第2章数据采集系统设计资料优秀PPT.ppt
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1、第三章第三章智能仪器智能仪器的数据采集技术的数据采集技术 智能仪器的数据采集系统简称智能仪器的数据采集系统简称DAS(DataAcquisitionSystem),是指),是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后,以便由行采集、量化转换成数字量后,以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。装置。第一节第一节数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图3.1数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成 实际的数据采集系统往
2、往须要同时实际的数据采集系统往往须要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此,多路模拟输人通道更具测量点。因此,多路模拟输人通道更具有普遍性。依据系统中数据采集电路是有普遍性。依据系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个,多路各路共用一个还是每路各用一个,多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。采集式两大类型。一、集中采集式一、集中采集式图图3.2集中式数据采集系统的典型结构集中式数据采集系统的典型结构二、分散采集式二、分散采集式(分布式分布式)(a)分布式单机数据采集结构分布式单机数据采集结构
3、通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号(b)网络式数据采集结构网络式数据采集结构图图3.3分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构其次节其次节模拟信号调理模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务在一般测量系统中信号调理的任务较困难,除了实现物理信号向电信号的较困难,除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外,还有诸如转换、小信号放大、滤波外,还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等,这些操作统称为差修
4、正和量程切换等,这些操作统称为信号调理(信号调理(Signal ConditioningSignal Conditioning),相),相应的执行电路统称为信号调理电路。应的执行电路统称为信号调理电路。传感传感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集电路电路图图3.4典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图一、传感器的选用一、传感器的选用传传感感器器是是信信号号输输人人通通道道的的第第一一道道环环节节,也也是是确确定定整整个个测测试试系系统统性性能能的的关关键键环环节节之之一一。要要正正确确选选用用传传感感器器,首首先先要要明明确确所所设设计计的的测测试试系系统统须须要要什
5、什么么样样的的传传感感器器系系统统对对传传感感器器的的技技术术要要求求;其其次次是是要要了了解解现现有有传传感感器器厂厂家家有有哪哪些些可可供供选选择择的的传传感感器器,把把同同类类产产品品的的指指标标和和价价格格进进行行对对比比,从从中中选选择择合合乎乎要要求求的的性性能能价价格格比比最最高高的传感器。的传感器。(一一)对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求1.具具有有将将被被测测量量转转换换为为后后续续电电路路可可用用电电量量的的功功能,转换范围与被测量实际变更范围相一样。能,转换范围与被测量实际变更范围相一样。2.转转换换精精度度符符合合整整个个测测试试系系统统依依据据总总精精度度
6、要要求求而而安安排排给给传传感感器器的的精精度度指指标标,转转换换速速度度应应符符合合整整机要求。机要求。3.能能满满足足被被测测介介质质和和运运用用环环境境的的特特殊殊要要求求,如如耐耐高高温温、耐耐高高压压、防防腐腐、抗抗振振、防防爆爆、抗抗电电磁磁干干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。4.能满足用户对牢靠性和可维护性的要求。能满足用户对牢靠性和可维护性的要求。(二二)可供选用的传感器类型可供选用的传感器类型对对于于一一种种被被测测量量,常常常常有有多多种种传传感感器器可可以以测测量量,例例如如测测量量温温度度的的传传感感器器就就有有:热热电电偶偶
7、、热热电电阻阻、热热敏敏电电阻阻、半半导导体体PN结结、IC温温度度传传感感器器、光光纤纤温温度度传传感感器器等等好好多多种种。在在都都能能满满足足测测量量范范围围、精精度度、速速度度、运运用用条条件件等等状状况况下下,应应侧侧重重考考虑虑成成本本低低、相相配配电电路路是是否否简简洁洁等等因因素素进进行行取取舍舍,尽可能选择性能价格比高的传感器。尽可能选择性能价格比高的传感器。1.大信号输出传感器大信号输出传感器:为了与为了与A/D输入要求输入要求相适应,传感器厂家起先设计、制造一些特相适应,传感器厂家起先设计、制造一些特地与地与A/D相配套的大信号输出传感器。相配套的大信号输出传感器。传感器
8、传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图图3.5 3.5 大信号输出传感器的运用大信号输出传感器的运用 2.数字式传感器:数字式传感器一般是数字式传感器:数字式传感器一般是接受频率敏感效应器件构成,也可以是接受频率敏感效应器件构成,也可以是由敏感参数由敏感参数R、L、C构成的振荡器,或构成的振荡器,或模拟电压输入经模拟电压输入经V/F转换等,因此,数字转换等,因此,数字量传感器一般都是输出频率参量,具有量传感器一般都是输出频率参量,具有测量精度高、抗干扰实力强、便于远距测量精度高、抗干扰实力强、便于远距离传送等优点。离传送等优点。
9、传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图图3.6 3.6 频率量及开关量输出传感器的运频率量及开关量输出传感器的运用用 3.集成传感器:集成传感器是将传感器集成传感器:集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如,将应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。大等做成一体,构成集成压力传感器。接受集成传感器可以减轻输人通道的信接受集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务,简化通道结构。号调理任务,简化通道结构。4.光纤传感器:这种传感器其信号拾取、光纤传感器:这种
10、传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的,变换、传输都是通过光导纤维实现的,避开了电路系统的电磁干扰。在信号输避开了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中接受光纤传感器可以从根本上入通道中接受光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。解决由现场通过传感器引入的干扰。二、运用前置放大器的依据二、运用前置放大器的依据多多数数传传感感器器输输出出信信号号都都比比较较小小,必必需选用前置放大器进行放大。需选用前置放大器进行放大。推推断断传传感感器器信信号号“大大”还还是是“小小”和和要不要进行放大的依据又是什么?要不要进行放大的依据又是什么?放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”
11、,即即设设置置在在调理电路的最前端?调理电路的最前端?前置放大器的放大倍数应当多大?前置放大器的放大倍数应当多大?VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVON图图3.7前置放大器的作用前置放大器的作用图图3.8两种调理电路的对比两种调理电路的对比 由于由于 K K1,1,所以,所以,这就是,这就是说,调理电路中放大器设置在滤波器前说,调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于削减电路的等效输入噪声。面有利于削减电路的等效输入噪声。三、信号调理通道中的常用放大器三、信号调理通道中的常用放大器 在智能仪器的信号调理通道中,针在智能仪器的信号调理通道中,针对被放大信号的特点
12、,并结合数据采集对被放大信号的特点,并结合数据采集电路的现场要求,目前运用较多的放大电路的现场要求,目前运用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。隔离放大器等。(一一)仪用放大器仪用放大器图图3.9仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构仪仪用用放放大大器器上上下下对对称称,即即图图中中R1=R2,R4R6,R5R7。则放大器闭环增益为:。则放大器闭环增益为:假假设设R4=R5,即即其其次次级级运运算算放放大大器器增增益益为为1,则可以推出仪用放大器闭环增益为:,则可以推出仪用放大器闭环增益为:由由上上式式可可知知,通通过过调调整整电电阻阻
13、RG,可可以以很很便便利利地地变变更更仪仪用用放放大大器器的的闭闭环环增增益益。当当接接受集成仪用放大器时,受集成仪用放大器时,RG一般为外接电阻。一般为外接电阻。在实际的设计过程中,可依据模在实际的设计过程中,可依据模拟信号调理通道的设计要求,并结合拟信号调理通道的设计要求,并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。具体的放大电路。1.非线性度非线性度它它是是指指放放大大器器实实际际输输出出输输入入关关系系曲曲线线与与志志向向直直线线的的偏偏差差。当当增增益益为为1时时,假假如如一一个个12位位A/D转转换换器器有有0.025%的的非非线线性性偏偏
14、差差,当当增增益益为为500时时,非非线线性性偏偏差差可可达达0.1%,相相当当于于把把12位位A/D转转换换器器变变成成10位位以以下下转转换换器器,故故确确定定要要选选择择非非线线性性偏偏差小于差小于0.024%的仪用放大器。的仪用放大器。2.温漂温漂温温漂漂是是指指仪仪用用放放大大器器输输出出电电压压随随温温度度变变更更而而变变更更的的程程度度。通通常常仪仪用用放放大大器器的的输输 出出 电电 压压 会会 随随 温温 度度 的的 变变 更更 而而 发发 生生(150)V/变变更更,这这与与仪仪用用放放大大器器的的增增益有关。益有关。3.建立时间建立时间建建立立时时间间是是指指从从阶阶跃跃
15、信信号号驱驱动动瞬瞬间间至至仪仪用用放放大大器器输输出出电电压压达达到到并并保保持持在在给定误差范围内所需的时间。给定误差范围内所需的时间。4.复原时间复原时间复复原原时时间间是是指指放放大大器器撤撤除除驱驱动动信信号号瞬瞬间间至至放放大大器器由由饱饱和和状状态态复复原原到到最最终终值值所所需需的的时时间间。明明显显,放放大大器器的的建建立立时时间间和和复复原原时时间间干干脆脆影影响响数数据据采采集集系系统的采样速率。统的采样速率。5.电源引起的失调电源引起的失调电电源源引引起起的的失失调调是是指指电电源源电电压压每每变变更更1%,引引起起放放大大器器的的漂漂移移电电压压值值。仪仪用用放放大大
16、器器一一般般用用作作数数据据采采集集系系统统的的前前置置放放大大器器,对对于于共共电电源源系系统统,该该指指标标则则是是设设计计系系统统稳压电源的主要依据之一。稳压电源的主要依据之一。6.共模抑制比共模抑制比当当放放大大器器两两个个输输入入端端具具有有等等量量电电压压变变更更值值UI时时,在在放放大大器器输输出出端端测测量量出出电电压压变变更更值值UCM,则则共共模抑制比模抑制比CMRR可用下式计算:可用下式计算:CMRR也也是是放放大大器器增增益益的的函函数数,它它随随增增益益的的增增加加而而增增大大,这这是是因因为为测测量量放放大大器器具具有有一一个个不不放放大大共共模模的的前前端端结结构
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