智能仪器-2-数据采集.ppt
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智智能能仪仪器器电电子子教教案案盐城工学院自动化专业盐城工学院自动化专业张春富张春富第二章第二章:
数据采集技术数据采集技术v数据采集系统的组成结构v模拟信号调理v传统A/D转换器及接口技术v数据采集系统实例v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数据采集系统简称DAS(DataAcquisitionSystem),),是指将温度、是指将温度、压力、流量、位移等待测模拟量进行取样、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。
储、处理、显示或打印的装置。
第1节数据采集系统基本结构v传感器v模拟信号调理电路v数据采集电路传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成数据采集系统分类v集中式采集系统v分布式采集系统v单通道数据采集系统v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传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理多多路路模模拟拟开开关关A/D微微处处理理器器控制逻辑控制逻辑S/HS/H一、多路模拟信号集中采集式一、多路模拟信号集中采集式1.1.集中式数据采集系统的典型结构之一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多路分时采集分时输入结构2.2.集中式数据采集系统的典型结构之二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多路同步采集分时输入结构传感器传感器1传感器传感器2传感器传感器3调理调理调理调理调理调理模模拟拟多多路路开开关关A/D计计算算机机控制逻辑控制逻辑S/HS/HS/HS/HS/HS/H二、多路模拟信号集中采集式二、多路模拟信号集中采集式1.1.分布式数据采集系统的典型结构之一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分布式单机数据采集系统结构构微微处处理理器器2.2.分布式数据采集系统的典型结构之二分布式数据采集系统的典型结构之二通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号或数字信号模拟信号或数字信号多通道网络式数据采集系统结构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采集系统信号调理的功能需求v实现非电量信号向电信号的转换、小信号放实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波;大、滤波;v零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。
正和量程切换等。
传传感感器器前前置置放放大大滤滤波波程程控控放放大大典型模拟调理电路的组成框图典型模拟调理电路的组成框图滤滤波波采采集集电电路路一、传感器的选用一、传感器的选用传感器是信号输入通道的第一环节:
传感器是信号输入通道的第一环节:
v正确选用传感器正确选用传感器v自行设计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了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器v将被测量将被测量转换转换后续电路可用电量后续电路可用电量;v转换范围:
转换范围:
与被测量实际变化范围相一致;与被测量实际变化范围相一致;v转换精度:
转换精度:
符合整个测试系统根据总精度要求而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;分配给传感器的精度指标;v转换速度(带宽):
转换速度(带宽):
符合整机速度要求;符合整机速度要求;v能能满足满足被测介质和使用被测介质和使用环境的特殊要求环境的特殊要求,如耐高,如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、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;体积小、质量轻和不耗电或耗电少等;v能满足用户对能满足用户对可靠性和可维护性可靠性和可维护性的要求。
的要求。
(一一)、对传感器的主要技术要求、对传感器的主要技术要求v对于一种被测量,常常有多种传感器可以测对于一种被测量,常常有多种传感器可以测量量,例如测量温度的传感器就有:
热电偶、,例如测量温度的传感器就有:
热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体热电阻、热敏电阻、半导体PN结、结、IC温度温度传感器、光纤温度传感器等好多种。
传感器、光纤温度传感器等好多种。
在都能在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情满足测量范围、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。
能价格比高的传感器。
(二二)、可供选用的传感器类型、可供选用的传感器类型1.1.大信号输出传感器大信号输出传感器:
为了与为了与A/D输入要求相适应,传感器厂家输入要求相适应,传感器厂家开始设计、制造一些专门与开始设计、制造一些专门与A/D相配套的相配套的大信号输出传感器。
大信号输出传感器。
传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号修正与变换滤波滤波A/D微机微机微机微机I/V转换转换V/F光电耦合光电耦合小电流小电流小电压小电压大电压大电压大电流大电流2.2.数字式传感器:
数字式传感器:
采用采用频率敏感效应器件频率敏感效应器件构成,也可以由敏感参数构成,也可以由敏感参数RR、LL、CC构成的振荡器,或模拟电压输入经构成的振荡器,或模拟电压输入经V/FV/F转换等。
转换等。
具具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。
点。
传感器传感器放大放大整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机传感器传感器整形整形光电光电隔离隔离计算机计算机频率频率输出输出开关量开关量输出输出3.3.集成传感器:
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。
集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。
例例如,将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等如,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。
做成一体,构成集成压力传感器。
采用集成传感器可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。
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。
抗干扰能力。
4.4.光纤传感器:
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。
上解决由现场通过传感器引入的干扰。
二、前置放大器的选用二、前置放大器的选用v当传感器输出信号比较小,必须选用前置放当传感器输出信号比较小,必须选用前置放大器进行放大。
大器进行放大。
放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”,即即设设置置在在调调理理电路的最前端?
电路的最前端?
前置放大器的放大倍数应该多大?
前置放大器的放大倍数应该多大?
前置放大器前置放大器K0VISVIN0VIN后级电路后级电路KVON放大器噪声分析放大器噪声分析总的总的等效输出噪声:
等效输出噪声:
总的等效输入噪声:
总的等效输入噪声:
对输入信号对输入信号VIS,在不设前置放大时被电路噪声淹没,即:
,在不设前置放大时被电路噪声淹没,即:
VISVIN,而在加入前放后,则,而在加入前放后,则希望希望能被有效识别能被有效识别,就必须使,就必须使VINVIN,为为使使小小信信号号不不被被电电路路噪噪声声所所淹淹没没,在在电电路路前前端端加加入入的的电电路路必必须须是是放放大大器器,即即KK0011,而而且且必必须须是是低低噪噪声声的的,即即该该放放大大器器本本身身的的等等效效输输入入噪噪声声必必须须比比其其后后级级电电路路的的等等效效输输入入噪噪声声低低。
因因此此,调调理理电电路路前前端端电电路路必必须须是是低低噪噪声声前前置置放大器。
放大器。
两种调理电路的对比两种调理电路的对比(a)(b)由于由于K1,所以,所以,调理电路中放大器设置在,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。
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三、信号调理通道中的常用运放v仪表放大器仪表放大器v程控增益放大器程控增益放大器v隔离放大器隔离放大器(一一)、仪表放大器、仪表放大器仪仪用用放放大大器器上上下下对对称称,即即图图中中R1=R2,R4R6,R5R7。
则放大器闭环增益为:
则放大器闭环增益为:
假假设设R4=R5,即即第第二二级级运运算算放放大大器器增增益益为为1,则则可以推出仪用放大器闭环增益为:
可以推出仪用放大器闭环增益为:
由上式可知,通过调节电阻由上式可知,通过调节电阻RG,可以很方便地可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。
当采用集成仪用放改变仪用放大器的闭环增益。
当采用集成仪用放大器时,大器时,RG一般为外接电阻一般为外接电阻。
典型芯片:
典型芯片:
AD620(二二)、程控增益放大器、程控增益放大器为了在整个测量范围内获取合适的为了在整个测量范围内获取合适的分辨力分辨力,常采用可,常采用可变增益放大器。
变增益放大器。
增益由仪器内置计算机的程序增益由仪器内置计算机的程序自动自动控制控制。
这种由程序控制增益的放大器,称为。
这种由程序控制增益的放大器,称为程控放大程控放大器器。
(三三)、隔离放大器、隔离放大器隔隔离离放放大大器器是是指指一一种种将将输输入入、输输出出和和电电源源在在电电流流和和电电阻阻上上进进行行隔隔离离,使使之之没没有有直直接接耦耦合合的的测测量放大器。
量放大器。
特点:
特点:
能承受较高的共模电压;能承受较高的共模电压;泄漏电流低;泄漏电流低;高共模抑制比;高共模抑制比;隔离模式:
隔离模式:
两口隔离:
两口隔离:
信号输入部分与输出部分隔离;信号输入部分与输出部分隔离;三三口口隔隔离离:
信信号号输输入入部部分分、输输出出部部分分、功功率率供给部分彼此隔离;供给部分彼此隔离;隔离办法:
隔离办法:
光隔离、电容隔离、变压器隔离。
光隔离、电容隔离、变压器隔离。
隔离放大器的分类隔离放大器的分类GF289GF289集成隔离放大器集成隔离放大器GF289GF289典型接法典型接法推导课本图推导课本图2-11,2-12的增益表达式,并勘误!
的增益表达式,并勘误!
RG应用场合应用场合:
高共模电压场合高共模电压场合:
如电力线电流取样、强:
如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差;电场中测量小范围电压差;测试现场干扰比较大的测试现场干扰比较大的微弱模拟信号微弱模拟信号,而,而对信号的传递精度要求又高对信号的传递精度要求又高;多个系统多个系统不能共地不能共地。
(四)(四)在实际的设计仪用放大电路过在实际的设计仪用放大电路过程中,需重点考虑的主要程中,需重点考虑的主要性能指标:
性能指标:
v非线性度非线性度v温漂温漂v建立时间建立时间v恢复时间恢复时间v电源引起的失调电源引起的失调v共模抑制比共模抑制比v非线性度非线性度放大器的实际放大器的实际输出输出-输入输入曲线与曲线与理想直理想直线线间的间的偏差偏差。
实际设计时,须选择。
实际设计时,须选择非线非线性偏差小性偏差小的放大器。
的放大器。
v温漂温漂放大器的放大器的温漂是指仪用放大器温漂是指仪用放大器输出电压输出电压随随温度温度变化而变化的程度。
变化而变化的程度。
典型值:
典型值:
150V/v建立时间建立时间指从指从阶跃信号驱动瞬间阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器至仪用放大器输输出电压达到并保持出电压达到并保持在给定误差范围内所在给定误差范围内所需的时间。
需的时间。
v恢复时间恢复时间指放大器指放大器撤除驱动信号瞬间撤除驱动信号瞬间至放大器至放大器恢恢复到最终值复到最终值所需的时间。
所需的时间。
v电源引起的失调电源引起的失调指指电源电压
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