測井?dāng)?shù)據(jù)采集技術(shù)

關(guān)于測井?dāng)?shù)據(jù)采集技術(shù)

智能儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS（DataAcquisitionSystem），是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進(jìn)行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機進(jìn)行存儲、處理、顯示或打印的裝置。第2頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第一節(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3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成

第3頁,共80頁，2024年2月25日，星期天

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式和分散采集式兩大類型。

第4頁,共80頁，2024年2月25日，星期天一、集中采集式

圖3.2集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

第5頁,共80頁，2024年2月25日，星期天二、分散采集式(分布式)(a)分布式單機數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)

第6頁,共80頁，2024年2月25日，星期天通信接口上位機數(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)圖3.3分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)第7頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)

模擬信號調(diào)理

在一般測量系統(tǒng)中信號調(diào)理的任務(wù)較復(fù)雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理（SignalConditioning），相應(yīng)的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。

第8頁,共80頁，2024年2月25日，星期天傳感器前置放大低通陷波高通至采集電路圖3.4典型調(diào)理電路的組成框圖

第9頁,共80頁，2024年2月25日，星期天一、傳感器的選用傳感器是信號輸人通道的第一道環(huán)節(jié)，也是決定整個測試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。要正確選用傳感器，首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng)需要什么樣的傳感器——系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求；其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標(biāo)和價格進(jìn)行對比，從中挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。第10頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(一)對傳感器的主要技術(shù)要求1.具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致。2.轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(biāo)，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，如耐高溫、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。4.能滿足用戶對可靠性和可維護(hù)性的要求。第11頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(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。在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應(yīng)側(cè)重考慮成本低、相配電路是否簡單等因素進(jìn)行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。

第12頁,共80頁，2024年2月25日，星期天1.大信號輸出傳感器

:為了與A/D輸入要求相適應(yīng)，傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些專門與A/D相配套的大信號輸出傳感器。

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圖3.5大信號輸出傳感器的使用

第13頁,共80頁，2024年2月25日，星期天2.數(shù)字式傳感器：數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應(yīng)器件構(gòu)成，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構(gòu)成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)

V/F轉(zhuǎn)換等，因此，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠(yuǎn)距離傳送等優(yōu)點。

第14頁,共80頁，2024年2月25日，星期天傳感器放大整形光電隔離計算機傳感器整形光電隔離計算機頻率量輸出開關(guān)量輸出圖3.6頻率量及開關(guān)量輸出傳感器的使用

第15頁,共80頁，2024年2月25日，星期天3.集成傳感器：集成傳感器是將傳感器與信號調(diào)理電路做成一體。例如，將應(yīng)變片、應(yīng)變電橋、線性化處理、電橋放大等做成一體，構(gòu)成集成壓力傳感器。采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號調(diào)理任務(wù)，簡化通道結(jié)構(gòu)。

第16頁,共80頁，2024年2月25日，星期天4.光纖傳感器：這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過光導(dǎo)纖維實現(xiàn)的，避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾。在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。第17頁,共80頁，2024年2月25日，星期天二、運用前置放大器的依據(jù)多數(shù)傳感器輸出信號都比較小，必須選用前置放大器進(jìn)行放大。判斷傳感器信號“大”還是“小”和要不要進(jìn)行放大的依據(jù)又是什么？放大器為什么要“前置”,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？前置放大器的放大倍數(shù)應(yīng)該多大？第18頁,共80頁，2024年2月25日，星期天VIN前置放大器K0后級電路KVISVIN0VOSVON圖3.7前置放大器的作用

第19頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第20頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.8兩種調(diào)理電路的對比

第21頁,共80頁，2024年2月25日，星期天

由于

K＞1,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。

第22頁,共80頁，2024年2月25日，星期天三、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。

第23頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(一)儀用放大器

圖3.9儀用放大器的基本結(jié)構(gòu)

第24頁,共80頁，2024年2月25日，星期天儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。則放大器閉環(huán)增益為：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：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。

第25頁,共80頁，2024年2月25日，星期天

在實際的設(shè)計過程中，可根據(jù)模擬信號調(diào)理通道的設(shè)計要求，并結(jié)合儀用放大器的以下主要性能指標(biāo)確定具體的放大電路。

第26頁,共80頁，2024年2月25日，星期天1.非線性度

它是指放大器實際輸出輸入關(guān)系曲線與理想直線的偏差。當(dāng)增益為1時，如果一個12位A/D轉(zhuǎn)換器有0.025%的非線性偏差，當(dāng)增益為500時，非線性偏差可達(dá)0.1%，相當(dāng)于把12位A/D轉(zhuǎn)換器變成10位以下轉(zhuǎn)換器，故一定要選擇非線性偏差小于0.024%的儀用放大器。

第27頁,共80頁，2024年2月25日，星期天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。通常儀用放大器的輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生(1~50)

V/℃變化，這與儀用放大器的增益有關(guān)。

第28頁,共80頁，2024年2月25日，星期天3.建立時間建立時間是指從階躍信號驅(qū)動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)所需的時間。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。顯然，放大器的建立時間和恢復(fù)時間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。第29頁,共80頁，2024年2月25日，星期天5.電源引起的失調(diào)電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1%，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對于共電源系統(tǒng)，該指標(biāo)則是設(shè)計系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。

第30頁,共80頁，2024年2月25日，星期天6.共模抑制比當(dāng)放大器兩個輸入端具有等量電壓變化值UI時，在放大器輸出端測量出電壓變化值UCM，則共模抑制比CMRR可用下式計算：CMRR也是放大器增益的函數(shù)，它隨增益的增加而增大，這是因為測量放大器具有一個不放大共模的前端結(jié)構(gòu)，這個前端結(jié)構(gòu)對差動信號有增益，對共模信號沒有增益。但CMRR的計算卻是折合到放大器輸出端，這樣就使CMRR隨增益的增加而增大。第31頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(二)程控增益放大器程控放大器是智能儀器的常用部件之一，在許多實際應(yīng)用中，特別是在通用測量儀器中，為了在整個測量范圍內(nèi)獲取合適的分辨力，常采用可變增益放大器。在智能儀器中，可變增益放大器的增益由儀器內(nèi)置計算機的程序控制。這種由程序控制增益的放大器，稱為程控放大器。

第32頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.10程控放大器原理框圖

第33頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(三)隔離放大器隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號的傳輸過程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號是微弱的模擬信號，而測試現(xiàn)場的干擾比較大對信號的傳遞精度要求又高，這時可以考慮在模擬信號進(jìn)入系統(tǒng)之前用隔離放大器進(jìn)行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。

第34頁,共80頁，2024年2月25日，星期天由于隔離放大器采用了浮離式設(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(hù)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(jìn)行準(zhǔn)確、安全的測量。第35頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.12GF289集成隔離放大器第36頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.14GF289典型接法

第37頁,共80頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù)

A/D轉(zhuǎn)換器是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但在一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個稱為量子Q的基本單位來度量。

第38頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.15量化特性及量化誤差第39頁,共80頁，2024年2月25日，星期天

一般而言，n位ADC的理想傳輸函數(shù)由以下兩個式子定義：

第40頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.16理想ADC的傳輸特性和量化誤差

第41頁,共80頁，2024年2月25日，星期天A/D轉(zhuǎn)換器常用以下幾項技術(shù)指標(biāo)來評價其質(zhì)量水平。

(1)分辨率

ADC的分辨率定義為ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。

(2)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。

第42頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(3)精度①絕對精度絕對精度定義為：對應(yīng)于產(chǎn)生一個給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的差值。絕對精度由增益誤差、偏移誤差、非線性誤差以及噪聲等組成。

第43頁,共80頁，2024年2月25日，星期天②相對精度相對精度定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對應(yīng)的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。

③偏移誤差。ADC的偏移誤差定義為使ADC的輸出最低位為1，施加到ADC模擬輸入端的實際電壓與理論值1/2(Vr／2n)(即0.5LSB所對應(yīng)的電壓值)之差（又稱為偏移電壓）。

第44頁,共80頁，2024年2月25日，星期天④增益誤差增益誤差是指ADC輸出達(dá)到滿量程時，實際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分?jǐn)?shù)表示。

⑤線性度誤差A(yù)DC的線性度誤差包括積分線性度誤差和微分線性度誤差兩種。a．積分線性度誤差積分線性度誤差定義為偏移誤差和增益誤差均已調(diào)零后的實際傳輸特性與通過零點和滿量程點的直線之間的最大偏離值，有時也稱為線性度誤差。

第45頁,共80頁，2024年2月25日，星期天b．微分線性度誤差積分線性度誤差是從總體上來看ADC的數(shù)字輸出，表明其誤差最大值。但是，在很多情況下往往對相鄰狀態(tài)間的變化更感興趣。微分線性度誤差就是說明這種問題的技術(shù)參數(shù)，它定義為ADC傳輸特性臺階的寬度（實際的量子值）與理想量子值之間的誤差，也就是兩個相鄰碼間的模擬輸入量的差值對于Vr/2n的偏離值。

第46頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.17ADC的積分線性度誤差

圖3.18ADC的微分線性度誤差

第47頁,共80頁，2024年2月25日，星期天與微分線性度誤差直接關(guān)聯(lián)的一個ADC的常用術(shù)語是失碼（MissingCord）或跳碼(SkippedCord)，也叫做非單調(diào)性。

圖3.19ADC的失碼現(xiàn)象

第48頁,共80頁，2024年2月25日，星期天⑥溫度對誤差的影響環(huán)境溫度的改變會造成偏移、增益和線性度誤差的變化。

第49頁,共80頁，2024年2月25日，星期天二、ADC的轉(zhuǎn)換原理(一)

比較型ADC比較型ADC可分為反饋比較型及非反饋（直接）比較型兩種。高速的并行比較型ADC是非反饋的，智能儀器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反饋型

第50頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.20逐次逼近式轉(zhuǎn)換器原理

第51頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(二)積分型ADC圖3.21雙積分ADC第52頁,共80頁，2024年2月25日，星期天雙積分式ADC的優(yōu)點：對R、C及時鐘脈沖Tc的長期穩(wěn)定性無過高要求即可獲得很高的轉(zhuǎn)換精度。微分線性度極好，不會有非單調(diào)性。因為積分輸出是連續(xù)的，因此，計數(shù)必然是依次進(jìn)行的,即從本質(zhì)上說，不會發(fā)生丟碼現(xiàn)象。積分電路為抑制噪聲提供了有利條件。雙積分式ADC是測量輸入電壓在定時積分時間T1內(nèi)的平均值，對干擾有很強的抑制作用，尤其對正負(fù)波形對稱的干擾信號抑制效果更好。

第53頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(三)Δ-Σ型ADC

過采樣Σ-ΔA/D變換器由于采用了過采樣技術(shù)和Σ-Δ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。

第54頁,共80頁，2024年2月25日，星期天①過采樣技術(shù)圖3.22理想3位ADC轉(zhuǎn)換特性

第55頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.23 過采樣技術(shù)原理圖

第56頁,共80頁，2024年2月25日，星期天②Σ-Δ調(diào)制及噪聲整形技術(shù)圖3.24 帶模擬濾波和數(shù)字濾波的過采樣

第57頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.25一階Σ-ΔADC第58頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.26Σ-Δ調(diào)制器的頻域線性化模型

第59頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.27 整形后的量化噪聲分布第60頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.28 二階Σ-ΔADC第61頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.29信噪比與階數(shù)和過采樣倍率之間的關(guān)系

第62頁,共80頁，2024年2月25日，星期天③數(shù)字濾波和采樣抽取技術(shù)圖3.30M=4的采樣抽取

第63頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(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的特點是：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)場與主機系統(tǒng)距離較遠(yuǎn)的應(yīng)用場合；易于實現(xiàn)光電隔離。

第64頁,共80頁，2024年2月25日，星期天三、常用ADC集成芯片及其與智能儀器中微處理器的接口考慮到逐次逼近式ADC具有轉(zhuǎn)換速度快，精度較高，價格適中的優(yōu)點，Σ-Δ型ADC具有轉(zhuǎn)換精度高，價格低廉的優(yōu)點，下面將介紹逐次逼近式ADC-AD574A和Σ-Δ型ADC-CS5360及其與CPU的接口。第65頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(一)AD54A及其與微處理器的接口圖3.31AD57A的管腳圖第66頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.32ADC574A單極性和雙極性輸入接法

第67頁,共80頁，2024年2月25日，星期天表3.1AD574的控制狀態(tài)表：圖3.33AD574的8位輸出數(shù)據(jù)格式第68頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.34AD574A啟動轉(zhuǎn)換和讀數(shù)據(jù)時序

第69頁,共80頁，2024年2月25日，星期天圖3.35AD574A與8031的接口

第70頁,共80頁，2024年2月25日，星期天表3.2AD574系列產(chǎn)品主要性能比較第71頁,共80頁，2024年2月25日，星期天(二)CS5360