数据采集系统第PPT学习教案

1、会计学1数据采集系统第数据采集系统第7.1.1 常用电工测量仪表的分类7.1.2 测量误差和仪表准确度7.1.3 电流、电压、功率和电能的测量第1页/共73页电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟 式仪表和数字式仪表。比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电桥）是将被测量和已知的标准量进行比较，从而确定被测量的数值。第2页/共73页表表7.1.1 7.1.1 电工测量仪表上的几种符号及其意义电工测量仪表上的几种符号及其意义符号意义符号意义-直流仪表 2 或2kV绝缘强度实验电压2kV交流仪表或仪表直立放置 _ 交直流仪表或仪表水平放置1

2、.5 或1.5准确度等级1.5级B C工作环境等级 1 1 1 工作环境等级分工作环境等级分A、B、C三组，其中三组，其中A组（温度组（温度0 +40,相对湿度相对湿度8080% %以下）不在面板上标出；以下）不在面板上标出；B温度温度-20+50，相对湿度相对湿度85 %以下；以下；C温度温度-40+60，相对湿度相对湿度98 %以下。以下。第3页/共73页 在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被测量的实际值之间总要存在一定的误差。误差的表示方法主要有绝对误差绝对误差和相对误差：相对误差： 绝对误差绝对误差是指仪表的指示值Ax与被测量实际值A0之间的差值，即 A = Ax-A0 = AA

3、0100%相对误差相对误差是指绝对误差 A与被测量的实际值A0之间的差值，即第4页/共73页 仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来分级的，即：Am相对额定误差：m=Am100% 目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如表7.1.2所示五个等级。5.0表7.1.2 各级仪表的最大基本误差仪表的准确度等级仪表的准确度等级基本误差基本误差% %0.10.10.20.20.50.51.01.01.51.52.52.55.0第5页/共73页1. 电流和电压的测量电流和电压的测量测量直流电流常用磁电式电流表测量直流电压常用磁电式电压表圆柱型铁心FF磁电式仪表的结构示意第6页/共73页 测量交流电流常用

4、电磁式电流表，测量交流电压常用电磁电压表。 电磁式仪表常采用推斥式结构。可动铁片固定铁片固定线圈电磁式仪表结构示意第7页/共73页2. 2. 功率和电能的测量功率和电能的测量 功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。固定线圈固定线圈可动线圈FF电动式仪表结构示意i2ii1*+-u功率计接线负载第8页/共73页感应式电度表结构第9页/共73页 非电量电测法非电量电测法非非电电量量信信号号 传感器传感器信号处信号处理理A/D转换转换 模拟显示模拟显示数字显示数字显示计算机计算机原理框图第10页/共73页 数据采集系统的组成数据采集系统的组成 传感器1模拟信号

5、1滤波放大1 S/H 1 传感器2模拟信号2滤波放大2 S/H 2 传感器n模拟信号n滤波放大n S/H nA/D微机系统多路转换开关原理框图第11页/共73页第12页/共73页几种常用传感器介绍第13页/共73页kllRRRRUUs4第14页/共73页第15页/共73页电极电极加热器加热器瓷绝缘管瓷绝缘管旁热式气敏器件结构及符号旁热式气敏器件结构及符号SnO2烧结体烧结体123456（a）结构）结构（b）符号）符号220VBZ 氖管氖管家用可燃性气体报警器电路家用可燃性气体报警器电路气敏传感器气敏传感器蜂鸣器蜂鸣器BR第16页/共73页o 霍尔传感器是将霍尔元件、放大器、温度补霍尔传感器是将

6、霍尔元件、放大器、温度补偿器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于偿器及稳压电路集成在一个芯片上，它基于霍尔磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化霍尔磁效应，可以将磁场磁通量的变化转化成为线性的电压信号输出。成为线性的电压信号输出。o 用霍尔元件可以制成霍尔电流传感器、霍尔用霍尔元件可以制成霍尔电流传感器、霍尔电压传感器及霍尔功率传感器电压传感器及霍尔功率传感器o 另外，霍尔元件可用于位置及位移检测，转另外，霍尔元件可用于位置及位移检测，转速、转角及移动速度检测等。速、转角及移动速度检测等。第17页/共73页电梯智能称重变送装置电梯智能称重变送装置 第18页/共73页 7.4.1 7.4.1 有源滤波

7、电路有源滤波电路7.4.2 7.4.2 测量放大电路测量放大电路第19页/共73页1.低通有源滤波电路低通有源滤波电路RCRfR1uiRC滤波环节滤波环节同相输入比例同相输入比例放大电路放大电路负反馈网络负反馈网络一阶低通有源滤波电路一阶低通有源滤波电路第20页/共73页= (1+ RfR1)1+ jRCUi.=Af1 + j c11 + ( c)2=Af arctancH(j)=Ui.UO.H(j)1 + ( c)2=Af arctan（c （ ） =）幅频特性相频特性UO.= (1+ RfR1)R - jC1- jC1Ui.=Af1 + j cUi.第21页/共73页H(j)1 + ( c

8、)2=Af 0.707Af0c H(j ) )(00 -4-2 arctan（c （ ） =）幅频特性相频特性第22页/共73页2. 高通滤波电路高通滤波电路RCRfR1uiUO.= (1+ RfR1)R + jC1Ui.RR + jC1Ui.R=Af1 - jUi.=Afc一阶高通滤波电路第23页/共73页=Af1 - j c1H(j)=Ui.UO.H(j)1 + ( c)2=Af arctan（c （ ）=）0.707Af0c H(j) )(0c 42第24页/共73页测量放大电路的作用测量放大电路的作用 将传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。对测量放大电路的要求对测量放大

9、电路的要求 输入电阻高、躁声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。第25页/共73页 1. 用集成运放组成的测量放大电路用集成运放组成的测量放大电路ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iP 同相 输入 同相 输入第26页/共73页ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPiP=ui1ui2RP=ui1ui2Aduo=R3R2（1+2R1RP）uo2uo1=（R1+RPR1+） iP=（1+2R1RP）（ui2ui1）uo=R3R2uo2uo1（1+2R1RP）（ui2ui1）=R3R2）

10、第27页/共73页2. 集成测量放大电路芯片在要求较高场合采用。具有外接元件少，无需精密匹配电阻，结构简单，抗干扰能力强等优点。IN+IN-+-UiRSU Uo oU-U+RG10K100KAD5217121310846115142913GSiodRRUUARG取不同值，Ad:0.11000第28页/共73页3 隔离放大器+UC2+UC1UoUiI2I3I1CR3R2R1V2V1+-+)()(123112IgIIgI231112232233)()(RRIgIgRRIRIRUUAio第29页/共73页 7.5.1 7.5.1 模拟开关模拟开关7.5.2 7.5.2 取样取样- -保持（保持（S/

11、HS/H）电路）电路第30页/共73页 模拟开关用于传输模拟信号，它主要由控制模拟开关用于传输模拟信号，它主要由控制电路和开关电路两部分组成。电路和开关电路两部分组成。构成方式：双极型晶体管电路构成方式：双极型晶体管电路MOS场效应晶体管场效应晶体管 主要介绍由主要介绍由CMOS传输门构成的模拟开关和传输门构成的模拟开关和集成多路模拟开关。集成多路模拟开关。第31页/共73页UiUoCPCPUDDT1T2电路电路CPUoUiCPTG图形符号图形符号CP=1，Uo=Ui；CP=0，高阻，Ui无法传输到UoCMOS传输门第32页/共73页模拟开关UoUiTG1DDUiUo电路电路图形符号图形符号当

12、D=1，开关闭合，Uo=Ui；D=0，开关断开第33页/共73页 CC4051模拟开关模拟开关CBA30UDD123456781615141312111091246COMMON75INHUEEUSSCC4051ABCINH电平转换电路译译 码码 电电 路路12345670输出输出COMMON第34页/共73页 CC4051功能表功能表地址输入输出通道INHABCCOMMON100000000-00000101001110010111011101234567第35页/共73页uoA2CuiA1uc（t）（t）（t） 输入缓冲输入缓冲 放大器放大器模拟开关模拟开关保持电容保持电容 输出缓冲输出缓冲

13、 放大器放大器第36页/共73页采样采样- -保持电路波形图保持电路波形图采采样样采采样样采采样样保保持持保保持持uiucuo（t）（t）（t）ttt第37页/共73页第38页/共73页 7.6.1 T 7.6.1 T型电阻网络型电阻网络D/AD/A转换器转换器7.6.2 7.6.2 集成集成D/AD/A转换器举例转换器举例第39页/共73页RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO8ABCDIo1Io2基准电源基准电源模拟开关模拟开关并行数字输入并行数字输入D=0， S 接地；接地；D=1， S 接接“虚地虚地”。第40页/共73页梯形电阻网

14、络梯形电阻网络A A、B B、C C、D D任意一点，任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于其右边的电阻网络等效电阻均等于R R 。RUIREF34322II24222II14122II04022II)2222(20011223341DDDDIIout)2222(2)2222(20011223340011223341DDDDRRUDDDDIRIRUfREFfoutfo)2.22(2002211DDDRRUUnnnnnfREFo第41页/共73页 D/A的主要技术参数的主要技术参数 分分 辨辨 率率: : 是指最小输出电压（是指最小输出电压（ 对应的输入二进制数为对应的输入二进制数为1 1 ）

15、与最大）与最大输出电压输出电压( (对应的输入二进制数的所有位全为对应的输入二进制数的所有位全为1 1) )之比。之比。 分辨率分辨率= =1/（2n-1）例如十位数模转换器的分辨率为：例如十位数模转换器的分辨率为：1210-10.001 转换精度转换精度：表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。 转换速度转换速度：从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。第42页/共73页 CC7520 D/A转换器转换器 CC7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器，其结构简单，通用性

16、好。片内只含倒T型电阻网络、电子开关和反馈电阻RF，应用时外部要接参考电压源和运算放大器。Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF12345678161514131211109 CC7520 7520 外部引脚图外部引脚图引脚功能引脚功能 Iout1、Iout2：电流输出端电流输出端GND：接地端接地端D9D0：数字信号输入端：数字信号输入端UDD：电源输入端，电源输入端，5 10VUREF：基准电源，基准电源，10V +10VRF：反馈信号输入端：反馈信号输入端第43页/共73页 CC7520 D/A转换器应用电路转换器应用电路1234161514

17、1312CC7520D0D1D9UREFUDD+_U0UO= (D9 29+D8 28+D121+D020) UREF 210 第44页/共73页 程控三角波程控三角波/ /方波发生器方波发生器D8D7D0+_U01123416151413CC752056D9_+UREF+15VU02A1A2CR1R210kUO2UO110091281922224 DDDDRCT第45页/共73页概述概述 7.7.1 7.7.1 逐次逼近型逐次逼近型A/DA/D转换器转换器* *7.7.2 7.7.2 双积分型双积分型A/DA/D转换器转换器第46页/共73页 A/D 转换器的作用是将输入的模拟电压数字化。直

18、接转换器：逐次逼近型、并联比较型等间接转换器：单积分型、双积分型等 第47页/共73页电电压压比比较较器器n位位D/A 转换器转换器逐次逼逐次逼近寄存近寄存器器节节拍拍脉脉冲冲发发生生器器输输 出出 寄存器寄存器基准电源基准电源第48页/共73页四位D/A转换器1DQCDQCDQCDQC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比较器节拍脉冲发生器时钟脉冲数码寄存器d3d2d1d0逐次比较寄存器U0U+U+JKU0= (d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C401000UR=8VU0=4V100

19、00010111011U0=5VU0=6V01U0=5.5V四位逐次逼近型A/D转换器D/A第49页/共73页顺序顺序d3 d2 d1 d0UA/V比较比较该位该位1 1的去留的去留11 1 0 0 0 0 0 04UAUI1 1 0 0 1 1 0 035UAUI1 1 0 0 1 1 1 145.5UAUI留留去去留留留留UA逼近逼近UI的波形的波形四位逐次逼近型四位逐次逼近型ADC的转换过程的转换过程UA逼近逼近U1的波形的波形5.52O512346UA/V2341脉冲顺序第50页/共73页集成集成A/D芯片芯片ADC0801各管脚功能各管脚功能：D0 D7：八位数字信号输出端：八位数字

20、信号输出端UCC：电源端，电源端， UCC =5VDGND：数字地端数字地端AGND：模拟地端模拟地端CS：片选信号，低电平有效：片选信号，低电平有效RD：读出端，：读出端，低电平有效低电平有效WD：写入端，：写入端，低电平有效低电平有效CLKIN：外部时钟脉冲输入端：外部时钟脉冲输入端CLKR：内部时钟脉冲端：内部时钟脉冲端INTR：输出控制端：输出控制端 UIN(+)、UIN(-)：模拟量：模拟量输输入入端端ADC0801ADC0801外引脚图外引脚图第51页/共73页第52页/共73页 双积分型A/D转换器属于电压时间变换的间接A/D转换器。 基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 Ui

21、和参考电压UR 通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔，再变换成正比于输入模拟信号的数字量。第53页/共73页UiURABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2双积分型A/D转换器原理图第54页/共73页URUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2CPuottt000UPT1T2Dout 1. 定时采样阶段：定时采样阶段： S1合向A侧，从0开始对Ui积分。dtURCutio01第55页/共73页URUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出数

22、字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2CPuottt000UPT1T2Dout t=T1 时， S1合向B侧，停止采样。 t=t1积分器输出为UP =-RCT1Ui=-RCTCUi2n第56页/共73页URUiABS1RS2Cuo积分器比较器CP数字量输出数字量输出_+计数器控制逻辑电路_+&脉冲发生器+A1A2CPuottt000UPT1T2Dout 2. 比较读数阶段：比较读数阶段： t T1时，时，积分器的输出电压UPuo =-RC1（U R）tT1dtDout =2nU RUi第57页/共73页模数转换器的主要技术指标模数转换器的主要技术指标分分 辨辨 率率 以输出二

23、进制的位数表示分辨率以输出二进制的位数表示分辨率。位数越多,误差越小,转换精度越高。转换速度转换速度 它是指完成一次转换所需的时间。它是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。相对精度相对精度 它是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差它是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。第58页/共73页第59页/共73页第60页/共73页温度测量系统原理框图：温度信号1温度信号2信号采集电路模拟开关放大滤波电路A/D转换电路数码显示电路计算机系统说明说明：一般A/D转换后的数字信号直接送给计算

24、机系统处理、显示、传输、打印和实现各种控制功能。本例中，用数码显示电路替代微机。第61页/共73页5VAD590R12k35.7k9k35.7k2k1k3 3C 0.1F+5VS1-S3R3R2R4R2R3R42k2k9k+_A0OP077.2kUx84AD584115VUR+10VR1测温系统电路图测温系统电路图1COMMANCC4051INHABC01 基基准准电电源源模拟模拟开关开关 信信号号采采集集 放大滤放大滤 波电路波电路第62页/共73页123CC1403UREFEOCDUUAGUx+5VRD20k2VUxR1C1C01C02R1/C10.1F0.1F470kCLKICLKO30

25、0kABCDLTLEBICC4511+5V-5VORQ0Q1Q2Q3USSUDD R7 71001007 7ROPRM20021513141216+5V912345CC14138DS4DS3DS2DS1测温系统电路图测温系统电路图2CC14433 A/D转换转换器器位选择位选择 驱动器驱动器 译码器译码器第63页/共73页o温度传感器AD590，二端式集成温度电流传感器。o测温范围：55150，精度0.3o使用直流电源范围4V30Vo线性电流输出：1A/K注意：AD590测量的是热力学温度K。 K=。C+273.21.信号采集电路信号采集电路第64页/共73页o采用八选一多路模拟开关CC405

26、1,可巡回监测8路被测温度信号o通过开关S1、S2、S3控制CC4051地址输入端A、B、C的电平，以选择通道。本系统以2路被测温度信号为例。2.模拟开关模拟开关第65页/共73页7.2kR1R235.7k2kR3R42k9kUx5V10VI1I2ITAD5903. 放大电路放大电路由图可知：由图可知：21IIIT2121110RRRRUIR4320RRUIx432110RRUIRRxT)(10(4321RRRRIUTx调调R20.9k，R3=1k, ,361010)102 .273(TxIU00时，时，IT=273.210-6A,Ux=0;故故温度升高温度升高1，Ux增加增加10mV。第66页/共73