智能仪器原理及应用

主讲：陈北辰,智能仪器原理及应用,课程简介,课程性质：考试课课程安排：理论课（32学时） 独立实验课（12学时）考核方式：平时成绩（20%）+期末考试成绩（80%）考试内容：以教材及课件中内容为主，适当增加相关知识的考查。,第一章 概述,仪器仪表是信息获取的手段、是认识世界的工具，是一个系统或装置。它的最基本作用是延伸扩展补充或代替人的听觉、视觉、触觉等器官的功能。 智能仪器是微机技术、电子技术与信息技术相结合的产物，随着新技术、新器件应用领域的扩大，智能仪器已经成为现代仪器仪表发展的主流。 智能仪器的特征是数字化、自动化、智能化。,甚高温量热计（SETARAM）,智能终端,激光测距仪,第一节 仪器仪表概述,按仪器测量物理量不同可划分为如下八种计量仪器： (1) 几何量计量仪器 (2) 热工量计量仪器 (3) 机械量计量仪器 (4) 时间频率计量仪器 (5) 电磁计量仪器 (6) 无线电参数测量仪器 (7) 光学与声学参数测量仪器 (8) 电离辐射计量仪器,超声波测距仪,红外测温仪,热敏电阻、热电偶,示波器,仪器仪表的发展过程,1、第一代仪器仪表（模拟式仪器仪表） 磁电式模拟仪器仪表 ：伏特表、安培表、功率表和测温表等。 电子式模拟仪器 ：记录仪、电子示波器、信号发生器等。2、第二代仪器仪表（数字式仪器仪表） 数字式仪器仪表 ：数字电压表、数字电流表、数字频率计和记忆示波器等。3、第三代仪器仪表（智能仪器仪表） 内含微处理器的第三代仪器仪表，智能仪器仪表。,三代万用表比较,4、第四代仪器仪表（虚拟仪器仪表和网络化仪器仪表）（1）虚拟仪器仪表 这一类仪器是以通过计算机为基础，加上特定的硬件接口设备和为实现特定功能而编制的软件而形成的一种新型仪器。（2）网络化仪器仪表（随着internet的出现形成的）,虚拟仪器仪表,网络化仪表,第二节 智能仪器的分类、基本结构与特点,智能仪器的细致分类,（1）聪敏仪器类是以电子、传感、测量技术为基础 （2）初级智能仪器除应用了电子、传感、测量技术外，主要特点是应用了计算机及信号处理技术，更严格些讲，应包括测量数学。 （3）模型化仪器是在初级智能仪器基础上又应用了建模技术和方法，它是以建模的数学方法及系统辨识技术作为支持的。 （4）高级智能仪器是智能仪器的最高级类别。人工智能的应用是这类仪器的显著特征。这类仪器可能是自主测量仪器(Autonomous Measurement Machine)。,智能仪器的组成,微机内嵌式,农药残留毒素快速检测仪,空气现场甲醛、氨快速检测仪,甲醛快速检测仪,微机扩展式,普通台式PCI,工控机PCI,笔记本PCI,智能仪器的主要特点,1测量过程的软件控制 简化了硬件结构，缩小了体积及功耗，提高了可靠性，增加了灵活性，而且使仪器的自动化程度更高。这就是人们常说的“以软件代硬件”的效果。 随着微型计算机时钟频率的大幅度提高，与全硬件实时控制的差距越来越小。,2数据处理 主要体现在误差剔除、精度补偿、函数运算、对在线信号实时采集、存储、显示和分析、数值滤波、时域分析、频域分析。在生物医疗、语音分析、模式识别和故障诊断等方面都有广泛的应用。一台智能仪器也是信号分析仪器。3多功能化 智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理功能一机多用的多功能化易于实现，从而多功能化成为这类仪器的又一特点。,智能化电能表,可测量有功功率和无功功率、视在功率、电能、频率、各相电压、电流、功率因数,智能流量计,体积流量、质量流量、密度、打印输出、历史记录、信号远传、参数设定、报警、本地控制,智能仪器的研制步骤,第三节 推动智能仪器发展的主要技术,一、传感器技术 传感器技术经历了聋哑传感器(Dumb Sensor)、智能传感器(Smart Sensor)、网络化传感器(Networked Sensor)的发展历程。二、A/D等新器件的发展将显著增强仪器的功能与测 量范围 A/D器件不但在向高速发展，还在向低功耗、高分辨率、高性能的方向发展。,单片机和DSP的广泛应用,MCS-51系列单片机是单片机的主流机型，技术性能及开发手段都较成熟，并且在我国应用较普遍，因而MCS-51系列单片机在一般的智能仪器设计中得到了广泛应用。 比较常见的单片机有以下几种，其它厂家也推出了各自的产品。Intel系列内核的单片机芯片8031、8032、80C31； 基于51内核其他单片机 89C51 (ATMEL)、89C2051 (ATMEL)、C8051FXXX (CYGNAL)；PIC系列单片机；ARM系列处理器等。,单片机的发展过程,1、机器周期所含振荡器周期数的改变2、集成了大容量的片上Flash存储器，集成密度高并实现了ISP(在系统烧录程序)和IAP(在应用烧录程序)。 3、采用了数字模拟混合集成技术，将A/D、D/A、锁相环以及USB、CAN总线接口等都集成到单片机中等技术的应用。,数字处理芯片DSP,在智能仪器的设计中经常遇到下列计算问题: a .数值滤波 b .快速傅立叶变换FFT c .相关 d .卷积分 e .数字音视频信号转换、存储和处理典型产品: TI公司的TMS320（32位处理器）,嵌入式系统和片上系统（SOC）,嵌入式系统则是指把微处理器、单片机(微控制器)、DSP芯片等作为“控制与处理部件”，嵌入到应用系统中。 SOC的核心思想就是要把整个应用电子系统(除无法集成的电路)全部集成在一个芯片中，避免了大量PCB板的设计及板级调试工作； SOC是以功能IP (Intellectual Property)为基础的系统固件和电路综合技术。,ASIC、FPGA/CPLD技术的应用,ASIC（专用集成电路）Application Specific Integrated Circuits FPGA（现场可编程门阵列）Field Programmable Gates ArrayCPLD（复杂可编程逻辑器件）Complex Programmable Logic Device,专用集成电路ASIC,概念：相对于使用专用芯片如CPU、存储器、通讯接 口、逻辑门电路等去搭建特定系统来完成设计任务，采用专用芯片的思想是把待解决的具体问题设计到芯片级。根据任务的不同对硬件环 节进行取舍选择。设计过程： 提出原理图 制作晶元 流片条件：要有较大批量；设计费用逐步降低。,LabView等图形化软件技术,概念：个人计算机+数据采集+软件=虚拟仪器例如：可以把CRT当作仪表显示窗口,可做示波器、台式万用表、心电图仪、频谱分析仪、扫描仪、逻辑分析仪等等。,网络与通信技术,智能仪器要上网，完成数据传输、远程控制与故障诊断等；构建网络化测试系统，将分散的各种不同测试设备挂接在网络上，通过网络实现资源、信息共享，协调工作，共同完成大型复杂系统的测试任务。 构建网络化测试系统需考虑以下几个方面的问题： 系统要具有开放性和互操作性； 系统的实时性和时间的确定性； 系统的成本尽可能低，通用性好； 基本功能单元必须是智能化的，带有本地微处理 器和存储器，具有网络化接口。,第一章 课后习题,1-4 简述推动智能仪器发展的主要技术。1-6 智能仪器有哪几种结构形式？对其作简要描述。1-8 为什么说嵌入式系统和片上系统（SOC）将智能仪器的设计提升到一个新阶段？,第二章 数据采集技术,数据采集系统概念 简称DAS (Data Acquisition System)，是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、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,数据采集系统的基本组成,数据采集系统的工作方式通常分为两种,多路模拟输入通道的类型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分为两种,集中采集式（集中式）,集中式多路模拟输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型按采样保持电路及A/D转换电路是各路共用还是各路均有划分,分时采集型模拟量输入通道,多路信号共同使用一个S/H和A/D电路，简化了电路结构，降低了成本。对信号的采集产生了时间偏斜误差。对于多数中速和低速测试系统。,同步采集型模拟量输入通道,各通道有各自的采样保持器，可消除分时结构的时间偏斜误差， 能满足同步采集的要求，又比较简单。被测信号路数多的情况，同步采得的信号在保持器中有一些泄漏，使信号有所衰减，由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同，不能获得真正的同步输入。,分散采集式（分布式）,分散采集式特点 每一路信号一般都有一个SH和AD，因而也不再需要模拟多路切换器MUX。 分散采集工作过程 每一个SH和AD只对本路模拟信号进行模数转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。 分散式采集系统分类 根据系统中计算机控制结构的差异可以分为分布式单机采集系统和网络式采集系统，如图2-3a、b所示。,分布式单机数据采集系统,工作过程 分布式单机数据采集系统由单CPU单元实现无相差并行数据采集控制。特点 实时响应性好，能够满足中、小规模并行数据采集的要求。 在稍大规模的应用场合，对计算机系统的硬件要求较高。,网络式数据采集系统,由若干个“数据采集站”和一台上位机及通信线路成组。,第二节 模拟信号调理,信号调理概念： 在传统的仪器中，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、小信号的放大、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。,典型的信号调理电路组成框图如下图所示,对传感器的主要技术要求（选择传感器的依据）具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。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(一般应优于系统精度的10倍左右)，转换速度应符合整机要求。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。,传感器的选用,新型传感器,大信号输出传感器 为了与AD转换的输入要求相适应，把放大电路与传感器做成一体，使传感器能直接输出0-5V、0-10V或4-20mA的信号。,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，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。,其他新型传感器,集成传感器,传感器+信号调理电路,光纤传感器,无电磁干扰，避免现场引入干扰,运用前置放大器的依据,1、电路内部的噪声源存在 电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度波动电压，这就是电路的输出噪声。把电路输出端测得的噪声有效值折算为该电路的等效输入噪声，即,如输入信号的幅度VISVIN，则有用信号会为电路等效噪声所“淹没”。所以需要在此电路前对VIS进行有效的放大，使VISVIN，最好VISVIN。,注：图中前置放大器噪声与后级电路噪声不相关,图中电路总输出噪声为：,总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪声为,A 无前置放大器，输入信号刚好被电路噪声淹没，则有VIS=VINB 加入前置放大器，输入信号VIS不再被电路噪声所淹没，即需 要VISVIN，就必须使VIN1，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。,1、RC有源滤波器引入的噪声 电阻元件是电路噪声的主要根源，因此RC滤波器产生的电路噪声比较大。,（a）,（b）,由于 K1,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。,信号调理通道中的常用放大器,(一) 仪用放大器,仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。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。,实际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,(二) 程控增益放大器,反馈电阻网络 : 通过改变反馈系数,改变放大器闭环增益电阻网络形式 : T、反T、权电阻,放大器电路设计,（1）理想放大器,理想状态下输入阻抗=输出阻抗=0开环增益= 无漂移 无失调 虚地,同相放大器,增益： A=Vo/Vi=1+Rf/R1特点： 输入阻抗较高 放大器增益不小于1 输入、输出信号同极性,反向放大器,增益： A=Vo/Vi=-Rf/R1 Va=Vb=0 I=Vi/R1 Vo=-I*Rf=-Rf*Vi/R1,特点： 输入阻抗较低 放大器增益可小于1（可做衰减器） 输入、输出信号极性相反,差动放大器,增益： A=(V2-V1)*Rf/R1(R1= Rq, Rf = Rf )特点： 对地悬浮输入信号运算共模抑制能力强,仪用放大器,增益：A=(V2-V1)(1+2R1/Rw)*(Rf/R1),反向器,输出：Vo=-Vi（R1=R2）,电压跟随器,电压跟随器可用做有源阻抗变换,降低信号在输入阻抗上的损失,作用：提高输入阻抗,绝对值电路,对光电转换类传感器,经常需要把有极性信号转换成为无极性的单边信号,输入、出关系:Vo=|Vi|,运算放大器主要指标,失调电压 输入为0,输出不为0 的最小值零点漂移 主要是温漂, v/共模抑制比 CMRR= 20log(Ad/Ac)db功率消耗 毫瓦带宽 上限频率Hz非线性度 %开环增益 n(如100)输入阻抗 M,(1) 非线性度。非线性度是指放大器的实际输出-输入关系曲线与理想直线的偏差。在选择仪用放大器时，一定要选择非线性偏差尽量小的仪用放大器。 (2) 温漂。温漂是指仪用放大器的输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器的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。例如，一个温漂为2V的仪用放大器，当其增益为1000时，仪用放大器的输出电压产生约20mV的变化。这个数字相当于l2位AD转换器在满量程为10V的8个LSB值。所以在选择仪用放大器时，要根据所选AD转换器的绝对精度尽量选择温漂小的仪用放大器。 (3) 建立时间。建立时间是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。恢复时间是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。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。 (5) 电源引起的失调。电源引起的失调是指电源电压每变化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。 (6) 共模抑制比。放大器的差模电压增益与共模电压增益之比叫共模抑制比。 国产放大器的共模抑制比在60120dB之间。,运算放大器供电方法,双电源对称供电 5V 15V,双电源非对称供电,单电源供电: V=5-30V,运算放大器种类和常用芯片,（1）放大器数量分: 单运放、 双运放、 4运放 例如： A741 LM358 LM324（2）按功能特点分: 普通运放如: a741、LM351、LM324 低飘移运放：OP07、OP37、AD111 仪用放大器：AD620、AD623、INA111 斩波自稳零运放：AD7650 音频放大器：AD386、LM2822 视频放大器：AD818 集成放大器：AD521,使用放大器需注意问题,（1） 供电制度（2） 输出饱和问题（3） 泄放回路（4） 前级的箝位保护（5） 测量放大器的参数对称性及调整（6） 周边电阻参数的选取(除比值外还考虑功耗)（7） 多级放大器的增益分配(高共模抑制者增益大)（8） 设计PCB板时注意屏蔽和设置去耦电容,实例,将0-200mV的电压信号放大到0-5V 解:要求放大倍数为25倍,设计图如下:,设计 1.250V 基准电压源 题目说明:在仪表系统中常需要各种等级的电压源,可利用放大器自行制备.见下图:,量程自动转换及零点迁移,1、程控放大器(可变增益放大器) 用途: A. 宽范围参数测量时自动换挡 B. 信号幅值低时不损失分辨率 方法: 将与增益有关的电阻支路设计成可选择的电阻网络(通常利用反馈电阻改变实现),串联电阻网络,增益线性变化,输入电阻的R-2R T型电阻网络,推导过程如下：If=(C3*2-1+C2*2-2+C1*2-3+C0*2-4)*Vi/R= C3 C2 C1 C0 *Vi / (R*24)式中C3 C2 C1 C0 表示二进制数据排列又因为I=-V0/Rf 所以整理可得:增益A=V0/Vi=-(Rf)*C3 C2 C1 C0 /(R*24)若Rf=R,最大衰减比为1:16若C3 C2 C1 C0 =0000,则放大器输出为0,集成仪用放大器实例,BURR-BROWN 公司的INA111(高速FET输入仪用放大器),性能:高速 Ts=4s（G=100，0.01%）低失调电压 500 v（max）低温度漂移 5v/ 高共模抑制比 106db（min）输入电压范围 -0.7V - +15V输入电流 10pA输入阻抗 1012供电范围 18V,内部结构,典型应用方式,应用示例,输入保护,前置滤波器用法（低通）,如果滤波电容C1、C2不匹配会导致共模信号转化成差模信号，影响共模抑制比。反之会提高共模抑制能力。,前置滤波器用法（高通）,压控电流源,可编程增益放大器PGA103,性能参数： 增益范围 1,10,100 低增益误差 0.05%（max，G=10) 低温漂 2v/ 低静态电流 2.6mA 低功耗 CMOS/TTL电平兼容(控制信号),增益变化真值表,典型应用,程控增益,增益扩展,高输入范围,程控可编程仪用放大器PGA202（203）,数字可编程增益控制 PGA202 G= 1，10，100，1000 PGA203 G= 1，2，4，8快速 Ts=2s（0.01%）低非线性误差 0.012%（max）高共模抑制比 80dB（min）低功耗,内部结构,滤波器,增益扩展,可变增益差动输入/出放大器,零点迁移,问题的引出:用PN结进行温度测量。PN结的温度-信号特性为 -2mV/,且 Vi(T=0)= 700mV。特性曲线如下:,分析:为什么要进行零点迁移 （1）如果要测量的温度范围为0-100,则由PN结特性可知信号范围是:500mV-700mV.动态范围是200mV。（2）这个信号幅度需要进行放大,但由于起点不是0,所以放大后的信号中有无效部分。（3）这样的结果是:后续电路的A/D转换数据中只有一小部分有意义,白白浪费了A/D转换的分辨率。（4）降低了测量的速率。（5）系统校零不方便。,用差动放大器电路来进行零点迁移,半导体点温计AD590的设计,特性： 电流输出型，输出特性1A/K 供电范围 4V - 30V 正向耐压 44V 反向耐压 20V 测温范围 -55 - 150 精度 0.3 分为I，J，K，L，M五档，M最好,使用AD590测量室温,AD581 是高精度集成稳压器，输入电压最大为40V，输出10V。图中最终使输出对应1摄氏度1个毫伏。,温差测量电路,零点迁移电路设计如下图,可测量环境温度,可作为热电偶的冷端温度补偿,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。在有强电或强电磁干扰等环境中，为了防止电网电压等对测量回路的损坏，其信号输入通道常采用隔离技术；在生物医疗仪器上，为防止漏电流、高电压等对人体的意外伤害，也常采用隔离放大技术，以确保患者安全；此外，在许多其他场合也常需要采用隔离放大技术。能完成这种任务，具有这种功能的放大器称为隔离放大器。,仪用放大器使用技巧,电源旁路、解耦和稳定性问题,通常，旁路电容器（典型值为 0.1 F）连接在 每个 IC 的电源引脚和地之间。尽管通常情况适合， 但是这在实际应用中可能无效或甚至产生比根本没 有旁路电容器更坏的瞬态电压。 因此考虑电路中的 电流在何处产生，从何处返回和通过什么路径返回 是很重要的问题。一旦确定，应当在地周围和其它 信号路径周围旁路这些电流。,像运算放大器一样，大多数单片仪表放 大器都有其以电源的一端或两端为参考端的积分器 并且应当相对输出参考端解耦。这意味着对于每颗 芯片在每个电源引脚与仪表放大器的参考端在 PCB 上的连接点之间应连接一个旁路电容器，如下图 所示。,输入接地返回的重要性,当使用仪表放大器电路时出现的一个最常见的 应用问题是缺乏为仪表放大器的输入偏置电流提供 一个 DC 返回路径。这通常发生在当仪表放大器的 输入是容性耦合时。下图示出这样一个电路。这 里，输入偏置电流快速对电容器 C1 和 C2 充电直到 仪表放大器的输出“极端”，达到电源电压或地电位。,解决上述问题的方法是在每个输入端和地之间 添加一个高阻值电阻器（R1，R2），如下图所示。 输入偏置电流现在可以自由流入地并且不会像以前那样产生大输入失调。,阻容元件匹配,由于,R1 和R2 之间的任何不匹配都将引起输入失调不平 衡（IB1IB2），产生输入失调电压误差。,规则是保持IBR 10 mV,输入保护,AD623、AD620系类等仪用放大器等内部自带有输入电流保护电路，典型值为AD620系列为6mA，AD623为10mA。也可采用外接二极管进行保护。,但大多数普通二极管（肖特基二极管， 硅二极管等）都具有很高的泄漏电流，从而会在仪 表放大器的输出端产生很大的失调误差；这种漏电 流与温度呈指数关系增加。这样势必导致在采用具 有高阻抗源的仪表放大器的应用中取消外部二极管 的使用。虽然现在有了漏电流降低很多的特殊二极管， 但是通常很难找到而且也很贵。对于绝大多数应用， 限流电阻器是唯一能够对于 ESD （瞬间过载）和较长时间输入 瞬态过载提供充分保护的方案。,减低仪用放大器的RFI（射频干扰）,考虑信号传输线路长并且信号强度低的情况,即使最好的仪表放大器在20 kHz以上的频率条件下事实上没有CMR能力。很强的RF信号首先被仪表放大器的输入级整流，然后表现为DC失调误差。一旦被整流，其输出端的低通滤波怎么也不能去除这个误差。如果RFI是断续性的，这会导致无法检测的测量误差,最实用解决方案是通过使用一个差分低通滤波器在仪表放大器前提供RF衰减滤波器。该滤波器需要完成三项工作： 尽可能多地从输入端去除RF能量 保持每个输入端和地之间的AC信号平衡 在测量带宽内保持足够高的输入阻抗以避免降低对输入信号源的带载能力。,AD620系列仪表放大器的RFI抑制电路,采用图中所示的元件值，该电路的3 dB 带宽大约为 400 Hz；通过将电阻器 R1 和 R2 的 电阻值减至 2.2 k，带宽可增加到 760 Hz。应当注 意，不要轻易地增加带宽。它要求前面所述的仪表 放大器电路驱动一个较低阻抗的负载，从而导致输 入过载保护能力会有些降低。,AD623 仪表放大器的 RFI 滤波器,使用图示的元件值，该滤波器的带宽大 约为 400 Hz。在增益为 100 的条件下，1 V p-p 输入 信号的 RTI 最大 DC 失调电压小于 1 V。在相同增 益条件下，该电路的 RF 信号抑制能力优于 74 dB。,单电源数据采集系统,电桥电路用一个5 V电源激励。 因此，电桥满度输出电压（10 mV）有一个 2.5 V 的共模电压。AD623 去掉这个共模电压成分并且把 输入信号放大了 100 倍（RG = 1.02 k）。这导致输 出信号为1 V。 为了防止该信号进入 AD623 的接地端，REF 引脚的电压至少必须升高到 1 V。 在本例中，ADC AD7776 的 2 V 参考电压用于把 AD623 的输出电压 偏置到 2 V1 V。这正符合该 ADC 的输入范围。,传感器接口的应用,仪表放大器很久以来一直在传感器应用中用作 前置放大器。高质量传感器通常提供一个高线性度 输出，但是其信号幅度非常低并且具有高输出阻抗 的特性。这就要求使用一个高增益缓冲器或前置放 大器，并且要求它们自身任何可辨别的噪声不会对 被放大的信号有影响。另外，典型传感器的高输出 阻抗可能要求仪表放大器具有低输入偏置电流。,医用心电图仪的应用,心电图仪（EKG）是一种富有挑战性的真实世 界应用，因为一个 5 mV的小信号必须从存在远大于 60 Hz噪声和很大的DC共模失调电压变化的环境中 提取出来。下图 为典型EKG监测电路框图。选 择适当的电容器CX的值以保持右腿驱动环的稳定 性。,尽管可以有更多的输出，这里仅显示了来自病 人的三个输出。输出缓冲放大器应该为低噪声、低 输入偏置电流的 FET 运算放大器，因为病人传感器 通常具有很高的阻抗所以信号幅度可能相当低。,4mA - 20mA单电源接收器,4 mA20 mA 传感器的信号是单端的。 只需要一只简单的分流电阻器以便 把电流转换成电压加到 ADC 的高阻抗模拟输入端。 然而，回路（到传感器）中的任何线路电阻都会增 加与电流相关的失调误差。因此，必须差分地检测 该电流。 例中，一只 24.9 的分流电阻器在 AD627 的输入端产生介于 100 mV（对应 4 mA输入） 与 500 mV（对应 20 mA 输入）之间的最大差分输 入电压。在不存在增益电阻器的情况下，AD627 把 该 500 mV 输入电压放大 5 倍达到 2.5 V，即 ADC 的满度输入电压,单电源热电偶放大器,J 型热 电偶的一端接地。在200到200温度范围内， J 型热电偶提供的电压范围为7.890 mV10.777 mV。,将AD627 的增益设置为 100（RG = 2.1 k）并 且将AD627 的 REF引脚的电压接成 2 V，致使 AD627 对地输出电压范围为 1.110 V3.077 V。,第二节 A/D转换器及接口技术,一、概述 A/D转换器(也称“ADC”)是将模拟量转换为数字量的器件，这个模拟量泛指电压、电阻、电流、时间等参量，但一般情况下，模拟量是指电压而言的。在数字系统中，数字量是离散的，一般用一个称为量子Q的基本单位来度量。一个n位的二进制数，共有N=2n个离散值，定义Q=输入满量程/N A/D转换的过程就是计算输入模拟量中有多少个Q，并使用2n个离散量中最接近的值去表示模拟量的大小,量化特性及量化误差,量化过程的输出特性曲线呈阶梯状，每个台阶的宽度称为量化带。理想情况下，量化带等于一个量子Q。输入模拟量的幅度在nQ与(n+1)Q之间时，输出都以 nQ表示。 显然，这是以有限的量化值代替无限数目的模拟量的过程，因此，必然存在量化误差。 由右图所示，量化误差的绝对值|于一个量子Q。,量化特性及量化误差,通常把图a的特性调整左移(1/2)Q，如图c所示。其相应的量化误差下降为-(1/2)Q2),由上式可见，对高频(或高速)测试系统，应该采取以下措施： （1） 减少通道数N，最好采用分散采集方式，即N=1。 （2） 减少截频系数C，增大抗混叠低通滤波器陡度。 （3） 选用转换时间tC短的A/D转换器芯片。 （4） 将CPU读取数据改为直接存储器存取(DMA)技术，缩短休止时间t0。,则,采样保持器SH的选择,(一) 采样保持器的主要参数,tAC（捕捉时间）：控制信号由“保持”电平跳变为“采样”电平之后，S/H的输出电压VO从原来的保持值过渡到跟踪输入信号Vi值所需时间。,包括导通延迟和跟踪建立时间 反映系统速度，限制最小采样时间,tAP（孔径时间）：从发出保持指令即控制信号从“采样”电平跳变为“保持”电平开始到模拟开关完全断开所经历的时间。,tS（建立时间）：从发出保持指令开始到采样/保持器输出达到保持终值(在确定的精度范围内)所需时间。,建立时间包括了孔径时间,改进方法：选用导通电阻小、切换快的模拟开关 使用频带宽、压摆率低的放大器做输入/出换从放大器,孔径误差：孔径时间的存在，延迟了采样时间。使采样值非采样指令下达时刻的对应值。因此带来孔径误差。,最大孔径误差等于tAP时间内输入信号的最大时间变化率与tAP的乘积，即,如果具有恒定的孔径时间，可采取措施消除其影响：若把保持指令比预定时刻提前tAP时间发出，则电路的实际输出值就是预定时刻输入信号的瞬时值。 由于开关的截止时间在连续多次切换时存在某种涨落现象，以及电路中各种因素的影响，使tAP存在一定的不确定性，这种现象称孔径抖动或称孔径时间不定性。,设置采样保持器原则,A/D转换器把模拟量转换成数字量需要一定的转换时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量应基本维持不变。 假设待转换的信号为Ui=Umcost，这一信号的最大变化率为,假设信号的正负峰值正好达到ADC的正负满量程，而ADC的位数为m，则ADC最低有效位LSB代表的量化电平(量化单位)q为,如果ADC的转换时间为tC，为保证1LSB的转换精度，在转换时间tC内，被转化信号的最大变化量不应超过一个量化单位q，即,则不加采样保持器时，待转换信号允许的最高频率为,由此可见，除了被转换信号是直流电压或变化极其缓慢即满足上式，可以用ADC直接转换不必在ADC前加设S/H外，凡是频率不低于由上式确定的fmax的被转换信号，都必须设置采样保持器把采样幅值保持下来。,在ADC之前加设S/H后，没有因A/D转换期间被转换信号变化而出现误差，由于孔径时间tAP的存在，会出现孔径误差，最大孔径误差为,数据采集系统中，要求最大孔径误差不超过q，则由此限定的被转换信号的最高频率为,由于S/H的孔径时间tAP远远小于ADC的转换时间tC，因此在ADC前加设S/H后大大扩展了被转换信号频率的允许范围。,多路测量通道的串音问题,多通道测量系统中，经常会使用多选一开关或多路采样开关。负载上不只出现被接通的那一道信号，其他被关断的各路信号同时出现在负载上。对本来是惟一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为道间串音干扰，简称串音。 道间串音干扰的产生主要是由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。,上图中假设各信号源内阻Ri及电压Vi均相同，各开关断开电阻Roff均相同，其余(N-1)道被关断的信号因Roff而在