电气测试系统ch2.1课件.ppt

第二章第二章 输入输出通道输入输出通道1NUST自动化学院自动化学院 测控系统通常具有测控系统通常具有输入输入和和输出输出通道，输入通道通道，输入通道又可分为又可分为模拟量、数字量输入通道模拟量、数字量输入通道；相应的，输出；相应的，输出通道也可以分成通道也可以分成模拟量、数字量输出通道模拟量、数字量输出通道不同通道具有不同通道性能，完成不同动作：道具有不同通道性能，完成不同动作：电气测试系统原理电气测试系统原理2NUST自动化学院自动化学院 主要内容主要内容 2.1 2.1 模拟输入通道模拟输入通道 2.2 2.2 模拟输出通道模拟输出通道 2.3 2.3 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道 2.4 2.4 单元电路的级联设计单元电路的级联设计电气测试系统原理电气测试系统原理3NUST自动化学院自动化学院 2.1 2.1 模拟输入通道模拟输入通道电气测试系统原理电气测试系统原理4NUST自动化学院自动化学院主要内容主要内容一、模拟输入通道的基本类型与组成结构一、模拟输入通道的基本类型与组成结构 二、传感器的选用二、传感器的选用 三、信号调理电路的参数设计和选择三、信号调理电路的参数设计和选择 四、数据采集电路的参数设计和选择四、数据采集电路的参数设计和选择 五、模拟输入通道的误差分配与综合五、模拟输入通道的误差分配与综合 电气测试系统原理电气测试系统原理5NUST自动化学院自动化学院一、模拟输入通道的基本类型与组成结构一、模拟输入通道的基本类型与组成结构 模拟输入通道模拟输入通道是测控系统中被测对象与计算机是测控系统中被测对象与计算机之间的联系通道。

之间的联系通道 输入通道应包含有以下两大环节：输入通道应包含有以下两大环节： a a、传感器电路：、传感器电路： 将被测各将被测各非电物理量非电物理量转换为可用的电信号；转换为可用的电信号； b b、数据采集电路：、数据采集电路： 将模拟电信号转换为数字电信号将模拟电信号转换为数字电信号电气测试系统原理电气测试系统原理6NUST自动化学院自动化学院说明说明 除除数字传感器数字传感器外外，，大多数传感器都是将大多数传感器都是将模拟非模拟非电量转换为模拟电量；电量转换为模拟电量； 这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的信号调理行数字转换，还需进行适当的信号调理电气测试系统原理电气测试系统原理7NUST自动化学院自动化学院模拟输入通道的组成模拟输入通道的组成 模拟输入通道由模拟输入通道由传感器电路传感器电路、、信号调理电路信号调理电路、、数据采集电路数据采集电路三部分组成，如下图：三部分组成，如下图： 实际测控系统往往需同时测量多种物理量（多实际测控系统往往需同时测量多种物理量（多参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量），回测量），多路模拟输入多路模拟输入通道更具有普遍性。

通道更具有普遍性 (例例) )电气测试系统原理电气测试系统原理8NUST自动化学院自动化学院分类分类 标准：标准：按照系统中按照系统中数据采集电路是各路共用一数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个个还是每路各用一个 多路模拟输入通道可分为多路模拟输入通道可分为集中采集式集中采集式( (简称集中简称集中式式) )和和分散采集式分散采集式( (简称分布式简称分布式) )两大类型两大类型电气测试系统原理电气测试系统原理9NUST自动化学院自动化学院1 1、集中采集式、集中采集式( (集中式集中式) ) 集中采集式多路模拟输入通道的典型结构包括集中采集式多路模拟输入通道的典型结构包括分时采集型分时采集型和和同步采集型同步采集型两种，下图为两种，下图为多路分时采多路分时采集分时输入集分时输入的典型电路：的典型电路： 电气测试系统原理电气测试系统原理10NUST自动化学院自动化学院多路分时采集分时输入电路的特点多路分时采集分时输入电路的特点§多路信号共同使用多路信号共同使用一个一个S S／／H(H(采样采样/ /保持保持) )和和A A／／D D转换转换电路，简化电路结构，降低成本；电路，简化电路结构，降低成本； §对信号的采集由模拟多路切换器即多路转换开关对信号的采集由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换分时切换、、轮流选通轮流选通，因而相邻两路信号在时间，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据不能获得同一时刻的数据；； 电气测试系统原理电气测试系统原理11NUST自动化学院自动化学院§分时采集会产生分时采集会产生采样的时间偏斜误差采样的时间偏斜误差。

尽管时间尽管时间偏斜很短，对于要求多路信号严格同步采集测试偏斜很短，对于要求多路信号严格同步采集测试的系统是不适用的；的系统是不适用的； §广泛应用于多数广泛应用于多数中速及低速测量中速及低速测量系统 电气测试系统原理电气测试系统原理12NUST自动化学院自动化学院多路多路同步采集分时输入同步采集分时输入电路的结构电路的结构电气测试系统原理电气测试系统原理13NUST自动化学院自动化学院同步采集型分时输入电路的特点：同步采集型分时输入电路的特点：§在多路转换开关前，给每路信号通路各加一个采在多路转换开关前，给每路信号通路各加一个采样／保持器，使多路信号采样在同一时刻进行，样／保持器，使多路信号采样在同一时刻进行，即即同步采样同步采样( (为该结构的最大特点为该结构的最大特点) ) §各自的保持电路保持采样信号幅值，多路转换开各自的保持电路保持采样信号幅值，多路转换开关分时切换进入公用的关分时切换进入公用的S S／／H H和和A A／／D D电路，将保持电路，将保持的采样幅值转换成数据输入主机的采样幅值转换成数据输入主机( (分时转换分时转换) ) §消除分时采集型结构的时间偏斜误差，同时也能消除分时采集型结构的时间偏斜误差，同时也能满足同步采集要求，电路又比较简单。

满足同步采集要求，电路又比较简单 电气测试系统原理电气测试系统原理14NUST自动化学院自动化学院§电路电路不足不足：被测信号路数较多时，同步采样得到：被测信号路数较多时，同步采样得到的信号在保持器中保持时间加长；的信号在保持器中保持时间加长；§电路电路不足不足：保持器总有一些：保持器总有一些泄漏泄漏( (负载电阻不为无负载电阻不为无穷大穷大) )，保持的信号有所衰减，且由于各路信号保，保持的信号有所衰减，且由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同§不能获得严格意义上的同步输入不能获得严格意义上的同步输入 电气测试系统原理电气测试系统原理15NUST自动化学院自动化学院2 2、分散采集式、分散采集式( (分布式分布式) )特点：特点：§每每路路输输入入信信号号都都有有一一个个S S／／H H和和A A／／D D转转换换电电路路，，不不再需要模拟多路切换器再需要模拟多路切换器MUXMUX§每每一一个个S S／／H H和和A A／／D D只只对对本本路路模模拟拟信信号号进进行行数数字字转转换换即即数数据据采采集集，，采采集集的的数数据据按按一一定定顺顺序序或或随随机机地地输入计算机。

输入计算机电气测试系统原理电气测试系统原理16NUST自动化学院自动化学院分散采集式结构图分散采集式结构图电气测试系统原理电气测试系统原理17NUST自动化学院自动化学院分散采集式电路的结构特点分散采集式电路的结构特点§信号被同时采集信号被同时采集( (采样开关受控后同时动作采样开关受控后同时动作) )，采，采集的数据随后被送至集的数据随后被送至ADCADC进行进行A/DA/D转换§对于对于A/DA/D转换得到的数字量，处理器会控制转换得到的数字量，处理器会控制ADCADC进进行分时的送出，并为处理器读取行分时的送出，并为处理器读取 (即在信号输出即在信号输出时，可由时，可由ADCADC受控并分时输出数字量受控并分时输出数字量) )§该电路保存的是经过该电路保存的是经过ADCADC转换好的数字信号，不会转换好的数字信号，不会发生信号的丢失发生信号的丢失 电气测试系统原理电气测试系统原理18NUST自动化学院自动化学院§电路较为复杂，每路都需要电路较为复杂，每路都需要A/DA/D转换器，成本较高转换器，成本较高当精度要求较高，当精度要求较高，转换路数较多时，转换路数较多时，A/DA/D转换器带转换器带来成本增加必须要考虑。

来成本增加必须要考虑 §适用于对转换精度要求较高的场合，并且对各类适用于对转换精度要求较高的场合，并且对各类信号数据信号数据同步性要求较高同步性要求较高的场合 §被采样的信号为各种类型不同的信号时，这种电被采样的信号为各种类型不同的信号时，这种电路也用得较为常见路也用得较为常见电气测试系统原理电气测试系统原理19NUST自动化学院自动化学院电路结构的异同点及各自的适用范围电路结构的异同点及各自的适用范围 1 1、分时采集分时输入、分时采集分时输入 2 2、同步采集分时输入、同步采集分时输入 3 3、分布式采集、分布式采集 例例电气测试系统原理电气测试系统原理20NUST自动化学院自动化学院分时采集，分时采集，分时输入电路分时输入电路同步采集，同步采集，分时输入电路分时输入电路分布式采集电路分布式采集电路电气测试系统原理电气测试系统原理21NUST自动化学院自动化学院§数据采集电路：数据采集电路： 在在上上图图中中所所示示的的三三种种结结构构的的信信号号采采集集电电路路中中，，通通常常包包括括有有：：模模拟拟多多路路切切换换开开关关、、采采样样保保持持器器、、A A／／D D转换器。

转换器 这这几几部部分分电电路路的的作作用用就就是是将将传传感感器器输输出出的的模模拟拟电电信信号号转转换换为为数数字字电电信信号号，，因因此此这这部部分分电电路路被被称称之之为为““数据采集电路数据采集电路””电气测试系统原理电气测试系统原理22NUST自动化学院自动化学院§模拟输入通道的组成：模拟输入通道的组成： 传感器电路传感器电路 调理电路调理电路( (对信号进行采集前的预处理对信号进行采集前的预处理) ) 数据采集电路数据采集电路§信号调理电路的组成：信号调理电路的组成： 下面我们分别研究这三部分的选择和设计原则下面我们分别研究这三部分的选择和设计原则电气测试系统原理电气测试系统原理23NUST自动化学院自动化学院二、传感器的选用二、传感器的选用传感器选用时面临的问题：传感器选用时面临的问题：§测控系统中传感器的作用测控系统中传感器的作用( (精度、变换信号精度、变换信号等方面等方面) )§传感器技术的发展传感器技术的发展§测控系统中传感器选择的多样性测控系统中传感器选择的多样性 ( (例例) )电气测试系统原理电气测试系统原理24NUST自动化学院自动化学院正确选用传感器的原则正确选用传感器的原则 1 1）明确所设计的测量系统需什么样的传感器，）明确所设计的测量系统需什么样的传感器，即系统对传感器的技术要求；来确定传感器的类型即系统对传感器的技术要求；来确定传感器的类型及指标要求。

及指标要求 (说明说明) ) 2 2）了解哪些可供选择的传感器，把同类产品的）了解哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，挑选合乎要求的指标和价格进行对比，挑选合乎要求的性能价格比性能价格比最高最高的传感器的传感器 ( (说明说明) ) 电气测试系统原理电气测试系统原理25NUST自动化学院自动化学院1 1、传感器的主要技术要求：、传感器的主要技术要求： (1) (1) 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转转换范围与被测量实际变化范围换范围与被测量实际变化范围( (变化幅度范围、变化频率范变化幅度范围、变化频率范围围) )相一致   (2) (2) 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标给传感器的精度指标( (一般应优于系统精度的十倍左右一般应优于系统精度的十倍左右) )，转，转换速度应符合整个系统要求。

换速度应符合整个系统要求 (说明说明) ) (3) (3) 满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等和不耗电或耗电少等   (4) (4) 满足用户对可靠性和可维护性的要求满足用户对可靠性和可维护性的要求 电气测试系统原理电气测试系统原理26NUST自动化学院自动化学院2 2、传感器类型、传感器类型 可用于同一被测量的不同类型的传感器具有不可用于同一被测量的不同类型的传感器具有不同的特点和不同价格在满足同的特点和不同价格在满足测量范围、精度、速测量范围、精度、速度、使用条件度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器格比高的传感器 例：温度传感器例：温度传感器的种类：的种类： 热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PNPN结、结、ICIC温度传感器、光纤温度传感器温度传感器、光纤温度传感器 不同类型的温度传感器在测量时所获的不同类型的温度传感器在测量时所获的测量精测量精度、测量范围度、测量范围等有所不同，选用时要考虑性价比。

等有所不同，选用时要考虑性价比 电气测试系统原理电气测试系统原理27NUST自动化学院自动化学院 近年传感器技术有了较大发展，精度等都有较近年传感器技术有了较大发展，精度等都有较大提高，对测控系统有较大影响的传感器类型：大提高，对测控系统有较大影响的传感器类型： (1) (1) 大信号输出传感器大信号输出传感器 (2) (2) 数字式传感器数字式传感器 (3) (3) 集成传感器集成传感器 (4) (4) 光纤传感器光纤传感器电气测试系统原理电气测试系统原理28NUST自动化学院自动化学院(1)(1)大信号输出传感器大信号输出传感器 针对小信号输出针对小信号输出，把放大电路与传感器做成一，把放大电路与传感器做成一体，使传感器直接输出体，使传感器直接输出0-5V0-5V、、0-10V0-10V或或0-2.5V0-2.5V的信号的信号电压，把传感器与相应变送电路做成一体，构成输电压，把传感器与相应变送电路做成一体，构成输出出4-20mA4-20mA直流标准信号变送器输入通道尽可能选直流标准信号变送器输入通道尽可能选用大信号传感器或变送器，省去小信号放大环节：用大信号传感器或变送器，省去小信号放大环节： 电气测试系统原理电气测试系统原理29NUST自动化学院自动化学院(2)(2)      数字式传感器数字式传感器 数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成成，，也也可可以以是是由由敏敏感感参参数数R R、、L L、、C C构构成成的的振振荡荡器器，，或或模拟电压输入经模拟电压输入经V V／／F F转换等。

转换等 数字传感器具有如下明显的特点：数字传感器具有如下明显的特点： 输出为频率参量，输出为频率参量， 测量精度高、测量精度高、 抗干扰能力强、便于远距离传送等优点抗干扰能力强、便于远距离传送等优点 采用数字量传感器时，传感器输出如果满足采用数字量传感器时，传感器输出如果满足TTLTTL电平标准，则可直接与微处理器进行接口电平标准，则可直接与微处理器进行接口 ( (例，数字温度传感器例，数字温度传感器) )电气测试系统原理电气测试系统原理30NUST自动化学院自动化学院§如果传感器输出不是如果传感器输出不是TTLTTL电平，则须经电平转换电平，则须经电平转换或放大整形一般进入单片机的或放大整形一般进入单片机的I/OI/O口或扩展口或扩展I/OI/O口时还要通过光电耦合隔离，如下图所示：口时还要通过光电耦合隔离，如下图所示： 电气测试系统原理电气测试系统原理31NUST自动化学院自动化学院数字式传感器的适用范围：数字式传感器的适用范围： 非快速测量中非快速测量中。

原因：原因： 经过额外的参数变化电路，所以一般响应较慢经过额外的参数变化电路，所以一般响应较慢电气测试系统原理电气测试系统原理32NUST自动化学院自动化学院(3)(3)   集成传感器集成传感器 将将传感器与信号调理电路传感器与信号调理电路做成一体如将应变做成一体如将应变片、应变电桥、线性化处理电路、电桥放大电路等片、应变电桥、线性化处理电路、电桥放大电路等做成一体，构成集成压力传感器集成传感器可减做成一体，构成集成压力传感器集成传感器可减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构 (例例) )(4)(4)   光纤传感器光纤传感器 信号拾取、变换、传输通过光纤实现，避免电信号拾取、变换、传输通过光纤实现，避免电路系统的电磁干扰信号输入通道中采用光纤传感路系统的电磁干扰信号输入通道中采用光纤传感器从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰器从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰 电气测试系统原理电气测试系统原理33NUST自动化学院自动化学院(5)(5)合成传感器电路合成传感器电路 除前述各传感器外，目前市售各种测量仪表，除前述各传感器外，目前市售各种测量仪表，这些测量仪表内部传感器及其测量电路配置较完这些测量仪表内部传感器及其测量电路配置较完善，一般都有大信号输出端，有的还有善，一般都有大信号输出端，有的还有BCDBCD码输出。

码输出 售价远高于一个传感器的价格，故在小型测试售价远高于一个传感器的价格，故在小型测试系统中较少采用，较大型的系统中使用较多系统中较少采用，较大型的系统中使用较多 电气测试系统原理电气测试系统原理34NUST自动化学院自动化学院特殊条件下传感器的选用特殊条件下传感器的选用 对一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目对一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目前还没有现成的传感器可供选用解决方法如下：前还没有现成的传感器可供选用解决方法如下：§提出用户要求，找传感器厂家订做，但是批量小提出用户要求，找传感器厂家订做，但是批量小的价格一般都很昂贵的价格一般都很昂贵 §从现有传感器定型产品中选择一种作为基础，在从现有传感器定型产品中选择一种作为基础，在该传感器前面设计一种敏感器或该传感器前面设计一种敏感器或( (和和) )在该传感器后在该传感器后面设计一种转换器，从而组合成满足特定测量需面设计一种转换器，从而组合成满足特定测量需要的特制传感器要的特制传感器 例：例： 电气测试系统原理电气测试系统原理35NUST自动化学院自动化学院三、信号调理电路的参数设计和选择三、信号调理电路的参数设计和选择 所谓信号调理，就是在信号采样的预处理，在所谓信号调理，就是在信号采样的预处理，在一般的测量系统中，信号调理的任务比较复杂，信一般的测量系统中，信号调理的任务比较复杂，信号调理应包含如下的具体内容：号调理应包含如下的具体内容： 小信号放大、滤波小信号放大、滤波( (现场信号通常为小信号，现场信号通常为小信号，且包含噪声信号且包含噪声信号) ) 零点校正零点校正( (零点偏移零点偏移) ) 线性化处理线性化处理 温度补偿温度补偿 误差修正和量程切换误差修正和量程切换电气测试系统原理电气测试系统原理36NUST自动化学院自动化学院实现实现 一般而言，信号调理过程应设计专门的硬件电一般而言，信号调理过程应设计专门的硬件电路来完成，这些硬件电路统称为信号调理电路。

路来完成，这些硬件电路统称为信号调理电路 测控系统中，部分的调理电路功能可由软测控系统中，部分的调理电路功能可由软件来完成，简化电路设计件来完成，简化电路设计电气测试系统原理电气测试系统原理37NUST自动化学院自动化学院信号调理的重点信号调理的重点 对于信号输入通道，信号调理重点为：对于信号输入通道，信号调理重点为： 小信号放大小信号放大 信号滤波信号滤波 频率信号的放大整形频率信号的放大整形 典型的信号调理电路组成如下图所示：典型的信号调理电路组成如下图所示：电气测试系统原理电气测试系统原理38NUST自动化学院自动化学院1 1、前置放大器、前置放大器 是否采用前置放大器考虑以下几个问题：是否采用前置放大器考虑以下几个问题： (1)(1)如何判断如何判断传感器的输出信号传感器的输出信号““大大””还是还是““小小””；； (2)(2)要不要要不要对传感器的输出信号进行放大；对传感器的输出信号进行放大； (3)(3)放大的放大的依据依据是什么；是什么； (4)(4)放大器为什么要放大器为什么要““前置前置””即设置在调理电路的即设置在调理电路的最前最前端端，能不能接在滤波器的后面；，能不能接在滤波器的后面； (5)(5)前置放大器的前置放大器的放大倍数放大倍数应该为多大应该为多大；； 电气测试系统原理电气测试系统原理39NUST自动化学院自动化学院前置放大器的作用：前置放大器的作用： 1 1）对传感器信号进行）对传感器信号进行适当适当放大，以满足后续放大，以满足后续电路对信号强度的要求。

简单电路中直接就可以将电路对信号强度的要求简单电路中直接就可以将信号放大到信号放大到ADCADC的量程范围内；的量程范围内； 2 2）抗干扰的需要抗干扰的需要电气测试系统原理电气测试系统原理40NUST自动化学院自动化学院前置放大器的作用前置放大器的作用 一般而言，由于电路内部各种噪声源的存在，一般而言，由于电路内部各种噪声源的存在，电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压波动电压，这就是电路的，这就是电路的输出噪声输出噪声如下图如下图 电气测试系统原理电气测试系统原理41NUST自动化学院自动化学院 电路输出端测得的噪声有效值电路输出端测得的噪声有效值V VONON，折算到输入，折算到输入端（除以该电路的增益端（除以该电路的增益K K）），得到的电平值称为该，得到的电平值称为该电路的电路的等效输入噪声等效输入噪声V VININ，即，即 V VININ＝＝V VONON／／K K 如果加在该电路输入端的信号幅度如果加在该电路输入端的信号幅度V VISIS小到比该小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所电路的噪声所““淹没淹没””。

(一般的传感器输出信号都一般的传感器输出信号都是微弱的电信号是微弱的电信号) )电气测试系统原理电气测试系统原理42NUST自动化学院自动化学院 提高有用信号的输出，抑制噪声信号，使得信提高有用信号的输出，抑制噪声信号，使得信号不被噪声淹没，这在前置放大器选择时就显得尤号不被噪声淹没，这在前置放大器选择时就显得尤为重要电气测试系统原理电气测试系统原理43NUST自动化学院自动化学院 为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器，如下图所示：该电路前面加一级放大器，如下图所示： 电气测试系统原理电气测试系统原理44NUST自动化学院自动化学院结论结论1 1：： 为使小信号输入不被电路的噪声所淹没，在电为使小信号输入不被电路的噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即路前端加入的电路必须是放大器，即K K0 0>1>1；； 放大器必须是低噪声，即放大器本身等效输入放大器必须是低噪声，即放大器本身等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声低；噪声必须比后级电路的等效输入噪声低； 调理电路前端电路必须是调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器低噪声前置放大器。

电气测试系统原理电气测试系统原理45NUST自动化学院自动化学院 放大器在滤波器后及滤波器在放大器后的两种放大器在滤波器后及滤波器在放大器后的两种不同调理电路的比较不同调理电路的比较电气测试系统原理电气测试系统原理46NUST自动化学院自动化学院结论结论2 2：：§调调理理电电路路中中放放大大器器设设置置在在滤滤波波器器前前面面有有利利于于减减少少电路的等效输入噪声电路的等效输入噪声§电电路路等等效效输输入入噪噪声声决决定定电电路路所所能能输输入入的的最最小小信信号号电电平平因因此此减减少少电电路路的的等等效效输输入入噪噪声声实实质质上上提提高高电路接收弱信号的能力电路接收弱信号的能力§前前置置放放大大器器的的设设置置，，满满足足了了对对电电路路噪噪声声抑抑制制，，同同时时，，只只要要选选择择合合适适的的放放大大倍倍数数，，也也满满足足了了电电路路对对小信号放大的要求小信号放大的要求电气测试系统原理电气测试系统原理47NUST自动化学院自动化学院2 2、滤波器、滤波器滤波器的功能及分类：滤波器的功能及分类： 低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器带阻滤波器电气测试系统原理电气测试系统原理48NUST自动化学院自动化学院测控系统中的滤波器测控系统中的滤波器 为使调理电路的零漂电压不随被测信号一起送为使调理电路的零漂电压不随被测信号一起送到采集电路，通常在调理电路与采集电路之间接入到采集电路，通常在调理电路与采集电路之间接入隔直电容隔直电容C C和电压跟随器和电压跟随器A A，如下图所示：，如下图所示： 隔直流电容隔直流电容C C与电压跟随器与电压跟随器A A的输入电阻的输入电阻R Ri i构成构成RCRC高通滤波器，其截止频率为：高通滤波器，其截止频率为：电气测试系统原理电气测试系统原理49NUST自动化学院自动化学院§调理电路中滤波器类型的选择调理电路中滤波器类型的选择§滤波器设置的前提滤波器设置的前提§滤波器的参数设计滤波器的参数设计 ( (截止频率、衰减幅度截止频率、衰减幅度) )电气测试系统原理电气测试系统原理50NUST自动化学院自动化学院（（1 1）奈奎斯特采样定理）奈奎斯特采样定理 采样引起的失真必须被消除，采样引起的失真必须被消除，为消除采样中可为消除采样中可能会存在的折叠失真，必须满足以下条件：能会存在的折叠失真，必须满足以下条件： a a、被采样信号为带限信号，即它的最高频率、被采样信号为带限信号，即它的最高频率为有限值，即：为有限值，即： b b、采样频率大于被采样信号最高频率两倍，、采样频率大于被采样信号最高频率两倍，即采样周期即采样周期T T满足条件：满足条件：电气测试系统原理电气测试系统原理51NUST自动化学院自动化学院 只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，理论理论上就可从采样信号中无失真地恢复出原被采样上就可从采样信号中无失真地恢复出原被采样信号。

这个结论就是著名的信号这个结论就是著名的奈奎斯特采样定理奈奎斯特采样定理 电气测试系统原理电气测试系统原理52NUST自动化学院自动化学院（（2 2）低通有源滤波器的设计）低通有源滤波器的设计①①一阶低通滤波器一阶低通滤波器 功能：低于截止频率的低频信号通过，衰减高功能：低于截止频率的低频信号通过，衰减高频信号分量，通带为频信号分量，通带为 ，， 为截止频率为截止频率 RCRC网络构成的一阶低通滤波器的网络构成的一阶低通滤波器的I/OI/O关系如下：关系如下： 复域关系为：复域关系为： 为输入信号频率为输入信号频率 滤波器的的截止频率为：滤波器的的截止频率为：电气测试系统原理电气测试系统原理53NUST自动化学院自动化学院 信号通过该滤波器时，幅值衰减如下：信号通过该滤波器时，幅值衰减如下： 相应得到图中同相端输入的有源一阶低通滤波器相应得到图中同相端输入的有源一阶低通滤波器的增益衰减关系如下：的增益衰减关系如下： 低通截止频率：低通截止频率： 信号频率信号频率 时，可无衰减通过滤器。

时，可无衰减通过滤器 电气测试系统原理电气测试系统原理54NUST自动化学院自动化学院几点说明几点说明 ⅠⅠ) )无源低通滤波器结构简单，带负载能力差无源低通滤波器结构简单，带负载能力差 对于直流信号，负载开路时，信号将无衰减的输对于直流信号，负载开路时，信号将无衰减的输出；但外电路有负载时，信号将会被衰减出；但外电路有负载时，信号将会被衰减 上述电路中，如上述电路中，如R=20KR=20K，当负载电阻为，当负载电阻为R RL L=5K=5K，对，对通过的直流信号，将会被衰减通过的直流信号，将会被衰减80%80%；如果输入的是交；如果输入的是交流信号，衰减将会更大流信号，衰减将会更大 不能直接多级级联来获得更好的频率响应不能直接多级级联来获得更好的频率响应电气测试系统原理电气测试系统原理55NUST自动化学院自动化学院 ⅡⅡ) ) 有源滤波器有着极高的输入阻抗和极低的输有源滤波器有着极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可直接进行级联，不需进行阻抗匹配出阻抗，可直接进行级联，不需进行阻抗匹配 同时，有源滤波器电路还可进行增益调整，通同时，有源滤波器电路还可进行增益调整，通过调节桥臂电阻，可补偿电路中的增益衰减。

过调节桥臂电阻，可补偿电路中的增益衰减 电路对直流信号及低频信号几乎无增益衰减电路对直流信号及低频信号几乎无增益衰减 ⅢⅢ) )相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代的优势，在大部分场合，都采用有源滤波器的优势，在大部分场合，都采用有源滤波器 电气测试系统原理电气测试系统原理56NUST自动化学院自动化学院②②二阶低通滤波器二阶低通滤波器 滤波器阶数不同对性能有着影响，下图为二阶滤波器阶数不同对性能有着影响，下图为二阶有限增益有限增益的低通滤波器的原理图的低通滤波器的原理图 一般的，电路中通常取：一般的，电路中通常取：  电气测试系统原理电气测试系统原理57NUST自动化学院自动化学院幅频特性幅频特性: :传递函数为：传递函数为：增益为：增益为：滤波器的低通截止频率为：滤波器的低通截止频率为： 电气测试系统原理电气测试系统原理58NUST自动化学院自动化学院说明说明 ⅠⅠ、这种二阶低通滤波器中，放大倍数、这种二阶低通滤波器中，放大倍数H H0 0不能任不能任意指定，当意指定，当 ，滤波器电路不稳定。

滤波器电路不稳定 ⅡⅡ、电路中元件离散性少，电路参数调整方便电路中元件离散性少，电路参数调整方便不过由于电路中通过引进了正反馈，所以整个电路不过由于电路中通过引进了正反馈，所以整个电路的增益大小受到一定的限制的增益大小受到一定的限制 电气测试系统原理电气测试系统原理59NUST自动化学院自动化学院③③伯特瓦兹低通滤波器设计伯特瓦兹低通滤波器设计 滤波器输入输出关系为：滤波器输入输出关系为： 是放大倍数，是放大倍数， 为伯特瓦兹多项式为伯特瓦兹多项式 伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多项式的幅值满足下式：项式的幅值满足下式： n n为滤波器阶数，为滤波器阶数， 为截止频率，为截止频率， 为信号频率为信号频率电气测试系统原理电气测试系统原理60NUST自动化学院自动化学院 令截止频率令截止频率 ，得到归一化的伯特瓦，得到归一化的伯特瓦兹多项式：兹多项式：电气测试系统原理电气测试系统原理61NUST自动化学院自动化学院一阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：一阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：二阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：二阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为： 对前述滤波器，令对前述滤波器，令 ，对照上表，，对照上表，当满足当满足 时，该二阶低通滤波器就是一个时，该二阶低通滤波器就是一个二阶伯特瓦兹低通滤波器。

二阶伯特瓦兹低通滤波器 伯特瓦兹低通滤波器的截止频率为：伯特瓦兹低通滤波器的截止频率为：电气测试系统原理电气测试系统原理62NUST自动化学院自动化学院 将一阶滤波器和二阶滤波器级联后可得到奇阶将一阶滤波器和二阶滤波器级联后可得到奇阶的伯特瓦兹低通滤波器，将二阶滤波器级联后可得的伯特瓦兹低通滤波器，将二阶滤波器级联后可得到偶阶的伯特瓦兹低通滤波器到偶阶的伯特瓦兹低通滤波器    例例：：设设计计截截止止频频率率为为1KHz1KHz的的4 4阶阶伯伯特特瓦瓦兹兹低低通通滤滤波器波器 电气测试系统原理电气测试系统原理63NUST自动化学院自动化学院参数的选取参数的选取 滤波器为滤波器为4 4阶，阶，n=4n=4，对第一级滤波器，得到其，对第一级滤波器，得到其放大倍数为：放大倍数为： 第二级滤波器，放大倍数为：第二级滤波器，放大倍数为： 因此可得：因此可得： 对于放大倍数，有下式成立：对于放大倍数，有下式成立： 取取 电气测试系统原理电气测试系统原理64NUST自动化学院自动化学院 可得：可得： 为满足频率要求，根据下式进行求解：为满足频率要求，根据下式进行求解： 由于电容分档较粗，首先进行电容选择，取：由于电容分档较粗，首先进行电容选择，取： 则可以得到：则可以得到： 实际使用时，取实际使用时，取: : 电气测试系统原理电气测试系统原理65NUST自动化学院自动化学院例：设计截止频率为例：设计截止频率为5KHz5KHz的三阶低通滤波器的三阶低通滤波器电气测试系统原理电气测试系统原理66NUST自动化学院自动化学院伯特瓦兹低通滤波器的特点伯特瓦兹低通滤波器的特点 ⅠⅠ、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的平坦度，阶数越高，平坦度越好。

在截止频率处，平坦度，阶数越高，平坦度越好在截止频率处，所有的伯特瓦兹低通滤波器都有所有的伯特瓦兹低通滤波器都有-3dB-3dB的增益衰减的增益衰减   ⅡⅡ、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强 电气测试系统原理电气测试系统原理67NUST自动化学院自动化学院 ⅢⅢ）滤波器阶数）滤波器阶数n n越高，幅频特性陡度越大，越高，幅频特性陡度越大，对减少混淆误差越有利但是应看到，滤波器阶数对减少混淆误差越有利但是应看到，滤波器阶数越高，使得滤波器设计中，节数越多，带来成本的越高，使得滤波器设计中，节数越多，带来成本的上升，而且上升，而且信号通过滤波器时产生的延时也越长信号通过滤波器时产生的延时也越长 ⅣⅣ）闭环系统中，这种延时受到系统稳定性的）闭环系统中，这种延时受到系统稳定性的 限制限制( (延时时间受限于系统的要求延时时间受限于系统的要求) )，因而滤波器的，因而滤波器的阶数不宜太高阶数不宜太高 电气测试系统原理电气测试系统原理68NUST自动化学院自动化学院四、数据采集电路的参数设计和选择 数据采集电路的设计中，需解决以下问题：数据采集电路的设计中，需解决以下问题： ( (一一) A/D) A/D转换器的选择转换器的选择 ( (二二) ) 采样保持器采样保持器S S／／H H的选择的选择 ( (三三) ) 采集电路的工作时序和最高允许频率采集电路的工作时序和最高允许频率 ( (四四) ) 多路测量通道的串音问题多路测量通道的串音问题 ( (五五) ) 主放大器的设置主放大器的设置电气测试系统原理电气测试系统原理69NUST自动化学院自动化学院数据采集电路的设计：数据采集电路的设计： 数据采集电路是实现模拟信号数字化的电路，数据采集电路是实现模拟信号数字化的电路，其核心器件是各种类型的其核心器件是各种类型的A A/ /D D转换器。

转换器 对于集中采集式的测量通道，对于集中采集式的测量通道，A A/ /D D转换器转换器前面前面都都设置模拟多路开关设置模拟多路开关MUXMUX，以便从多路模拟信号中选，以便从多路模拟信号中选取取一路进行一路进行A A／／D D转换 一般而言，根据一般而言，根据被采样信号的变化速率被采样信号的变化速率，常用，常用的数据采集电路有以下三种，如下图所示：的数据采集电路有以下三种，如下图所示：电气测试系统原理电气测试系统原理70NUST自动化学院自动化学院1 1、、若若被被测测模模拟拟信信号号为为恒恒定定或或慢慢变变信信号号，，则则可可以以直直接接进行进行A A／／D D转换，如下图所示：转换，如下图所示：2 2、、如如被被测测模模拟拟信信号号为为动动态态信信号号( (快快速速变变化化信信号号) )，，那那就就必必须须在在模模拟拟开开关关MUXMUX与与A A/ /D D转转换换器器之之间间设设置置采采样保持器样保持器S S/ /H H，如下图所示：，如下图所示：电气测试系统原理电气测试系统原理71NUST自动化学院自动化学院3 3、、如如各各路路模模拟拟信信号号幅幅度度互互不不相相同同或或者者模模拟拟信信号号幅幅度度随随时时间间变变化化很很大大，，就就必必须须在在采采样样保保持持器器S S／／H H与与模模拟开关拟开关MUXMUX之间设置放大电路作为主放大器，之间设置放大电路作为主放大器， 电气测试系统原理电气测试系统原理72NUST自动化学院自动化学院(一) A/D转换器的选择要点 A A/ /D D转转换换器器是是数数据据采采集集电电路路的的核核心心部部件件，，正正确确选选用用A A／／D D转转换换器器是是提提高高数数据据采采集集电电路路性性价价比比的的关关键键，，A/DA/D转转换换器器的的指指标标较较多多，，在在选选用用时时应应主主要要考考虑虑以以下下几点：几点： 1 1、、A/DA/D转换器的位数确定转换器的位数确定 2 2、、A/DA/D转换器的转换速度转换器的转换速度 3 3、、A/DA/D转换器的输出状态转换器的输出状态 4 4、、A/DA/D转换器的使用环境转换器的使用环境电气测试系统原理电气测试系统原理73NUST自动化学院自动化学院1、A/D转换器位数的确定 ADC ADC位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围，液动态范围，液影响采集电路的转换精度影响采集电路的转换精度。

A/DA/D转换器的位数主要由以下两个指标来决定：转换器的位数主要由以下两个指标来决定： 1 1）数据采集电路电压转换范围）数据采集电路电压转换范围 2 2）转换精度）转换精度 对选用的对选用的A/DA/D转换器，在对信号进行转换时，应转换器，在对信号进行转换时，应满足以下两个条件：满足以下两个条件： 1 1）小信号不被量化噪声所淹没）小信号不被量化噪声所淹没 2 2）大信号不使）大信号不使A/DA/D转换器溢出转换器溢出电气测试系统原理电气测试系统原理74NUST自动化学院自动化学院 对上述问题，设对上述问题，设模拟输入电压最大值和最小值模拟输入电压最大值和最小值分别为分别为VmaxVmax和和VminVmin，，ADCADC前的放大器增益为前的放大器增益为K K，，m m位位ADCADC的满量程输入电压为的满量程输入电压为E E，应满足以下两式：，应满足以下两式： 小信号不被量化噪声淹没小信号不被量化噪声淹没 大信号不使大信号不使A/DA/D溢出溢出 注：器件的选择由精度要求来决定注：器件的选择由精度要求来决定 电气测试系统原理电气测试系统原理75NUST自动化学院自动化学院 模拟开关模拟开关MUXMUX、采样保持器、采样保持器S S／／H H、、ADCADC组成的数组成的数据采集电路的总误差是这三个组成部分的分项误差据采集电路的总误差是这三个组成部分的分项误差的综合值，则选择元件精度的一般规则是：的综合值，则选择元件精度的一般规则是：每个元每个元件的精度指标应优于系统精度的十倍左右。

件的精度指标应优于系统精度的十倍左右 ( (上述结论由误差理论得出上述结论由误差理论得出) )电气测试系统原理电气测试系统原理76NUST自动化学院自动化学院2、A/D转换速度的确定 A/DA/D转换器从转换器从开始转换开始转换到到转换结束转换结束并并输出稳定的输出稳定的数数字字量量，，需需要要一一定定的的时时间间，，这这段段时时间间就就是是A/DA/D转转换换器器的转换时间，对于采用不同原理实现的的转换时间，对于采用不同原理实现的A/DA/D转换器，转换器，其转换时间有着较大的区别其转换时间有着较大的区别 1 1）对积分型、电荷平衡型和跟踪比较型）对积分型、电荷平衡型和跟踪比较型ADCADC转转换速度较慢，转换时间从换速度较慢，转换时间从几十几十msms到到几几msms不等 这类这类A/DA/D转换器转换器一般适用于对温度、压力、流量一般适用于对温度、压力、流量等缓变参数的检测和控制等缓变参数的检测和控制 电气测试系统原理电气测试系统原理77NUST自动化学院自动化学院 2 2）逐次比较型的）逐次比较型的A/DA/D转换器的转换时间可从几转换器的转换时间可从几微秒到微秒到100100微秒微秒左右，属中速的左右，属中速的A/DA/D转换器，在工业转换器，在工业生产中用得较多。

生产中用得较多 3 3）采用双极型或）采用双极型或CMOSCMOS式工艺制成的全并行型、式工艺制成的全并行型、串串并并行行型型和和电电压压转转移移函函数数型型的的A/DA/D转转换换器器属属高高速速A/DA/D转换器转换时间仅转换器转换时间仅20-100 ns20-100 ns左右 高速高速A/DA/D转换器适用于雷达、数字通讯、实时光转换器适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等电气测试系统原理电气测试系统原理78NUST自动化学院自动化学院A/D转换过程的时间A/DA/D转换过程转换过程所需的时间包括以下两部分：所需的时间包括以下两部分： 1 1））A/DA/D转换器的转换时间转换器的转换时间t tC C 2 2）两次）两次A/DA/D转换的时间间隔转换的时间间隔( (休止时间休止时间t t0 0) ) 包包括括ADCADC内内部部电电路路的的恢恢复复时时间间，，CPUCPU读读取取A/DA/D转转换换结果及再次发出启动结果及再次发出启动A/DA/D转换的指令的时间。

转换的指令的时间 微处理器需几微处理器需几msms到几十到几十msms才能完成才能完成ADCADC转换以外转换以外工作，如读数据、再启动、存数据、循环记数等工作，如读数据、再启动、存数据、循环记数等 ADCADC的转换速率的转换速率( (单位时间内能完成的转换次数单位时间内能完成的转换次数) )应由转换时间应由转换时间t tC C和休止时间和休止时间t t0 0二者共同决定：二者共同决定：电气测试系统原理电气测试系统原理79NUST自动化学院自动化学院转换周期转换周期T TA/DA/D的定义：的定义： 数据采集电路中转换周期定义：数据采集电路中转换周期定义：T TA/DA/D = t = t0 0 + t + tc c 对一个通道数为对一个通道数为N N的模拟输入通道，完成一次采的模拟输入通道，完成一次采样的时间为：样的时间为： T TS S = N = N ··T TA/DA/D 对单路测量系统或分散测量系统，则对单路测量系统或分散测量系统，则N N＝＝l l。

当信号频率为当信号频率为f fh h( (最高频率为最高频率为fmax)fmax)，由采样定，由采样定理可得：理可得： 电气测试系统原理电气测试系统原理80NUST自动化学院自动化学院A/DA/D转换器的转换时间为：转换器的转换时间为： 对信号频率对信号频率fmaxfmax较大的高频较大的高频( (高速高速) )测量系统，测量系统， 为提高系统的响应速率，应该采取以下措施：为提高系统的响应速率，应该采取以下措施： 1 1）减少通道数）减少通道数N N，设计分散采集结构，即，设计分散采集结构，即N N＝＝1 1 2 2）减小截频系数）减小截频系数C C，增大低通滤波器陡度；，增大低通滤波器陡度； 3 3）选用转换时间短的）选用转换时间短的A/DA/D转换器转换器( (中高速中高速ADC)ADC)；； 4 4）由）由CPUCPU读取数据改为直接存储器存取读取数据改为直接存储器存取(DMA)(DMA)技技术，以大大缩短休止时间术，以大大缩短休止时间 电气测试系统原理电气测试系统原理81NUST自动化学院自动化学院3、A/D转换器的输出状态 根据计算机接口特征，选择合适的根据计算机接口特征，选择合适的ADCADC的输出的输出状状态简化态简化ADCADC与微处理器的接口电路设计。

与微处理器的接口电路设计 1 1））ADCADC的输出状态：的输出状态：并行并行或或串行串行 ( (串行输出便于远距离传输串行输出便于远距离传输) )；； 2 2））ADCADC的输出数字形式：的输出数字形式：二进制码二进制码或或BCDBCD码码 (BCD(BCD码输出便于十进制数字显示码输出便于十进制数字显示) ) 3 3）时钟选用：）时钟选用：外部外部、、内部时钟内部时钟或或不用时钟不用时钟；； 4 4）转换结束时有无转换结束状态信号；）转换结束时有无转换结束状态信号； 5 5）有无三态输出缓冲器；）有无三态输出缓冲器； 6 6）与）与TTLTTL、、CMOSCMOS及及ECLECL电路的兼容性等电路的兼容性等电气测试系统原理电气测试系统原理82NUST自动化学院自动化学院4、根据环境条件选择A/D 如工作温度、功耗、可靠性等级等性能参数，如工作温度、功耗、可靠性等级等性能参数，要根据环境条件来选择要根据环境条件来选择A/DA/D转换器的芯片。

转换器的芯片 电气测试系统原理电气测试系统原理83NUST自动化学院自动化学院(二) 采样保持器S／H的选择 对模拟信号对模拟信号A A/ /D D转换时，当输入信号频率较高，转换时，当输入信号频率较高，由于由于A/DA/D转换时间转换时间( (孔径时间孔径时间) )的存在会造成较大的转的存在会造成较大的转换误差，为防止出现这种误差，必须在换误差，为防止出现这种误差，必须在A A／／D D开始转开始转换时将信号保持住，换时将信号保持住，A A／／D D 转换结束后又能跟随输转换结束后又能跟随输入入信号的变化，使信号的变化，使输入信号处于采输入信号处于采样状态，这种电样状态，这种电路称为采样路称为采样/ /保保持电路电气测试系统原理电气测试系统原理84NUST自动化学院自动化学院( (三三) ) 采集电路的工作时序和最高允许频率采集电路的工作时序和最高允许频率 一般而言，常见的数据采集电路包括：一般而言，常见的数据采集电路包括： 模拟多路开关模拟多路开关MUXMUX、、采样保持器采样保持器S/HS/H和和A/DA/D转换转换器器电气测试系统原理电气测试系统原理85NUST自动化学院自动化学院数据采集电路的工作时序数据采集电路的工作时序1 1）对于模拟多路开关）对于模拟多路开关MUXMUX，一个采样周期，一个采样周期T TS S内，依内，依次接通次接通N N道模拟信号，通道地址信号为高电平表道模拟信号，通道地址信号为高电平表示某道信号被接通，低电平表示所有信号被断开。

示某道信号被接通，低电平表示所有信号被断开2 2）采样指令脉宽稍窄于通道地址指令脉宽，保持指）采样指令脉宽稍窄于通道地址指令脉宽，保持指令脉宽要大于令脉宽要大于A/DA/D转换时间，即在整个转换时间，即在整个A/DA/D转换期转换期间，都应进行信号保持间，都应进行信号保持 3 3）右图中的）右图中的EOCEOC为为A/DA/D状态信号，高电平表示正在转状态信号，高电平表示正在转换，低电平表示转换结束可读取转换数据换，低电平表示转换结束可读取转换数据 电气测试系统原理电气测试系统原理86NUST自动化学院自动化学院系统的最小采样周期系统的最小采样周期 由于采样指令脉宽应大于由于采样指令脉宽应大于S/HS/H的捕捉时间的捕捉时间TAC，，而而A A／／D D转转换换启启动动时时间间应应在在S/HS/H的的保保持持建建立立时时间间结结束束之之后，又由于后，又由于A/DA/D转换所需时间为转换所需时间为TC ，因此每个通道，因此每个通道转换所需时间即转换所需时间即S/HS/H和和A/DA/D的工作周期的工作周期T T为；为； 若采样周期为若采样周期为T TS S，模拟采样通道数为，模拟采样通道数为N N，则，则T T＝＝ T TS S /N/N，则可得系统的最小采样周期为：，则可得系统的最小采样周期为：电气测试系统原理电气测试系统原理87NUST自动化学院自动化学院信号最高允许频率信号最高允许频率 系统所能转换的模拟信号的最高允许频率为：系统所能转换的模拟信号的最高允许频率为： 与下式由理论计算出的最高信号频率与下式由理论计算出的最高信号频率：： 比较后可知信号最高允许频率由前式决定。

比较后可知信号最高允许频率由前式决定电气测试系统原理电气测试系统原理88NUST自动化学院自动化学院( (四四) )、多路测量时通道的串音问题、多路测量时通道的串音问题1 1、串音、串音 多通道数字测量系统中，模拟多路开关多通道数字测量系统中，模拟多路开关MUXMUX常被常被用做多选一开关或多路采样开关每当某一指定通用做多选一开关或多路采样开关每当某一指定通道的开关接通时，其它各道开关全都是关断的道的开关接通时，其它各道开关全都是关断的    理想情况下，负载上只应出现被接通的那个通理想情况下，负载上只应出现被接通的那个通道的信号，被关断的各路信号不应出现在负载上道的信号，被关断的各路信号不应出现在负载上实际情况并非如此，其它被关断的信号也会出现在实际情况并非如此，其它被关断的信号也会出现在负载上，对本来是惟一被接通的信号形成干扰，这负载上，对本来是惟一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为种干扰称为通道间串音干扰通道间串音干扰，，简称串音简称串音 电气测试系统原理电气测试系统原理89NUST自动化学院自动化学院2 2、通道间串音干扰产生的原因、通道间串音干扰产生的原因 通道间串音干扰的产生主要是由于模拟开关的通道间串音干扰的产生主要是由于模拟开关的断开电阻断开电阻R Roffoff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。

如下图为第一道开关接通，其余电容的缘故如下图为第一道开关接通，其余(N-1)(N-1)道开关均关断时的情况道开关均关断时的情况电气测试系统原理电气测试系统原理90NUST自动化学院自动化学院泄漏电压泄漏电压 简化后，可以得到由于简化后，可以得到由于N-1N-1个通道的关断电阻不个通道的关断电阻不为无穷大而得到的在负载上的泄漏电压为：为无穷大而得到的在负载上的泄漏电压为：电气测试系统原理电气测试系统原理91NUST自动化学院自动化学院3 3、减小串音干扰的方式、减小串音干扰的方式为减小串音干扰，可以采取如下措施：为减小串音干扰，可以采取如下措施： 1 1）减小输入电阻，前级电路采用电压跟随器；）减小输入电阻，前级电路采用电压跟随器； 2 2）选用导通电阻）选用导通电阻R RONON极小、关断电阻极小、关断电阻R Roffoff极大的极大的开关管；开关管； 3 3）减少输出端并联开关数）减少输出端并联开关数N N；若；若N N＝＝1 1，则，则V VN N＝＝0 0 4 4）选用寄生电容小的多路模拟开关）选用寄生电容小的多路模拟开关MUXMUX：：电气测试系统原理电气测试系统原理92NUST自动化学院自动化学院高频串音干扰高频串音干扰 当切换多路高频信号时，截止通道的高频信号当切换多路高频信号时，截止通道的高频信号还会通过通道间寄生电容还会通过通道间寄生电容C C和开关源、漏极间的和开关源、漏极间的寄生寄生电容电容( (开关电容开关电容) )C CDSDS在负载端也会产生泄漏电压：在负载端也会产生泄漏电压： 寄生电容寄生电容CxCx和开关电容和开关电容C CDSDS的数值越大，信号频的数值越大，信号频率越高，泄漏电压就越大，串音干扰也就越严重。

率越高，泄漏电压就越大，串音干扰也就越严重为减小串音应选用寄生电容小的多路模拟开关为减小串音应选用寄生电容小的多路模拟开关MUXMUX 电气测试系统原理电气测试系统原理93NUST自动化学院自动化学院( (五五) ) 主放大器的设置主放大器的设置 一般而言，测控系统的数据采集电路采用如下一般而言，测控系统的数据采集电路采用如下图所示的结构：图所示的结构： 这种结构中，为了使采样后数据尽量符合这种结构中，为了使采样后数据尽量符合ADCADC的的量程，在模拟开关量程，在模拟开关MUXMUX与采样保持器与采样保持器S/HS/H之间通常设之间通常设置了一级放大电路，为与调理电路中的前置放大器置了一级放大电路，为与调理电路中的前置放大器相区别，称采集电路中的放大器为相区别，称采集电路中的放大器为““主放大器主放大器”” 电气测试系统原理电气测试系统原理94NUST自动化学院自动化学院1 1、主放大器的功能：、主放大器的功能： 由于测控系统中，微处理器接受的为数字信由于测控系统中，微处理器接受的为数字信号，数据采集电路的任务是将经过调理电路处理号，数据采集电路的任务是将经过调理电路处理过的模拟信号数字化，采集电路中的主放大器也过的模拟信号数字化，采集电路中的主放大器也是为此而设置的。

是为此而设置的2 2、主放大器设置前提：、主放大器设置前提： 不能使不能使A/DA/D溢出，溢出， 满足转换精度的要求满足转换精度的要求 电气测试系统原理电气测试系统原理95NUST自动化学院自动化学院 假设模拟多路切换器输出的第假设模拟多路切换器输出的第i i道信号的第道信号的第j j次次采样电压为采样电压为V Vij ij，采样电压的量化相对误差便为：，采样电压的量化相对误差便为： 采样电压越小，相对误差越大，转换精度越采样电压越小，相对误差越大，转换精度越低，为避免弱信号采样电压在低，为避免弱信号采样电压在A/DA/D转换时达不到要转换时达不到要求求的的转转换换精精度度，，必必须须放放大大K K倍倍后后再再进进行行A/DA/D转转换换，，这这样量化精度便可提高样量化精度便可提高K K倍，满足转换精度的要求，倍，满足转换精度的要求，电气测试系统原理电气测试系统原理96NUST自动化学院自动化学院 由上式可见，由上式可见，K K越大，放大后的越大，放大后的A/DA/D转换相对误转换相对误差差越越小小，，精精度度越越高高，，但但K K也也不不能能太太大大，，以以致致产产生生A A／／D D溢溢出出。

因因此此，，主主放放大大器器的的增增益益K K应应满满足足两两个个条条件件：：既既不能使不能使A/DA/D溢出，又要满足转换精度的要求，即：溢出，又要满足转换精度的要求，即：电气测试系统原理电气测试系统原理97NUST自动化学院自动化学院 对于对于满量程输入电压为满量程输入电压为E E ，满量程输出数字量为，满量程输出数字量为D DFSFS的的ADCADC可以得到所需的主放大器增益可以得到所需的主放大器增益K K为为 ：：电气测试系统原理电气测试系统原理98NUST自动化学院自动化学院3 3、主放大器选择的类型、主放大器选择的类型 1) 1) 如果被测物理量的多路模拟信号都是恒定或如果被测物理量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，且各路信号的幅度也相差不大，变化缓慢的信号，且各路信号的幅度也相差不大，也就是也就是V Vij ij随随i i和和j j的变化都不大，那就没有必要在采的变化都不大，那就没有必要在采集电路中设置主放大器，只要使各路信号调理电路集电路中设置主放大器，只要使各路信号调理电路中的前置放大器增益满足上式即可中的前置放大器增益满足上式即可。

2) 2)如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就是说是说V Vij ij不随不随j j变化，但随变化，但随i i变化很大，那就应在采集变化很大，那就应在采集电路中设置电路中设置程控增益放大器程控增益放大器作为主放大器作为主放大器   电气测试系统原理电气测试系统原理99NUST自动化学院自动化学院程控增益放大器的特点程控增益放大器的特点 每当多路开关每当多路开关MUXMUX在对第在对第i i道信号采样时，放大道信号采样时，放大器就采预先按上式选定的第器就采预先按上式选定的第i i道的增益道的增益K Ki i进行放大进行放大电气测试系统原理电气测试系统原理100NUST自动化学院自动化学院五、模拟输入通道的误差分配与综合五、模拟输入通道的误差分配与综合 对一个模拟输入通道的设计，一般首先给定精对一个模拟输入通道的设计，一般首先给定精度要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，度要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，然后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元然后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元器件。

由于系统精度是给定的，因此系统的设计总器件由于系统精度是给定的，因此系统的设计总是围绕如何提高精度进行是围绕如何提高精度进行 电气测试系统原理电气测试系统原理101NUST自动化学院自动化学院 一个通道总是由多个环节构成，因此系统对精一个通道总是由多个环节构成，因此系统对精度的要求就已经具体到各个环节，根据系统对精度度的要求就已经具体到各个环节，根据系统对精度( (误差误差) )的要求，就涉及到各个环节的误差分配的问的要求，就涉及到各个环节的误差分配的问题，也就是如何由系统的误差来决定各个环节所允题，也就是如何由系统的误差来决定各个环节所允许的误差，以保证最终所设计的系统满足给定的精许的误差，以保证最终所设计的系统满足给定的精度要求 根据误差理论来具体实现，不过对于具体实现根据误差理论来具体实现，不过对于具体实现时，各环节应该还应根据作用来分配误差时，各环节应该还应根据作用来分配误差电气测试系统原理电气测试系统原理102NUST自动化学院自动化学院分配规则如下：分配规则如下： 1 1）确定通道的结构方案）确定通道的结构方案 2 2）由通道的总精度要求，给各环节分配误差，）由通道的总精度要求，给各环节分配误差，以便选择元器件。

通常传感器和信号放大电路所占以便选择元器件通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，采样／保持器和的误差比例最大，采样／保持器和A A／／D D转换器等误转换器等误差可按选择元件精度的一般规则和具体情况而定差可按选择元件精度的一般规则和具体情况而定电气测试系统原理电气测试系统原理103NUST自动化学院自动化学院 3 3）选择元件精度的一般规则：）选择元件精度的一般规则： 每个元件的精度指标应该优于系统规定的某一每个元件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的最严格的性能指标的1010倍左右 要构成一个要求要构成一个要求0.10.1％级精度性能的模拟输入通％级精度性能的模拟输入通道，所选择的道，所选择的A/DA/D转换器、采样转换器、采样/ /保持器和模拟多路保持器和模拟多路开关组件的精度都应该不大于开关组件的精度都应该不大于0.010.01％    4 4）初步选定元件后，根据元件技术特性和元件）初步选定元件后，根据元件技术特性和元件间相互关系核算实际误差，按绝对值和形式或方和间相互关系核算实际误差，按绝对值和形式或方和根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定的根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定的指标。

如不合格，应该分析误差，重新选择元件及指标如不合格，应该分析误差，重新选择元件及进行误差分析综合，直至达到要求进行误差分析综合，直至达到要求电气测试系统原理电气测试系统原理104NUST自动化学院自动化学院小结小结电气测试系统原理电气测试系统原理105。