《智能仪表原理与设计》课件第三章 （一）

主要内容一、概述二、检测信号与数据放大器设计三、数据采集系统的结构形式

一、概述

1.测量仪表用于获取事物变化的信息，其它仪表也需要输入接口；2．应明确信息、数据、信号三者的关系；明确信号采样，数据采集的含义和区别．数据采集卡一、概述3．采样（数字）数据采集包含模拟信号量化过程。数字信号不仅在时间上是离散的，而且在数值上也是离散的。类似于从总体中抽样研究分布，故称采样。量化精度取决于最小量化单位，称为量化当量δ，它是二进制数码最低有效位所对应的模拟信号数值。例如δ=1mV，即数字量的最低有效位对应于1mV。因此量化当量越小，量化的精度愈高。4．采样频率为了不丢失被采样信号所携带的信息，实时采样的采样频率应满足采样定理（香农定理）的要求，当采样频率不满足采样定理时将产生信号混迭现象，使采样后波形中增加了额外的低频成分，造成失真，引起误差。在工程上采样频率应取被采样信号所含最高频率的K倍，通常K≥10～20。还应在A/D转换之前加入抗混迭模拟滤波器AF，滤掉多余的高频分量。一、概述

一、概述

(推荐)工业过程变量采样周期：

流量≤0.5s

压力≤1s

液位≤2s

温度≤5s一、概述

智能仪表的数据采集系统硬件由两部分组成，一是信号的滤波、放大、采样、保持、转换部分；二是微机及其接口部分。接口程序的任务为:对接口初始化，确定采样通道、采样频率、中断方式,启动A/D,读取结果,作前期数据处理，存入指定单元等；如图所示。二、检测信号与数据放大器设计

被测变量多种多样，相应的传感器千差万别，传感器的输出信号不尽一样，要搞好信号采集，必须先弄清检测信号的类型，并针对性地采用性质优良的放大器进行信号调理。热电偶二、检测信号与数据放大器设计

1．检测信号的形式

信号种类举例性质直流电压/电流

uV,mV热电偶，赫尔元件，pH计，电磁流量计，心电动势等医用信号，PN结传感器信号等

不适于直接远距离传送，多数需要进行放大处理

nA,uA放射性检出器，光二极管，光电管等传感器信号

不适于直接长距离传送，要用同轴电缆与放大器处理

mA过程测量（变送器）与控制用统一信号可以直接长距离传送V放大器输出，测速发电机，电位计式、变压器式传感器可以直接长距离传送二、检测信号与数据放大器设计信号种类举例性质交流/频率

直流～数kHz温度，压力，流量，液位等过程检测信号，用直流电压表测定的信号数Hz～数kHz音响信号、振动测量信号，调制式传感器信号要求宽频带频率特性，防止电力线的感应噪音特定频率电磁流量计，差动变压器，民用电源信号，静电电容式等传感器信号频带滤波，同步整流

1．检测信号的形式

二、检测信号与数据放大器设计信号种类举例性质信号源低内阻热电偶

即使是毫伏级，也可以远距离传送

高内阻pH计、电磁流量计、静电容式检出器传送距离有限，要求严格屏蔽含共模电压的信号心电计，电磁流量计，热电偶使用隔离放大器由于通过检测电路可将交流信号转变为直流信号，而电流信号也可以在检测电路中转换成电压信号，因此对智能仪表而言，检测信号可转换为直流电压信号和频率相位信号两种。

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．检测信号的形式

二、检测信号与数据放大器设计已有信号--------[信号调理]---------ADC接受信号（电压、电流、频率、相差）（滤波、放大、整形等）（例如要求0---5V）

一般传感器或检测电路输出的直流电压信号幅值较小，有些甚至很微弱，不适合直接进入A/D转换器，常常需要先进行放大等处理。

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．检测信号的形式

所谓数据放大器就是一种性能优良，适合在数据采集系统中应用的放大器。它应该具有很强的共模抑制能力，很高的输入阻抗，很好的线性度，很好的温度稳定性和时间稳定性。把弱小的直流电压信号放大到与A/D转换器输入电压相匹配（例如，把0～40mV的热电偶信号放大为0～5V的信号），是数据采集经常会遇到的问题。除了一般通用运算放大器，这里再简单介绍一些特殊集成运算放大器。掌握这些放大器的特点，就可以正确选择集成运算放大器器件，并构成数据放大器电路。二、检测信号与数据放大器设计2、集成运算放大器选择

温度漂移系数（μV/℃，温度每变化1℃所引起的变化折合到输入端的电压漂移信号）是运算放大器的一个重要指标，对于直流电压放大情况尤其重要。通用运算放大器的温度漂移系数一般在10～300μV/℃范围内。而低温度漂移运算放大器的温度漂移系数仅1μV/℃左右。IMP公司生产的OP系列运算放大器中OP-07是最典型的低温度漂移运算放大器。OP-07又是超低失调电压运算放大器，具有极低失调电压（10μV）和偏置电流（±0.7nA)，其温度漂移系数仅为0.2μV/℃左右，长时间的稳定指标为0.2μV/每月。二、检测信号与数据放大器设计(1).超低温漂放大器（OP07；AD707）2、集成运算放大器选择

二、检测信号与数据放大器设计OP-07管脚（与mA741同、符合标准）

OP-07特性参数

参数符号OP-07AOP-07～E～C单位说明开环增益AVD5.0×106

5.0×1065.0×106

4.0×106

倍数RL≥2KΩ,V0=10V开环输出电阻Z0

60606060Ω频率响应:频带BW上升率

SR

0.60.30.60.30.60.30.60.3MHzV/μs放大倍数=1,RL=10kΩ

二、检测信号与数据放大器设计

参数符号OP-07AOP-07～E～C单位说明输入失调电压:内部失调VIO

温漂TCVOS

100.2300.3300.3600.5μVμV/℃长期稳定性:VOS/Time0.30.40.50.2μV/月输入阻抗:差动输入ZID共模输入ZIC80200602005016033120MΩMΩ偏置电流IB

±0.7±1.0±1.2±1.8nA输入噪声:峰-峰电压值enp-p0.350.350.35.038μV输入电压范围：共模输入电压VICR共模抑制比CMRR±14126±14126±14123±14120VdBVCMVR最大工作温度范围:-55～125-55～1250～+700～+70℃二、检测信号与数据放大器设计(2).测量放大器（INA101、114、118、128；

AD521、621）

测量放大器又称仪表放大器、数据放大器。工业过程测量传感器经常在很恶劣的环境下工作，它的两输出端难免带有很大的干扰信号，且多数为共模干扰信号，例如热电偶就是如此。如用普通放大器放大这样的传感器输出信号，由于共模干扰信号不能直接加到运算放大器的两个输入端(+IN和-IN)，放大器对干扰的抑制作用将很弱。测量放大器结构如下页图所示。测量放大器的差动输入端(+IN和-IN)，分别是两个运算放大器的同相输入端，因此输入阻抗很高，由于采用对称结构且信号直接加到输入端，因此有很高的抑制共模干扰能力。二、检测信号与数据放大器设计

测量放大器的运算放大器和连接薄膜电阻均在单一基片上生成，同时还采取了其它一些先进工艺措施（很对称），使得整个放大器的温度漂移系数很低，放大倍数很稳定，可达1000倍。测量放大器

AD521、AD522都是AD公司生产的集成测量放大器，芯片为14脚双列直插管壳封装结构，下图所示的是它们的管脚功能。

二、检测信号与数据放大器设计INA101和INA128则是BB公司提供的两种高精度测量放大器，其主要特性指标均超过AD521、AD522.INA101的主要性能指标：温度漂移系数±0.25μV/℃失调电压±25μV非线性≤0.002%噪声13nV/Hz共模抑制比>106dB输入阻抗1010Ω工作电流±6.7mAINT101二、检测信号与数据放大器设计二、检测信号与数据放大器设计(3).隔离放大器（ISO100系列；AD202,260、277、284、289、290）

来自现场传感器的检测信号不可避免会夹杂有形形色色的干扰和噪声。如果能对检测信号进行放大，又不和传感器产生电的联系，显然对于消除干扰的影响，提高智能仪表的可靠性是非常有意义的。

隔离放大器表示方法隔离放大器通过光耦合或磁耦合的办法实现信号的联系，完成放大的功能，而输入、输出电路没有直接的电耦合，因此可实现电路隔离，故也叫线性隔离器。它的表示符号如左图所示。放大器分为(A)和(B)两个独立供电回路。二、检测信号与数据放大器设计

隔离放大器一般包括如下四个部分：a高性能差分式输入、输出放大器、b调制和解调器、c耦合器、d漂移补偿放大器。目前AD公司已生产出几种型号的隔离放大器，如277、284/286、289、290/292等。下页图所示的为277结构示意图。其输入回路由精密运算放大器A1组成，其6、8、7脚用于调零，放大器的输出端引到2脚，供组成各种反馈放大器的外电路使用。3、4脚是输入放大器的差动输入端。直流信号经放大后由调制器转变为交流信号，通过耦合变压器输给输出部分。输出部分的解调器（相敏式）把输入信号转变为直流信号，并经滤波后送到输出放大器A2，在输出放大器的10和12脚之间串接不同的电阻可得到不同的闭环增益。13脚的1MΩ电阻用于调零，无须调零时应将它接地。输出放大器的同相输入端11脚必须与外接的电源地（16脚）相连。输入电路部分不需另外设置电源，全由逆变器提供，其交流信号用于调制器，直流稳压输出电压（±15V）除供输入运算放大器用外，还可供传感器使用。

二、检测信号与数据放大器设计放大器的功能引脚和内部结构（磁屏蔽）

二、检测信号与数据放大器设计(4).可编程增益放大器（LH0084；PGA103、PGA203和AD600）

当测量范围很宽时，传感器输出信号的变化范围也可能很大，为了提高低量程灵敏度，不得不将整个测量范围分成几段；在多通道检测系统中，各通道的检测信号不可能一样大；要把这些信号放大到与A/D转换输入电压相匹配（例如0～5V)，以往要使用放大倍数不同的多个放大器。结果使得仪器仪表的造价上升，结构趋于复杂。二、检测信号与数据放大器设计

可编程增益放大器的放大倍数可根据需要用程序控制进行改变，很容易使各种满量程信号达到与A/D匹配的要求。可编程放大器的原理如图所示。通过改变输入的数字量，可以改变闭合的开关。这些开关成对动作，每一时刻仅有一对开关接通，以便对称地产生输入级的不同的反馈电阻，从而改变放大器的放大倍数。显然LH0084可编程增益放大器的基本结构属于测量放大器的形式。PGA103、PGA203和AD600都是可编程增益放大器集成电路芯片。二、检测信号与数据放大器设计(5).可编程模拟电路（IMP50E10）指电可编程模拟电路（EPAC-ElectricallyProgrammableAnalogCircuit）。例如IMP50E10就是IMP公司系列产品中的一种，44脚封装，单电源5V工作，内置许多电可编程功能模块，如多路转换器、可编程放大器、滤波器、D/A转换器和驱动器等。可编程功能包括：增益（0.5～10八档）、极性、偏置、速度、功耗、内部各种连接等。编程在forWindows的AnalogMagicEPAC系列开发系统上实现，所配置数据存放芯片内部的EEPROM中，任何时间一经上电，芯片能自动恢复确定的配置。该电路输入信号电平范围：VSS-0.2V<VIN<VPP+0.2V，信号带宽：0～125kHz（滤波器断开），无须外部元器件，睡眠方式工作电流小于40μA.

二、检测信号与数据放大器设计除了上述五种特殊的集成运算放大器之外，还有：（1）高速高阻集成运算放大器（例如AD8011频带超过340MHz），（2）极低功耗集成运算放大器（例如TLC2245运行电流小于0.01mA），（3）单电源满幅集成运算放大器等也属于比一般通用运算放大器性能优异的集成运算放大器。

（4）

FPGA等。

二、检测信号与数据放大器设计

数据放大器的性能首先取决于放大器电路原理、结构，也与所选择的集成运算放大器，以及其它元件的参数计算和选型有重要关系，因此在设计数据放大器的时候应全面进行分析、计算和设计，并运用PSPICE对设计结果进行仿真。3、数据放大器的设计二、检测信号与数据放大器设计例1

下图所示数据放大器用于放大—差动式光电传感器的弱信号，可以消除共模干扰，获得稳定的高增益。由于它不同于测量放大器，因此不能用一个测量放大器芯片，而要选用三个低温漂的集成运算放大器芯片构成；另外，电路中的电阻Ri与电阻Ri’不仅额定值要一样，而且应实测配对或选用精密电阻。

二、检测信号与数据放大器设计例2

考虑到AD公司和BB公司的隔离放大器都比较昂贵，也可以用线性光耦设计一种隔离放大器，如下图所示。放大电路中输入电路用电源，而输出电路用VDD电源，两部分之间无电的连接，全靠线性光耦芯片TLE300通过光的耦合将输入与输出信号联系起来，实现1:1的传输功能。该电路能满足大多数情况下的隔离传输与放大要求。

三、数据采集系统的结构形式（1）数据采集系统构成：信号调理，采样保持，ADC，微机接口，程序。

（2）实现方法：单片，多片，SOC（3）技术要求：分辨率、精度、速度、抗干扰性能。

三、数据采集系统的结构形式

1、多芯片构成数据采集系统的几种形式(1).无采样保持器共享A/D转换器的形式直流信号和低频信号可以不用采样保持器，但此时输入模拟信号（电压）的最大变化率与A/D转换时间应满足如下关系：（条件）

式中，tconv为A/D转换时间；

VFS为A/D转换器的满刻度电压值；

n

为A/D转换的二进制位数。当VFS=5V,n=11,tconv=0.1s时，输入信号的最大变化率不能大于24mV/s。当VFS=5V,n=8,tconv

=0.0001s时，输入信号电压的最大变化率只要不大于195mV/ms即可。（与分辨率的关系）

三、数据采集系统的结构形式

因此采集多个过程缓变参数时，常用多路开关而不带采样保持器的系统结构，如下图所示。如果各路信号不是标准的A/D转换电压，可在多路开关后设置一可编程增益放大器。对各路信号进行调整。

无采样保持器共享ADC的结构形式(2).共享采样保持器和A/D转换器的形式三、数据采集系统的结构形式这种形式如下图所示，是结构简单、价格低廉、应用较多的一种形式。每个通道的采样时间由多路开关时间，采样保持器的采样时间和建立时间，以及A/D转换器的转换时间决定。可用下式表示：模拟输入电压的最大变化率取决于采样保持器的断开时间toff，即三、数据采集系统的结构形式

三、数据采集系统的结构形式(3).各带采样保持器共享A/D转换器的形式

上述形式的系统无法在同一时刻对各输入信号进行数据采集。当要采集同一时刻的多变量进行运算处理或校正处理时，可采用下图所示的形式，也就是在每个通道上均设置一个采样保持器，用同一个控制信号去控制它们在同一时刻进行采样和保持，即可达到同步数据采集的效果。各采样保持器共享ADC的结构

(4).多个A/D转换器的形式

三、数据采集系统的结构形式

某些情况下，所测各变量变化速率相差甚大，而对缓慢变化信号的A/D转换分辨率要求高，对变化快的要求低，如果多通道共享A/D转换器，势必要设置既分辨率高，又速度快的器件，这将使得成本大幅度上升。若改成低速高分辨率A/D转换器和高速8位A/D转换器并用的形式，性能价格比可以显著提高。

三、数据采集系统的结构形式2、单片数据采集系统

将多路开关、放大器、采样保持器、A/D转换器以及缓冲接口全集成在一块芯片上，即构成单片数据采集系统。无疑，它使用起来非常方便。

下页表列举了几种微机兼容式单片数据采集系统和混合组装电路数据采集系统的主要特性。MAX197引脚图

三、数据