数据采集系统培训课件

此课件及“海南风光”封面属清华大学唐庆玉创作，如发觉剽窃，必究法律责任！此课件及“海南风光”封面属清华大学唐庆玉创作，如发觉剽窃，必究法律责任！此课件及“海南风光”封面属清华大学唐庆玉创作，如发觉剽窃，必究法律责任！此课件及“海南风光”封面属清华大学唐庆玉创作，如发觉剽窃，必究法律责任！第10章数据采集系统电工电子学(下)中国石油大学(华东)信息与控制工程学院电工电子学教学中心张勇数据采集系统培训课件第1页第10章数据采集系统

10.1经典测控系统概述

10.2传感器10.3信号测量与变换电路10.4滤波器10.5多路模拟开关10.6采样保持器10.7数模变换器10.8模数变换器10.9计算机数据采集系统介绍数据采集系统培训课件第2页10.1经典测控系统概述

传感器变送器数据采集和控制系统数据采集系统培训课件第3页1．传感器直接感受被测物理量，并把其转换成与被测物理量有一定函数关系电压、电流或其它物理量(如电阻、电容、电感)。传感器分类:电量传感器电压互感器、电流互感器等非电量传感器热电式(如热电偶等)、光电式、电容式(如电容式差压传感器等)、电感式等数据采集系统培训课件第4页2．变送器将传感器输出信号改变转换成标准电信号。(1)信号变换：将传感器输出电参数转变成电压或电流。(2)放大：把微弱电压或电流信号进行放大，在一些场所还需要进行信号隔离。(3)滤波：滤除干扰信号。数据采集系统培训课件第5页(4)线性化：被测物理量与电信号之间往往展现非线性关系，经过线性化电路，使电信号与物理量之间变成近似线性关系。(5)标准化：为了方便地实现仪表交换性、信号远距离传送和提升信号抗干扰能力，普通把电信号最终转换成标准4~20mA直流电流信号。被测物理量为量程下限：I=4mA，上限：I=20mA，在量程范围内，被测物理量与电流则呈线性关系。数据采集系统培训课件第6页如某压力变送器，量程为0~1.6MPa，当变送器输出4mA电流时，压力为0MPa，输出20mA时压力为1.6MPa，当输出电流为10mA时，压力为P=(10-4)/(20-4)*1.6=0.6Mpa4～20mA电流信号传送输出含有以下优点：①输出电流与负载电阻无关，适合用于远距离传输。使用250Ω(0.1级)I／U变换电阻，可将4～20mA电流信号变换为1～5V直流电压信号。②能够同时串接几个指示测量仪表，而不会影响测量精度。③能够实现传送线断线自检。

数据采集系统培训课件第7页通常变送器电源线和输出信号线共用两根线，称为二线制变送器。在实际应用中，往往把传感器和变送器做在一起，称为一体化二线制仪表。二线制温度变送器以下列图数据采集系统培训课件第8页3．数据采集和控制系统

模数转换器ADC数模转换器DAC采样保持器模拟开关。。。。。。数据采集系统培训课件第9页10.2传感器10.2.1电压与电流检测小电压检测：串联电阻分压方法小电流检测：并联电阻分流方法高电压(几百伏以上)检测：电压互感器大电流(几十安培以上)检测：电流互感器互感器优点：(1)一个互感器可同时接入几个仪表。比如电流表和功率表电流线圈或电压表和功率表电压线圈等。(2)降低了功率损耗。(3)保障工作人员安全。(4)仪表制造标准化。将工程测量中仪表量限统一设计为5A或100V。数据采集系统培训课件第10页1．互感器结构和原理互感器实际上是一个铁心变压器，铁心上绕有两个或多个绕组(特殊情况只有一个)，接待测电压或电流绕组称为初级绕组，接测量仪表绕组称为次级绕组。电压互感器普通相当于一个降压变压器，其初级绕组额定电压通常采取不一样电压等级，而次级线圈额定电压都定为100V，电流互感器相当于一个电流变换器，其额定次级电流普通为5A（有为1A）。其初级绕组匝数较少，甚至可能是几匝或一匝，所以初级线圈使用一根直线表示。电压互感器电流互感器数据采集系统培训课件第11页测压原理：互感器额定初级电压U1(或电流I1)与额定次级电压U2(或电流I2)之比，叫互感器额定变压比Ku(或额定变流比Ki)数据采集系统培训课件第12页（a）测单相电压；（b）用单相互感器测三相相电压；（c）用单相互感器测三相线电压；（d）用三相互感器测三相相电压.电压互感器接线方式：v数据采集系统培训课件第13页（a）测单相电流；（b）测三相电流；（c）测三相三线制三相电流；电流互感器接线方式：数据采集系统培训课件第14页使用注意事项：（1）电压互感器次级线圈不许短路，不然次级会出现很大短路电流，故其初级和次级都要接短路保护熔断器(保险丝)。电流互感器次级线圈不许开路，也不能装熔断器。不然当次级突然开路时，会在线圈中感应出很高电压，损坏电流互感器绝缘，并危及操作人员安全。（2）互感器次级线圈、铁心及外壳都要可靠接地，以确保人身和设备安全。（3）除特殊设计可逆互感器外，普通互感器不许反方向使用(即不能将初级与次级交换)。数据采集系统培训课件第15页10.2.3温度传感器接触式测量：热电阻、热电偶和半导体传感器等。非接触式测量：以辐射式测温为主，有光学高温计和辐射高温计等。数据采集系统培训课件第16页1．热电偶温度传感器(1)测温原理—热电效应两种不一样导体两端相互紧密地连接在一起，组合成一个闭合回路。当两接点温度不等(T>T0)时，回路中就会产生电动势，从而形成电流，这一现象称为热电效应，该电动势称为热电动势。把上述两种不一样导体组合称为热电偶。自由端或冷端工作端或热端数据采集系统培训课件第17页热电偶可分为：铂铑10—铂、铂铑30—铂铑6、镍铬—镍硅、镍铬—铜镍等型号分度表：热电势与温度对应关系表格它是在冷端温度为0℃条件下得到。不一样热电偶含有不一样分度表，依据热电偶产生热电势和分度表即可得知其温度值。热电势与温度关系为非线性。(2)中间导体定则假如在热电偶回路中接入第三种金属材料,只要该材料与热电偶两个接点温度相同,则热电偶所产生热电动势将保持不变，即不受第三种金属接入回路中影响。数据采集系统培训课件第18页(3)热电偶冷端温度赔偿因为分度表都是指冷端温度0℃时热电势，所以要求热电偶工作时，冷端温度必须保持在0℃，或进行冷端温度赔偿，不然将要产生误差。①0℃恒温法把热电偶冷端放在环境温度为0℃容器里，此时热电偶输出准确地和分度表值一致。但这种理想方法只适合用于试验室中使用，工业中使用极为不便。②电路赔偿普通热电偶温度变送器都采取电路进行冷端温度赔偿，使得热电偶输出相当于冷端一直保持在0℃，如赔偿电桥法。数据采集系统培训课件第19页③计算修正法将多支热电偶冷端集中在一起，用其它方式(如热电阻)测知其冷端温度，再由每支热电偶热电势经过查表和计算得出其热端温度。（准确但繁琐）比如，用镍铬—镍硅热电偶测某介质温度，测得热电势为33.29mV，冷端温度30℃。

由分度表查得30℃时热电势为1.20mV，故冷端温度为0℃时热电势应为33.29+1.20＝34.49mV。再据此电势查分度表得温度为829.6℃，此值即为真实温度值。数据采集系统培训课件第20页④赔偿导线应用热电偶赔偿导线又称延伸导线，它是一个廉价导线，在一定温度范围内，其热电特征与其对应热电偶热电特征十分相近。它用途是把热电偶冷端延伸出去，远离热端，并与冷端赔偿器、变送器、显示仪表等连接起来组成测温回路，同时不会因为引入该导线使工作热电偶带来附加误差。数据采集系统培训课件第21页

2．热电阻温度传感器热电阻温度计是基于金属导体或半导体电阻值与温度呈一定函数关系原理实现温度测量。试验证实，大多数金属导体当温度上升1℃时，其电阻值均增大0.4%～0.6%；而半导体当温度上升1℃时，其电阻值则下降3%～6%。工业上惯用热电阻为铂电阻和铜电阻。(1)铂电阻铂电阻由纯铂电阻丝绕制而成，其使用温度范围为-200～850℃。优点：精度高、性能稳定。缺点：电阻温度系数小，电阻与温度呈非线性。普通工业上惯用铂电阻，我国要求分度号为Pt10和Pt100。即0℃时：R0=10Ω和R0=100Ω。数据采集系统培训课件第22页

(2)铜电阻铜电阻普通用于-50～150℃范围温度测量。优点：电阻值与温度之间基本为线性关系，电阻温度系数大，且材料易提纯，价格廉价；缺点：电阻率低，易氧化，所以在温度不高、测温元件体积无特殊限制时，能够使用铜电阻温度计。我国工业用铜热电阻分度号分为Cu50和Cu100两种，其R0=50Ω和100Ω。

(3)热电阻测温线路热电阻温度计主要由热电阻传感器、电阻测量桥路、显示仪表及连接导线所组成。为了消除导线电阻对温度测量影响，普通为三线制接法。数据采集系统培训课件第23页电桥平衡时：(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=R3，则Rt=R1，说明此种接法导线电阻Rr对热电阻测量无影响。再以测量放大器、线性化电路和U/I转换电路代替微安表G，就能够输出与温度成线性关系标准4～20mA电流信号了。数据采集系统培训课件第24页1．应变片式压力传感器测量原理应变片分金属应变片和半导体应变片。金属电阻应变片测压原理是应变效应，即金属材料在外界作用下(压力等)产生机械变形时，其阻值发生对应改变。半导体应变片测压原理是基于压阻效应，即单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生改变。所以半导体应变片式压力传感器又称为压阻式压力传感器或硅传感器。10.2.3压力传感器在工程技术中，压力被定义为垂直而均匀作用于物体单位面积上力，与物理学中压强概念相同。数据采集系统培训课件第25页2.测量电路应变片式传感器测量电路多采取直流电桥中双臂差动电桥和四臂差动电桥。优点：1、线性关系2、灵敏度高3、温度赔偿数据采集系统培训课件第26页10.2.4液位传感器差压式液位传感器磁浮子式液位传感器电容式液位传感器1．差压式液位传感器

密闭容器内液位可由液位起点与液面上部气体压力差测得，称为差压式液位仪表。敞口容器内液位既可采取这种差压法，又可采取压力法来测量。数据采集系统培训课件第27页2．磁浮子液位传感器组成：永磁浮子磁簧管精密电阻放大变换电路优点：连续监测液位重复性高与液体介质无关接线简单数据采集系统培训课件第28页3．电容式液位传感器利用被测介质面改变引发电容改变一个变介质型电容传感器，用于测量非导电液体介质液位。当电极间无液体时当内外电极间有液体时

电容改变正比于液位高度其中ε表示介电常数数据采集系统培训课件第29页测量电容串联电阻式交流电桥

交流电桥复阻抗平衡时

数据采集系统培训课件第30页10.2.5其它传感器

1．位移传感器

e=k

x数据采集系统培训课件第31页

2．光电式转速传感器n-转速

f-脉冲频率N-圆盘开孔数数据采集系统培训课件第32页光电脉冲变换电路（选讲）数据采集系统培训课件第33页10.3信号测量与变换电路在自动控制和非电量测量等系统中，惯用各种传感器将非电量(如温度、压力、应变、流量等）改变变换为电压信号。但这种非电量改变是迟缓，电信号改变量经常很小（普通只有几毫伏到几十毫伏），所以要将电信号加以放大，有时还要将电压信号变换为电流信号。10.3.1测量放大器对放大电路要求：含有很高共模抑制比及很高输入电阻和电压放大倍数，以免对传感器产生影响。

数据采集系统培训课件第34页若R2=R3，R4=R5，R6=R7，则电压放大倍数为数据采集系统培训课件第35页10.3.2程控测量放大器PGA

1．程控测量放大器作用传感器1u1传感器2u2传感器nun程控测量放大器模数转换器对于不一样输入信号能够提供不一样放大倍数数据采集系统培训课件第36页2．程控测量放大器电路数据采集系统培训课件第37页3．集成程控测量放大器电路LH0084正常工作：R2=R3R4=R5R6=R7S1—S1’S2—S2’S3—S3’S4—S4’手动连接也可改变增益R1数据采集系统培训课件第38页10.3.3电压-电流变换电路变送器普通要将处理过电压信号转换为统一4～20mA标准电流信号，称为U／I变换。U／I变换能够用运算放大器实现，也能够用专用集成电路实现。缺点：不适合用于一些需要负载接地应用场所。基本U／I变换电路数据采集系统培训课件第39页实用U／I变换电路IO=UI/RO，调整RO可实现0~10mA电流输出。数据采集系统培训课件第40页

U／I变换专用集成电路XTR101数据采集系统培训课件第41页10.4滤波器滤波电路种类:按信号性质:模拟滤波器和数字滤波器按所用元件:无源滤波器和有源滤波器

概述按阶数:一阶,二阶…高阶数据采集系统培训课件第42页传递函数：幅频特征相频特征filter传递函数、幅频特征数据采集系统培训课件第43页按频率特征进行分类：

低通高通带通带阻数据采集系统培训课件第44页RCR10.4.1一阶无源RC低通滤波器CC传递函数幅频特征数据采集系统培训课件第45页010.707

0截止频率此电路缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特征不理想，边缘不陡。幅频特征、幅频特征曲线RCR数据采集系统培训课件第46页通频带宽度(带宽)010.707

0截止频率带宽:0-

0

设R=10k,C为以下各值时带宽:Cfo1

F16Hz0.047

F340Hz0.01

F1600Hz数据采集系统培训课件第47页10.4.2一阶有源低通滤波器RR1RFC+-+传递函数RCRC传递函数中出现

一次项,故称为一阶滤波器数据采集系统培训课件第48页幅频特征：相频特征：RR1RFC+-+幅频特征及幅频特征曲线01+RF/R10.707(1+RF/R1)

0传递函数RC数据采集系统培训课件第49页1、时：有放大作用3、运放输出，带负载能力强。2、时：幅频特征与一阶无源低通滤波器类似电路特点:数据采集系统培训课件第50页10.5多路模拟开关在实际系统中，被测量回路往往是几路或几十路，不可能对每一回路参量配置一个A/D转换器，常利用多路开关，轮番切换各被测回路与A/D转换器间通路，以到达各回路分时占用A/D转换电路目标。模拟开关是一个能够按照控制指令对模拟信号传输进行通、断控制电子器件。模拟开关多用场效应管来组成，开关接通时还会有一导通电阻，在断开状态时仍会有一小关断电流。但当后面所接负载电阻很大时，电子开关电阻带来误差是非常小。数据采集系统培训课件第51页CC4051是一个允许双向使用CMOS多路开关集成芯片，它既可用于8路到一路切换(用于A/D)，又可用于一路到8路切换(用于D/A)。原理图管脚图数据采集系统培训课件第52页10.6采样保持电路

采样保持电路惯用于输入信号改变较快或含有多路输入信号数据采集系统中。在A/D转换过程中，因为每次转换过程需要一定时间，所以需要采样保持电路配合，方便有一个稳定输入量。采样保持器工作过程由外部控制信号来决定，工作过程分采样和保持两个周期。采样：就是要求输出信号能快速而准确地跟随信号改变；保持：则是在两次采样间隔时间内保持上一次采样结束时状态。数据采集系统培训课件第53页采样保持器电路：采样保持器输入输出波形：数据采集系统培训课件第54页10.7D/A转换器D/A功效:将数字量线性地地转换成模拟量D/An=4位8位10位12位16位n位数字量模拟量0~5V或0~10V数据采集系统培训课件第55页为了将数字量转换为模拟量，必须将二进制数每一位代码按“权”值转换成对应模拟量，然后将代表各位二进制数这些模拟量相加，这么便得到与数字量成正比模拟量。 设输入数字量为D=d3d2d1d0

d3U3,

d2U2,d1U1,

d0U0输出模拟量为Uo=U3+U2+

U1+U0=kDk是一个常数；D为n位二进制数。数据采集系统培训课件第56页DAC转换特征：输入与输出对应关系最小输出电压ULSB：相临两组代码转换出来模拟量之差（2V)。分辨率：电路所能分辨出最小输出电压与最大输出电压之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二进制数分辨率？

若最大输出电压仍为14V，最小输出电压将变大还是变小？000001010011100101110111DDDACuo24101206814uo/V设D为三位二进制数要求uomax=14V数据采集系统培训课件第57页n位二进制DAC框图基准电压UR输出U0电阻解码网络…数字模拟开关…数字存放器…

dn

1

d0数据采集系统培训课件第58页DAC有权电阻网络型T型电阻网络型倒T型电阻网络型数模转换器分类：数据采集系统培训课件第59页1.倒T型电阻网络D/A转换器下列图是四位倒T型电阻网络D/A转换器原理图，它主要由以下四部分组成：R-2R组成倒T型电阻网络模拟开关S求和放大器A基准电压源UR数据采集系统培训课件第60页基于虚地概念，不论输入数字信号是1或0，从D、C、B、A各点向左看其等效电阻均为R，电源总电流为:RF

S2A

d0d1d2d3S3S1S0_+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’数据采集系统培训课件第61页同理:I2=d2

I/4,I1=d1

I/8,I0=d0

I/16若d3=1，则经过S3流入运放电流I3=I/2，若d3=0,I3=0,

所以,I3=d3

I/2I'RF

S2A

d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’数据采集系统培训课件第62页I'RF

S2A

d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’数据采集系统培训课件第63页输出电压为：

I’RF假如是n位D/A转换器，并设RF=R，则Uo表示式为：

数据采集系统培训课件第64页

2.集成DAC0832介绍及应用

集成DAC电路芯片种类很多。按输入二进制位数分类有八位、十位、十二位和十六位等。比如DAC0832，是一个含有两个输入数据缓冲区倒T型8位D/A转换芯片，其结构框图如图10.7.3所表示(1)DAC0832介绍数据采集系统培训课件第65页DAC0832原理电路方框图DAC0832管脚排列图数据采集系统培训课件第66页(2)DAC0832输出方式DAC0832为电流输出型D/A转换器，可提供单极性和双极性两种输出方式，电路如图所表示。

单极性输出：在其电流输出端接一运算放大器从A点输出。输出电压uA=IOUT1×Rfb。当UREF接+5V(或-5V)时，uA电压范围是0~-5V(或0~+5V)。数据采集系统培训课件第67页双极性输出：在单极性输出基础上再增加一级运算放大器，便组成了双极性输出电路，从B点输出。考虑到R1：R2：R3=2：1：2，所以这么，恰恰使B点输出特征在A点输出基础上产生了一偏移。假设UREF=+5V，则uA

=0~-5V，而uB=-5~+5V。数据采集系统培训课件第68页(1)

分辨率电路所能分辨最小输出电压ULSB与最大输出电压Uomax之比，分辨率当Uomax一定时，n越大，分辨能力越高。12110-12112-n=10DAC分辨率=n=12DAC分辨率=3.DAC主要参数数据采集系统培训课件第69页(2)转换误差普通是指输入端加满刻度数字量时，DAC输出电压理论值与实际值之差。转换误差普通应低于。比如，某控制系统中有一D/A转换器，假如系统要求该D/A转换器转换误差（相对误差）小于0.25%，试问应选择多少位D/A/转换器？解：转换误差Uomax<0.25%转换误差Uomax<UomaxUomax0.25%≤LSBUUomax0.5%≤121100%05%n-≤.n=7.64D/A转换器位数最少为8位。数据采集系统培训课件第70页（3）转换速度 转换速度是指从数码输入到模拟电压稳定输出之间所经历响应时间。普通取输入由全0变为全1或由全1变为全0时，其输出到达稳定值所需时间，也称转换时间。数据采集系统培训课件第71页10.8模数转换器(1)A/D功效:将模拟电压成正比地转换成数字量A/DUI输入模拟电压D7~D0输出数字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1个最低有效位1.A/D功效及分类数据采集系统培训课件第72页(2)A/D转换器分类①并联比较型

特点:转换速度快,转换时间10ns~1

s②逐次迫近型

特点:转换速度中,转换时间几

s~100

s③双积分型

特点:转换速度慢,转换时间几百

s~几ms依据内部电路不一样,分为以下三类:数据采集系统培训课件第73页逐次比较型ADC，又称逐次迫近型ADC。其工作原理类似与天平称重过程(如称13.5克重物）。2.逐次比较型A/D转换器序号砝码（8、4、2、1克）砝码取留18留24留32去41留数据采集系统培训课件第74页3位逐次迫近型ADC组成：3位DAC、电压比较器、模5环形计数器、钟控RS触发器。UR=5V，Ui=3.2V，初始化（图中未画)QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=00001

当第一个脉冲Q1Q2Q3Q4Q5=10000。因为Q1=1，则QAQBQC=100

Uo=5/23×22=2.5V因为Uo<Ui，比较器输出UB=0。 &&数据采集系统培训课件第75页

第二个CP到来后，Q1Q2Q3Q4Q5=01000。因为Q2=1，QB被置1；因为UB=0，封锁了与门G1，Q2不能经过门G1使QA复位，QA仍为1，所以QAQBQC=110

Uo=5/23×（22+21）=3.75V因为Uo>Ui，比较器输出UB=1。

第三个CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00100。因为Q3=1，QC被置1；此时因为UB=1，门G2被打开，Q3经过门G2使QB=0；同时Q1=Q2=0，使QA保持1状态不变。因而QAQBQC=101，Uo=5/23×（22+20）=3.125V因为Uo<Ui，比较器输出UB=0。&&数据采集系统培训课件第76页

第四个CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。因为UB=0，封锁了门G1～G3，同时因为Q1Q2Q3=000，所以QA、QB、QC保持原状态不变，即QAQBQC=101。

第五个CP来后，Q1Q2Q3Q4Q5=00001。因为Q5=1，使QAQBQC经过门G6、G7、G8，输出转换结果d2d1d0=101。再来一个CP脉冲后，Q1Q2Q3Q4Q5=10000，又重新开始转换。&&数据采集系统培训课件第77页3．集成ADC

当前普通用多数是单片集成ADC，其种类很多，如AD571，ADC0801，ADC0809等。下面介绍CMOS、8通道、8位模数转换器ADC0809。ADC0809是按逐次迫近原理工作，它除了含有基本