勘察儀器與原理第一章緒論wxOk

勘查儀器原理教師：王旭Email：hfli@1同學(xué)們好，從今天開始我們來學(xué)習(xí)《勘查儀器原理》這門課。開課前先說說本課程的性質(zhì)、任務(wù)與學(xué)習(xí)要求：本課程是勘查技術(shù)與工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，主要學(xué)習(xí)現(xiàn)代測量儀器的基本理論、基本組成及其工作原理。本課程名稱為勘查儀器原理，就是所有勘探、地質(zhì)調(diào)查儀器原理的總稱。勘查儀器的種類繁多，象地震儀、測井儀、重力儀、磁力儀、電法儀，錄井儀等等。每種儀器都有它自己的電路組成及工作原理，故本課程內(nèi)容廣泛，但歸結(jié)起來，這些電子儀器都有其共性，就是將被測對象通過各種傳感器件做適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸、處理、存儲等步驟，完成被測對象的測量過程。受教學(xué)時數(shù)的限制，只能主要講述組成這些電子儀器相同的且決定儀器性能的電路部件－－數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。這也是選教材的依據(jù)。2通過學(xué)習(xí)本課程使同學(xué)們掌握現(xiàn)代測量儀器的基礎(chǔ)技術(shù)理論及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作原理，熟悉現(xiàn)代測試技術(shù)理念。本課程共46學(xué)時，其中課內(nèi)講解34學(xué)時，共七章內(nèi)容，實驗12學(xué)時，三個實驗（微弱信號檢測實驗，傳感器特性實驗，地震儀整機實驗）。由于本課程涉及面廣，在學(xué)習(xí)時，根據(jù)教學(xué)大綱對教材作適當調(diào)整，另外還有部分教材以外的內(nèi)容，所以要求同學(xué)們一定要記好課堂筆記，將來考試內(nèi)容以課堂講授為主。3課程內(nèi)容：

緒論測量系統(tǒng)基本部件信號的編碼與傳輸數(shù)據(jù)的記錄與顯示現(xiàn)代測試技術(shù)及虛擬儀器勘查儀器實例測量儀器基本理論4參考資料：1、《地震勘探儀器原理》袁子龍著石油工業(yè)出版社20062、《數(shù)據(jù)采集技術(shù)》沈蘭蓀中國科技大學(xué)出版社19903、《微弱信號檢測》高晉占清華大學(xué)出版社2001

5成績評定平時成績15分；實驗成績15分；期末考試70分。課程性質(zhì)：專業(yè)基礎(chǔ)課（必修）6同學(xué)們將來主要從事油氣地球物理勘探工作，而目前油氣勘探的主要方法是地震勘探，所以本課程以地震儀為主進行講解。7第一章緒論8一、測量與數(shù)據(jù)采集的基本概念二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成及主要性能指標本章主要內(nèi)容9所謂地球物理勘探就是利用某種電子儀器設(shè)備對相應(yīng)的物理量進行測量的過程，如地震儀就是對地震波的測量，聲波測井儀是對聲波在井下各種巖層介質(zhì)中傳播特性的測量（聲波在介質(zhì)中傳播特性主要指聲波縱、橫波的速度特性、幅度特性和頻率特性），所以，在緒論中，我們首先學(xué)習(xí)第一節(jié)測量與數(shù)據(jù)采集的基本概念。10第一節(jié)

測量與數(shù)據(jù)采集的基本概念11主要內(nèi)容一、測量概述（一）什么是測量（二）電子測量（三）電子測量儀器（四）電子測量儀器的發(fā)展概況二、數(shù)據(jù)采集的基本概念（一）數(shù)據(jù)采集（二）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（三）現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點12一、測量概述（一）什么是測量測量是人類認識和改造世界的一種重要手段。在人們對客觀事物的認識過程中，需要進行定性、定量的分析，定量分析就需要進行測量。測量是通過實驗方法對客觀事物取得定量數(shù)據(jù)的過程。13測量對人類的進步起著重要的作用，科學(xué)的進步、生產(chǎn)的發(fā)展都需要用測量技術(shù)進行定量分析，以取得科學(xué)的數(shù)據(jù)，自然界的規(guī)律是在找到能對實際的量進行探查和測量的方法和手段，并經(jīng)過邏輯推理才被揭示出來，并以定律的形式肯定下來，而一個理論只有在不斷地測量結(jié)果驗證之后，才被廣泛接受。14如數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)等方面地定律、定理都是通過測量而得到。通過大量的觀察和測量，人們逐步準確地認識各種客觀事物，建立起各種定律、定理。離開測量，人類就不能真正準確地認識世界，也不能生產(chǎn)出合格地產(chǎn)品。在各個歷史時期，測量水平的高低可以反映出一個國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的狀況，因此，努力提高測量水平，實現(xiàn)測量手段和方法的現(xiàn)代化，是實現(xiàn)科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)現(xiàn)代化的重要條件和明顯標志。在當今信息時代，測量技術(shù)（獲取信息）、通信技術(shù)（傳遞信息）和計算機技術(shù)（信息處理）被稱為信息社會三大支柱，可見，測量技術(shù)是一門很重要的科學(xué)技術(shù)。15大地測量儀器16測量人員用GPS定位17Leica350衛(wèi)星定位儀全站儀Trimble5700衛(wèi)星定位儀18門捷列夫(1834-1907)

科學(xué)始于測量,沒有測量，便沒有精密的科學(xué)。門捷列夫19我常說的一句話是：

當你能夠測量你所關(guān)注的事物，而且能夠用數(shù)量來描述它的時候，你就對其有所認識；當你不能測量它，也不能將其量化的時候，你對它的了解就是貧乏和不深入的。開爾文為了紀念他在科學(xué)上的功績，國際計量大會把熱力學(xué)溫標（即絕對溫標）稱為開爾文（開氏）溫標，熱力學(xué)溫度以開爾文為單位，是現(xiàn)在國際單位制中七個基本單位之一。開爾文（1824-1907）20錢學(xué)森信息技術(shù)包括測量技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)，測量技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。錢學(xué)森(1911-2010)21王大珩（heng）儀器儀表是工業(yè)生產(chǎn)的“倍增器”，是高新技術(shù)和科研的“催化劑”，在軍事上體現(xiàn)的是“戰(zhàn)斗力”。王大珩(1915-2011)22（二）電子測量

對一個物理量的測量，可通過不同的方式、手段和設(shè)備來實現(xiàn)，比如重量測量、時間測量等。本課程研究的是利用電子技術(shù)來進行的測量。電子測量是測量領(lǐng)域的主要組成部分，它泛指以電子技術(shù)為基本手段的測量技術(shù)。電子測量主要是運用電子科學(xué)的原理、方法和設(shè)備對各種電量、電信號及電路元器件的特性和參數(shù)進行測量，同時還可以通過各種傳感器把非電量轉(zhuǎn)換成電量來測量。23電子測量不僅用于電子領(lǐng)域，而且廣泛用于物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域。以及生產(chǎn)、國防、交通、商貿(mào)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保乃至日常生活的各個方面。2425近幾十年來，由于計算機技術(shù)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，使電子測量技術(shù)發(fā)生了質(zhì)的飛躍，計算機技術(shù)與電子測量儀器相結(jié)合，構(gòu)成了嶄新一代的智能儀器和自動測試系統(tǒng)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中，常常需要對許多非電量進行測量。非電量是指各種非電物理量，如，圖像、聲音、壓力、位移、溫度、濕度、亮度、顏色、物質(zhì)成分等。非電量測量可以通過各種對應(yīng)的敏感元件（通常稱為傳感器），將被測物理量轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的電壓、電流等，而后再通過對電壓、電流的測量，得到被測物理量的大小。26例如，地震勘探中，利用檢波器把地震波在地表的振動轉(zhuǎn)換為電信號，此電信號通過一系列電子電路組成的地震儀器設(shè)備，最后得到我們常說的地震剖面。27ARIES地震儀器428XL地震儀器408UL地震儀器28（三）電子測量儀器利用電子技術(shù)實現(xiàn)測量的儀表設(shè)備，統(tǒng)稱為電子測量儀器。地震儀實際上是一種記錄地震信號的電子儀器。測量儀器通常都具備物理量轉(zhuǎn)換、信號處理與傳輸，以及測量結(jié)果的顯示等基本功能。物探所用的所有儀器設(shè)備就是測量設(shè)備。現(xiàn)分別介紹這三項功能。1、轉(zhuǎn)換功能：對電壓、電流等電學(xué)量的測量，是通過測量各種電效應(yīng)來達到目的的。29如，作為模擬式儀表最基本組成單元的動圈式檢流計（電流表），就是將流過線圈的電流強度轉(zhuǎn)換成與之成正比的扭矩而使儀表指針相對于初始位置偏轉(zhuǎn)一個角度，根據(jù)角度偏轉(zhuǎn)大小（可通過刻度盤上的刻度獲得）得到被測電流的大小。這是一種很基本的轉(zhuǎn)換功能。對非電量測量，必須將各種非電物理量（如前所講），通過各種對應(yīng)的傳感器轉(zhuǎn)換成與之相關(guān)的電壓、電流等，而后再通過對電壓、電流的測量，得到被測物理量的大小。302、信號處理與傳輸功能：對進入測量電路的電信號，通常要進行信號處理。如，對弱信號要放大，強信號要衰減，有的要加濾波等防干擾措施，有的要將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，有的要用微處理器對信號進行處理等。在遙測遙控等系統(tǒng)中，現(xiàn)場測量結(jié)果經(jīng)變送器處理后，需經(jīng)較長距離的傳輸才能送到測試終端和控制臺。如，分布式遙測地震儀就是將采集站采集的地震信號經(jīng)有線或無線傳輸?shù)絻x器中央記錄站進行處理和存儲。不管采用有線的還是無線的方式，傳輸過程中造成的信號失真和外界干擾等問題都會存在，因此現(xiàn)代測量技術(shù)和測量儀器都必須認真對待測量信號的傳輸問題。313、顯示功能：測量結(jié)果必須以某種方式顯示出來才有意義，因此，任何測量儀器都必須具備顯示功能。如，模擬儀表通過指針在儀表刻度盤上的位置顯示測量結(jié)果，數(shù)字式儀表通過數(shù)碼管、液晶屏或陰極射線管顯示測量結(jié)果。32模擬顯示：直觀顯示器：數(shù)字顯示：準確，但最后一位經(jīng)常跳動不止。33圖像顯示：能顯示復(fù)雜的圖形和曲線，但價格昂貴。34（四）電子測量儀器的發(fā)展概況電子測量儀器的發(fā)展，圍繞著如何更好實現(xiàn)自動測試這個核心技術(shù)，大體經(jīng)歷了四個階段：模擬儀器、數(shù)字化儀器、智能儀器和虛擬儀器。35第一代：模擬儀器 以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)的模擬指針式儀表; 以電子管或晶體管為基礎(chǔ)的分立元件儀表;第二代:以集成電路為基礎(chǔ)的數(shù)字式儀表;第三代:以微處理器為基礎(chǔ)的智能式儀表;第四代:以計算機為基礎(chǔ)的虛擬儀器，是測試領(lǐng)域里的一場新的革命。361、模擬儀器：完成模擬信號運算的儀器。這類儀器在一些實驗室、企業(yè)仍能看到，如指針式萬用表，晶體管毫伏表，接地電阻測試儀、兆歐表等。地震儀的發(fā)展也經(jīng)歷了模擬時代，第一代地震儀是模擬光點照相記錄地震儀，簡稱光點儀，第二代是模擬磁帶記錄地震儀，簡稱磁帶儀。372、數(shù)字化儀器：完成數(shù)字（邏輯）運算的儀器，這類儀器相當普及，如數(shù)字電壓表，數(shù)字示波器等。383、智能儀器：通常把內(nèi)含微處理器和通用標準接口總線（GPIB,GeneralPurposeInterfaceBus)的儀器稱為智能儀器，以區(qū)別于傳統(tǒng)的電子測量儀器，這類儀器既能進行自動測試，又具有一定的數(shù)據(jù)處理能力，可取代部分腦力勞動，習(xí)慣上稱為智能儀器。但由于其功能塊全部都是以硬件或固化的軟件的形式存在的，因而無論開發(fā)還是應(yīng)用，都缺乏靈活性。這類儀器也很多，如DDS信號發(fā)生器，智能頻率計、頻譜儀等。394、虛擬儀器：是檢測技術(shù)與計算機技術(shù)和通信技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，是指在通用計算機上添加一層軟件和一些硬件模塊，使用戶操作這臺通用計算機就像操作一臺真實的儀器一樣。這種看似計算機卻是儀器的“儀器”就是虛擬儀器。虛擬儀器技術(shù)強調(diào)軟件的作用，提出了軟件就是儀器的概念。40由于現(xiàn)代信息科學(xué)領(lǐng)域中的微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信號處理技術(shù)的高速發(fā)展，加速了電子測量技術(shù)與儀器的變革，同時網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛發(fā)展，正滲透到各個領(lǐng)域，推動著社會朝網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。虛擬儀器的發(fā)展取決于三個重要因素：計算機是載體，軟件是核心，高質(zhì)量的A/D采集卡及調(diào)理放大器是關(guān)鍵。前面我們說到了信息社會三大支柱，其中信息的獲取是基礎(chǔ)和前題，而數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息獲取的主要手段，所以下面學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)采集的基本概念。41二、數(shù)據(jù)采集的基本概念（一）數(shù)據(jù)采集概述隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)字設(shè)備正越來越多地取代模擬設(shè)備，在生產(chǎn)過程控制和科學(xué)研究等廣泛的領(lǐng)域中，計算機測控技術(shù)正發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，外部世界的大部分信息是以連續(xù)變化的物理量形式出現(xiàn)的，例如溫度、壓力、位移、速度等。要將這些信息送入計算機進行處理，就必須先將這些連續(xù)的物理量離散化，并進行量化編碼，從而變成數(shù)字量，這個過程就是數(shù)據(jù)采集。它是計算機在監(jiān)測、管理和控制一個系統(tǒng)的過程中，取得原始數(shù)據(jù)的主要手段。42數(shù)據(jù)采集就是將被測對象(外部世界、現(xiàn)場)的各種參量(可以是物理量，也可以是化學(xué)量、生物量等)通過各種傳感元件做適當轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)信號調(diào)制、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進行數(shù)據(jù)處理或存儲記錄的過程。作為物探專業(yè)的基礎(chǔ)課，我們主要以地震儀作為重點學(xué)習(xí)對象，來研究地震數(shù)據(jù)采集過程。因為地震儀是勘查儀器中結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，技術(shù)最先進的測量儀器，是地震數(shù)據(jù)野外采集設(shè)備。43

（二）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS（DataAcquisitionSystem），是用于數(shù)據(jù)采集的成套設(shè)備。是指將各種模擬量進行取樣、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。是計算機與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途經(jīng)。44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)45多路模擬輸入通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

◆同時測量多種物理量或同一種物理量的多個測量點。多路模擬輸入通道可分為兩大類型：

◆集中式采集

◆分布式采集46

1、多路模擬信號集中式采集1）集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之一傳感器1傳感器2傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理模擬多路開關(guān)A/D計算機控制邏輯S/H多路共用采集電路分時采集472）集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)之二傳感器1傳感器2傳感器3調(diào)理調(diào)理調(diào)理S/HS/H模擬多路開關(guān)S/HA/D計算機控制邏輯多路同步取樣共用A/D分時采集483）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A/D，分時傳輸數(shù)據(jù)多通道獨立取樣A/D，有通道緩存49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………………模擬信號或數(shù)字信號2、分布式采集50所謂地震勘探就是用人工方法激發(fā)地震波，研究地震波在地層中傳播的規(guī)律，以查明地下的地質(zhì)情況，為尋找油氣田或其它勘探目的服務(wù)的一種物探方法。地震勘探基本上可分為三個階段：野外數(shù)據(jù)采集、室內(nèi)資料處理、地震資料解釋。每一個階段都需要使用一定的設(shè)備才能完成預(yù)期的任務(wù)?？辈閮x器就是野外數(shù)據(jù)采集的設(shè)備。野外數(shù)據(jù)采集階段也就是地震勘探第一階段的最終成果，就是地震勘探儀器產(chǎn)生的野外地震記錄，這些記錄是地震勘探第二、第三階段工作的原始依據(jù)和工作基礎(chǔ)，51所以，儀器性能好壞和使用是否恰當，直接影響地震記錄質(zhì)量，也就必然影響到后期資料處理與解釋工作，最終勢必影響到地震勘探效果，所以，地震勘探儀器是地震勘探裝備中最基礎(chǔ)的設(shè)備，也是最關(guān)鍵、最重要的設(shè)備。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是計算機與外部世界聯(lián)系的橋梁，是獲取信息的重要途徑。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是信息科學(xué)的重要組成部分，已廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域，并且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是計算機技術(shù)的發(fā)展與普及，數(shù)據(jù)采集技術(shù)將有廣闊的發(fā)展前景。52數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)追求的最主要目標有兩個：一是精度，二是速度。對任何量的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去測試的意義；提高數(shù)據(jù)采集的速度不僅僅是提高了工作效率，更主要的是擴大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的適用范圍，便于實現(xiàn)動態(tài)測試。53（三）現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要特點：1、現(xiàn)代數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般都由計算機控制，使得數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量和效率等大為提高，也節(jié)省了硬件投資。2、軟件在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用越來越大，這增加了系統(tǒng)設(shè)計的靈活性。（強調(diào)軟件的作用）543、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理相互結(jié)合得日益緊密，形成數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，可實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、處理到控制的全部工作。（采集與處理相結(jié)合）4、數(shù)據(jù)采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要；對于通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般希望有盡可能高的速度，以滿足更多的應(yīng)用環(huán)境。555、隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電路集成度的提高，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的體積越來越小，可靠性越來越高，甚至出現(xiàn)了單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

6、總線在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用，總線技術(shù)它對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展起著重要作用。56第二節(jié)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成與主要技術(shù)指標57一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標主要內(nèi)容58一、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分，硬件部分又可分為模擬部分和數(shù)字部分。下圖是硬件基本組成示意圖。前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器n………11前置放大傳感器濾波器前置放大濾波器計算機接口傳感器n1nn傳感器1n多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大傳感器………傳感器59前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器………1n下面簡單介紹一下數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各個組成部分。通常把傳感器輸出到A/D轉(zhuǎn)換器輸出的這一段信號通道稱為模擬通道。60前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器1n傳感器的作用是把非電的物理量轉(zhuǎn)變成模擬電量(如電壓、電流或頻率)，例如使用熱電偶、熱電阻可以獲得隨溫度變化的電壓；轉(zhuǎn)速傳感器常把轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為電脈沖；檢波器把地震波轉(zhuǎn)換為電信號等。61地震檢波器就是地球物理勘探中常用的傳感器,它將地面的振動轉(zhuǎn)換成電信號。62多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器1n放大器用來放大和緩沖輸入信號。由于傳感器輸出的信號較小，例如地震信號電壓大不過幾毫伏，小不到一微伏；人體生物電信號僅是微伏量級。因此，需要加以放大。以滿足大多數(shù)A／D轉(zhuǎn)換器的滿量程輸入5～10V的要求。此外，某些傳感器內(nèi)阻比較大，輸出功率較小，這樣放大器還起到了阻抗變換器的作用來緩沖輸入信號。由于各類傳感器輸出信號的情況各不相同，所以放大器的種類也很繁雜。例如為了減少輸入信號的共模分量，就產(chǎn)生了各種差分放大器、儀用放大器和隔離放大器；為了使不同數(shù)量級的輸入電壓都具有最佳變換，就有量程可以變換的程控放大器；為了減少放大器輸出的漂移，則有斬波穩(wěn)零和激光修正的精密放大器。63多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器1n前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器

傳感器和電路中的器件常會產(chǎn)生噪聲，人為的發(fā)射源也可以通過各種耦合渠道使信號通道感染上噪聲。例如工頻信號可以成為一種人為的干擾源。這種噪聲可以用濾波器來衰減。以提高模擬輸入信號的信噪比。64前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，往往要對多個物理量進行采集，即所謂多路巡回檢測，這可通過多路模擬開關(guān)來實現(xiàn)。多路模擬開關(guān)可以分時選通來自多個輸入通道的某一路信號，因此，在多路開關(guān)后的單元電路，如采樣／保持電路、A／D及處理器電路等，只需一套即可。這樣節(jié)省成本和體積。但這僅僅在物理量變化比較緩慢、變化周期在數(shù)十至數(shù)百毫秒之間的情況下較合適。因為這時可以使用普通的數(shù)十微秒A／D轉(zhuǎn)換器從容地分時處理這些信號。1n65多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器1n但當分時通道較多時，必須注意泄漏及邏輯安排等問題；當信號頻率較高時，使用多路分路開關(guān)后，對A／D的轉(zhuǎn)換速率要求也隨之上升。在數(shù)據(jù)通過率超過40～50kHz時，一般不再使用分時的多路開關(guān)技術(shù)。模擬多路開關(guān)有時也可以安排在放大器之前，但當輸入的信號電平較低時，需注意選擇多路模擬開關(guān)的類型。若選用集成電路的模擬多路開關(guān)，由于它比干簧或繼電器組成的多路開關(guān)導(dǎo)通電阻大。泄漏電流大，因而有較大的誤差產(chǎn)生。所以要根據(jù)具體情況來選擇多路模擬開關(guān)的類型。66前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器1n模擬開關(guān)之后是模擬通道的轉(zhuǎn)換部分，它包括采樣／保持和A／D轉(zhuǎn)換電路。采樣／保持電路的作用是快速拾取模擬多路開關(guān)輸出的子樣脈沖，并保持幅值恒定，以提高A／D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度，如果把采樣／保持電路放在模擬多路開關(guān)之前(每道一個)，還可實現(xiàn)對瞬時信號進行同時采樣。67多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器1n采樣／保持器輸出的信號送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器是模擬輸入通道的關(guān)鍵電路。由于輸入信號變化速度不同，系統(tǒng)對分辨力、精度、轉(zhuǎn)換速率及成本的要求也不同，所以A／D轉(zhuǎn)換器的種類也較多。早期的采樣／保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器需要數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計人員自行設(shè)計，目前普遍采用單片集成電路，有的單片A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)部還包含有采樣／保持電路、基準電源和接口電路，這為系統(tǒng)設(shè)計提供了較大方便。68多路模擬開關(guān)前置放大濾波器前置放大濾波器傳感器………傳感器前置放大傳感器ADC濾波器前置放大濾波器多路模擬開關(guān)S/H計算機接口傳感器1n

A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果要送給計算機。有的采用并行碼輸出，有的則采用串行碼輸出。使用串行輸出結(jié)果的方式對長距離傳輸和需要光電隔離的場合較為有利。69二、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要性能指標對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能要求和具體應(yīng)用目的與應(yīng)用環(huán)境有密切關(guān)系，對應(yīng)不同的情況往往有不同的要求。以下給出的是比較主要和常用的幾個指標的含義。70

1、系統(tǒng)分辨率：是指數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以分辨的輸入信號最小變化量。通常用最低有效位值(LSB)占系統(tǒng)滿度信號的百分比表示，或用系統(tǒng)可分辨的實際電壓數(shù)值來表示，有時也用滿度信號可以分的級數(shù)來表示。71表1—1示