计算机测控技术第二单元 计算机测控通道

3匕京耳丸宝航天大孽自动化科学与电气工程学院

:品）第一课模拟信号输入通道设计

内容提要

。采集信号的分类

。多通道数据采集系统的结构

♦:♦模拟信号输入通道的各功能模块设计

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第一节采集信号的分类

一个典型测控系统

模拟信号：在时间和幅值上都连续的信号;

离散模拟信号：时间上离散而幅值上连续的信号;

数字信号：在时间上和幅值上都离散的信号。

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采集信号的分类

中信号的分类

开/关信号

数字量

一脉冲序列

信号

直流信号

模拟量时域信号

频域信号

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采集信号的分类

数

字

信开关信号

号脉冲序列

输入：

输入：

检测一个开关的打开/闭合

读光编码器的输出信号

输出：

输出：

打开/关闭一个阀门

产生一个方波、时钟信号

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采集信号的分类

模

拟

直

流

信时域信号频域信号

温

度

号雷达回波振动

压

力血压变化语音

流

量

汽车点火波形声呐

应

力

对测控系统的指标要求

辨率

辨率

分

分

DC精度

频

频

样

程

采

采

率

率

度

精

精

度

发

触

触

发

4节模拟信号输入通道的结构与类型

传感器

。信号调理

放大

滤波

偏置传感器/调理电路/采集电路

■隔离

校正

OOO

♦:♦采集电路

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多通道数据采集系统

实际的数据采集系统往往需要同时测

量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。

因此，多路模拟输入通道更具有普遍性。按

照系统中数据采集电路是各路共用一个还是

每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集

中采集式和分散采集式两大类型。

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▼多路模拟信号输入通道的类型

。多路分时采集分时输入

传感器

模

测

拟

控

多

传感器计

路

算

o开

o机

O关

传感器调理电路

控制逻辑

集中采集式（集中式）

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模拟信号输入通道的类型

。多路同步采集分时输入

传感器模

测

拟

控

多

计

传感器路

算

开

O

机

0

O关

传感器调理电踏

控制逻辑

集中采集式（集中式）北航自动化学院

模拟信号输入通道的类型

♦:♦多路同步采集同时输入

传感器

测

控

传感器计

算

O

O机

O

传感器

控制逻辑

分散采集式（分布式）

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三节模拟信号输入通道各功能模块设计

传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整

个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器

,首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器

——系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传

感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指

标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比

最高的传感器。

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对传感器的主要技术要求

有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换

范围与被测量实际变化范围相一致。

2.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，转换速度应符合整机要求。

3.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。

4.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。

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（二）传感器的选型依据

传感器选型的技术要求可归纳为

■量程要求

■精度要求

■使用环境要求

■响应速度要求

■可靠性、维护性要求

。传感器输出信号的种类

电压型：0〜2.5V、0〜5V、0〜10V等模拟量

电流型：0〜10mA或4〜20mA

频率型：经V/F转换，抗干扰能力强一

'数字信号输出数字量

光信号：光纤应力传感器

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@!E）可供选用的传感器类型

V?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、相配电路是否简单等

因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。

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u

1.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。

大信号输出传感器的使用

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U2.数字式传感器

数字式传感器一般是采用频率敏感效应

器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构成

的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等，因

此，数字量传感器一般都是输出频至参量，具

有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传

送等优点。

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频率量及开关量输出传感器的使用

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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

感器可以减轻输人通道的信号调理任务,

简化通道结构。

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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。在信号输入通道中

采用光纤传感器可以从根本上解决由现

场通过传感器引入的干扰。

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D▼二、模拟信号调理

在一般测量系统中信号调理的任务较复

杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小

信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线

性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换

等，这些操作统称为信号调理(Signal

Conditioning),相应的执行电路统称为信

号调理电路。

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模拟信号的调理电路类型

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LZJ典型信号调理电路的参数设计与选择

传感器信号一前置放大滤波A至采集电路

典型调理电路组成

调理电路设计

(1)前置放大器的设计依据

(2)滤波电路的选择与设计

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运用前置放大器的依据

多数传感器输出信号都比较小，必须选用

前置放大器进行放大。

•判断传感器信号"大”还是“小”和要不要进

行放大的依据是什么?

•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?

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Jisj前置放大器Ko后级电路KVos

V

INO---»VON

前置放大器的作用

%N="K等效输入噪声

总输出噪声

腺N=1(%NoKoK)2+(VmK)2

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总的

等效输入噪声

%N0<匕NJ1-士■VINO<

v0K"Q

(a)(b)

两种调理电路的对比

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放大器在前

%=（限。灯=同口放大器在后

由于K>1,所以，viN<V；N，因此调理电

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。

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三、信号调理通道中的常用放大器

在模拟信号调理电路中，针对被放大信

号的特点，并结合数据采集电路的现场要求,

目前使用较多的放大器有测量放大器、程控

增益放大器及隔离放大器等。

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测量放大器（仪器放大器）

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・K=&2R+RR?2R

R1RwR

•三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。

•由于输入均在同相端，此电路的输入阻抗高。

•电路的共模抑制比主要取决于4和4的对称性

和各电阻值的匹配精度。如果4和4对称，且

各电阻值的匹配误差为±0.001%,那么电路的

共模抑制比可达100dB以上。

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(-)程控增益放大器

程控放大器是测控调理电路的常用部件之

在许多实际应用中，特别是在通用测量仪

器中，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。在测控调理电路

中，可变增益放大器的增益由测控计算机的程

序控制。这种由程序控制增益的放大器,称为

程控放大器。

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程控放大器原理框图

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（三）隔离放大器

”隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的

模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系

统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干

扰比较大，对信号的传递精度要求又高，这时

可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大

器进行隔离，以保证系统的可靠性。

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VOUT

tlOV

SYNC

IN/OUT

DC

INVe

*12.»VTO

426V

GF289集成隔离放大器

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UA、调理电路中的滤波器

滤波器用来滤除检测信号中的干扰杂波，往

往与放大器设计在一起，即采用有源滤波器。实际

使用时可选用一阶有源滤波器，也可选用二阶有源

滤波器。

在构成有源滤波器时，常分为低通、高通和带

通有源滤波器。

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采样的混叠失真及消除

理想采样器加(t)

+oo

多Q)=—HT)

H=—8

6(t)--一impulsefunction,deltafunction

T--thesamplinginterval(采样间隔)

SampledSignals(采样信号)：

+oo

4⑴二£x(nT)b(t-nT)

77=-00

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周期性频谱

Idiscrete-timesignal=periodicspectrum

（离散时间信号）（周期性频谱）

1H=+OO

xs（0o工3）=S

Tn=-8

27r

式中,5=不为采样角频率

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经过低通滤波器后的采样信

Q号

♦:♦如果采样信号Xs⑴经过截止频率为

GOs/2的理想低通滤波器，其传递函数为:

__

2

♦:♦在0,2

+oo

Xo3)=X(o)+

H二-oo

X(co)--theoriginalspectrum(原信号频谱)

折叠或混叠现象的发生

Afolding（折叠）oraliasing（混叠）of'image'frequencies

03c3s2tos00

当“〉经则X（。）与X（。-砥）就会彼此交叠，这样高于频率

”的部分经采样后，将沿T折叠，在（％一软）〜范围内形成干

222

扰或噪声，经低通滤波恢复出的信号频谱与原信号频谱出现差别

消除混叠失真必须满足的条件:

（1）必须使被采样信号为带限信号，即它的最高频率为有限值

（2）必须使采样频率大于被采样信号最高频率的两党自动化学院

抗混叠滤波

4♦采样出现混叠失真是由于被采样频谱中含有

高于频率fs/2的频率分量，该分量以fs/2为对

称轴折叠到(fs-fc)〜fs/2频段内形成频率重叠

或假频干扰。

♦:♦抗混叠滤波器的任务就是滤掉被采样信号中

高于fs/2的频率分量。由于实际低通滤波器

的幅频特性不是矩形，即其下降陡度是有限

值，而抗混叠滤波器的陡度应能保证把高于

fs/2的干扰衰减到A/D的最小量化电平以下。

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♦:♦采样电路的基本结构形式

多路开关与采样保持选择

多路开关A采样保持*A/D转换

♦:♦多路开关

理想的多路开关开路电阻为无穷大，接通时的导

通电阻为零。由于实际开关存在导通电阻，为了减小

多路开关导通电阻对信号传输精度的影响，就要求后

面的负载输入阻抗足够大。

采样保持

在进行A/D转换时间内，希望输入信号不再变化，

以免造成转换误差。这样，就需要在A/D转换器之前加

入采样保持器。（孔径时间、捕获时间）

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j多路转换开关

路转换开关是多路采集系统中必不可少

的器件。目前常用的有4路、8路、16路等。下

面以CD4051为例说明其组成原理和使用。

CD4051是一种8路多一1/1—多开关，其内

部组成如下图所示。其中包括电平转换电路、

译码器/驱动器和开关电路，可实现CMOS到TTL

的电平转换。输入电平范围宽，数字量信号的

幅度为3~20V,模拟量信号的峰一-峰值可达

20Vo引脚功能如下：

71)电源引脚：VEE、VDD、VSS,提供电源，VEE、

VSS接地，VDD接+15~+20V。

(2)通道控制引脚ABC：也称为地址，用来选择

通道，即000111。

(3)禁止控制引脚INH：为数字控制信号。当INH

为1时，所有通道断开；当INH为0时，按CBA选择

的通道接通。可用来控制多路开关的扩展。

(4)输入输出弓I脚IN0~IN7/0UT0~0UT7与OUT/IN：

多一1使用时，由CBA选择的输入端IN0~IN7与OUT

接通；1一多使用时，由CBA选择的输出端

0UT0~0UT7与IN接通。

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两块CD4051组成16路多路开关

IN/OUTINo—13

IN1一14

INL15CD405

\21#3

1N3—

IN—

A4

TTG1N5—

。

带INg—

B禁TGINT—

。ABCINH

逻

止

辑TGOUT/IN

线

c。

电

的TGOUT/IN

O平

H二-------0

转INg—

进TG13

换144o

制INL

15

电1N1—1

译TG1122#

路INj—3

码5

TGIN1—2

器INj—4

TGIN—

IN]—ABCINH

5

由CD4051构成16路多路开关

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采样保持器

建本概念

(1)孔径时间：从发出保持指令即控制信号从“采

样，，电平跳变到“保持”电平开始，到模拟开关完全

断开所经历的时间。

(2)捕捉时间：从发出采样指令即控制信号由“保

持”电平跳变为“采样”电平之后，采样/保持器输出

电压从原来的保持值过渡到跟踪输入信号所需的时间。

•在A/D转换时间内如果信号最大变化量不足1LSB则

可以不加采样保持器。

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不选用采样保持器

设输入信号为Uj二UmCOS3t则输入信号的最大变化

率为:

dUj

max=①3=

dtm

又设信号正负峰值正好达到A/D的正负满量程，而

A/D的位数（不含符号位）为m,A/D转换时间为二,为

确保转换周期内信号变化不超过1LSB,则信号最高频率:

Jfmax=----_---_--_---r--m--+-1--

tc•71•2

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选用采样保持器------------------------------

如果采样保持器的捕获时间为TAC、孔径时间为

TAP、A/D转换时间为:，为使孔径时间造成的误差小

于1LSB,则输入信号的最高频率：

/=--------i--------

t”•兀.2W1

而满足采样定理的输入信号最高频率为：

.