智能仪器第3版 程德福 林君第2章 数据采集技术

1、第二章 数据采集技术：重点章,数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 传统A/D转换器及接口技术 -型ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析,数据采集系统 DAS（Data Acquisition ystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、输出的装置。 智能仪器的核心硬件 其主要技术： 模拟通道的放大滤波技术 采样量化技术 与计算机接口技术,第二章 数据采集技术,第一节 数据采集系统的组成结构,一、单路数据采集系统,同时测量多种信号或同一种信号分布在空间多个测量点。 两大类型： 集中式采集 分布式采集,二、多路模拟输入通道数据采集系统,第一节 数据采集系统的组成结构,第一节 数据采集系统的组成结构,1、共用采集电路分时采集,2、多路同步取样共用A/D分时采集,第一节 数据采集系统的组成结构,4、多通道独立取样并行A/D，每个通道缓存 每个通道处理器（多道频谱分析仪）,第一节 数据采集系统的组成结构,3、多通道同步取样并行A/D，分时传输数据,此结构突出问题是什么？,第一节 数据采集系统的组成结

2、构,5、分布式采集（网络式采集）,有何特点,有线、无线,请总结每种数据采集系统结构的主要特点！,第二节 模拟信号调理,信号调理的任务（Signal conditioning）： 非电量信号向电信号的转换 小信号放大 滤波、去干扰，抗混叠,典型模拟调理电路的组成,互动讨论，知识联想，强化综合,传感器是信号输入通道的第一环节，也是决定整个仪器系统性能的关键环节之一。 选用传感器 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求； 了解传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 研制传感器,一、传感器-关键核心技术,第二节 模拟信号调理,将被测量转换后续电路可用电量： 转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 转换精度：符合整个测量系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标； 转换速度（带宽）：符合整机要求； 能满足被测介质和使用环境的特殊要求； 能满足可靠性和可维护性的要求。,(一) 对传感器的主要技术要求,第二节 模拟信号调理,对于一种被测量，常常有多种传感器可选，在都能满足技术指标前提下： 应侧重于检测调理电路是否简单、可靠、性价比。 工程化思想的体现,(二) 选用什么类型传感器,第二节 模拟信号调理,大

3、信号输出传感器的使用,1、大信号输出传感器,第二节 模拟信号调理,采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。,2、输出频率/时间量传感器,第二节 模拟信号调理,频率量及开关量输出传感器的使用,第二节 模拟信号调理,将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。 半导体集成数字传感器。 减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构,提高可靠性。,3. 集成传感器,第二节 模拟信号调理,信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。 从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。 问题：存在温度变化影响。,4.光纤传感器,第二节 模拟信号调理,放大器为什么要“前置”，即设置在调理电路的最前端？ 前置放大器的放大倍数应该多大？,二、运用前置放大器的依据,当传感器输出信号比较小或干扰强，使采集系统输入端信噪比低，必须选用前置放大器进行放大。,第二节 模拟信号调理,第二节 模拟信号调理,放大器噪声分析：将系统噪

4、声等效到输入端,总的等效输出噪声：,总的等效输入噪声：,两种调理电路的对比,（a）,（b）,由于 K1,所以， ，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。,第二节 模拟信号调理,三、信号调理通道中的常用放大器,仪用放大器 程控增益放大器 隔离放大器,第二节 模拟信号调理,(一) 差动输入仪用放大器,仪用放大器的基本结构,第二节 模拟信号调理,仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为： 假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为： 集成仪用放大器，RG外接电阻。,第二节 模拟信号调理,非线性度 温漂 建立时间 恢复时间 电源引起的失调 共模抑制比,仪用放大电路主要性能指标：,第二节 模拟信号调理,它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。,1、非线性度,第二节 模拟信号调理,温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度； 量级：(150)V/变化； 与仪用放大器的增益有关。,2、温漂,第二节 模拟信号调理,指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。,3

5、、建立时间,第二节 模拟信号调理,指放大器撤除扰动信号瞬间至放大器由饱和 状态恢复到最终值所需的时间。,放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定，直接影响数据采集系统的采样速率。 在放大器增益带宽积指标体现,第二节 模拟信号调理,4、恢复时间,指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。 仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共用电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。,5、电源引起的失调,第二节 模拟信号调理,CMRR=20logAdef/Acom 共模电压存在场合,6、共模抑制比,第二节 模拟信号调理,程控放大器是常用部件，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。 增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。,(二) 程控增益放大器,第二节 模拟信号调理,选用导通电阻小的模拟开关、精密电阻。 PGA202/204等是增益1、10、100、1000四档、由两条TTL逻辑控制。,程控放大器原理框图,第二节 模拟信号调理,两口隔离：信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离； 三口隔离：信号输入部分、信号输出部分、功率

6、供给部分彼此欧姆隔离； 三种隔离办法：光隔离、电容隔离、变压器隔离（电磁）。,(三) 隔离放大器：隔离模式,第二节 模拟信号调理,高共模电压场合：如电力线电流取样、强电场中测量小范围电压差； 测试现场干扰比较大的微弱模拟信号，而对信号的传递精度要求又高; 多个系统不能共地。,第二节 模拟信号调理,(三) 隔离放大器：应用场合,能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须 提供偏流返回通路。 共模抑制比高，能对直流和低频信号进行准确、安全的测量。,(三) 隔离放大器：特点,第二节 模拟信号调理,GF289集成隔离放大器,第二节 模拟信号调理,GF289典型接法,第二节 模拟信号调理,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,ADC的基本概念 技术指标的含义 比较型ADC、积分型ADC、V/F转换原理 典型芯片选择及接口设计 （3、4看书查阅资料自学）,量化特性及量化误差,1.ADC的基本概念,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,n位ADC的理想传输函数由以下两式定义：,Vr是模拟输入满量程,1.ADC的基本概念,第三节 传统 A

7、/D转换器及接口技术,理想ADC的传输特性和量化误差,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,分辨率 转换时间 精度 误差,2.A/D转换器技术指标的含义,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量。 n表示ADC输出数字量的位数，代表ADC有2n个可能状态，可分辨出满量程值的1/2n 的输入变化量。 此输入变化量称为1LSB（即一个量子Q）,(1) 分辨率: 1LSB=Q,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,A/D转换器完成一次转换所需的时间。其倒数称为转换速率 与实现转换所采用的电路技术有关 与位数有关 采集系统转换时间还与接口模式有关,(2) 转换时间,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,绝对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入电压实际值与理想值之差。 绝对误差由增益误差、偏移误差、非线性误差、噪声等组成。 相对误差(精度) 数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比，用表示。 绝对误差/满量程值之比。,(3) 精度与误差,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,定义:为使ADC的输出为1，施加到ADC模拟输入端的实际电压

8、与理论值即1LSB所对应的电压值)之差. 在一定环境温度条件下，偏移电压是可以调零的。在ADC的产品技术说明书中都给出偏移误差的温度系数，单位为10-6/，其值约在几到几十范围内。,偏移误差（零偏）,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,增益误差（满偏） 指ADC输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。可调，受温度影响。,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,线性度误差 a积分线性度误差 偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值。,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,b微分线性度误差 ADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于Vr/2n的偏离值。,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,b微分线性度误差 ADC传输特性台阶的宽度（实际的量子值）与理想量子值之间的误差，也就是两个相邻码间的模拟输入量的差值对于Vr/2n的偏离值。 失码（Missing Cord）或跳码(Skipped Cord)，也叫做非单调性。,第三节 传统 A/D转换

9、器及接口技术,ADC的积分线性度误差 ADC的微分线性度误差,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,ADC的失码现象,第三节 传统A/D转换器及接口技术,环境温度的改变会造成偏移、增益和线性度误差的变化。,温度对误差的影响,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,二、传统ADC的转换原理 (一) 比较型ADC 比较型ADC可分为反馈比较型及非反馈（直接）比较型两种。高速的并行比较型ADC是非反馈的，智能仪器中常用到的中速中精度的逐次逼近型ADC是反馈型.,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,逐次逼近式转换器原理,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,(二) 积分型ADC,双积分ADC,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,双积分式ADC的优点： 对R、C及时钟脉冲Tc的长期稳定性无过高要求即可获得很高的转换精度。 微分线性度极好，不会有非单调性，不丢码 积分电路为抑制噪声提供了有利条件。双积分式ADC是测量输入电压在定时积分时间T1内的平均值，对干扰有很强的抑制作用，尤其对正负波形对称的干扰信号抑制效果更好。,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,(三) V/F型ADC 对工频干扰有一定的抑制能力； 分辨率较高； 适合现场与主机系统距离较远的应用场合； 易于实现光电隔离。,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,三、常用ADC与微处理器的接口 从计算机接口理解模式 时序/逻辑,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,(一) AD54A及其与微处理器的接口,AD57A的管脚图,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,ADC574A单极性和双极性输入接法,单极性接法,双极性接法,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,AD574的控制状态表：,无关位,0H（偶数地址）,1H（奇数地址）,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,AD574A启动转换和读数据时序,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,AD574系列产品主要性能比较,第三节 传统 A/D转换器及接口技术,若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯Q, 量化噪声的总功率是一个常数,与采样频率fs无关,功率密度谱在0fs/2的频带范围

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