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第二章 智能仪器的数据采集技术

第二章 智能仪器的数据采集技术. 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  -  型 ADC 原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析. 数据采集系统简称 DAS （ Data Acquisition System ），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、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。. 第一节 数据采集系统的组成结构. 传感器. 模拟信号调理. 数据采集电路. 微机系统. 图 2.1 数据采集系统的基本组成. 多路模拟输入通道数据采集系统

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第二章 智能仪器的数据采集技术

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  1. 第二章 智能仪器的数据采集技术 • 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 • -型ADC原理与接口技术 • 数据采集系统设计及举例 • 数据采集系统的误差分析

  2. 数据采集系统简称DAS （Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、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。

  3. 第一节 数据采集系统的组成结构 传感器 模拟信号调理 数据采集电路 微机系统 图2.1 数据采集系统的基本组成

  4. 多路模拟输入通道数据采集系统 ◆同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 多路模拟输入通道可分为两大类型： ◆集中式采集 ◆分布式采集

  5. 模拟多路开关 传感器1 调理 计算机 S/H A/D 传感器2 调理 传感器3 调理 控制逻辑 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 多路共用采集电路分时采集

  6. 模拟多路开关 S/H 传感器1 调理 计算机 A/D 传感器2 调理 S/H 传感器3 调理 S/H 控制逻辑 多路同步取样共用A/D分时采集 2. 集中式数据采集系统的典型结构之二

  7. 3. 集中式数据采集系统的典型结构之三 • 多通道同步采样A/D，分时传输数据 • 多通道独立取样A/D，有通道缓存

  8. 上位机 通信接口 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 二、分布式采集 网络式数据采集结构

  9. 请总结每种数据采集系统结构的主要特点！

  10. 第二节 模拟信号调理 • 采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务： • 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。

  11. 前置 放大 程控放大 滤 波 传感器 滤 波 采集 电路 典型模拟调理电路的组成框图

  12. 一、传感器的选用 • 传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。 • 正确选用传感器： • 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， • 自行设计传感器

  13. (一) 对传感器的主要技术要求 • 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。

  14. (二) 选用什么类型传感器 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。

  15. 小电压 传感器 小信号放大 信号修正与变换 滤波 A/D 微机 小电流 V/F 大电压 传感器 光电耦合 微机 大电流 传感器 I/V转换 • 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。 图3.5 大信号输出传感器的使用

  16. 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。

  17. 频率 输出 传感器 放大 整形 光电 隔离 计算机 光电 隔离 开关量输出 传感器 计算机 整形 频率量及开关量输出传感器的使用

  18. 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。

  19. 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。 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。

  20. 二、运用前置放大器的依据 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？

  21. 放大器噪声分析 VIS 前置放大器K0 后级电路K VON VIN0 VOS VIN 总的等效输出噪声： 总的等效输入噪声：

  22. 假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN，假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN， 加入前放后，希望VIS>V'IN，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。

  23. 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。

  24. 三、信号调理通道中的常用放大器 • 仪用放大器 • 程控增益放大器 • 隔离放大器

  25. (一) 仪用放大器 仪用放大器的基本结构

  26. 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：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。

  27. 在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要性能指标：在实际的设计仪用放大电路过程中，重点考虑以下主要性能指标： 1.非线性度 2. 温漂 3. 建立时间 4. 恢复时间 5. 电源引起的失调 6. 共模抑制比

  28. 1. 非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。 VO VI

  29. 2. 温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。 输出电压会随温度的变化而发生(1~50)V/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。

  30. 3. 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。 4. 恢复时间 指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和 状态恢复到最终值所需的时间。 放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。 放大器增益带宽积指标

  31. 5. 电源引起的失调 指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。 仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。

  32. 6. 共模抑制比 CMRR=20logAdef/Acom 共模电压存在场合

  33. (二) 程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在许多实际应用中，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。 增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。

  34. 程控放大器原理框图 选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。 PGA202/204等是增益1、10、100、1000四档、由两条TTL逻辑控制。

  35. (三) 隔离放大器 隔离模式： 两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离； 三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率供给部分彼此欧姆隔离； 三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。

  36. 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.

  37. 特点： 1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害， 防止高压对低压信号系统的损坏。 2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须 提供偏流返回通路。 3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。

  38. GF289集成隔离放大器

  39. GF289典型接法

  40. 第三节 传统 A/D转换器及接口技术 • ADC的基本概念 • 技术指标的含义 • 比较型ADC、积分型ADC、V/F的转换原理 • 典型芯片选择及接口设计 • （3、4看书查阅资料自学）

  41. 1.ADC的基本概念 量化特性及量化误差

  42. 一般而言，n位ADC的理想传输函数由以下两个式子定义： Vr是模拟输入满量程

  43. 理想ADC的传输特性和量化误差

  44. A/D转换器技术指标的含义 • 分辨率 • 转换时间 • 精度 • 误差

  45. (1)分辨率 ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。 用ADC输出数字量的位数n表示，代表ADC有2n个可能状态，可分辨出满量程值的1/2n的输入变化量。此输入变化量称为1LSB（即一个量子Q）

  46. (2) 转换时间 • A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间。其倒数称为转换速率。 • 与实现转换所采用的电路技术有关 • 与位数有关 • 采集系统转换时间还与接口模式有关

  47. (3)精度与误差 绝对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。 相对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比，用％表示 。绝对误差/满量程值之比。

  48. 偏移误差（又称为偏移电压） 定义:为使ADC的输出最低位为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理论值 (1/2Vr／2n)(即1/2LSB所对应的电压值)之差. 在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在ADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为10-6/℃，其值约在几到几十范围内。

  49. 增益误差（满量程误差） 指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。 线性度误差 积分线性度误差和微分线性度误差两种。 a．积分线性度误差 偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。

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