页第7章CPuottt000UPT1T2Dout－URUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器++A1A2t=T1=2nTC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UP=-RCT1Ui=-RCTCUi2n上页下页返回翻页第7章CPuottt000UPT1T2Dou60上页下页返回翻页第7章CPuottt000UPT1T2Dout－URUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出_+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（–UR）∫tT1dtDout=2nURUi上页下页返回翻页第7章CPuottt000UPT1T2Dou61模数转换器的主要技术指标分辨率

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

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。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，所有的转换点应当在一条直线上。上页第7章返回下页本节结束模数转换器的主要技术指标分辨率以输出二进制的62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非电量测量系统举例上页下页返回翻页温度测量系统原理框图：温度信号1温度信号2信号采集电路说明：一般A/D转换后的数字信号直接送给计算机系统处理、显示、传输、打印和实现各种控制功能。本例中，用数码显示电路替代微机。第7章数码显计算机A/D转模拟放大滤*7.7非电量测量系统举例上63上页下页返回翻页－5VAD590R12kΩ35.7kΩ9kΩ35.7kΩ2kΩ1kΩ×3

C0.1µF+5VS1-S3R3R2R4R2'R3'R4'2kΩ2kΩ9kΩ++_A0OP077.2kΩUx84AD5841＋15VUR+10VR1'测温系统电路图1COMMANCC4051INHABC01模拟开关

基准电源

信号采集

放大滤波电路第7章上页下页返回翻页－5VAD590R12kΩ35.7kΩ9kΩ64翻页上页下页返回第7章123CC1403UREFEOCDUUAGUx+5VRD20kΩ2VUxR1C1C01C02R1/C10.1µF0.1µF470kΩCLKICLKO300kΩABCDLTLEBICC4511+5V-5VORQ0Q1Q2Q3USSUDD

R×7100Ω×7ROPRM200Ω×21513141216+5V912345CC14138DS4DS3DS2DS1测温系统电路图2CC14433

A/D转换器位选择驱动器

译码器翻页上页下页返回第7章123CC1403UREFEOCDUU651.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：－55℃＋150℃，精度±0.3℃使用直流电源范围＋4V＋30V线性电流输出：1µA/K注意：AD590测量的是热力学温度K。K=C+273.2翻页上页下页返回第7章1.信号采集电路温度传感器AD590，二端式集成温度－电流传662.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。翻页上页下页返回第7章2.模拟开关采用八选一多路模拟开关CC4051,可巡回监测867上页下页返回翻页7.2kΩR1R235.7kΩ2kΩR3R42kΩ9kΩUx－5V+－10VI1I2IT3.放大电路AD590一路信号的放大电路由图可知：又，则：调R2＝0.9kΩ，R3=1kΩ,0℃时，IT=273.2×10-6A,Ux=0;故温度升高1℃，Ux增加10mV。第7章上页下页返回翻页7.2kΩR1R235.7kΩ2kΩR3R4684.A/D转换和显示电路翻页上页下页返回第7章由CC14433A/D片、驱动LED的译码显示器CC4511和位选择驱动器CC1413组成。（1）CC14433A/D转换器积分电阻R1=470kΩ，积分电容C1=0.1µF，时钟频率66kHz，采样速率4.16次/秒，显示更新数据输入端DU与转换结束信号端EOC直接相连，以使A/D转换器不断显示更新的数据。4.A/D转换和显示电路翻页上页下页返回第7章69上页下页返回翻页（2）CC4511译码器四位锁存器七段译码电路驱动器LEBILTABCDabcdefgCC4511结构框图UDDfgabcdeABCLTBILEDGND12345678CC4511161514131211109CC4511引脚排列LE=1时，保持原有锁存的BCD码不变；LE=0时，输入的BCD码直接输出。LT=0时，a－g全亮，显示8；BI=0时，a－g全暗，无字形显示。本例中，当输入电压超出量程时，电路置BI为0。第7章上页下页返回翻页（2）CC4511译码器四位锁存器七段译码70翻页上页下页返回（3）CC1413位驱动器I1GND12345678CC1413161514131211109O1O2O3O4O5O6O7UDDI2I3I4I5I6I7CC1413引脚排列本例中用了其中5个反相器。一个控制符号位，四个控制数字位。引脚I2－I5接DS1－DS4，接收选通脉冲，控制四个数码管的阴极，使轮流显示。每瞬时仅一位工作，使功耗下降。第7章翻页上页下页返回（3）CC1413位驱动器I1GND12371（4）LED数码管5个数码管，共阴极连接，用以显示符号位、千位、百位、十位和个位。百、十、个位的数码管a－g七段都接至CC4511的七个输出端。小数点发光管设置在十位数码管上，始终点亮。Q2=0时，点亮符号位g段，显示“－”号。反之不亮，符号位无显示。翻页上页下页返回第7章（4）LED数码管5个数码管，共阴极连接，用以显示符号位、72小结上页下页返回本章结束第7章该测温系统调试简便，测量精度较高。受AD590限制，测量温度范围有限。随温度范围扩大，温度传感器非线性程度越严重，必须修正以保证足够的精度。小结上页下页返回本章结束第7章该测温系统调试简便，测量73退出退出退出退出74第7章上页下页返回

7.1.1常用电工测量仪表的分类7.1电量测量7.1.2测量误差和仪表准确度7.1.3电流、电压和功率的测量第7章上页下页返回7.1.1常用电工测量仪表的分类7757.1.1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章翻页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。返回7.1.1常用电工测量仪表的分类直读式仪表能直接指示被测量76（2）按仪表的工作原理分为：磁电式、电磁式、电动式；第7章翻页上页下页（1）按被测量的不同分为：电流表（安培、毫安、微安表）、电压表（伏特、毫伏表）、功率表（瓦特表）、电能表(电度表）（千瓦时表）、频率计、电阻表（欧姆表）、功率因数表；（3）按仪表的种类分为：直流仪表、交流仪表、交直流两用仪表。返回直读式仪表分类（2）按仪表的工作原理分为：磁电式、电磁式、电动式；第7章翻77上页下页翻页第7章几种常见的测量仪表指针式万用表数字式万用表钳型电流表兆欧表返回上页下页翻页第7章几种常见的测量仪表指针式万用表数字式万用表78

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BC工作环境等级

1第7章上页下页翻页表7.1.1电工测量仪表上的几种符号及其意义返回1工作环境等级分A、B、C三组，其中A组（温度0℃+79第7章上页下页翻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测量误差和仪表准确度γ=

△AA0×100%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，即返回第7章上页下页翻页在用电工测量仪表进行测量时80第7章上页下页翻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：γm=Am×100%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基本误差%0.1±0.10.2±0.20.5±0.51.0±1.01.5±1.52.5±2.5±5.0返回Am是仪表的量程(满偏值),△Am是可能发生的最大误差。第7章上页下页翻页目前我国直读式电工测量仪表的817.1.3电流、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章上页下页翻页圆柱型铁心FF磁电式仪表的结构示意返回7.1.3电流、电压和功率的测量1.电流和电压的测量82第7章上页下页翻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返回第7章上页下页翻页测量交流电流常用电磁式电流表，测83上页下页返回第7章2.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功率计接线负载本节结束上页下页返回第7章2.功率的测量功率的测量常84第7章上页下页返回

7.2.1非电量电测法*7.2非电量电测法和数据采集系统的组成7.2.2数据采集系统的组成第7章上页下页返回7.2.1非电量电测法*7.2非电85非电量电测法示意图上页下页第7章返回翻页

传感器非电量信号信号处理A/D转换

模拟显示数字显示计算机

7.2.1

非电量电测法非电量电测法示意图上页下页第7章返回翻页非电量信号信号处理86上页下页第7章返回7.2.2数据采集系统的组成

传感器1模拟信号1滤波放大1

S/H1

传感器2模拟信号2滤波放大2

S/H2A/D微机系统多路转换开关

传感器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

本节结束上页下页第7章返回7.2.2数据采集系统的组成模拟信号187第7章上页下页返回

7.3.1有源滤波电路*7.3有源滤波器和测量放大电路7.3.2测量放大电路第7章上页下页返回7.3.1有源滤波电路*7.3有88第7章上页下页返回

7.3.1有源滤波电路翻页定义：

滤波电路是一种允许某一指定频率范围内的信号顺利通过，而抑制此频率范围以外的其他频率信号的电路分类：（1）按通频带分：高通、低通、带通和带阻；（2）按组成元件的性质分：无源滤波电路（仅含无源元件R、L、C）有源滤波电路（含晶体管或集成运放等有源元件）特点：与无源滤波电路相比，含有集成运放的有源滤波电路具有放大作用，可以通过运放使输入与负载隔离，并且带负载能力强。第7章上页下页返回7.3.1有源滤波电路翻页定义：分89第7章上页下页返回翻页RCRf一阶低通有源滤波电路R1ui负反馈网络同相输入比例放大电路1.低通有源滤波电路RC滤波环节第7章上页下页返回翻页RCRf一阶低通有源滤波电路R1ui负90上页下页第7章返回翻页UO.=(1+

RfR1)R-jωC1-jωC1Ui.=(1+

RfR1)1+

jωRCUi.=Af1+j

ωωcUi.=Af1+j

ωωc1√1+(

ωωc)2=Af–arctanωωcH(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）幅频特性相频特性上页下页第7章返回翻页UO.=(1+RfR1)R91第7章上页下页返回翻页H(jω)√1+(

ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）幅频特性相频特性ω)(0ωω0-4π-2π0.707Af0ωωcH(jω)第7章上页下页返回翻页H(jω)√1+(ωωc922.高通滤波电路RCRfR1uiUO.=(1+

RfR1)R-

jωC1Ui.RR-

jωC1Ui.R=Af1-

jωUi.=Afωc第7章上页下页返回翻页2.高通滤波电路RCRfR1uiUO.=(1+93=Af1-j

ωcω1H(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）第7章上页下页返回翻页幅频特性相频特性0.707Af0ωωcH(jω)ω)(0ωωc4π2π=Af1-jωcω1H(jω)=Ui.UO.H94第7章上页下页返回

7.3.2测量放大电路翻页输入电阻高、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第7章上页下页返回7.3.2测量放大电路翻页95第7章上页下页返回翻页用集成运放组成的测量放大电路类型：反相输入、同相输入、差分输入的比例运放电路比较：同相输入：输入电阻高，可用作测量放大电路的前置级，但易引入共模干扰；反相输入：运放输入端为“虚地”，短距离测量时抗干扰性能好，远距离测量时，地电阻易引入干扰；此外输入电阻低，不易与传感器相连。典型的测量放大电路由三个集成运放构成，如图7.3.7所示。第7章上页下页返回翻页用集成运放组成的测量放大电路类型：96第7章上页下页返回翻页ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2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章上页下页返回翻页ui1uoR1ui2R1RPR2R2R97第7章上页下页返回ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPuo2–uo1=（R1+RPR1+）iP–=（1+2R1RP）（ui2ui1）uo=R3R2uo2–uo1（）–（1+2R1RP）（ui2ui1）=R3R2=ui1ui2–Aduo=R3R2（1+2R1RP）iP=ui1ui2–RP本节结束第7章上页下页返回ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R98第7章上页下页返回

7.4.1模拟开关*7.4

模拟开关和采样-保持电路7.4.2采样-保持（S/H）电路第7章上页下页返回7.4.1模拟开关*7.4模拟开99第7章上页下页返回翻页模拟量转换成数字量通常分四个步骤：采样、保持——由采样/保持电路完成量化、编码——由A/D转换器完成第7章上页下页返回翻页模拟量转换成数字量通常分四个步骤：100第7章上页下页返回翻页

7.4.1模拟开关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。主要介绍由CMOS传输门构成的模拟开关和集成多路模拟开关。构成方式：双极型晶体管电路MOS场效应晶体管第7章上页下页返回翻页7.4.1模拟开关101第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CMOS传输门电路CPUiT1、T2导通情况结论10~7VT1导通Ui在0~UDD（10V）变化时，T1、

T2至少有一个导通，使信号从输入端传到输出端，UO=Ui3~10VT2导通3~7VT1、

T2同时导通00~10VT1、

T1同时截止开关断开、信号不能从输入端传到输出端。工作原理：假设T1、T2管的开启电压的绝对值为3V，输入电压Ui的变化范围为0~10V，CP=1时认为CP端加了10V电压。第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CMOS102第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CPUoUiCPTGCMOS传输门电路图形符号注意：由于MOS管的漏极和源极在结构上完全一样，可以互换，故传输门具有双向传输的特性，即Ui和Uo可以互换。第7章上页下页返回翻页UiUoCPCPUDDT1T2CPUo103第7章上页下页返回翻页电路图形符号模拟开关UoUiTG1DDUiUo模拟开关的结构：由一个传输门加一个反相器构成。模拟开关的工作原理：当控制信号D=1时，模拟开关接通，使Ui=Uo；当控制信号D=0时，模拟开关断开。第7章上页下页返回翻页电路图形符号模拟开关UoUiTG1DD104第7章上页下页返回翻页电路图形符号单刀双掷模拟开关工作原理：当控制信号D=1时，ＴＧ１传输，Uo１=Ui；当控制信号D=0时，ＴＧ２传输，Uo２=Ui。可以通过控制端Ｄ来控制信号Ui是传输到Uo１还是Uo２。Uo１UiTG１1DTG２Uo２DUiUo１Uo２第7章上页下页返回翻页电路图形符号单刀双掷模拟开关工作原理：105第7章上页下页返回翻页多路转换开关——集成多路模拟开关作用：用于多选一种类：常见的有四选一、八选一、十六选一等类型。例子：集成块ＣＣ４０５１是一个八选一多路开关。它主要由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成。ＩＮＨ为禁止端，当其为高电平时，八个通道全部不通；当其为低电平时，相应的输出各通道。第7章上页下页返回翻页多路转换开关——集成多路模拟开关作用：106第7章上页下页返回翻页

CC4051模拟开关CBA30UDD123456781615141312111091246COMMON75INHUEEUSSCC4051ABCINH电平转换电路译码电路12345670输出COMMON第7章上页下页返回翻页CC4051模拟开关CBA30UD107第7章上页下页返回翻页7.4.2采样-保持（S/H）电路采样-保持电路的基本概念采样/保持电路的作用：若被测信号是快速变化的，则应在A/D转换前加采样/保持电路，使某一时刻采样到的被测信号，可以保持一段时间不变，让A/D变换具有足够的时间进行变换，送给计算机。第7章上页下页返回翻页7.4.2采样-保持（S/H）电路采108第7章上页下页返回翻页采样/保持电路的设计思想：采样/保持电路应由采样脉冲控制。在采样状态时，电路的输出跟随模拟电压变化在保持状态时，保持前一次采样结束瞬间的模拟电压，直至下一次采样。采样定理（香农定理）：

为保持信号的不失真，必须满足：fs≥2fimax

其中：fs—采样频率；fimax—输入信号最高频率分量的频率。第7章上页下页返回翻页采样/保持电路的设计思想：采样定理（香109第7章上页下页返回翻页uoA2CuiA1uc（t）（t）（t）

输入缓冲放大器模拟开关

输出缓冲放大器保持电容采样-保持电路示意图第7章上页下页返回翻页uoA2CuiA1uc（t）（t）（t110第7章上页下页返回采样-保持电路波形图本节结束0采样采样采样保持保持uiucuo（t）（t）（t）00ttt工作原理：（1）Uc（t）高电平时，开关S闭合，属采样时间，Ui（t）通过A1对保持电容快速充电，Uo跟随Ui的变化而变化。（2）Uc（t）低电平时，开关S断开，属保持时间，电容电压保持着开关断开瞬间的输入电压值，Uo=Ui（nT），此值一直保持到下一次采样状态开始为止。第7章上页下页返回采样-保持电路波形图本节结束0采样采样采样111第7章上页下页返回

7.5.1

T型电阻网络D/A转换器7.5数/模(D/A)转换器7.5.2集成D/A转换器举例第7章上页下页返回7.5.1T型电阻网络D/A转换器112D/A的功能：将数字信号转换成模拟信号，它通常用于系统里对外部设备实现控制操作的输出通道中。上页下页第7章返回翻页7.5.1

T型电阻网络D/A转换器T型电阻D/A变换器的工作原理：由输入二进制数码的各位分别控制相应的模拟开关，通过电阻网络得到一个与二进制数码各位的权值成比例的电流，再经过运放求和，转换成与输入二进制码成比例的模拟电压输出。D/A的功能：将数字信号转换成模拟信号，它通常上页下页第7章113D/A的组成框图上页下页第7章返回翻页电子开关电阻网络输入寄存器基准电压求和放大模拟量输出数字量输入D/A的组成框图上页下页第7章返回翻页电子开关电阻114

T型电阻网络D/A转换器

梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于R。当D=0时S接右边（接地）；当D=1时S接左边（虚地）。基准电源并行数字输入上页下页第7章翻页电子开关模拟信号输出RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_返回T型电阻网络D/A转换器梯形电阻网络A、B、C、115RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIUO－＋△8＋ABCDIo1Io2_++当D=0时S接地；当D=1时S接“地”（虚地），T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章上页下页翻页RRUREFII=UREFR

梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于R。返回RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D116I=UREFR

上页下页第7章翻页RRR2R2R2R2RI0I1I2I3UREFIABCDI0I1I2I32RRRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_Io1=I3I2I1I0+++=（D323+D222+D12124I+D020）UO=–RfI01=–（D323+D222+D12124RfI+D020）UO=–

(D323+D222+D121+D020)UREFRf24RUO=–

(Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020)UREFRf2nR返回I=UREFR上页下页第7章翻页RRR2R2R2R2117上页下页第7章

D/A的主要技术参数是指最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。例如十位数模转换器的分辨率为：分辨率=1/（2n-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。从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。1210-1≈0.001※分辨率:

※转换精度：※转换速度：翻页返回上页下页第7章D/A的主要技术参数是指最小输出电压（对118

CC7520外部引脚图

Iout1、Iout2：电流输出端RF：反馈信号输入端UDD：电源输入端，5~10VGND：接地端UREF：基准电源，–10V~+10V上页下页第7章翻页

CC7520D/A转换器

CC7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器，其结构简单，通用性好。片内只含倒T型电阻网络、电子开关和反馈电阻RF，应用时外部要接参考电压源和运算放大器。引脚功能D9~D0：数字信号输入端Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF123456781615141312111097.5.2集成D/A转换器举例返回CC7520外部引脚图Iout1、Iou119上页下页第7章翻页

CC7520D/A转换器应用电路12341615141312CC7520……D0D1D9UREFUDD++_U0UO=–

(D