智能仪器-2-数据采集课件

智能仪器电子教案数据采集技术数据采集系统的组成结构模拟信号调理传统A/D转换器及接口技术数据采集系统实例数据采集系统的设计原则及误差分析本章内容数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等待测模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。第1节数据采集系统基本结构传感器模拟信号调理电路数据采集电路传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统数据采集系统的基本组成数据采集系统分类集中式采集系统分布式采集系统单通道数据采集系统多通道数据采集系统应用：同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点传感器1传感器2传感器3调理调理调理多路模拟开关A/D微处理器控制逻辑S/H一、多路模拟信号集中采集式

1.集中式数据采集系统的典型结构之一多路分时采集分时输入结构2.集中式数据采集系统的典型结构之二多路同步采集分时输入结构传感器1传感器2传感器3调理调理调理模拟多路开关A/D计算机控制逻辑S/HS/HS/H二、多路模拟信号集中采集式

1.分布式数据采集系统的典型结构之一分布式单机数据采集系统结构微处理器2.分布式数据采集系统的典型结构之二通信接口上位机数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N………………模拟信号或数字信号多通道网络式数据采集系统结构第2节模拟信号调理采集系统信号调理的功能需求实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波；零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。传感器前置放大滤波程控放大典型模拟调理电路的组成框图滤波采集电路一、传感器的选用

传感器是信号输入通道的第一环节：

正确选用传感器

自行设计传感器明确所设计的测控系统对传感器的技术要求了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器将被测量→转换后续电路可用电量；转换范围：与被测量实际变化范围相一致；转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标；转换速度（带宽）：符合整机速度要求；能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等；能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(一)、对传感器的主要技术要求

对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。

(二)

、可供选用的传感器类型大信号输出传感器:

为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。

传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流2.数字式传感器：采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等。具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。

传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率输出开关量输出3.集成传感器：集成传感器是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、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。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。增强抗干扰能力。4.光纤传感器：这种传感器其信号拾取、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。可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。二、前置放大器的选用

当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器K0VISVIN0VIN后级电路K

VON放大器噪声分析总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：对输入信号VIS

，在不设前置放大时被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN，而在加入前放后，则希望能被有效识别，就必须使V'IN<VIN，为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即K0＞1，而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。两种调理电路的对比

（a）（b）由于K＞1,所以，，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。三、信号调理通道中的常用运放仪表放大器程控增益放大器隔离放大器(一)、仪表放大器仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。典型芯片：AD620(二)、程控增益放大器为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。增益由仪器内置计算机的程序自动控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。(三)、隔离放大器隔离放大器是指一种将输入、输出和电源在电流和电阻上进行隔离，使之没有直接耦合的测量放大器。特点：能承受较高的共模电压；

泄漏电流低；

高共模抑制比；隔离模式：两口隔离：信号输入部分与输出部分隔离；三口隔离：信号输入部分、输出部分、功率供给部分彼此隔离；隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离。隔离放大器的分类GF289集成隔离放大器GF289典型接法

推导课本图2-11，2-12的增益表达式，并勘误！RG应用场合:高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差；测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高;多个系统不能共地。（四）在实际的设计仪用放大电路过程中，需重点考虑的主要性能指标：非线性度温漂建立时间恢复时间电源引起的失调共模抑制比非线性度放大器的实际输出-输入曲线与理想直线间的偏差。实际设计时，须选择非线性偏差小的放大器。温漂放大器的温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。典型值：1~50V/℃建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器恢复到最终值所需的时间。电源引起的失调指电源电压每变化1%，所导致的放大器输出电压值的漂移。该指标是智能仪器电源设计的参考参数之一。共模抑制比-CMRR指运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比，单位dB。课后习题2-5：输入信号终止值改为10mv，初始增益改为1024，要求画出详细电路原理图课后补充习题：以CAT5113数字电位器、运放OP07为基础，构建放大倍数可调的同相放大电路，计算其可实现的增益范围，并画出详细电路原理图分析P1口从0000B递增至1001B时，放大电路的增益变化？课后补充习题：根据上图计算该程控放大电路可实现的增益范围?实际运放选型参数示例第3节传统A/D转换器及接口技术ADC的基本概念典型技术指标比较型ADC的转换原理（自学）积分型ADC的转换原理（自学）V/F型ADC的转换原理（自学）典型芯片接口设计（AD574,MAX187）一、ADC的基本概念ADC（A/D）是实现模拟量到数字量转换的器件。量化过程：用标准模拟单位Q去度量某个待测模拟量Vi有多少个标准模拟单位，并将结果以二进制形式显示。实例：以小杯衡量大杯的水量，结论可知大杯中的水可盛满多少小杯，若已知小杯容量，则可推知大杯中的水量，且小杯越小推测越准。（一）ADC的量化特性最大量化误差为Q/2最大量化误差为Q（二）ADC的理想传输函数Vn——量化结果所对应的模拟量Bn——量化结果所对应的数字量Q——量化单位二、典型技术指标位数——转换结果的二进制位数n参考电压Vref——转换所参考的基准电压分辨率——取决于参考电压和位数，=Vref/2n输入信号范围——能够正确转换的信号范围转换速度——完成一次转换所耗时间输出接口——数字量的输出形式供电电源——正常工作所需要的电源支持功耗——正常工作时所消耗的电功率AD574与MAX187参数对比AD574MAX187位数8位或12位12位参考电压内建10V或外接内建4.096V输入信号范围(V)-10~10或0~200~4.096转换速度(μs)25（无S/H）10（有S/H）输出接口并行8位或12位串行12位供电电源（V）±11.4~±16.54.75~5.25功耗（mW）3907.5三、AD574接口技术管脚定义模拟信号输入接口真值表时序图微处理器接口实例——16通道数据巡检系统（一）、AD574管脚定义（二）AD574模拟信号输入接口-1（二）AD574模拟信号输入接口-2（三）AD574控制逻辑真值表（四）AD574控制逻辑时序图（五）AD574与8031接口电路课堂作业试确定教材32页图2-26的启动转换地址？试确定该图的高低位结果数据的读地址？AD7506导通电阻300欧姆；AD7506典型功耗1000mW；LF398Ch=0.001~0.01μF0-保持；1-采样输入阻抗1010欧姆输出阻抗6欧姆功耗：1.5mW峰值保持电路DAS设计实例课后作业试根据图2-44及教材P51页的程序，估算该系统全部完成16通道采集所需的时间？AD574的采样周期按25微秒计。课后思考题图2-44中，采样保持器LF398的输出与AD574之间的输入管脚间存在一手动开关，如需进一步提高自动化程度，可采用单刀双掷模拟开关MAX4051来程控实现，请构思MAX4544的程序控制流程，即如何根据输入信号的幅值来自动切换至相应的输入管脚？所用SCLK为4MHz，最大可为5MHz课后作业根据AT89C2051与MAX187构成的数据采集系统，编写汇编程序，完成MAX187的采样控制及数据读写，并完成数据拼装。

AT89C2051与INTEL8051指令完全兼容第5节数据采集系统设计设计DAS需考虑的主要问题MCU的选择OP的选择A/D的选择S/H的选择MUX的选择（一）设计DAS需考虑的主要问题系统的整体精度要求（性能）系统的整体速度要求（性能）系统的整体功耗要求（性能）系统的整体成本要求（价格）系统的整体尺寸要求（环境）例：某电感传感器的测量范围为±1mm，线性输出信号的范围为±10mV，据此设计单通道DAS，并要求位移分辨率为1μm，结果刷新速度每秒1000次。分析：双极性信号，原信号动态范围小，需要OP?单通道DAS，无需MUX?低速传感器，信号缓变，需要S/H?（二）主要器件选型MCU的选择——I/O资源、主频、封装OP的选择——输入信号极性、放大倍数A/D的选择——分辨率、信号范围、I/O资源S/H的选择——信号的频宽MUX的选择——通道数的要求在满足上述条件的前提下，考虑成本、体积、环境（三）A/D器件的选型A/D位数n系统精度指标的10倍原则Q/2:量化误差；VFS：满量程A/D转换速度耐奎斯特采样定理采样周期N个通道to：恢复时间tc：采样时间（四）S/H的选型捕捉时间孔径时间最大孔径误差

设余弦信号

注意：教材公式2-19与公式2-29的区别，为统一概念，定义A/D的量化误差均为±1/2LSB(最低有效位)最大孔径误差

在数据采集系统中，若要求最大孔径误差小于A/D的量化误差Q/2，则由此限定的被转换信号的最高频率为:VFS=UmtAP=10nsfmax=1942.81Hz不加采样/保持器

加采样/保持器

一个12位ADC，tc=25μs信号频率不能超过0.78Hz。tc为采样时间

MUX低频等效电路（五