第二章 智能儀器數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1、智能儀器第二章智能儀器的數(shù)據(jù)采集技術(shù) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計智能儀器 智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS（Data Acquisition System），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的裝置。第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 傳感器模擬信號調(diào)理數(shù)據(jù)采集電路微機系統(tǒng)圖2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成 智能儀器 實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。因此，多路模擬輸人通道更具有普遍性。按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個，多路模擬輸人通道可分為集中采集

2、式和分散采集式兩大類型。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)類型智能儀器傳感器 傳感器 傳感器 模擬信號調(diào)整電路 模擬信號調(diào)整電路 模擬信號調(diào)整電路 模擬多路切換器 采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換 計算機 控制邏輯一、集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 多路分時采集分時輸入結(jié)構(gòu)智能儀器智能儀器多路同步采集分時輸入結(jié)構(gòu)傳感器 傳感器 傳感器 模擬信號調(diào)整電路 模擬信號調(diào)整電路 模擬信號調(diào)整電路 模擬多路切換器 采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換器 計算機 控制邏輯采樣保持 采樣保持 智能儀器二、分散采集式(分布式)(a) 分布式單機數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu) 傳感器 傳感器 傳感器 模擬信號調(diào)整電路 模擬信號調(diào)整電路 模擬信號調(diào)整電路 采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換器

3、計算機 控制邏輯采樣保持 采樣保持 A/D轉(zhuǎn)換器 A/D轉(zhuǎn)換器 智能儀器通信接口上位機數(shù)據(jù)采集站1數(shù)據(jù)采集站2數(shù)據(jù)采集站3數(shù)據(jù)采集站N模擬信號和數(shù)字信號(b) 網(wǎng)絡(luò)式數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu) 智能儀器第二節(jié) 模擬信號調(diào)理 在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理包括小信號放大、濾波外，還有零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。 傳感器前置放大濾波器至采集電路典型調(diào)理電路的組成框圖 智能儀器一、傳感器的選用 (一) 對傳感器的主要技術(shù)要求1. 轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致2. 轉(zhuǎn)換精度轉(zhuǎn)換速度應(yīng)符合整機要求3. 能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求4. 能滿足用戶對可靠

4、性和可維護性的要求(二) 可供選用的傳感器類型 對于一種被測量，常常有多種傳感器可以測量，例如測量溫度的傳感器就有：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導(dǎo)體PN結(jié)、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種。智能儀器1. 大信號輸出傳感器傳感器傳感器傳感器小信號放大信號修正與變換濾波A/D微機微機I/V轉(zhuǎn)換V/F光電耦合小電流小電壓大電壓大電流 大小信號輸出傳感器的使用 智能儀器2. 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器一般是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優(yōu)點。 頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用 3. 集成傳感器4. 光纖傳感器智能儀器二、運用前置放大器的依據(jù)OV,VOSIs 0后級等效輸

5、入噪聲信號被噪聲“淹沒”O(jiān)NOSIsVV,V 0KVVONIN/ISINVV智能儀器KVVONIN/2200)()(KVKKVVININON后級等效輸入噪聲總輸出噪聲總的等效輸入噪聲20200)(KVVKKVVININONIN智能儀器2020)(KVVVINININ20011KVVININ無前置放大，VIS=VIN 信號淹沒VIS VIN， VIN VIN即 K0 1智能儀器放大器 K濾波器 1VIN0VIN1VON21202120)()(KVVKVKVVINININININ濾波器后置等效電路等效輸入噪聲智能儀器濾波器前置等效電路濾波器 1放大器 KVIN0VIN1VON21202021)()

6、(INININININVVKKVKVV等效輸入噪聲智能儀器21202021)()(INININININVVKKVKVV21202120)()(KVVKVKVVINININININ 由于 K1,所以， ，這就是說，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。 ININVV兩電路等效輸入噪聲濾波器前置濾波器后置智能儀器三、信號調(diào)理通道中的常用放大器 在智能儀器的信號調(diào)理通道中，針對被放大信號的特點，并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場要求，目前使用較多的放大器有儀用放大器、程控增益放大器以及隔離放大器等。 智能儀器儀用放大器主要性能指標(biāo)儀用放大器主要性能指標(biāo) 非線性度 指放大器實際輸出輸入關(guān)

7、系曲線與理想直線的偏差。要選擇0.024%的儀用放大器2. 溫漂 溫漂是指儀用放大器輸出電壓隨溫度變化而變化的程度 (150)V/變化3. 建立時間 從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀用放大器輸出電壓達到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間智能儀器4. 恢復(fù)時間 恢復(fù)時間是指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放大器由飽和狀態(tài)恢復(fù)到最終值所需的時間5. 電源引起的失調(diào) 指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值6. 共模抑制比放大器差模電壓增益與共模電壓增益值比。CMRR 60 140 dB智能儀器(一) 儀用放大器 R1=R2，R4R6，R5R7圖2.9 儀用放大器的基本結(jié)構(gòu) 智能儀器GG635421RRR)V V(

8、V V V V 12V4= V1, V5= V2)RR(RRVVVAGOf1452121)RR)(V V(RR)VV(RRVG211456345021)RR)(V V(RRR)V V(V V G21GG216311212智能儀器假設(shè) R4=R5，即第二級運算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：)R/R(AGf121)21 (145GfRRRRA由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方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，RG一般為外接電阻。 智能儀器( (二二) ) 程控增益放大器程控增益放大器由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。 圖2.10 程控放大器原理框圖

9、智能儀器( (三三) ) 隔離放大器隔離放大器隔離放大器采用浮離式設(shè)計，消除了輸入、輸出端之間的耦合，因此具有以下特點：1. 能保護系統(tǒng)元件不受高共模電壓的損害，防止高壓對低壓信號系統(tǒng)的損壞。2. 泄漏電流低，對于測量放大器的輸入端無須提供偏流返回通路。3. 共模抑制比高，能對直流和低頻信號（電壓或電流）進行準(zhǔn)確、安全的測量。耦合方式:變壓器耦合、光耦合、電容耦合智能儀器284型隔離放大器智能儀器智能儀器四、模擬信號的采樣與保存采樣保持電路(S/H）智能儀器采樣保持的主要參數(shù)：捕捉時間tAC= 300nS 15S孔徑時間tAP= 1020nS 3. 保持電壓的下降 0.1V/S 1V/S 饋電

10、0.01% 0.01% 1. 電壓增益精度0.01%智能儀器LF198/ LF298/ LF398的原理圖智能儀器兩極采樣/保持電路原理智能儀器 A/D轉(zhuǎn)換器主要技術(shù)指標(biāo) (1) (1) 分辨率分辨率ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量 (2) (2) 轉(zhuǎn)換時間轉(zhuǎn)換時間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間 (3) (3) 精度精度 絕對精度 相對精度 偏移誤差 增益誤差 線性度誤差 溫度對誤差的影響第三節(jié)第三節(jié) A/DA/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) 智能儀器二、ADC的轉(zhuǎn)換原理比較型ADC:反饋比較型及非反饋積分型ADC-型ADCV/F型ADC(一) 比較型ADC

11、逐次逼近型（反饋型）轉(zhuǎn)換速度、精度、價格適中。分辨率8 16位 速度： S 級 精度：0.1%左右常用芯片：ADC0809、 ADC0801、AD571A、AD574智能儀器逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理 智能儀器(二) 積分型ADC積分式ADC的核心部件是積分器，速度較慢,轉(zhuǎn)換時間mS級優(yōu)點：線性度好、精度 0.01%左右、抗干擾能力強、性能價格比高。常用芯片：MC14433 分辨率轉(zhuǎn)換速度（310）Hz 精度1LSB輸入電壓范圍 0V 1.999V AD7555 ICL7135 213智能儀器雙積分ADC電路結(jié)構(gòu)圖 智能儀器雙積分ADC波形圖1.定時積分階段T1ittiURCTdtURCU12101

12、10dt)U(RC1U32ttR012.定值積分階段TRURCTU201智能儀器iRUUNN12RiURCTURCT21011TNT 022TNT 工作波形智能儀器(三) -型ADC 過采樣-A/D變換器由于采用了過采樣技術(shù)和-調(diào)制技術(shù)，增加了系統(tǒng)中數(shù)字電路的比例，減少了模擬電路的比例，并且易于與數(shù)字系統(tǒng)實現(xiàn)單片集成，因而能夠以較低的成本實現(xiàn)高精度的A/D變換器，適應(yīng)了VLSI技術(shù)發(fā)展的要求。 智能儀器(四) V/F型ADC智能儀器中常用的另一種ADC是V/F型ADC。它主要由V/F轉(zhuǎn)換器和計數(shù)器構(gòu)成。V/F型ADC的特點：與積分式ADC一樣，對工頻干擾有一定的抑制能力；分辨率較高；特別適合現(xiàn)

13、場與主機系統(tǒng)距離較遠的應(yīng)用場合；易于實現(xiàn)光電隔離。 智能儀器三、常用ADC集成芯片及其與智能儀器中微處理器的接口AD574簡介分辨率 12位最大轉(zhuǎn)換時間 25 S 轉(zhuǎn)換精度 1LSB輸入范圍 0 10V（或0 20V）單極性 5V（或10V）雙極性片內(nèi)含電壓基準(zhǔn)和時鐘電路直接掛在8位或16位微機總線上智能儀器智能儀器ADC574A單極性和雙極性輸入接法 智能儀器AD574的控制狀態(tài)表智能儀器(一) AD574A及其與微處理器的接口智能儀器(二）串行A/D轉(zhuǎn)換器ADS1110及其在AT89C51 單片機中的應(yīng)用國外電子元器件國外電子元器件20082008年年 第二期第二期1.ADS1110的特點

14、（TLC公司產(chǎn)品）小型SOT23-6封裝；片內(nèi)基準(zhǔn)電壓：精度2.048 V+0.05；片內(nèi)可編程增益放大器PGA；片內(nèi)振蕩器；16位分辨率；可編程的轉(zhuǎn)換速率15次秒240次秒；I2C總線接口(8個有效地址) 1001aaa；電源電壓2.7 V5.5 V；低電流消耗240 A。智能儀器2. ADS1110的引腳功能VDD（5）：電源端，通常接+5V；GND（2）：模擬地和數(shù)字地；VIN+（1）、VIN-（6）：采樣模擬信號輸入端，其范圍為2.048 V2.048 V；SCL（3）：I2C總線時鐘線；SDA（4）：I2C總線數(shù)據(jù)線。智能儀器ADS1110的AD轉(zhuǎn)換器內(nèi)核是由差分開關(guān)電容-調(diào)節(jié)器和數(shù)字濾波器組成。3. ADS1110的內(nèi)部結(jié)構(gòu)智能儀器4.ADS1100與AT89C51接口電路數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，采集工業(yè)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)，采集工業(yè)現(xiàn)場的場的4 4路模擬信號并輪詢顯示。路模擬信號并輪詢顯示。智能儀器I2C I2C 總線協(xié)議（1） 只有在總線空閑時才允許啟動數(shù)據(jù)傳送（2） 在數(shù)據(jù)傳送過程中當(dāng)時鐘線為低電平時數(shù)據(jù)線必須保持穩(wěn)定狀態(tài)不允許有跳變，時鐘線為高電平時，數(shù)據(jù)線的任何電平變化將被看作總線的起始或停止信號起始信