智能儀器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、第二章第二章 智能儀器的輸入輸出接口智能儀器的輸入輸出接口技術(shù)及其應(yīng)用技術(shù)及其應(yīng)用 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)調(diào)理A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器 2.1 2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Data Acquisition System），簡(jiǎn)稱），簡(jiǎn)稱DASDAS是，指將是，指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行取樣、量溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行取樣、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的裝置。理、顯示或打印的裝置。傳感器傳感器模擬信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路微機(jī)系統(tǒng)微機(jī)系統(tǒng)圖圖2.1 數(shù)據(jù)采集系

2、統(tǒng)的基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理同時(shí)測(cè)量多種物理量或同一種物理量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。量的多個(gè)測(cè)量點(diǎn)。 多路模擬輸入通道可分為多路模擬輸入通道可分為兩大類型兩大類型： 集中式采集集中式采集 分布式采集分布式采集 一、多路模擬信號(hào)集中采集式一、多路模擬信號(hào)集中采集式 1. 1. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理模模擬擬多多路路開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)A/ /D計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控制邏輯控制邏輯S/HS/H多路共用采集電路分時(shí)采集多路共用采

3、集電路分時(shí)采集2. 2. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二傳感器傳感器1傳感器傳感器2傳感器傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理調(diào)理S/HS/H模模擬擬多多路路開(kāi)開(kāi)關(guān)關(guān)S/HA/ /D計(jì)計(jì)算算機(jī)機(jī)控制邏輯控制邏輯多路同步取樣共用多路同步取樣共用A/DA/D分時(shí)采集分時(shí)采集3. 3. 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之三集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之三多通道同步采樣多通道同步采樣A/D，分時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，分時(shí)傳輸數(shù)據(jù)多通道獨(dú)立取樣多通道獨(dú)立取樣A/D，有通道緩存，有通道緩存通信接口通信接口上位機(jī)上位機(jī)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站1數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站采集站3數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集站

4、采集站N模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)二、分布式采集二、分布式采集請(qǐng)總結(jié)每種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)！采集系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理采集系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理（Signal ConditioningSignal Conditioning）的任務(wù)：的任務(wù)：實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、實(shí)現(xiàn)非電量信號(hào)向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、小信號(hào)放大、濾波；濾波；零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正零點(diǎn)校正、線性化處理、溫度補(bǔ)償、誤差修正和量程切換等。和量程切換等。傳感傳感器器前置前置放大放大濾濾波波程控程控放大放大濾濾波波采集采集電路電路 典型模擬調(diào)理電路的組成框圖典型模擬調(diào)理電路的

5、組成框圖 傳感器是信號(hào)輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是傳感器是信號(hào)輸入通道的第一環(huán)節(jié)，也是決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。決定整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。 正確選用傳感器：正確選用傳感器： 明確所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)明確所設(shè)計(jì)的測(cè)控系統(tǒng)對(duì)傳感器的技術(shù)要求；要求； 了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器傳感器， 自行設(shè)計(jì)傳感器自行設(shè)計(jì)傳感器 三、傳感器的選用三、傳感器的選用將被測(cè)量將被測(cè)量轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換后續(xù)電路可用電量后續(xù)電路可用電量：1.1.轉(zhuǎn)換范圍：轉(zhuǎn)換范圍：與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。與被測(cè)量實(shí)際變化范圍相一致。2.2.轉(zhuǎn)換精度：轉(zhuǎn)換精度：符合整個(gè)測(cè)試

6、系統(tǒng)根據(jù)總精度要求符合整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)；而分配給傳感器的精度指標(biāo)；3.3.轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：轉(zhuǎn)換速度（帶寬）：符合整機(jī)要求；符合整機(jī)要求；4.4.能能滿足滿足被測(cè)介質(zhì)和使用被測(cè)介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求環(huán)境的特殊要求，如耐，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等；5.5.能滿足用戶對(duì)能滿足用戶對(duì)可靠性和可維護(hù)性可靠性和可維護(hù)性的要求。的要求。( (一一) ) 對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求對(duì)傳感器的主要技術(shù)要求對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)量，

7、對(duì)于一種被測(cè)量，常常有多種傳感器可以測(cè)量，例如測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏例如測(cè)量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。在都能滿足測(cè)量范圍、精度、速度、使用等好多種。在都能滿足測(cè)量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡(jiǎn)條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡(jiǎn)單、可靠性等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比單、可靠性等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價(jià)格比高的傳感器。高的傳感器。 ( (二二) ) 選用什么類型傳感器選用什么類型傳感器1. 1. 大信號(hào)

8、輸出傳感器大信號(hào)輸出傳感器 : : 為了與為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開(kāi)始設(shè)計(jì)、制造一些專門(mén)與開(kāi)始設(shè)計(jì)、制造一些專門(mén)與A/D相配套的相配套的大信號(hào)輸出傳感器。大信號(hào)輸出傳感器。 傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器傳感器小信號(hào)放大小信號(hào)放大信號(hào)修正與變換信號(hào)修正與變換濾波濾波A/D微機(jī)微機(jī)微機(jī)微機(jī)I/V轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換V/F光電耦合光電耦合小電流小電流小電壓小電壓大電壓大電壓大電流大電流圖圖3.5 大信號(hào)輸出傳感器的使用大信號(hào)輸出傳感器的使用 2. 2. 數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器：采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以由采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以由敏感參數(shù)敏感參數(shù)R R

9、、L L、C C構(gòu)成的振蕩器，或模擬構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)電壓輸入經(jīng) V/FV/F轉(zhuǎn)換等。轉(zhuǎn)換等。具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于具有測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點(diǎn)。 頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感器的使用頻率量及開(kāi)關(guān)量輸出傳感器的使用 傳感器傳感器放大放大整形整形光電光電隔離隔離計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)傳感器傳感器整形整形光電光電隔離隔離計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)頻率頻率輸出輸出開(kāi)關(guān)量開(kāi)關(guān)量輸出輸出開(kāi)關(guān)量輸入通道開(kāi)關(guān)量輸入通道 集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理集成傳感器是將傳感器與信號(hào)調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等

10、做成一電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。體，構(gòu)成集成壓力傳感器。 采用集成傳感器可以減輕輸入通道的采用集成傳感器可以減輕輸入通道的信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。信號(hào)調(diào)理任務(wù)，簡(jiǎn)化通道結(jié)構(gòu)。 3. 3. 集成傳感器集成傳感器4. 4. 光纖傳感器：光纖傳感器： 這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸這種傳感器其信號(hào)拾取、變換、傳輸都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路都是通過(guò)光導(dǎo)纖維實(shí)現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。系統(tǒng)的電磁干擾。 光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)傳感器引入的干擾。過(guò)傳感器引入的干擾。 四、信號(hào)調(diào)理通道中的常用放大器四、信號(hào)調(diào)理

11、通道中的常用放大器 儀用放大器儀用放大器程控增益放大器程控增益放大器隔離放大器隔離放大器 (一一) 儀用放大器儀用放大器 儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)儀用放大器的基本結(jié)構(gòu) 儀用放大器上下對(duì)稱，即圖中儀用放大器上下對(duì)稱，即圖中R1=R2，R4R6，R5R7。則放大器閉環(huán)增益為：。則放大器閉環(huán)增益為：假設(shè)假設(shè)R4=R5，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為，即第二級(jí)運(yùn)算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻由上式可知，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當(dāng)采用集成儀用放大器時(shí)，集成儀用

12、放大器時(shí)，RG一般為外接電阻。一般為外接電阻。 451/)/21 (RRRRAGf)/21 (1GfRRA 在實(shí)際的設(shè)計(jì)儀用放大電路過(guò)程中，在實(shí)際的設(shè)計(jì)儀用放大電路過(guò)程中，重點(diǎn)考慮以下主要重點(diǎn)考慮以下主要性能指標(biāo)：性能指標(biāo)： 1.非線性度非線性度 2. 溫漂溫漂 3. 建立時(shí)間建立時(shí)間 4. 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間 5. 電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào) 6. 共模抑制比共模抑制比 1. 非線性度非線性度 它是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線它是指放大器實(shí)際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。與理想直線的偏差。VIVO2. 溫漂溫漂 溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程

13、度。度變化而變化的程度。 輸出電壓會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生輸出電壓會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生(150)(150) V/V/變化，這與儀用放大器的增變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。益有關(guān)。 3. 3. 建立時(shí)間建立時(shí)間 指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至儀用放大器輸出電指從階躍信號(hào)驅(qū)動(dòng)瞬間至儀用放大器輸出電 壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。壓達(dá)到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時(shí)間。4. 4. 恢復(fù)時(shí)間恢復(fù)時(shí)間指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和指放大器撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào)瞬間至放大器由飽和 狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時(shí)間。狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時(shí)間。放大器的建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間是由頻帶寬度決放大器的建立時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間是由頻

14、帶寬度決定，直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。定，直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。 放大器增益帶寬積指標(biāo)放大器增益帶寬積指標(biāo)5. 5. 電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào) 指電源電壓每變化指電源電壓每變化1%1%，引起放大器的，引起放大器的漂移電壓值。漂移電壓值。 儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則前置放大器，對(duì)于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。是設(shè)計(jì)系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。 6. 6. 共模抑制比共模抑制比CMRR=20logAdef/Acom 共模電壓存在場(chǎng)合共模電壓存在場(chǎng)合( (二二) ) 程控增益放大器

15、程控增益放大器 程控放大器是常用部件，在許多實(shí)際程控放大器是常用部件，在許多實(shí)際應(yīng)用中，為了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲取合適應(yīng)用中，為了在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變?cè)鲆娣糯笃?。的分辨力，常采用可變?cè)鲆娣糯笃鳌?增益由儀器內(nèi)置計(jì)算機(jī)的程序控制。這增益由儀器內(nèi)置計(jì)算機(jī)的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。大器。 程控放大器原理框圖程控放大器原理框圖 選用導(dǎo)通電阻小的模擬開(kāi)關(guān)、精密電阻。選用導(dǎo)通電阻小的模擬開(kāi)關(guān)、精密電阻。PGA202/204PGA202/204等是增益等是增益1 1、1010、100100、10001000四檔、由兩條四

16、檔、由兩條TTLTTL邏邏輯控制。輯控制。(三三) 隔離放大器隔離放大器隔離模式：隔離模式：兩口隔離：兩口隔離：信號(hào)輸入部分與信號(hào)輸出部分歐姆信號(hào)輸入部分與信號(hào)輸出部分歐姆隔離；隔離；三口隔離三口隔離：信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分、功：信號(hào)輸入部分、信號(hào)輸出部分、功率供給部分彼此歐姆隔離；率供給部分彼此歐姆隔離；三種隔離辦法三種隔離辦法：光隔離、電容隔離、變壓器隔：光隔離、電容隔離、變壓器隔離（電磁）。離（電磁）。應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)用場(chǎng)合:高共模電壓場(chǎng)合：如電力線電流取樣、高共模電壓場(chǎng)合：如電力線電流取樣、強(qiáng)電場(chǎng)中測(cè)量小范圍電壓差；強(qiáng)電場(chǎng)中測(cè)量小范圍電壓差；測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)干擾比較大的微弱模擬信號(hào)，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)干擾

17、比較大的微弱模擬信號(hào)，而對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高而對(duì)信號(hào)的傳遞精度要求又高;多個(gè)系統(tǒng)不能共地多個(gè)系統(tǒng)不能共地.特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 1. 能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，能保護(hù)系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害， 防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。防止高壓對(duì)低壓信號(hào)系統(tǒng)的損壞。2. 2. 泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無(wú)須泄漏電流低，對(duì)于測(cè)量放大器的輸入端無(wú)須 提供偏流返回通路。提供偏流返回通路。3. 3. 共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)共模抑制比高，能對(duì)直流和低頻信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測(cè)量。確、安全的測(cè)量。GF289GF289集成隔離放大器集成隔離放大器GF289GF289典型接法典型接法 五多路開(kāi)關(guān)五多路開(kāi)關(guān)CD405l 組成：組成：邏輯電平轉(zhuǎn)換、邏輯電平轉(zhuǎn)換、二進(jìn)制譯碼器二進(jìn)制譯碼器及及8個(gè)開(kāi)關(guān)電個(gè)開(kāi)關(guān)電路。路。 主要特性：主要特性： 直流供電電源：直流供電電源：VDD+5V+15V， 數(shù)字信號(hào)電位變化范圍：數(shù)字信號(hào)電位變化范圍：315V 輸入電壓：輸入電壓：UIN0VDD， 模擬信