第三章信号调理与转换

第三章信号调理与转换AdvancedMeasuring&TestinginMechanicalEngineering现代工程测试与数据处理王书茂工学院机电工程系电话：62736385Email:wangshumao@§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回ξ2-1概述

模拟输入/输出数字输入/输出时钟输入/输出ADCDACcntr/timerdigitalDAQBoardOnOff1-0计算机的数据采集§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出1.数据采集2.信号分类3.模拟信号结束返回onofft信号分类根据信号所传递的信息进行分类状态速率幅值曲线信号模拟信号数字信号开关信号动态信号脉冲信号静态信号1-0-t0.985tt1.数据采集2.信号分类3.模拟信号§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回试验信号确定性信号随机信号周期信号非周期信号简谐信号复杂周期信号准周期信号瞬态信号各态历经非各态历经二、模拟信号的分类1.数据采集2.信号分类3.模拟信号§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回ξ2-2模拟输入通道一、基本类型与组织结构StraingaugeBattery传感器模拟信号模拟信号调理模数转换（A/D）计算机模拟信号静态信号动态信号§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出1.基本类型2.传感器选用结束返回1、传感器：将非电量信号转变成电信号；2、信号调理：对信号进行放大、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；3、模数转换：将模拟信号转换成数字信号；4、计算机：对所接收的数字信号进行处理、计算、及对外控制等。概念1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回集中采集式（集中式）传感器信号调理模拟多路切换器采样/保持器A/D转换器控制逻辑计算机传感器信号调理传感器信号调理1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回传感器信号调理模拟多路切换器A/D转换器控制逻辑计算机采样/保持器采样/保持器传感器信号调理采样/保持器1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回分散采集式（分布式）传感器信号调理A/D转换器控制逻辑计算机采样/保持器传感器信号调理采样/保持器传感器信号调理采样/保持器A/D转换器A/D转换器1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回多通道采集采集模式通道设置扫描顺序增益范围单端/差分输入单极/双极Straingauge1Straingauge2Battery1Battery2TempPressureDemo连续扫描同步采样间隔扫描1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回二、传感器的选用（一）、技术要求

1、能将被测量转换为电量，并保持被测量的特性不变；2、转换精度符合要求，一般为总测量精度的十倍左右；3、能满足被测介质和使用环境的特殊要求，其本身也具有优良特性；4、能满足用户对可靠性和可维护性的要求。1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回（二）、可用的传感器类型1、大信号输出传感器，可直接与A/D配套使用，例如磁电式位移、速度传感器；2、数字式传感器，一般为开关量或频率参量，例如接近开关、流量计、转速传感器等；3、集成传感器，传感器与信号条理电路一体化，例如荷重传感器、扭矩传感器等；4、光纤传感器，信号的拾取、变换、传输全部通过光导纤维来实现。1.基本类型2.传感器选用§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回1、前置放大功能：由于传感器转换的电信号非常微弱，传输过程中易于受干扰，所以首先进行放大，然后再进行传输和滤波等其他环节。2、滤波功能：滤波的目的是将非测量频率段的干扰信号电平极大衰减，从而保证较大的信噪比。ξ2-3信号的调理一、信号调理的任务§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出1.调理任务2.滤波器3.模拟信号调理结束返回二、滤波器1.调理任务2.滤波器3.模拟信号调理§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回三、模拟信号调理低电压信号电流输入/输出热敏电阻热电偶应变片隔离放大噪声滤波电流与电压的转换;隔离，放大，噪声滤波隔离，放大，噪声滤波冷端补偿激励电源隔离，放大，噪声滤波激励电压，电桥电路隔离，放大，噪声滤波数据采集A/DDemo±5V,or±10V,or0~10V1.调理任务2.滤波器3.模拟信号调理§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回前端信号调理模块1.调理任务2.滤波器3.模拟信号调理§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回ξ2-4A/D转换D/A转换器数码设定器电压比较器控制器外部电压输入转换数据输出例：8位A/D转换器，模拟输入电压Ui=163mv，求转换数据。逼近过程：采用2i

mv（I=7,6,5,4,3,2,1,0）8个标准电压依次类加法数码设定器设定（mv）：设定比较电压（mv）：与输入电压比较结果：转换数据输出值：27128<2727+26192>27+0

27+0

+25160<27+25

27+25+24176>27+251、转换原理-----------渐次逼近法§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板结束返回设定:比较：比较结果转换数据27+25+23168>27+2527+25+22164>27+2527+25+21162<27+25+21

27+25+21+20163=27+25+21+20

比较结果：转换电压为27+25+21+20=163

用二进制表示为：10100011用十六进制表以为：A3H测量转换范围：8位0~255，如果A/D电压输入0~255mv范围，可对应。但A/D芯片的输入电压范围

为：0~1v，则0对应0，255对应1000mv而A/D板的输入电压范围有多种，如±5v,±10v,0~10v,如何换算？利用电路得分压原理，将外部输入的电压最终分配在A/D芯片上仍为0~1V则对于±5v：0对应–5v,255对应+5v

±10v：0对应–10v,255对应+10v0~10v：0对应0v,255对应+10v1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回2、A/D转换位数与分辨率分辨率：所能分辨的最小电压值

=AD板的输入范围增益*2nn------A/D转换的位数

AmplitudecodewidthTime02010012014040608010.009.757.506.255.003.752.501.250111110101100011010001000例：8位A/D板±5v输入

分辨率=101*28

12位A/D板0~10v输入

分辨率=101*212位数：

A/D转换最高有效二进制码的位数

分辨率1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回3、A/D转换时间与转换频率转换时间：完成一次A/D转换所需要的时间。

由硬件决定，与位数有关，逐次比较型与信号大小无关目前主流产品：

A/D625芯片，转换时间10μs转换频率：每秒钟所能完成的转换次数如：如果转换时间为10μs，则转换频率为：100K软件采样频率：<转换频率，原因是采样程序占用一定时间

如：采样前的条件设置，采样后的数据存储等1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回4、触发外触发（TTL信号）STARTTRIG*InputofMIOBoardEdgeInitiatesAcquisitionLevelandSlopeofAnalogSignalInitiatesAcquisition硬件触发(定时器)信号触发Demo1-0Gate1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回5、延迟零延迟负延迟正延迟Demo触发时刻采样开始时刻触发时刻采样开始时刻触发时刻采样开始时刻ttt1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回实时系统集成总线RTSI

Real-TimeSystemsIntegrationBusRTSI在板卡之间连接时钟和触发信号完成数据采集的同步操作在DSP卡串行传输数据1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回五、A/D板主要性能指标------举例A/D12bit，单通道100K/多通道100K除N，32单/16双CH，输入范围：0～5V、0～10V、±5VPCI-8310.doc1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回多功能A/D板主要性能指标A/D12bit，32（单）/16（双）CH；0～10V、±5V输入；程控增益1～128倍（8档）；A/D转换速率100KHz；D/A12bit，6CH；电压输出0～5V、1～5V、0～10V、±5V、±10V；电流输出0～10mA，4～20mA；D/A建立时间1.5us。DI8CH；DO8CH；TTL电平。可配接PS-003接线端子板。详见说明书1.转换原理2.位数与分辨率3.转换时间频率4.触发外延5.延迟6.A/D板§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回ξ2-5模拟输出通道D/A转换的用途：由微机输出连续的电信号，以控制执行对象。

例如：变频器的控制信号为0~10V

可控轨的控制信号也为：0~10V§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出1.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能结束返回一、基本结构1.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回1.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回二、D/A转换原理T型解码网络原理图2R2R2RI—2节点I—21.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回2R2R2R2R2RRbR2RVrefT型解码网络原理图2R2R2RUacdR节点I—4I—2I—21.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回2R2R2R2R2RRbR2RVrefT型解码网络原理图2R2R2RUacdR节点I—8I—2I—21.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回三、一阶保持与零阶保持1.简介2.基本结构3.D/A转换原理4.一阶保持5.D/A板性能§3.1概述§3.2模拟输入§3.3信号调理§3.4A/D转换§3.5模拟输出结束返回四、D/A板主要性能指标D/A8bit，4CH独立D/A；