數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件

此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)覺(jué)剽竊，必究法律責(zé)任！此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)覺(jué)剽竊，必究法律責(zé)任！此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)覺(jué)剽竊，必究法律責(zé)任！此課件及“海南風(fēng)光”封面屬清華大學(xué)唐慶玉創(chuàng)作，如發(fā)覺(jué)剽竊，必究法律責(zé)任！第10章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)電工電子學(xué)(下)中國(guó)石油大學(xué)(華東)信息與控制工程學(xué)院電工電子學(xué)教學(xué)中心張勇數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第1頁(yè)第10章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10.1經(jīng)典測(cè)控系統(tǒng)概述

10.2傳感器10.3信號(hào)測(cè)量與變換電路10.4濾波器10.5多路模擬開(kāi)關(guān)10.6采樣保持器10.7數(shù)模變換器10.8模數(shù)變換器10.9計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第2頁(yè)10.1經(jīng)典測(cè)控系統(tǒng)概述

傳感器變送器數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第3頁(yè)1．傳感器直接感受被測(cè)物理量，并把其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)物理量有一定函數(shù)關(guān)系電壓、電流或其它物理量(如電阻、電容、電感)。傳感器分類(lèi):電量傳感器電壓互感器、電流互感器等非電量傳感器熱電式(如熱電偶等)、光電式、電容式(如電容式差壓傳感器等)、電感式等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第4頁(yè)2．變送器將傳感器輸出信號(hào)改變轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)。(1)信號(hào)變換：將傳感器輸出電參數(shù)轉(zhuǎn)變成電壓或電流。(2)放大：把微弱電壓或電流信號(hào)進(jìn)行放大，在一些場(chǎng)所還需要進(jìn)行信號(hào)隔離。(3)濾波：濾除干擾信號(hào)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第5頁(yè)(4)線性化：被測(cè)物理量與電信號(hào)之間往往展現(xiàn)非線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)線性化電路，使電信號(hào)與物理量之間變成近似線性關(guān)系。(5)標(biāo)準(zhǔn)化：為了方便地實(shí)現(xiàn)儀表交換性、信號(hào)遠(yuǎn)距離傳送和提升信號(hào)抗干擾能力，普通把電信號(hào)最終轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)4~20mA直流電流信號(hào)。被測(cè)物理量為量程下限：I=4mA，上限：I=20mA，在量程范圍內(nèi)，被測(cè)物理量與電流則呈線性關(guān)系。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第6頁(yè)如某壓力變送器，量程為0~1.6MPa，當(dāng)變送器輸出4mA電流時(shí)，壓力為0MPa，輸出20mA時(shí)壓力為1.6MPa，當(dāng)輸出電流為10mA時(shí)，壓力為P=(10-4)/(20-4)*1.6=0.6Mpa4～20mA電流信號(hào)傳送輸出含有以下優(yōu)點(diǎn)：①輸出電流與負(fù)載電阻無(wú)關(guān)，適合用于遠(yuǎn)距離傳輸。使用250Ω(0.1級(jí))I／U變換電阻，可將4～20mA電流信號(hào)變換為1～5V直流電壓信號(hào)。②能夠同時(shí)串接幾個(gè)指示測(cè)量?jī)x表，而不會(huì)影響測(cè)量精度。③能夠?qū)崿F(xiàn)傳送線斷線自檢。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第7頁(yè)通常變送器電源線和輸出信號(hào)線共用兩根線，稱(chēng)為二線制變送器。在實(shí)際應(yīng)用中，往往把傳感器和變送器做在一起，稱(chēng)為一體化二線制儀表。二線制溫度變送器以下列圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第8頁(yè)3．?dāng)?shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)

模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC采樣保持器模擬開(kāi)關(guān)。。。。。。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第9頁(yè)10.2傳感器10.2.1電壓與電流檢測(cè)小電壓檢測(cè)：串聯(lián)電阻分壓方法小電流檢測(cè)：并聯(lián)電阻分流方法高電壓(幾百伏以上)檢測(cè)：電壓互感器大電流(幾十安培以上)檢測(cè)：電流互感器互感器優(yōu)點(diǎn)：(1)一個(gè)互感器可同時(shí)接入幾個(gè)儀表。比如電流表和功率表電流線圈或電壓表和功率表電壓線圈等。(2)降低了功率損耗。(3)保障工作人員安全。(4)儀表制造標(biāo)準(zhǔn)化。將工程測(cè)量中儀表量限統(tǒng)一設(shè)計(jì)為5A或100V。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第10頁(yè)1．互感器結(jié)構(gòu)和原理互感器實(shí)際上是一個(gè)鐵心變壓器，鐵心上繞有兩個(gè)或多個(gè)繞組(特殊情況只有一個(gè))，接待測(cè)電壓或電流繞組稱(chēng)為初級(jí)繞組，接測(cè)量?jī)x表繞組稱(chēng)為次級(jí)繞組。電壓互感器普通相當(dāng)于一個(gè)降壓變壓器，其初級(jí)繞組額定電壓通常采取不一樣電壓等級(jí)，而次級(jí)線圈額定電壓都定為100V，電流互感器相當(dāng)于一個(gè)電流變換器，其額定次級(jí)電流普通為5A（有為1A）。其初級(jí)繞組匝數(shù)較少，甚至可能是幾匝或一匝，所以初級(jí)線圈使用一根直線表示。電壓互感器電流互感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第11頁(yè)測(cè)壓原理：互感器額定初級(jí)電壓U1(或電流I1)與額定次級(jí)電壓U2(或電流I2)之比，叫互感器額定變壓比Ku(或額定變流比Ki)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第12頁(yè)（a）測(cè)單相電壓；（b）用單相互感器測(cè)三相相電壓；（c）用單相互感器測(cè)三相線電壓；（d）用三相互感器測(cè)三相相電壓.電壓互感器接線方式：v數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第13頁(yè)（a）測(cè)單相電流；（b）測(cè)三相電流；（c）測(cè)三相三線制三相電流；電流互感器接線方式：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第14頁(yè)使用注意事項(xiàng)：（1）電壓互感器次級(jí)線圈不許短路，不然次級(jí)會(huì)出現(xiàn)很大短路電流，故其初級(jí)和次級(jí)都要接短路保護(hù)熔斷器(保險(xiǎn)絲)。電流互感器次級(jí)線圈不許開(kāi)路，也不能裝熔斷器。不然當(dāng)次級(jí)突然開(kāi)路時(shí)，會(huì)在線圈中感應(yīng)出很高電壓，損壞電流互感器絕緣，并危及操作人員安全。（2）互感器次級(jí)線圈、鐵心及外殼都要可靠接地，以確保人身和設(shè)備安全。（3）除特殊設(shè)計(jì)可逆互感器外，普通互感器不許反方向使用(即不能將初級(jí)與次級(jí)交換)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第15頁(yè)10.2.3溫度傳感器接觸式測(cè)量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體傳感器等。非接觸式測(cè)量：以輻射式測(cè)溫為主，有光學(xué)高溫計(jì)和輻射高溫計(jì)等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第16頁(yè)1．熱電偶溫度傳感器(1)測(cè)溫原理—熱電效應(yīng)兩種不一樣導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組合成一個(gè)閉合回路。當(dāng)兩接點(diǎn)溫度不等(T>T0)時(shí)，回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱(chēng)為熱電效應(yīng)，該電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為熱電動(dòng)勢(shì)。把上述兩種不一樣導(dǎo)體組合稱(chēng)為熱電偶。自由端或冷端工作端或熱端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第17頁(yè)熱電偶可分為：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—銅鎳等型號(hào)分度表：熱電勢(shì)與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系表格它是在冷端溫度為0℃條件下得到。不一樣熱電偶含有不一樣分度表，依據(jù)熱電偶產(chǎn)生熱電勢(shì)和分度表即可得知其溫度值。熱電勢(shì)與溫度關(guān)系為非線性。(2)中間導(dǎo)體定則假如在熱電偶回路中接入第三種金屬材料,只要該材料與熱電偶兩個(gè)接點(diǎn)溫度相同,則熱電偶所產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中影響。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第18頁(yè)(3)熱電偶冷端溫度賠償因?yàn)榉侄缺矶际侵咐涠藴囟?℃時(shí)熱電勢(shì)，所以要求熱電偶工作時(shí)，冷端溫度必須保持在0℃，或進(jìn)行冷端溫度賠償，不然將要產(chǎn)生誤差。①0℃恒溫法把熱電偶冷端放在環(huán)境溫度為0℃容器里，此時(shí)熱電偶輸出準(zhǔn)確地和分度表值一致。但這種理想方法只適合用于試驗(yàn)室中使用，工業(yè)中使用極為不便。②電路賠償普通熱電偶溫度變送器都采取電路進(jìn)行冷端溫度賠償，使得熱電偶輸出相當(dāng)于冷端一直保持在0℃，如賠償電橋法。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第19頁(yè)③計(jì)算修正法將多支熱電偶冷端集中在一起，用其它方式(如熱電阻)測(cè)知其冷端溫度，再由每支熱電偶熱電勢(shì)經(jīng)過(guò)查表和計(jì)算得出其熱端溫度。（準(zhǔn)確但繁瑣）比如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測(cè)某介質(zhì)溫度，測(cè)得熱電勢(shì)為33.29mV，冷端溫度30℃。

由分度表查得30℃時(shí)熱電勢(shì)為1.20mV，故冷端溫度為0℃時(shí)熱電勢(shì)應(yīng)為33.29+1.20＝34.49mV。再據(jù)此電勢(shì)查分度表得溫度為829.6℃，此值即為真實(shí)溫度值。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第20頁(yè)④賠償導(dǎo)線應(yīng)用熱電偶賠償導(dǎo)線又稱(chēng)延伸導(dǎo)線，它是一個(gè)廉價(jià)導(dǎo)線，在一定溫度范圍內(nèi)，其熱電特征與其對(duì)應(yīng)熱電偶熱電特征十分相近。它用途是把熱電偶冷端延伸出去，遠(yuǎn)離熱端，并與冷端賠償器、變送器、顯示儀表等連接起來(lái)組成測(cè)溫回路，同時(shí)不會(huì)因?yàn)橐朐搶?dǎo)線使工作熱電偶帶來(lái)附加誤差。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第21頁(yè)

2．熱電阻溫度傳感器熱電阻溫度計(jì)是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系原理實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。試驗(yàn)證實(shí)，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時(shí)，其電阻值均增大0.4%～0.6%；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時(shí)，其電阻值則下降3%～6%。工業(yè)上慣用熱電阻為鉑電阻和銅電阻。(1)鉑電阻鉑電阻由純鉑電阻絲繞制而成，其使用溫度范圍為-200～850℃。優(yōu)點(diǎn)：精度高、性能穩(wěn)定。缺點(diǎn)：電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性。普通工業(yè)上慣用鉑電阻，我國(guó)要求分度號(hào)為Pt10和Pt100。即0℃時(shí)：R0=10Ω和R0=100Ω。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第22頁(yè)

(2)銅電阻銅電阻普通用于-50～150℃范圍溫度測(cè)量。優(yōu)點(diǎn)：電阻值與溫度之間基本為線性關(guān)系，電阻溫度系數(shù)大，且材料易提純，價(jià)格廉價(jià)；缺點(diǎn)：電阻率低，易氧化，所以在溫度不高、測(cè)溫元件體積無(wú)特殊限制時(shí)，能夠使用銅電阻溫度計(jì)。我國(guó)工業(yè)用銅熱電阻分度號(hào)分為Cu50和Cu100兩種，其R0=50Ω和100Ω。

(3)熱電阻測(cè)溫線路熱電阻溫度計(jì)主要由熱電阻傳感器、電阻測(cè)量橋路、顯示儀表及連接導(dǎo)線所組成。為了消除導(dǎo)線電阻對(duì)溫度測(cè)量影響，普通為三線制接法。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第23頁(yè)電橋平衡時(shí)：(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=R3，則Rt=R1，說(shuō)明此種接法導(dǎo)線電阻Rr對(duì)熱電阻測(cè)量無(wú)影響。再以測(cè)量放大器、線性化電路和U/I轉(zhuǎn)換電路代替微安表G，就能夠輸出與溫度成線性關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)4～20mA電流信號(hào)了。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第24頁(yè)1．應(yīng)變片式壓力傳感器測(cè)量原理應(yīng)變片分金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。金屬電阻應(yīng)變片測(cè)壓原理是應(yīng)變效應(yīng)，即金屬材料在外界作用下(壓力等)產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其阻值發(fā)生對(duì)應(yīng)改變。半導(dǎo)體應(yīng)變片測(cè)壓原理是基于壓阻效應(yīng)，即單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率ρ發(fā)生改變。所以半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器又稱(chēng)為壓阻式壓力傳感器或硅傳感器。10.2.3壓力傳感器在工程技術(shù)中，壓力被定義為垂直而均勻作用于物體單位面積上力，與物理學(xué)中壓強(qiáng)概念相同。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第25頁(yè)2.測(cè)量電路應(yīng)變片式傳感器測(cè)量電路多采取直流電橋中雙臂差動(dòng)電橋和四臂差動(dòng)電橋。優(yōu)點(diǎn)：1、線性關(guān)系2、靈敏度高3、溫度賠償數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第26頁(yè)10.2.4液位傳感器差壓式液位傳感器磁浮子式液位傳感器電容式液位傳感器1．差壓式液位傳感器

密閉容器內(nèi)液位可由液位起點(diǎn)與液面上部氣體壓力差測(cè)得，稱(chēng)為差壓式液位儀表。敞口容器內(nèi)液位既可采取這種差壓法，又可采取壓力法來(lái)測(cè)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第27頁(yè)2．磁浮子液位傳感器組成：永磁浮子磁簧管精密電阻放大變換電路優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)監(jiān)測(cè)液位重復(fù)性高與液體介質(zhì)無(wú)關(guān)接線簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第28頁(yè)3．電容式液位傳感器利用被測(cè)介質(zhì)面改變引發(fā)電容改變一個(gè)變介質(zhì)型電容傳感器，用于測(cè)量非導(dǎo)電液體介質(zhì)液位。當(dāng)電極間無(wú)液體時(shí)當(dāng)內(nèi)外電極間有液體時(shí)

電容改變正比于液位高度其中ε表示介電常數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第29頁(yè)測(cè)量電容串聯(lián)電阻式交流電橋

交流電橋復(fù)阻抗平衡時(shí)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第30頁(yè)10.2.5其它傳感器

1．位移傳感器

e=k

x數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第31頁(yè)

2．光電式轉(zhuǎn)速傳感器n-轉(zhuǎn)速

f-脈沖頻率N-圓盤(pán)開(kāi)孔數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第32頁(yè)光電脈沖變換電路（選講）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第33頁(yè)10.3信號(hào)測(cè)量與變換電路在自動(dòng)控制和非電量測(cè)量等系統(tǒng)中，慣用各種傳感器將非電量(如溫度、壓力、應(yīng)變、流量等）改變變換為電壓信號(hào)。但這種非電量改變是遲緩，電信號(hào)改變量經(jīng)常很?。ㄆ胀ㄖ挥袔缀练綆资练砸獙㈦娦盘?hào)加以放大，有時(shí)還要將電壓信號(hào)變換為電流信號(hào)。10.3.1測(cè)量放大器對(duì)放大電路要求：含有很高共模抑制比及很高輸入電阻和電壓放大倍數(shù)，以免對(duì)傳感器產(chǎn)生影響。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第34頁(yè)若R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第35頁(yè)10.3.2程控測(cè)量放大器PGA

1．程控測(cè)量放大器作用傳感器1u1傳感器2u2傳感器nun程控測(cè)量放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)于不一樣輸入信號(hào)能夠提供不一樣放大倍數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第36頁(yè)2．程控測(cè)量放大器電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第37頁(yè)3．集成程控測(cè)量放大器電路LH0084正常工作：R2=R3R4=R5R6=R7S1—S1’S2—S2’S3—S3’S4—S4’手動(dòng)連接也可改變?cè)鲆鍾1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第38頁(yè)10.3.3電壓-電流變換電路變送器普通要將處理過(guò)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，稱(chēng)為U／I變換。U／I變換能夠用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，也能夠用專(zhuān)用集成電路實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)：不適合用于一些需要負(fù)載接地應(yīng)用場(chǎng)所。基本U／I變換電路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第39頁(yè)實(shí)用U／I變換電路IO=UI/RO，調(diào)整RO可實(shí)現(xiàn)0~10mA電流輸出。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第40頁(yè)

U／I變換專(zhuān)用集成電路XTR101數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第41頁(yè)10.4濾波器濾波電路種類(lèi):按信號(hào)性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按所用元件:無(wú)源濾波器和有源濾波器

概述按階數(shù):一階,二階…高階數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第42頁(yè)傳遞函數(shù)：幅頻特征相頻特征filter傳遞函數(shù)、幅頻特征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第43頁(yè)按頻率特征進(jìn)行分類(lèi)：

低通高通帶通帶阻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第44頁(yè)RCR10.4.1一階無(wú)源RC低通濾波器CC傳遞函數(shù)幅頻特征數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第45頁(yè)010.707

0截止頻率此電路缺點(diǎn)：1、帶負(fù)載能力差。2、無(wú)放大作用。3、特征不理想，邊緣不陡。幅頻特征、幅頻特征曲線RCR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第46頁(yè)通頻帶寬度(帶寬)010.707

0截止頻率帶寬:0-

0

設(shè)R=10k,C為以下各值時(shí)帶寬:Cfo1

F16Hz0.047

F340Hz0.01

F1600Hz數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第47頁(yè)10.4.2一階有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)RCRC傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

一次項(xiàng),故稱(chēng)為一階濾波器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第48頁(yè)幅頻特征：相頻特征：RR1RFC+-+幅頻特征及幅頻特征曲線01+RF/R10.707(1+RF/R1)

0傳遞函數(shù)RC數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第49頁(yè)1、時(shí)：有放大作用3、運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。2、時(shí)：幅頻特征與一階無(wú)源低通濾波器類(lèi)似電路特點(diǎn):數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第50頁(yè)10.5多路模擬開(kāi)關(guān)在實(shí)際系統(tǒng)中，被測(cè)量回路往往是幾路或幾十路，不可能對(duì)每一回路參量配置一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，常利用多路開(kāi)關(guān)，輪番切換各被測(cè)回路與A/D轉(zhuǎn)換器間通路，以到達(dá)各回路分時(shí)占用A/D轉(zhuǎn)換電路目標(biāo)。模擬開(kāi)關(guān)是一個(gè)能夠按照控制指令對(duì)模擬信號(hào)傳輸進(jìn)行通、斷控制電子器件。模擬開(kāi)關(guān)多用場(chǎng)效應(yīng)管來(lái)組成，開(kāi)關(guān)接通時(shí)還會(huì)有一導(dǎo)通電阻，在斷開(kāi)狀態(tài)時(shí)仍會(huì)有一小關(guān)斷電流。但當(dāng)后面所接負(fù)載電阻很大時(shí)，電子開(kāi)關(guān)電阻帶來(lái)誤差是非常小。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第51頁(yè)CC4051是一個(gè)允許雙向使用CMOS多路開(kāi)關(guān)集成芯片，它既可用于8路到一路切換(用于A/D)，又可用于一路到8路切換(用于D/A)。原理圖管腳圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第52頁(yè)10.6采樣保持電路

采樣保持電路慣用于輸入信號(hào)改變較快或含有多路輸入信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程中，因?yàn)槊看无D(zhuǎn)換過(guò)程需要一定時(shí)間，所以需要采樣保持電路配合，方便有一個(gè)穩(wěn)定輸入量。采樣保持器工作過(guò)程由外部控制信號(hào)來(lái)決定，工作過(guò)程分采樣和保持兩個(gè)周期。采樣：就是要求輸出信號(hào)能快速而準(zhǔn)確地跟隨信號(hào)改變；保持：則是在兩次采樣間隔時(shí)間內(nèi)保持上一次采樣結(jié)束時(shí)狀態(tài)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第53頁(yè)采樣保持器電路：采樣保持器輸入輸出波形：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第54頁(yè)10.7D/A轉(zhuǎn)換器D/A功效:將數(shù)字量線性地地轉(zhuǎn)換成模擬量D/An=4位8位10位12位16位n位數(shù)字量模擬量0~5V或0~10V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第55頁(yè)為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進(jìn)制數(shù)每一位代碼按“權(quán)”值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)模擬量，然后將代表各位二進(jìn)制數(shù)這些模擬量相加，這么便得到與數(shù)字量成正比模擬量。 設(shè)輸入數(shù)字量為D=d3d2d1d0

d3U3,

d2U2,d1U1,

d0U0輸出模擬量為Uo=U3+U2+

U1+U0=kDk是一個(gè)常數(shù)；D為n位二進(jìn)制數(shù)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第56頁(yè)DAC轉(zhuǎn)換特征：輸入與輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB：相臨兩組代碼轉(zhuǎn)換出來(lái)模擬量之差（2V)。分辨率：電路所能分辨出最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二進(jìn)制數(shù)分辨率？

若最大輸出電壓仍為14V，最小輸出電壓將變大還是變??？000001010011100101110111DDDACuo24101206814uo/V設(shè)D為三位二進(jìn)制數(shù)要求uomax=14V數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第57頁(yè)n位二進(jìn)制DAC框圖基準(zhǔn)電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模擬開(kāi)關(guān)…數(shù)字存放器…

dn

1

d0數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第58頁(yè)DAC有權(quán)電阻網(wǎng)絡(luò)型T型電阻網(wǎng)絡(luò)型倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)型數(shù)模轉(zhuǎn)換器分類(lèi)：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第59頁(yè)1.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器下列圖是四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理圖，它主要由以下四部分組成：R-2R組成倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開(kāi)關(guān)S求和放大器A基準(zhǔn)電壓源UR數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第60頁(yè)基于虛地概念，不論輸入數(shù)字信號(hào)是1或0，從D、C、B、A各點(diǎn)向左看其等效電阻均為R，電源總電流為:RF

S2A

d0d1d2d3S3S1S0_+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第61頁(yè)同理:I2=d2

I/4,I1=d1

I/8,I0=d0

I/16若d3=1，則經(jīng)過(guò)S3流入運(yùn)放電流I3=I/2，若d3=0,I3=0,

所以,I3=d3

I/2I'RF

S2A

d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第62頁(yè)I'RF

S2A

d0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第63頁(yè)輸出電壓為：

I’RF假如是n位D/A轉(zhuǎn)換器，并設(shè)RF=R，則Uo表示式為：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第64頁(yè)

2.集成DAC0832介紹及應(yīng)用

集成DAC電路芯片種類(lèi)很多。按輸入二進(jìn)制位數(shù)分類(lèi)有八位、十位、十二位和十六位等。比如DAC0832，是一個(gè)含有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)倒T型8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖10.7.3所表示(1)DAC0832介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第65頁(yè)DAC0832原理電路方框圖DAC0832管腳排列圖數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第66頁(yè)(2)DAC0832輸出方式DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，可提供單極性和雙極性?xún)煞N輸出方式，電路如圖所表示。

單極性輸出：在其電流輸出端接一運(yùn)算放大器從A點(diǎn)輸出。輸出電壓uA=IOUT1×Rfb。當(dāng)UREF接+5V(或-5V)時(shí)，uA電壓范圍是0~-5V(或0~+5V)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第67頁(yè)雙極性輸出：在單極性輸出基礎(chǔ)上再增加一級(jí)運(yùn)算放大器，便組成了雙極性輸出電路，從B點(diǎn)輸出。考慮到R1：R2：R3=2：1：2，所以這么，恰恰使B點(diǎn)輸出特征在A點(diǎn)輸出基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一偏移。假設(shè)UREF=+5V，則uA

=0~-5V，而uB=-5~+5V。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第68頁(yè)(1)

分辨率電路所能分辨最小輸出電壓ULSB與最大輸出電壓Uomax之比，分辨率當(dāng)Uomax一定時(shí)，n越大，分辨能力越高。12110-12112-n=10DAC分辨率=n=12DAC分辨率=3.DAC主要參數(shù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第69頁(yè)(2)轉(zhuǎn)換誤差普通是指輸入端加滿(mǎn)刻度數(shù)字量時(shí)，DAC輸出電壓理論值與實(shí)際值之差。轉(zhuǎn)換誤差普通應(yīng)低于。比如，某控制系統(tǒng)中有一D/A轉(zhuǎn)換器，假如系統(tǒng)要求該D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換誤差（相對(duì)誤差）小于0.25%，試問(wèn)應(yīng)選擇多少位D/A/轉(zhuǎn)換器？解：轉(zhuǎn)換誤差Uomax<0.25%轉(zhuǎn)換誤差Uomax<UomaxUomax0.25%≤LSBUUomax0.5%≤121100%05%n-≤.n=7.64D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)最少為8位。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第70頁(yè)（3）轉(zhuǎn)換速度 轉(zhuǎn)換速度是指從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸出之間所經(jīng)歷響應(yīng)時(shí)間。普通取輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時(shí)，其輸出到達(dá)穩(wěn)定值所需時(shí)間，也稱(chēng)轉(zhuǎn)換時(shí)間。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第71頁(yè)10.8模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1)A/D功效:將模擬電壓成正比地轉(zhuǎn)換成數(shù)字量A/DUI輸入模擬電壓D7~D0輸出數(shù)字量0~5V00000000~11111111分辨率:5V/255=0.0196V/每1個(gè)最低有效位1.A/D功效及分類(lèi)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第72頁(yè)(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類(lèi)①并聯(lián)比較型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時(shí)間10ns~1

s②逐次迫近型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾

s~100

s③雙積分型

特點(diǎn):轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時(shí)間幾百

s~幾ms依據(jù)內(nèi)部電路不一樣,分為以下三類(lèi):數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第73頁(yè)逐次比較型ADC，又稱(chēng)逐次迫近型ADC。其工作原理類(lèi)似與天平稱(chēng)重過(guò)程(如稱(chēng)13.5克重物）。2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器序號(hào)砝碼（8、4、2、1克）砝碼取留18留24留32去41留數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第74頁(yè)3位逐次迫近型ADC組成：3位DAC、電壓比較器、模5環(huán)形計(jì)數(shù)器、鐘控RS觸發(fā)器。UR=5V，Ui=3.2V，初始化（圖中未畫(huà))QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=00001

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)脈沖Q1Q2Q3Q4Q5=10000。因?yàn)镼1=1，則QAQBQC=100

Uo=5/23×22=2.5V因?yàn)閁o<Ui，比較器輸出UB=0。 &&數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第75頁(yè)

第二個(gè)CP到來(lái)后，Q1Q2Q3Q4Q5=01000。因?yàn)镼2=1，QB被置1；因?yàn)閁B=0，封鎖了與門(mén)G1，Q2不能經(jīng)過(guò)門(mén)G1使QA復(fù)位，QA仍為1，所以QAQBQC=110

Uo=5/23×（22+21）=3.75V因?yàn)閁o>Ui，比較器輸出UB=1。

第三個(gè)CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00100。因?yàn)镼3=1，QC被置1；此時(shí)因?yàn)閁B=1，門(mén)G2被打開(kāi)，Q3經(jīng)過(guò)門(mén)G2使QB=0；同時(shí)Q1=Q2=0，使QA保持1狀態(tài)不變。因而QAQBQC=101，Uo=5/23×（22+20）=3.125V因?yàn)閁o<Ui，比較器輸出UB=0。&&數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第76頁(yè)

第四個(gè)CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。因?yàn)閁B=0，封鎖了門(mén)G1～G3，同時(shí)因?yàn)镼1Q2Q3=000，所以QA、QB、QC保持原狀態(tài)不變，即QAQBQC=101。

第五個(gè)CP來(lái)后，Q1Q2Q3Q4Q5=00001。因?yàn)镼5=1，使QAQBQC經(jīng)過(guò)門(mén)G6、G7、G8，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果d2d1d0=101。再來(lái)一個(gè)CP脈沖后，Q1Q2Q3Q4Q5=10000，又重新開(kāi)始轉(zhuǎn)換。&&數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)培訓(xùn)課件第77頁(yè)3．集成ADC

當(dāng)前普通用多數(shù)是單片集成ADC，其種類(lèi)很多，如AD571，ADC0801，ADC0809等。下面介紹CMOS、8通道、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是按逐次迫近原理工作，它除了含有基本