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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)剽竊，必1第10章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10.1典型的測控系統(tǒng)概述

10.2傳感器10.3信號測量與變換電路10.4濾波器10.5多路模擬開關(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計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介第10章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10.1典型的測控系統(tǒng)概述210.1典型的測控系統(tǒng)概述

傳感器變送器數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)10.1典型的測控系統(tǒng)概述傳感器31．傳感器直接感受被測物理量，并把其轉(zhuǎn)換成與被測物理量有一定函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或其它物理量(如電阻、電容、電感)。傳感器的分類: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1．傳感器42．變送器將傳感器的輸出信號變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。(1)信號變換：將傳感器輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變成電壓或電流。(2)放大：把微弱的電壓或電流信號進行放大，在某些場合還需要進行信號的隔離。(3)濾波：濾除干擾信號。2．變送器將傳感器的輸出信號變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。(1)信5(4)線性化：被測物理量與電信號之間往往呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通過線性化電路，使電信號與物理量之間變成近似線性關(guān)系。(5)標(biāo)準(zhǔn)化：為了方便地實現(xiàn)儀表的互換性、信號的遠距離傳送和提高信號的抗干擾能力，一般把電信號最終轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA的直流電流信號。被測物理量為量程的下限：I=4mA，上限：I=20mA，在量程范圍內(nèi)，被測物理量與電流則呈線性關(guān)系。(4)線性化：被測物理量與電信號之間往往呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通過6如某壓力變送器，量程為0~1.6MPa，當(dāng)變送器輸出4mA電流時，壓力為0MPa，輸出20mA時壓力為1.6MPa，當(dāng)輸出電流為10mA時，壓力為P=(10-4)/(20-4)*1.6=0.6Mpa4～20mA的電流信號傳送輸出具有以下優(yōu)點：①輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，適用于遠距離傳輸。使用250Ω(0.1級)的I／U變換電阻，可將4～20mA的電流信號變換為1～5V的直流電壓信號。②可以同時串接幾個指示測量儀表，而不會影響測量精度。③能夠?qū)崿F(xiàn)傳送線的斷線自檢。

如某壓力變送器，量程為0~1.6MPa，當(dāng)變送7通常變送器的電源線和輸出信號線共用兩根線，稱為二線制變送器。在實際應(yīng)用中，往往把傳感器和變送器做在一起，稱為一體化二線制儀表。二線制溫度變送器如下圖通常變送器的電源線和輸出信號線共用兩根線，稱為二線83．?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采樣保持器模擬開關(guān)。。。。。。3．?dāng)?shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC910.2傳感器10.2.1電壓與電流的檢測小電壓檢測：串聯(lián)電阻分壓的方法小電流檢測：并聯(lián)電阻分流的方法高電壓(幾百伏以上)檢測：電壓互感器大電流(幾十安培以上)檢測：電流互感器互感器優(yōu)點：(1)一個互感器可同時接入幾種儀表。例如電流表和功率表的電流線圈或電壓表和功率表的電壓線圈等。(2)降低了功率損耗。(3)保障工作人員的安全。(4)儀表制造標(biāo)準(zhǔn)化。將工程測量中儀表量限統(tǒng)一設(shè)計為5A或100V。10.2傳感器互感器優(yōu)點：101．互感器的結(jié)構(gòu)和原理互感器實際上是一個鐵心變壓器，鐵心上繞有兩個或多個繞組(特殊情況只有一個)，接待測電壓或電流的繞組稱為初級繞組，接測量儀表的繞組稱為次級繞組。電壓互感器一般相當(dāng)于一個降壓變壓器，其初級繞組額定電壓通常采用不同的電壓等級，而次級線圈額定電壓都定為100V，電流互感器相當(dāng)于一個電流變換器，其額定次級電流一般為5A（有的為1A）。其初級繞組匝數(shù)較少，甚至可能是幾匝或一匝，所以初級線圈使用一根直線表示。電壓互感器電流互感器1．互感器的結(jié)構(gòu)和原理電壓互感器電流互感器11測壓原理：互感器的額定初級電壓U1(或電流I1)與額定次級電壓U2(或電流I2)之比，叫互感器的額定變壓比Ku(或額定變流比Ki)測壓原理：互感器的額定初級電壓U1(或電流I1)與12（a）測單相電壓；（b）用單相互感器測三相相電壓；（c）用單相互感器測三相線電壓；（d）用三相互感器測三相相電壓.電壓互感器接線方式：v（a）測單相電壓；（b）用單相互感器測三相相電壓；電壓互感13（a）測單相電流；（b）測三相電流；（c）測三相三線制的三相電流；電流互感器接線方式：（a）測單相電流；電流互14使用注意事項：（1）電壓互感器的次級線圈不許短路，否則次級會出現(xiàn)很大的短路電流，故其初級和次級都要接短路保護熔斷器(保險絲)。電流互感器的次級線圈不許開路，也不能裝熔斷器。否則當(dāng)次級突然開路時，會在線圈中感應(yīng)出很高的電壓，損壞電流互感器的絕緣，并危及操作人員的安全。（2）互感器的次級線圈、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)計的可逆互感器外，一般互感器不許反方向使用(即不能將初級與次級互換)。使用注意事項：（1）電壓互感器的次級線圈不許短路1510.2.3溫度傳感器接觸式測量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體傳感器等。非接觸式測量：以輻射式測溫為主，有光學(xué)高溫計和輻射高溫計等。10.2.3溫度傳感器接觸式測量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體161．熱電偶溫度傳感器(1)測溫原理—熱電效應(yīng)兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組合成一個閉合回路。當(dāng)兩接點溫度不等(T>T0)時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電動勢。把上述兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。自由端或冷端工作端或熱端1．熱電偶溫度傳感器自由端或冷端工作端或熱端17熱電偶可分為：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—銅鎳等型號分度表：熱電勢與溫度對應(yīng)關(guān)系的表格它是在冷端溫度為0℃的條件下得到的。不同熱電偶具有不同的分度表，根據(jù)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢和分度表即可得知其溫度值。熱電勢與溫度的關(guān)系為非線性。(2)中間導(dǎo)體定則如果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的兩個接點的溫度相同,則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。熱電偶可分為：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻18(3)熱電偶冷端溫度的補償因為分度表都是指冷端溫度0℃時的熱電勢，因此要求熱電偶工作時，冷端溫度必須保持在0℃，或進行冷端溫度補償，否則將要產(chǎn)生誤差。①0℃恒溫法把熱電偶冷端放在環(huán)境溫度為0℃的容器里，此時熱電偶的輸出準(zhǔn)確地和分度表值一致。但這種理想方法只適用于實驗室中使用，工業(yè)中使用極為不便。②電路補償一般的熱電偶溫度變送器都采用電路進行冷端溫度補償，使得熱電偶的輸出相當(dāng)于冷端始終保持在0℃，如補償電橋法。(3)熱電偶冷端溫度的補償19③計算修正法將多支熱電偶的冷端集中在一起，用其它方式(如熱電阻)測知其冷端溫度，再由每支熱電偶的熱電勢通過查表和計算得出其熱端溫度。（精確但繁瑣）例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測某介質(zhì)的溫度，測得熱電勢為33.29mV，冷端溫度30℃。

由分度表查得30℃時的熱電勢為1.20mV，故冷端溫度為0℃時的熱電勢應(yīng)為33.29+1.20＝34.49mV。再據(jù)此電勢查分度表得溫度為829.6℃，此值即為真實溫度值。③計算修正法例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測某介質(zhì)的溫度，20④補償導(dǎo)線的應(yīng)用熱電偶的補償導(dǎo)線又稱延伸導(dǎo)線，它是一種廉價導(dǎo)線，在一定的溫度范圍內(nèi)，其熱電特性與其相應(yīng)的熱電偶熱電特性十分相近。它的用途是把熱電偶的冷端延伸出去，遠離熱端，并與冷端補償器、變送器、顯示儀表等連接起來構(gòu)成測溫回路，同時不會由于引入該導(dǎo)線使工作熱電偶帶來附加誤差。④補償導(dǎo)線的應(yīng)用21

2．熱電阻溫度傳感器熱電阻溫度計是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)溫度測量的。實驗證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時，其電阻值均增大0.4%～0.6%；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時，其電阻值則下降3%～6%。工業(yè)上常用的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：精度高、性能穩(wěn)定。缺點：電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性。一般工業(yè)上常用的鉑電阻，我國規(guī)定的分度號為Pt10和Pt100。即0℃時：R0=10Ω和R0=100Ω。2．熱電阻溫度傳感器(1)鉑電阻22

(2)銅電阻銅電阻一般用于-50～150℃范圍的溫度測量。優(yōu)點：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，價格便宜；缺點：電阻率低，易氧化，所以在溫度不高、測溫元件體積無特殊限制時，可以使用銅電阻溫度計。我國工業(yè)用銅熱電阻的分度號分為Cu50和Cu100兩種，其R0=50Ω和100Ω。

(3)熱電阻測溫線路熱電阻溫度計主要由熱電阻傳感器、電阻測量橋路、顯示儀表及連接導(dǎo)線所組成。為了消除導(dǎo)線電阻對溫度測量的影響，一般為三線制接法。(2)銅電阻(3)熱電阻測溫線路23電橋平衡時：(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=R3，則Rt=R1，說明此種接法導(dǎo)線電阻Rr對熱電阻的測量無影響。再以測量放大器、線性化電路和U/I轉(zhuǎn)換電路代替微安表G，就可以輸出與溫度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號了。電橋平衡時：(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=241．應(yīng)變片式壓力傳感器的測量原理應(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)變片的測壓原理是應(yīng)變效應(yīng)，即金屬材料在外界作用下(壓力等)產(chǎn)生機械變形時，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的測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，其電阻率ρ發(fā)生變化。所以半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器又稱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的力，與物理學(xué)中的壓強概念相同。1．應(yīng)變片式壓力傳感器的測量原理10.2.3壓力傳252.測量電路應(yīng)變片式傳感器的測量電路多采用直流電橋中的雙臂差動電橋和四臂差動電橋。優(yōu)點：1、線性關(guān)系2、靈敏度高3、溫度補償2.測量電路優(yōu)點：1、線性關(guān)系2、靈敏度高2610.2.4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)的液位可由液位起點與液面上部氣體的壓力差測得，稱為差壓式液位儀表。敞口容器內(nèi)的液位既可采取這種差壓法，又可采取壓力法來測量。10.2.4液位傳感器差壓式液位傳感器1．差壓式液位傳感器272．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：連續(xù)監(jiān)測液位重復(fù)性高與液體的介質(zhì)無關(guān)接線簡單2．磁浮子液位傳感器組成：優(yōu)點：283．電容式液位傳感器利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器，用于測量非導(dǎo)電液體介質(zhì)的液位。當(dāng)電極間無液體時當(dāng)內(nèi)外電極間有液體時

電容的變化正比于液位高度其中ε表示介電常數(shù)3．電容式液位傳感器利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變29測量電容的串聯(lián)電阻式交流電橋

交流電橋復(fù)阻抗平衡時

測量電容的串聯(lián)電阻式交流電橋交流電橋復(fù)阻抗平衡時3010.2.5其他傳感器

1．位移傳感器e=kx10.2.5其他傳感器e=kx31

2．光電式轉(zhuǎn)速傳感器n-轉(zhuǎn)速

f-脈沖頻率N-圓盤開孔數(shù)2．光電式轉(zhuǎn)速傳感器n-轉(zhuǎn)速32光電脈沖變換電路（選講）光電脈沖變換電路（選講）3310.3信號測量與變換電路在自動控制和非電量測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、壓力、應(yīng)變、流量等）的變化變換為電壓信號。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號的變化量常常很?。ㄒ话阒挥袔缀练綆资练砸獙㈦娦盘柤右苑糯?，有時還要將電壓信號變換為電流信號。10.3.1測量放大器對放大電路要求：具有很高的共模抑制比及很高的輸入電阻和電壓放大倍數(shù)，以免對傳感器產(chǎn)生影響。

10.3信號測量與變換電路34若R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為若R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為3510.3.2程控測量放大器PGA

1．程控測量放大器的作用傳感器1u1傳感器2u2傳感器nun程控測量放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器對于不同的輸入信號可以提供不同的放大倍數(shù)10.3.2程控測量放大器PGA傳感器1u1傳感器2u362．程控測量放大器電路2．程控測量放大器電路373．集成程控測量放大器電路LH0084正常工作：R2=R3R4=R5R6=R7S1—S1’S2—S2’S3—S3’S4—S4’手動連接也可改變增益R13．集成程控測量放大器電路LH0084正常工作：手動連接也可3810.3.3電壓-電流變換電路變送器一般要將處理過的電壓信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，稱為U／I變換。U／I變換可以用運算放大器實現(xiàn)，也可以用專用集成電路實現(xiàn)。缺點：不適用于某些需要負(fù)載接地的應(yīng)用場合?；綰／I變換電路10.3.3電壓-電流變換電路缺點：不適用于某些需要負(fù)39實用U／I變換電路IO=UI/RO，調(diào)節(jié)RO可實現(xiàn)0~10mA電流輸出。實用U／I變換電路IO=UI/RO，調(diào)節(jié)RO可40

U／I變換專用集成電路XTR101U／I變換專用集成電路XTR1014110.4濾波器濾波電路的種類:按信號性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按所用元件:無源濾波器和有源濾波器

概述按階數(shù):一階,二階…高階10.4濾波器濾波電路的種類:按信號性質(zhì):模擬濾42傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性43按頻率特性進行分類：低通高通帶通帶阻按頻率特性進行分類：低通高通帶通帶阻44RCR10.4.1一階無源RC低通濾波器CC傳遞函數(shù)幅頻特性RCR10.4.1一階無源RC低通濾波器CC傳遞函數(shù)幅頻特45010.7070截止頻率此電路的缺點：1、帶負(fù)載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線RCR010.7070截止頻率此電路的缺點：1、帶負(fù)載能力差。246通頻帶寬度(帶寬)010.7070截止頻率帶寬:0-0

設(shè)R=10k,C為下列各值時的帶寬:Cfo1F16Hz0.047F340Hz0.01F1600Hz通頻帶寬度(帶寬)010.7070截止頻率帶寬:0-4710.4.2一階有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)RCRC傳遞函數(shù)中出現(xiàn)的一次項,故稱為一階濾波器10.4.2一階有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)48幅頻特性：相頻特性：RR1RFC+-+幅頻特性及幅頻特性曲線01+RF/R10.707(1+RF/R1)0傳遞函數(shù)RC幅頻特性：相頻特性：RR1RFC+-+幅頻特性及幅頻特性曲線491、時：有放大作用3、運放輸出，帶負(fù)載能力強。2、時：幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路特點:1、時：有放大作用3、運放輸出，帶負(fù)載能力強。2、時：幅頻特5010.5多路模擬開關(guān)在實際的系統(tǒng)中，被測量的回路往往是幾路或幾十路，不可能對每一回路的參量配置一個A/D轉(zhuǎn)換器，常利用多路開關(guān)，輪流切換各被測回路與A/D轉(zhuǎn)換器間的通路，以達到各回路分時占用A/D轉(zhuǎn)換電路的目的。模擬開關(guān)是一種能夠按照控制指令對模擬信號傳輸進行通、斷控制的電子器件。模擬開關(guān)多用場效應(yīng)管來構(gòu)成，開關(guān)接通時還會有一導(dǎo)通電阻，在斷開狀態(tài)時仍會有一小的關(guān)斷電流。但當(dāng)后面所接的負(fù)載電阻很大時，電子開關(guān)的電阻帶來的誤差是非常小的。10.5多路模擬開關(guān)51CC4051是一個允許雙向使用的CMOS多路開關(guān)集成芯片，它既可用于8路到一路的切換(用于A/D)，又可用于一路到8路的切換(用于D/A)。原理圖管腳圖CC4051是一個允許雙向使用的CMOS多路開關(guān)集成芯片，它5210.6采樣保持電路

采樣保持電路常用于輸入信號變化較快或具有多路輸入信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，因為每次轉(zhuǎn)換過程需要一定的時間，所以需要采樣保持電路的配合，以便有一個穩(wěn)定的輸入量。采樣保持器的工作過程由外部控制信號來決定，工作過程分采樣和保持兩個周期。采樣：就是要求輸出信號能快速而準(zhǔn)確地跟隨信號的變化；保持：則是在兩次采樣間隔時間內(nèi)保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。10.6采樣保持電路53采樣保持器電路：采樣保持器的輸入輸出波形：采樣保持器電路：采樣保持器的5410.7D/A轉(zhuǎn)換器D/A功能: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0~10V10.7D/A轉(zhuǎn)換器D/A功能:將數(shù)字量線性地地55為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進制數(shù)的每一位代碼按“權(quán)”值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位二進制數(shù)的這些模擬量相加，這樣便得到與數(shù)字量成正比的模擬量。 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是一個常數(shù)；D為n位二進制數(shù)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進制數(shù)的每56DAC轉(zhuǎn)換特性：輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB：相臨兩組代碼轉(zhuǎn)換出來的模擬量之差（2V)。分辨率：電路所能分辨出的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二進制數(shù)的分辨率？

若最大輸出電壓仍為14V，最小輸出電壓將變大還是變小？000001010011100101110111DDDACuo24101206814uo/V設(shè)D為三位二進制數(shù)要求uomax=14VDAC轉(zhuǎn)換特性：輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB：57n位二進制DAC框圖基準(zhǔn)電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模擬開關(guān)…數(shù)字寄存器…

dn1

d0n位二進制DAC框圖基準(zhǔn)電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模58DAC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)換器的分類：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591.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器下圖是四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它主要由以下四部分組成：R-2R構(gòu)成的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)S求和放大器A基準(zhǔn)電壓源UR1.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器60基于虛地的概念，不論輸入數(shù)字信號是1或0，從D、C、B、A各點向左看其等效電阻均為R，電源的總電流為:RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0_+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’基于虛地的概念，不論輸入數(shù)字信號是61同理:I2=d2

I/4,I1=d1

I/8,I0=d0

I/16若d3=1，則通過S3流入運放的電流I3=I/2，若d3=0,I3=0,

因此,I3=d3

I/2I'RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’同理:I2=d2I/4,I1=d62I'RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’I'RFS2Ad0d1d2d363輸出電壓為：

I’RF如果是n位D/A轉(zhuǎn)換器，并設(shè)RF=R，則Uo的表達式為：

輸出電壓為： 64

2.集成DAC0832簡介及應(yīng)用

集成DAC電路芯片種類很多。按輸入二進制的位數(shù)分類有八位、十位、十二位和十六位等。例如DAC0832，是一個具有兩個輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的倒T型8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖10.7.3所示(1)DAC0832簡介2.集成DAC0832簡介及應(yīng)用(1)65DAC0832的原理電路方框圖DAC0832的管腳排列圖DAC0832的原理電路方框圖DAC0832的管腳排列圖66(2)DAC0832的輸出方式DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，可提供單極性和雙極性兩種輸出方式，電路如圖所示。

單極性輸出：在其電流輸出端接一運算放大器從A點輸出。輸出電壓uA=IOUT1×Rfb。當(dāng)UREF接+5V(或-5V)時，uA的電壓范圍是0~-5V(或0~+5V)。(2)DAC0832的輸出方式67雙極性輸出：在單極性輸出的基礎(chǔ)上再增加一級運算放大器，便構(gòu)成了雙極性輸出電路，從B點輸出?？紤]到R1：R2：R3=2：1：2，所以這樣，恰恰使B點的輸出特性在A點輸出的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一偏移。假設(shè)UREF=+5V，則uA

=0~-5V，而uB=-5~+5V。雙極性輸出：在單極性輸出的基礎(chǔ)上再增加一級運算放大器，便構(gòu)成68(1)

分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸出電壓Uomax之比，分辨率當(dāng)Uomax一定時，n越大，分辨能力越高。12110-12112-n=10的DAC分辨率=n=12的DAC分辨率=3.DAC的主要參數(shù)(1)分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸69(2)轉(zhuǎn)換誤差一般是指輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，DAC輸出電壓的理論值與實際值之差。轉(zhuǎn)換誤差一般應(yīng)低于。例如，某控制系統(tǒng)中有一D/A轉(zhuǎn)換器，如果系統(tǒng)要求該D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差（相對誤差）小于0.25%，試問應(yīng)選擇多少位的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)至少為8位。(2)轉(zhuǎn)換誤差一般是指輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，DAC輸出70（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)歷的響應(yīng)時間。一般取輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時，其輸出達到穩(wěn)定值所需的時間，也稱轉(zhuǎn)換時間。（3）轉(zhuǎn)換速度7110.8模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能: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個最低有效位1.A/D功能及分類10.8模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地72(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點:轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns~1s②逐次逼近型

特點:轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時間幾s~100s③雙積分型

特點:轉(zhuǎn)換速度慢,轉(zhuǎn)換時間幾百s~幾ms根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為以下三類:(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型根據(jù)內(nèi)部電路不同,分為73逐次比較型ADC，又稱逐次逼近型ADC。其工作原理類似與天平的稱重過程(如稱13.5克的重物）。2.逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器序號砝碼（8、4、2、1克）砝碼取留18留24留32去41留逐次比較型ADC，又稱逐次逼近型ADC。其743位逐次逼近型ADC的組成：3位DAC、電壓比較器、模5環(huán)形計數(shù)器、鐘控RS觸發(fā)器。UR=5V，Ui=3.2V，初始化（圖中未畫)QAQBQC=000Q1Q2Q3Q4Q5=00001當(dāng)?shù)谝粋€脈沖Q1Q2Q3Q4Q5=10000。因為Q1=1，則QAQBQC=100

Uo=5/23×22=2.5V因為Uo<Ui，比較器的輸出UB=0。 &&3位逐次逼近型ADC的組成：3位DAC、電壓比較器、模5環(huán)形75第二個CP到來后，Q1Q2Q3Q4Q5=01000。因為Q2=1，QB被置1；由于UB=0，封鎖了與門G1，Q2不能通過門G1使QA復(fù)位，QA仍為1，因此QAQBQC=110

Uo=5/23×（22+21）=3.75V因為Uo>Ui，比較器輸出UB=1。 第三個CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00100。由于Q3=1，QC被置1；此時因為UB=1，門G2被打開，Q3通過門G2使QB=0；同時Q1=Q2=0，使QA保持1狀態(tài)不變。因而QAQBQC=101，Uo=5/23×（22+20）=3.125V因為Uo<Ui，比較器的輸出UB=0。&&第二個CP到來后，Q1Q2Q3Q4Q5=01000。76第四個CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。由于UB=0，封鎖了門G1～G3，同時由于Q1Q2Q3=000，所以QA、QB、QC保持原狀態(tài)不變，即QAQBQC=101。第五個CP來后，Q1Q2Q3Q4Q5=00001。由于Q5=1，使QAQBQC通過門G6、G7、G8，輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果d2d1d0=101。再來一個CP脈沖后，Q1Q2Q3Q4Q5=10000，又重新開始轉(zhuǎn)換。&&第四個CP后，Q1Q2Q3Q4Q5=00010。由于UB773．集成ADC

目前一般用的多數(shù)是單片集成ADC，其種類很多，如AD571，ADC0801，ADC0809等。下面介紹CMOS、8通道、8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809是按逐次逼近原理工作的，它除了具有基本的A/D轉(zhuǎn)換功能之外，內(nèi)部還包括8路模擬輸入通道，為了實現(xiàn)8路信號的分時采集，在片內(nèi)設(shè)置了8路模擬選擇開關(guān)以及相應(yīng)的通道地址鎖存和譯碼電路，輸出具有三態(tài)緩沖能力，能與微機總線直接相連。3．集成ADC78CBA選中通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809選中的通道與地址碼關(guān)系A(chǔ)DC0809的管腳功能圖CBA選中通道00079ADC0809的工作時序圖ADC0809的工作時序圖804.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率：ADC的分辨率是指輸出數(shù)字量變化一個最低有效位(LSB)所對應(yīng)的輸入模擬電壓的變化量。例如ADC輸入模擬電壓變化范圍為0～10V，輸出為10位數(shù)碼，則分辨率為分辨率也可用百分?jǐn)?shù)表示，即一般來說，位數(shù)愈多，則每一位二進制代碼所代表的模擬量越小，其分辨能力也越高。0.097%4.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)參數(shù)分辨率也可用百分?jǐn)?shù)表示，81轉(zhuǎn)換速度A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度主要取決于轉(zhuǎn)換電路的類型。并聯(lián)比較型：速度最快，如50ns逐次比較型：1～100μs之間雙積分型：數(shù)十~數(shù)百ms之間。轉(zhuǎn)換速度8210.9計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介

A/D轉(zhuǎn)換器與計算機的連接A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換完成信號采樣/保持器模擬輸入讀取數(shù)據(jù)命令計算機接口A/D板A/D轉(zhuǎn)換命令模擬輸入電壓在A/D轉(zhuǎn)換期間應(yīng)保持不變，否則A/D的輸出數(shù)據(jù)總隨輸入電壓而變，所以需要采樣/保持器。10.9計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介

A/D轉(zhuǎn)換器與計算機的連接83采樣周期采樣頻率采樣命令TT：采樣周期，相鄰兩次采樣之間的時間間隔單位s，ms，sf=1/T：采樣頻率，每秒采樣的數(shù)據(jù)個數(shù)單位Hz采樣周期采樣頻率采樣命令TT：采樣周期，相鄰兩次采樣之84A/D轉(zhuǎn)換器將脈沖下降沿時的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字量在計算機屏幕上波形的恢復(fù)顯示tt1t2t3t4t5t6t7模擬信號信號幅度時間數(shù)字信號t1t2t3t4t5t6t7采樣命令計算機屏幕A/D轉(zhuǎn)換器將脈沖下降沿時的模擬電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)85

在計算機屏幕上波形的恢復(fù)顯示結(jié)論：因為計算機屏幕波形顯示是用不連續(xù)的點組成，所以，若將被采樣波形恢復(fù)顯示，必須有足夠大的采樣率。t1ms1kHz12kHz28kHz816kHz16頻率為1kHz的正弦波4kHz4采樣率每周期采樣點數(shù)在計算機屏幕上波形的恢復(fù)顯示結(jié)論：因為計算機屏幕波形顯示是86演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！87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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)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)現(xiàn)剽竊，必88第10章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

10.1典型的測控系統(tǒng)概述

10.2傳感器10.3信號測量與變換電路10.4濾波器10.5多路模擬開關(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計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介第10章數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)10.1典型的測控系統(tǒng)概述8910.1典型的測控系統(tǒng)概述

傳感器變送器數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)10.1典型的測控系統(tǒng)概述傳感器901．傳感器直接感受被測物理量，并把其轉(zhuǎn)換成與被測物理量有一定函數(shù)關(guān)系的電壓、電流或其它物理量(如電阻、電容、電感)。傳感器的分類: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1．傳感器912．變送器將傳感器的輸出信號變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。(1)信號變換：將傳感器輸出的電參數(shù)轉(zhuǎn)變成電壓或電流。(2)放大：把微弱的電壓或電流信號進行放大，在某些場合還需要進行信號的隔離。(3)濾波：濾除干擾信號。2．變送器將傳感器的輸出信號變化轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號。(1)信92(4)線性化：被測物理量與電信號之間往往呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通過線性化電路，使電信號與物理量之間變成近似線性關(guān)系。(5)標(biāo)準(zhǔn)化：為了方便地實現(xiàn)儀表的互換性、信號的遠距離傳送和提高信號的抗干擾能力，一般把電信號最終轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA的直流電流信號。被測物理量為量程的下限：I=4mA，上限：I=20mA，在量程范圍內(nèi)，被測物理量與電流則呈線性關(guān)系。(4)線性化：被測物理量與電信號之間往往呈現(xiàn)非線性關(guān)系，通過93如某壓力變送器，量程為0~1.6MPa，當(dāng)變送器輸出4mA電流時，壓力為0MPa，輸出20mA時壓力為1.6MPa，當(dāng)輸出電流為10mA時，壓力為P=(10-4)/(20-4)*1.6=0.6Mpa4～20mA的電流信號傳送輸出具有以下優(yōu)點：①輸出電流與負(fù)載電阻無關(guān)，適用于遠距離傳輸。使用250Ω(0.1級)的I／U變換電阻，可將4～20mA的電流信號變換為1～5V的直流電壓信號。②可以同時串接幾個指示測量儀表，而不會影響測量精度。③能夠?qū)崿F(xiàn)傳送線的斷線自檢。

如某壓力變送器，量程為0~1.6MPa，當(dāng)變送94通常變送器的電源線和輸出信號線共用兩根線，稱為二線制變送器。在實際應(yīng)用中，往往把傳感器和變送器做在一起，稱為一體化二線制儀表。二線制溫度變送器如下圖通常變送器的電源線和輸出信號線共用兩根線，稱為二線953．?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采樣保持器模擬開關(guān)。。。。。。3．?dāng)?shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC9610.2傳感器10.2.1電壓與電流的檢測小電壓檢測：串聯(lián)電阻分壓的方法小電流檢測：并聯(lián)電阻分流的方法高電壓(幾百伏以上)檢測：電壓互感器大電流(幾十安培以上)檢測：電流互感器互感器優(yōu)點：(1)一個互感器可同時接入幾種儀表。例如電流表和功率表的電流線圈或電壓表和功率表的電壓線圈等。(2)降低了功率損耗。(3)保障工作人員的安全。(4)儀表制造標(biāo)準(zhǔn)化。將工程測量中儀表量限統(tǒng)一設(shè)計為5A或100V。10.2傳感器互感器優(yōu)點：971．互感器的結(jié)構(gòu)和原理互感器實際上是一個鐵心變壓器，鐵心上繞有兩個或多個繞組(特殊情況只有一個)，接待測電壓或電流的繞組稱為初級繞組，接測量儀表的繞組稱為次級繞組。電壓互感器一般相當(dāng)于一個降壓變壓器，其初級繞組額定電壓通常采用不同的電壓等級，而次級線圈額定電壓都定為100V，電流互感器相當(dāng)于一個電流變換器，其額定次級電流一般為5A（有的為1A）。其初級繞組匝數(shù)較少，甚至可能是幾匝或一匝，所以初級線圈使用一根直線表示。電壓互感器電流互感器1．互感器的結(jié)構(gòu)和原理電壓互感器電流互感器98測壓原理：互感器的額定初級電壓U1(或電流I1)與額定次級電壓U2(或電流I2)之比，叫互感器的額定變壓比Ku(或額定變流比Ki)測壓原理：互感器的額定初級電壓U1(或電流I1)與99（a）測單相電壓；（b）用單相互感器測三相相電壓；（c）用單相互感器測三相線電壓；（d）用三相互感器測三相相電壓.電壓互感器接線方式：v（a）測單相電壓；（b）用單相互感器測三相相電壓；電壓互感100（a）測單相電流；（b）測三相電流；（c）測三相三線制的三相電流；電流互感器接線方式：（a）測單相電流；電流互101使用注意事項：（1）電壓互感器的次級線圈不許短路，否則次級會出現(xiàn)很大的短路電流，故其初級和次級都要接短路保護熔斷器(保險絲)。電流互感器的次級線圈不許開路，也不能裝熔斷器。否則當(dāng)次級突然開路時，會在線圈中感應(yīng)出很高的電壓，損壞電流互感器的絕緣，并危及操作人員的安全。（2）互感器的次級線圈、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)計的可逆互感器外，一般互感器不許反方向使用(即不能將初級與次級互換)。使用注意事項：（1）電壓互感器的次級線圈不許短路10210.2.3溫度傳感器接觸式測量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體傳感器等。非接觸式測量：以輻射式測溫為主，有光學(xué)高溫計和輻射高溫計等。10.2.3溫度傳感器接觸式測量：熱電阻、熱電偶和半導(dǎo)體1031．熱電偶溫度傳感器(1)測溫原理—熱電效應(yīng)兩種不同的導(dǎo)體兩端相互緊密地連接在一起，組合成一個閉合回路。當(dāng)兩接點溫度不等(T>T0)時，回路中就會產(chǎn)生電動勢，從而形成電流，這一現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，該電動勢稱為熱電動勢。把上述兩種不同導(dǎo)體的組合稱為熱電偶。自由端或冷端工作端或熱端1．熱電偶溫度傳感器自由端或冷端工作端或熱端104熱電偶可分為：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻—鎳硅、鎳鉻—銅鎳等型號分度表：熱電勢與溫度對應(yīng)關(guān)系的表格它是在冷端溫度為0℃的條件下得到的。不同熱電偶具有不同的分度表，根據(jù)熱電偶產(chǎn)生的熱電勢和分度表即可得知其溫度值。熱電勢與溫度的關(guān)系為非線性。(2)中間導(dǎo)體定則如果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的兩個接點的溫度相同,則熱電偶所產(chǎn)生的熱電動勢將保持不變，即不受第三種金屬接入回路中的影響。熱電偶可分為：鉑銠10—鉑、鉑銠30—鉑銠6、鎳鉻105(3)熱電偶冷端溫度的補償因為分度表都是指冷端溫度0℃時的熱電勢，因此要求熱電偶工作時，冷端溫度必須保持在0℃，或進行冷端溫度補償，否則將要產(chǎn)生誤差。①0℃恒溫法把熱電偶冷端放在環(huán)境溫度為0℃的容器里，此時熱電偶的輸出準(zhǔn)確地和分度表值一致。但這種理想方法只適用于實驗室中使用，工業(yè)中使用極為不便。②電路補償一般的熱電偶溫度變送器都采用電路進行冷端溫度補償，使得熱電偶的輸出相當(dāng)于冷端始終保持在0℃，如補償電橋法。(3)熱電偶冷端溫度的補償106③計算修正法將多支熱電偶的冷端集中在一起，用其它方式(如熱電阻)測知其冷端溫度，再由每支熱電偶的熱電勢通過查表和計算得出其熱端溫度。（精確但繁瑣）例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測某介質(zhì)的溫度，測得熱電勢為33.29mV，冷端溫度30℃。

由分度表查得30℃時的熱電勢為1.20mV，故冷端溫度為0℃時的熱電勢應(yīng)為33.29+1.20＝34.49mV。再據(jù)此電勢查分度表得溫度為829.6℃，此值即為真實溫度值。③計算修正法例如，用鎳鉻—鎳硅熱電偶測某介質(zhì)的溫度，107④補償導(dǎo)線的應(yīng)用熱電偶的補償導(dǎo)線又稱延伸導(dǎo)線，它是一種廉價導(dǎo)線，在一定的溫度范圍內(nèi)，其熱電特性與其相應(yīng)的熱電偶熱電特性十分相近。它的用途是把熱電偶的冷端延伸出去，遠離熱端，并與冷端補償器、變送器、顯示儀表等連接起來構(gòu)成測溫回路，同時不會由于引入該導(dǎo)線使工作熱電偶帶來附加誤差。④補償導(dǎo)線的應(yīng)用108

2．熱電阻溫度傳感器熱電阻溫度計是基于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值與溫度呈一定函數(shù)關(guān)系的原理實現(xiàn)溫度測量的。實驗證明，大多數(shù)金屬導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時，其電阻值均增大0.4%～0.6%；而半導(dǎo)體當(dāng)溫度上升1℃時，其電阻值則下降3%～6%。工業(yè)上常用的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：精度高、性能穩(wěn)定。缺點：電阻溫度系數(shù)小，電阻與溫度呈非線性。一般工業(yè)上常用的鉑電阻，我國規(guī)定的分度號為Pt10和Pt100。即0℃時：R0=10Ω和R0=100Ω。2．熱電阻溫度傳感器(1)鉑電阻109

(2)銅電阻銅電阻一般用于-50～150℃范圍的溫度測量。優(yōu)點：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，價格便宜；缺點：電阻率低，易氧化，所以在溫度不高、測溫元件體積無特殊限制時，可以使用銅電阻溫度計。我國工業(yè)用銅熱電阻的分度號分為Cu50和Cu100兩種，其R0=50Ω和100Ω。

(3)熱電阻測溫線路熱電阻溫度計主要由熱電阻傳感器、電阻測量橋路、顯示儀表及連接導(dǎo)線所組成。為了消除導(dǎo)線電阻對溫度測量的影響，一般為三線制接法。(2)銅電阻(3)熱電阻測溫線路110電橋平衡時：(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=R3，則Rt=R1，說明此種接法導(dǎo)線電阻Rr對熱電阻的測量無影響。再以測量放大器、線性化電路和U/I轉(zhuǎn)換電路代替微安表G，就可以輸出與溫度成線性關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號了。電橋平衡時：(Rt+Rr)R2=(R1+Rr)R3若使R2=1111．應(yīng)變片式壓力傳感器的測量原理應(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)變片的測壓原理是應(yīng)變效應(yīng)，即金屬材料在外界作用下(壓力等)產(chǎn)生機械變形時，其阻值發(fā)生相應(yīng)變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的測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，其電阻率ρ發(fā)生變化。所以半導(dǎo)體應(yīng)變片式壓力傳感器又稱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的力，與物理學(xué)中的壓強概念相同。1．應(yīng)變片式壓力傳感器的測量原理10.2.3壓力傳1122.測量電路應(yīng)變片式傳感器的測量電路多采用直流電橋中的雙臂差動電橋和四臂差動電橋。優(yōu)點：1、線性關(guān)系2、靈敏度高3、溫度補償2.測量電路優(yōu)點：1、線性關(guān)系2、靈敏度高11310.2.4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)的液位可由液位起點與液面上部氣體的壓力差測得，稱為差壓式液位儀表。敞口容器內(nèi)的液位既可采取這種差壓法，又可采取壓力法來測量。10.2.4液位傳感器差壓式液位傳感器1．差壓式液位傳感器1142．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：連續(xù)監(jiān)測液位重復(fù)性高與液體的介質(zhì)無關(guān)接線簡單2．磁浮子液位傳感器組成：優(yōu)點：1153．電容式液位傳感器利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變介質(zhì)型電容傳感器，用于測量非導(dǎo)電液體介質(zhì)的液位。當(dāng)電極間無液體時當(dāng)內(nèi)外電極間有液體時

電容的變化正比于液位高度其中ε表示介電常數(shù)3．電容式液位傳感器利用被測介質(zhì)面的變化引起電容變化的一種變116測量電容的串聯(lián)電阻式交流電橋

交流電橋復(fù)阻抗平衡時

測量電容的串聯(lián)電阻式交流電橋交流電橋復(fù)阻抗平衡時11710.2.5其他傳感器

1．位移傳感器e=kx10.2.5其他傳感器e=kx118

2．光電式轉(zhuǎn)速傳感器n-轉(zhuǎn)速

f-脈沖頻率N-圓盤開孔數(shù)2．光電式轉(zhuǎn)速傳感器n-轉(zhuǎn)速119光電脈沖變換電路（選講）光電脈沖變換電路（選講）12010.3信號測量與變換電路在自動控制和非電量測量等系統(tǒng)中，常用各種傳感器將非電量(如溫度、壓力、應(yīng)變、流量等）的變化變換為電壓信號。但這種非電量的變化是緩慢的，電信號的變化量常常很?。ㄒ话阒挥袔缀练綆资练?，所以要將電信號加以放大，有時還要將電壓信號變換為電流信號。10.3.1測量放大器對放大電路要求：具有很高的共模抑制比及很高的輸入電阻和電壓放大倍數(shù)，以免對傳感器產(chǎn)生影響。

10.3信號測量與變換電路121若R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為若R2=R3，R4=R5，R6=R7，則電壓放大倍數(shù)為12210.3.2程控測量放大器PGA

1．程控測量放大器的作用傳感器1u1傳感器2u2傳感器nun程控測量放大器模數(shù)轉(zhuǎn)換器對于不同的輸入信號可以提供不同的放大倍數(shù)10.3.2程控測量放大器PGA傳感器1u1傳感器2u1232．程控測量放大器電路2．程控測量放大器電路1243．集成程控測量放大器電路LH0084正常工作：R2=R3R4=R5R6=R7S1—S1’S2—S2’S3—S3’S4—S4’手動連接也可改變增益R13．集成程控測量放大器電路LH0084正常工作：手動連接也可12510.3.3電壓-電流變換電路變送器一般要將處理過的電壓信號轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號，稱為U／I變換。U／I變換可以用運算放大器實現(xiàn)，也可以用專用集成電路實現(xiàn)。缺點：不適用于某些需要負(fù)載接地的應(yīng)用場合?；綰／I變換電路10.3.3電壓-電流變換電路缺點：不適用于某些需要負(fù)126實用U／I變換電路IO=UI/RO，調(diào)節(jié)RO可實現(xiàn)0~10mA電流輸出。實用U／I變換電路IO=UI/RO，調(diào)節(jié)RO可127

U／I變換專用集成電路XTR101U／I變換專用集成電路XTR10112810.4濾波器濾波電路的種類:按信號性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按所用元件:無源濾波器和有源濾波器

概述按階數(shù):一階,二階…高階10.4濾波器濾波電路的種類:按信號性質(zhì):模擬濾129傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性filter傳遞函數(shù)、幅頻特性130按頻率特性進行分類：低通高通帶通帶阻按頻率特性進行分類：低通高通帶通帶阻131RCR10.4.1一階無源RC低通濾波器CC傳遞函數(shù)幅頻特性RCR10.4.1一階無源RC低通濾波器CC傳遞函數(shù)幅頻特132010.7070截止頻率此電路的缺點：1、帶負(fù)載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線RCR010.7070截止頻率此電路的缺點：1、帶負(fù)載能力差。2133通頻帶寬度(帶寬)010.7070截止頻率帶寬:0-0

設(shè)R=10k,C為下列各值時的帶寬:Cfo1F16Hz0.047F340Hz0.01F1600Hz通頻帶寬度(帶寬)010.7070截止頻率帶寬:0-13410.4.2一階有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)RCRC傳遞函數(shù)中出現(xiàn)的一次項,故稱為一階濾波器10.4.2一階有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)135幅頻特性：相頻特性：RR1RFC+-+幅頻特性及幅頻特性曲線01+RF/R10.707(1+RF/R1)0傳遞函數(shù)RC幅頻特性：相頻特性：RR1RFC+-+幅頻特性及幅頻特性曲線1361、時：有放大作用3、運放輸出，帶負(fù)載能力強。2、時：幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路特點:1、時：有放大作用3、運放輸出，帶負(fù)載能力強。2、時：幅頻特13710.5多路模擬開關(guān)在實際的系統(tǒng)中，被測量的回路往往是幾路或幾十路，不可能對每一回路的參量配置一個A/D轉(zhuǎn)換器，常利用多路開關(guān)，輪流切換各被測回路與A/D轉(zhuǎn)換器間的通路，以達到各回路分時占用A/D轉(zhuǎn)換電路的目的。模擬開關(guān)是一種能夠按照控制指令對模擬信號傳輸進行通、斷控制的電子器件。模擬開關(guān)多用場效應(yīng)管來構(gòu)成，開關(guān)接通時還會有一導(dǎo)通電阻，在斷開狀態(tài)時仍會有一小的關(guān)斷電流。但當(dāng)后面所接的負(fù)載電阻很大時，電子開關(guān)的電阻帶來的誤差是非常小的。10.5多路模擬開關(guān)138CC4051是一個允許雙向使用的CMOS多路開關(guān)集成芯片，它既可用于8路到一路的切換(用于A/D)，又可用于一路到8路的切換(用于D/A)。原理圖管腳圖CC4051是一個允許雙向使用的CMOS多路開關(guān)集成芯片，它13910.6采樣保持電路

采樣保持電路常用于輸入信號變化較快或具有多路輸入信號的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，因為每次轉(zhuǎn)換過程需要一定的時間，所以需要采樣保持電路的配合，以便有一個穩(wěn)定的輸入量。采樣保持器的工作過程由外部控制信號來決定，工作過程分采樣和保持兩個周期。采樣：就是要求輸出信號能快速而準(zhǔn)確地跟隨信號的變化；保持：則是在兩次采樣間隔時間內(nèi)保持上一次采樣結(jié)束時的狀態(tài)。10.6采樣保持電路140采樣保持器電路：采樣保持器的輸入輸出波形：采樣保持器電路：采樣保持器的14110.7D/A轉(zhuǎn)換器D/A功能: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0~10V10.7D/A轉(zhuǎn)換器D/A功能:將數(shù)字量線性地地142為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進制數(shù)的每一位代碼按“權(quán)”值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后將代表各位二進制數(shù)的這些模擬量相加，這樣便得到與數(shù)字量成正比的模擬量。 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是一個常數(shù)；D為n位二進制數(shù)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，必須將二進制數(shù)的每143DAC轉(zhuǎn)換特性：輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB：相臨兩組代碼轉(zhuǎn)換出來的模擬量之差（2V)。分辨率：電路所能分辨出的最小輸出電壓與最大輸出電壓之比。分辨率=ULSBUomax=1

2n-1四位二進制數(shù)的分辨率？

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為三位二進制數(shù)要求uomax=14VDAC轉(zhuǎn)換特性：輸入與輸出的對應(yīng)關(guān)系最小輸出電壓ULSB：144n位二進制DAC框圖基準(zhǔn)電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模擬開關(guān)…數(shù)字寄存器…

dn1

d0n位二進制DAC框圖基準(zhǔn)電壓UR輸出U0電阻解碼網(wǎng)絡(luò)…數(shù)字模145DAC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)換器的分類：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1461.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器下圖是四位倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖，它主要由以下四部分組成：R-2R構(gòu)成的倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)模擬開關(guān)S求和放大器A基準(zhǔn)電壓源UR1.倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器147基于虛地的概念，不論輸入數(shù)字信號是1或0，從D、C、B、A各點向左看其等效電阻均為R，電源的總電流為:RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0_+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’基于虛地的概念，不論輸入數(shù)字信號是148同理:I2=d2

I/4,I1=d1

I/8,I0=d0

I/16若d3=1，則通過S3流入運放的電流I3=I/2，若d3=0,I3=0,

因此,I3=d3

I/2I'RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’同理:I2=d2I/4,I1=d149I'RFS2Ad0d1d2d3S3S1S0+-UoRRR2R2R2R2R2RURI4I2I8I16I16ABCDII’I'RFS2Ad0d1d2d3150輸出電壓為：

I’RF如果是n位D/A轉(zhuǎn)換器，并設(shè)RF=R，則Uo的表達式為：

輸出電壓為： 151

2.集成DAC0832簡介及應(yīng)用

集成DAC電路芯片種類很多。按輸入二進制的位數(shù)分類有八位、十位、十二位和十六位等。例如DAC0832，是一個具有兩個輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的倒T型8位D/A轉(zhuǎn)換芯片，其結(jié)構(gòu)框圖如圖10.7.3所示(1)DAC0832簡介2.集成DAC0832簡介及應(yīng)用(1)152DAC0832的原理電路方框圖DAC0832的管腳排列圖DAC0832的原理電路方框圖DAC0832的管腳排列圖153(2)DAC0832的輸出方式DAC0832為電流輸出型D/A轉(zhuǎn)換器，可提供單極性和雙極性兩種輸出方式，電路如圖所示。

單極性輸出：在其電流輸出端接一運算放大器從A點輸出。輸出電壓uA=IOUT1×Rfb。當(dāng)UREF接+5V(或-5V)時，uA的電壓范圍是0~-5V(或0~+5V)。(2)DAC0832的輸出方式154雙極性輸出：在單極性輸出的基礎(chǔ)上再增加一級運算放大器，便構(gòu)成了雙極性輸出電路，從B點輸出?？紤]到R1：R2：R3=2：1：2，所以這樣，恰恰使B點的輸出特性在A點輸出的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了一偏移。假設(shè)UREF=+5V，則uA

=0~-5V，而uB=-5~+5V。雙極性輸出：在單極性輸出的基礎(chǔ)上再增加一級運算放大器，便構(gòu)成155(1)

分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸出電壓Uomax之比，分辨率當(dāng)Uomax一定時，n越大，分辨能力越高。12110-12112-n=10的DAC分辨率=n=12的DAC分辨率=3.DAC的主要參數(shù)(1)分辨率電路所能分辨的最小輸出電壓ULSB與最大輸156(2)轉(zhuǎn)換誤差一般是指輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，DAC輸出電壓的理論值與實際值之差。轉(zhuǎn)換誤差一般應(yīng)低于。例如，某控制系統(tǒng)中有一D/A轉(zhuǎn)換器，如果系統(tǒng)要求該D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換誤差（相對誤差）小于0.25%，試問應(yīng)選擇多少位的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)至少為8位。(2)轉(zhuǎn)換誤差一般是指輸入端加滿刻度的數(shù)字量時，DAC輸出157（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)歷的響應(yīng)時間。一般取輸入由全0變?yōu)槿?或由全1變?yōu)槿?時，其輸出達到穩(wěn)定值所需的時間，也稱轉(zhuǎn)換時間。（3）轉(zhuǎn)換速度15810.8模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能: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個最低有效位1.A/D功能及分類10.8模數(shù)轉(zhuǎn)換器(1)A/D功能:將模擬電壓成正比地159(2)A/D轉(zhuǎn)換器分類①并聯(lián)比較型

特點:轉(zhuǎn)換速度快,轉(zhuǎn)換時間10ns~1s②逐次逼近型

特點:轉(zhuǎn)換速度中,轉(zhuǎn)換時間幾s~100