智能仪器-2-数据采集

1、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（Data Acquisition System），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

2、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

3、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构分布式单机数据采集系统结构微微处处理理器器2. 2. 分布式数据采集系统的

4、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

5、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

6、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对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量测量，例如测量温度的传感

7、器就有：热电，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。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，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。尽可能选择性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

8、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信号修正与变换换滤波滤波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R R、L L、C C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。具有测量精

9、度高、抗干扰能力强、便于远距离传送具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。等优点。 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。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放例如，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。大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简化通道感器可以减轻输入通道

10、的信号调理任务，简化通道结构。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。可以从纤维实现的，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。根本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。放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”, ,即设置在调理即设置在调理电路的最前端？电路的最前端

11、？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？KVVONIN/2200)()(KVKKVVININON前置放大器前置放大器K0VISVIN0VIN后级电路后级电路K VON放大器噪声分析放大器噪声分析 总的等效输出噪声：总的等效输出噪声：总的等效输入噪声：总的等效输入噪声：20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ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V

12、INVIN，为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前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，端加入的电路必须是放大器，即即K K0 01 1，而且而且必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输必须是低噪声的，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。入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。因此，因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器。放大器。两种调理电路的对比两种调理电路的对比 21202120)()(KVVKVKVVINININININ21202021)()(INININININVVKKVKVV（a）（b）由于由于

13、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。ININVV 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、仪表放大器仪用放大器上下对称，即图中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：。则放大器闭环增益为：假设假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为，即第二级运算放大器增益为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

14、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：AD620451/)/21 (RRRRAGf)/21 (1GfRRA (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，常采用可变增益放大器。可变增益放大器。 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自动控制动控制。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，称为程控程

15、控放大器放大器。 (三三)、隔离放大器、隔离放大器隔离放大器是指一种将隔离放大器是指一种将输入、输出和电源输入、输出和电源在在电电流和电阻上进行隔离流和电阻上进行隔离，使之，使之没有直接耦合没有直接耦合的测的测量放大器。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； 三口隔离三口隔离：信号输入部分、输出部分、功率：信号输入部分、输出部分、功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

16、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

17、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线理想直线间的间的偏差偏差。实际设计时，须选择。实际设计时，须选择非线性非线性偏差小偏差小的放大器。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：150 V/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

18、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每变化电源电压每变化1%，所导致的放大，所导致的放大器器输出电压值的漂移输出电压值的漂移。该指标是智能仪。该指标是智能仪器电源设计的参考参数之一。器电源设计的参考参数之一。v共模抑制比共模抑制比-CMRR指指运算放大器的差模电压增益与共模电运算放大器的差模电压增益与共模电压增益之比，单位压增益之比，单位dB。comdefAA20L

19、OGCMRR 课后习题课后习题2-5：输入信号终止值改为输入信号终止值改为10mv，初始增益改，初始增益改为为1024，要求画出详细电路原理图，要求画出详细电路原理图课后补充习题：课后补充习题：以以CAT5113数字电位器、运放数字电位器、运放OP07为基为基础，构建放大倍数可调的同相放大电路，础，构建放大倍数可调的同相放大电路，计算其可实现的增益范围，并画出详细电计算其可实现的增益范围，并画出详细电路原理图路原理图分析分析P1口从口从0000B递增至递增至1001B时，放大电路时，放大电路的增益变化？的增益变化？课后补充习题：课后补充习题：根据上图计算该程控放大电路可实现的增根据上图计算该程

20、控放大电路可实现的增益范围益范围?v实际运放选型参数示例实际运放选型参数示例第3节 传统A/D转换器及接口技术vADC的基本概念的基本概念v典型技术指标典型技术指标v比较型比较型ADC的转换原理的转换原理（自学）（自学）v积分型积分型ADC的转换原理的转换原理（自学）（自学）vV/F型型ADC的转换原理的转换原理（自学）（自学）v典型芯片接口设计（典型芯片接口设计（AD574,MAX187）一、ADC的基本概念vADC（A/D）是实现模拟量到数字量转换的器件。v量化过程：用标准模拟单位Q去度量某个待测模拟量Vi有多少个标准模拟单位，并将结果以二进制形式显示。v实例：以小杯衡量大杯的水量，结论可

21、知大杯中的水可盛满多少小杯，若已知小杯容量，则可推知大杯中的水量，且小杯越小推测越准。（一）ADC的量化特性最大量化最大量化误差为误差为Q/2最大量化最大量化误差为误差为Q（二）ADC的理想传输函数QVnn*B22QVVQVninVn量化结果所对应的模拟量量化结果所对应的模拟量Bn量化结果所对应的数字量量化结果所对应的数字量Q 量化单位量化单位二、典型技术指标v位数转换结果的二进制位数nv参考电压Vref转换所参考的基准电压v分辨率取决于参考电压和位数，=Vref/2nv输入信号范围能够正确转换的信号范围v转换速度完成一次转换所耗时间v输出接口数字量的输出形式v供电电源正常工作所需要的电源支持

22、v功耗正常工作时所消耗的电功率AD574与MAX187参数对比AD574MAX187位数位数8位或位或12位位12位位参考电压参考电压内建内建10V或外接或外接内建内建4.096V输入信号范围输入信号范围(V)-1010或或02004.096转换速度转换速度(s)25（无（无S/H）10（有（有S/H）输出接口输出接口并行并行8位或位或12位位串行串行12位位供电电源（供电电源（V）11.416.54.755.25功耗（功耗（mW）390 7.5三、AD574接口技术v管脚定义v模拟信号输入接口v真值表v时序图v微处理器接口v实例16通道数据巡检系统（一）、AD574管脚定义（二）AD574模

23、拟信号输入接口-1（二）AD574模拟信号输入接口-2（三）AD574控制逻辑真值表（四）AD574控制逻辑时序图（五）AD574与8031接口电路课堂作业v试确定教材32页图2-26的启动转换地址？v试确定该图的高低位结果数据的读地址？vAD7506导通电阻300欧姆；vAD7506典型功耗1000mW；LF398vCh=0.0010.01Fv0-保持；1-采样v输入阻抗1010欧姆v输出阻抗6欧姆v功耗：1.5mW峰值保持电路1234ABCD4321DCBATitleNumberRevisionSizeA4Date:9-Sep-2010 Sheet of File:D:盐城工学院求职智能仪

24、器教案MyDesign1.ddbDrawn By:P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RESET9P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4(T0)14P3.5(T1)15P3.6(WR)16P3.7(RD)17X118X219GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PG30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40U?AT89C

25、51OC11Q21D32D42Q53Q63D74D84Q9GND10G115Q125D136D146Q157Q167D178D188Q19VCC20U?74LS373S119S220S321S422S523S624S725S826S911S1010S119S128S137S146S155S164OUT28VDD1GND12VSS27A017A116A215A314EN18NC13U?AD7506INPUT1INPUT1INPUT1INPUT1INPUT1INPUT6INPUT7INPUT8INPUT9INPUT10INPUT11INPUT12INPUT13INPUT14INPUT15INPUT

26、16V5 LOGIC112/82CS3A04R/C5CE6+Vs7REFOUT8AGND9REFIN10-Vs11BIPOFF1210V IN1320V IN14DGND15D016D117D218D319D420D521D622D723D824D925D1026D1127STATUS28U?MX574U?NANDDGNDDGNDDGNDIN3V+1Offset2V-4OUT5Ch6Lref7S/H8U?LF398S?C?ChDGND+15V+15V+5V+5V+5V-15V-15V-15V+15V+5VDGNDDGNDR?24KR?1KAGNDDAS设计实例课后作业v试根据图2-44及教材P

27、51页的程序，估算该系统全部完成16通道采集所需的时间？AD574的采样周期按25微秒计。课后思考题v图2-44中，采样保持器LF398的输出与AD574之间的输入管脚间存在一手动开关，如需进一步提高自动化程度，可采用单刀双掷模拟开关MAX4051来程控实现，请构思MAX4544的程序控制流程，即如何根据输入信号的幅值来自动切换至相应的输入管脚？所用所用SCLK为为4MHz，最大可为最大可为5MHz课后作业v根据AT89C2051与MAX187构成的数据采集系统，编写汇编程序，完成MAX187的采样控制及数据读写，并完成数据拼装。v AT89C2051与INTEL8051指令完全兼容第5节 数

28、据采集系统设计v设计DAS需考虑的主要问题vMCU的选择vOP的选择vA/D的选择vS/H的选择vMUX的选择（一）设计DAS需考虑的主要问题v系统的整体精度要求（性能）v系统的整体速度要求（性能）v系统的整体功耗要求（性能）v系统的整体成本要求（价格）v系统的整体尺寸要求（环境）v例：某电感传感器的测量范围为1mm，线性输出信号的范围为10mV，据此设计单通道DAS，并要求位移分辨率为1m，结果刷新速度每秒1000次。v分析：双极性信号，原信号动态范围小，需要OP?单通道DAS，无需MUX?低速传感器，信号缓变，需要S/H?（二）主要器件选型vMCU的选择I/O资源、主频、封装vOP的选择输入信号极性、放大倍数vA/D的选择分辨率、信号范围、I/O资源vS/H的选择信号的频宽vMUX的选择通道数的要求在满足上述条件的前提下，考虑成本、体积、环境在满足上述条件的前提下，考虑成本、体积、环境（三）A/D器件的选型vA/D位数n102121FSnVQ系统精度指标系统精度指标 的的10倍原则倍原则Q/2:量化误差；量化误差；VFS：满量程：满