第六章-數據采集技術課件

第六章數據采集技術數據采集技術是研究信息數據的采集、存貯、處理以及控制等作業(yè)。監(jiān)控分站的主要工作任務之一就是采集它所連接傳感器送來的模擬量和開關量信息轉換為數字信號，再收集到計算機并進一步予以顯示、處理、傳輸與記錄，這一過程即稱為“數據采集”。用于數據采集的成套設備稱為數據采集系統（DAS）。1精選課件ppt數據采集系統最主要目標有兩個：一是精度；二是速度。對任何量的測試都要有一定的精確度要求，否則將失去測試的意義；提高數據采集的速度是為提高工作效率，便于實現動態(tài)測試。2精選課件ppt現代數據采集系統具有如下主要特點：（1）一般都由計算機控制，數據采集的質量和效率等大為提高，也節(jié)省硬件投資。（2）軟件在數據采集系統的作用越來越大，系統設計靈活。（3）數據采集與數據處理緊密，形成數據采集與處理系統，可實現從數據采集、處理到控制的全部工作。3精選課件ppt（4）數據采集過程一般都具有“實時”特性，實時的標準是能滿足實際需要。（5）隨著微電子技術的發(fā)展，電路集成度的提高，數據采集系統的體積越來越小，可靠性越來越高，出現單片數據采集系統。單片機：全稱單片微型計算機，是把中央處理器、存儲器、定時/計數器（Timer/Counter）、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。（6）總線在數據采集系統中有著廣泛的應用?？偩€：指計算機組件間規(guī)范化的交換數據的方式，即以一種通用的方式為各組件提供數據傳送和控制邏輯。4精選課件ppt第一節(jié)數據釆集系統的基本構成一、數據采集系統的基本構成圖6-1是數據釆集系統的典型結構，數據釆集系統既能完成釆集，也能實現處理。它主要由四部分組成：5精選課件ppt6精選課件ppt（1）數據采集器:包括多路開關MUX、測量放大器IA、采樣保持放大器SHA、模數轉換器ADC等，將多個現場模擬信號逐個采樣再量化成數字信號后送往微型計算機。（2）微機接口電路：用來傳送數據采集系統運行所需要的數據、狀態(tài)信息以及控制信號。（3）數模轉換器:將微機輸出的數字信號再轉換為模擬信號，以實現系統要求的顯示、記錄與控制任務。也將包含數模轉換器DAC的數據采集系統稱為模擬輸入與輸出系統。7精選課件ppt（4）應用軟件。數據采集系統的采集信息有模擬量信號、頻率信號和開關量信號等。8精選課件ppt二、數據采集系統的主要性能指標①系統分辨率；②系統精度；③采集速率；④動態(tài)范圍；⑤非線性失真。9精選課件ppt第二節(jié)數據釆集基本電路一、運算放大器和測量放大器1.運算放大器在模擬集成電路中，集成運算放大器是最基本又是用途最廣的一種電路。集成運算放大器是高增益、多級直接耦合放大器，在模擬計算中，這種放大器能夠實現各種數學運算，故稱為運算放大器。直接耦合:將前一級的輸出端直接連接到后一級的輸入端。高增益單片集成化運算放大器在自動控制、測量儀表、計算技術等許多方面都有著極其廣泛的應用，是模擬電子領域中最重要的有源器件。10精選課件ppt大多數集成運算放大器都是雙端（反向、同向）輸入、單端輸出。另外，還有正、負電源和調零端，有時還會有相位補償端及其他一些特殊用途的輸入、輸出端。運算放大器常用圖6-2所示符號。11精選課件ppt在分析運算放大器應用電路時，忽略運算放大器各項指標的影響，視運算放大器為理想特性。理想運算放大器應當具備下列條件：①差模開環(huán)電壓增益無限大，Avd=∞；運放在沒有反饋的情況下，輸出電壓除以同相端和反相端之間的電壓差。運放增益都很大，幾萬倍以上。②差模輸入電阻無限大，RID=∞；指同相端和反相端之間的電阻。差模又稱串模，指的是兩根線之間的信號差值。12精選課件ppt③輸出阻抗為零，R0=0;④共模抑制比無限大，CMRR=∞；是指差模電壓增益與共模電壓增益之比⑤-3dB帶寬無限大，fH=∞；A功率比B功率大一倍，10lgA／B＝10lg2＝3dB-3dB帶寬指信號功率衰減到輸入的1/2，幅值衰減到輸入的0.707倍對應的頻率。⑥轉換速率無限大，SR=∞。13精選課件ppt另外，理想運算放大器不考慮任何失調、漂移、干擾、噪聲等，即認為失調電壓、失調電流、溫度系數、干擾和噪聲等均為零。理想運算放大器是以工作在線性放大區(qū)為前提，當運算放大器工作電源為定值時，輸出電壓為有限值。根據以上條件，理想運算放大器有如下基本關系：由于u＋-u－＝u0/AVD（差模開環(huán)電壓增益無限大）且AVD＝∞△u＝u＋－u－≈0，u＋≈u－14精選課件ppt可見，理想運算放大器兩輸入端電位近似相等，由于運算放大器本身輸入電阻RID=∞，流入放大器輸入端電流iID≈0。因此，這并不是真正的短路，不存在短路電流，而稱之為“虛短"。若同相輸入端接地，則反相輸入端近似為地電位，稱之為“虛地"。雖為地電位，卻又不是真正接地。15精選課件pptu＋≈u－和iID≈0是理想集成運算放大器的重要原則。在分析由各種運算放大器構成的電路時，就可以遵循這一重要原則。實際運算放大器開環(huán)增益和輸入電阻都不可能是無窮大，應當認為上述關系是近似的，這種近似對結果不會產生明顯的誤差。16精選課件ppt2.測量放大器傳感器將被測參數（如壓力、溫度、轉速和流量等）的非電量轉換成電參數，只有在最簡單的應用場合，才可將傳感器的信號直接連至數據采集系統。一方面，是因為傳感器一般均不具有零輸出阻抗，也不一定能直接提供公用的輸出信號量值；（阻抗：在具有電阻、電感和電容的電路里，對交流電所起的阻礙作用）另一方面，是因為傳感器的工作環(huán)境往往比較復雜和惡劣，在傳感器的輸出端經常產生較大的干擾噪聲。17精選課件ppt雖然運算放大器對直接接到兩個差動端的共模信號均有較高的抑制能力，但由于這種電路的低輸出阻抗、不平衡的輸入阻抗以及放大器共模抑制能力直接與電阻比相匹配等缺陷，使得其不適合要求較高的數據采集任務。電路對稱性越差，其共模抑制比就越小，抑制共模信號（干擾）的能力也就越差。18精選課件ppt測量放大器一般提供以下主要功能：（1）輸入緩沖：提供一個高阻抗給傳感器信號源，當不采用信號濾波時，測量放大器直接接收信號源；（2）信號放大：用戶可選外接電阻或軟件編程來改變測量放大器增益；（3）共模抑制能力：測量放大器采用差動輸入方式時，可提供很高的共模噪聲抑制能力；共模抑制比：輸入端口短路線中點對地加電壓和輸入端口兩點之間電壓的比。差動輸入：放大器兩輸入端分別接入幅度相同、相位相反的信號（4）單端輸出。19精選課件ppt應該指出的是：在不良環(huán)境中采取提高增益手段以進行精確測量時，在不需要隔離以及共模噪聲電壓不大的場合下，往往使用測量放大器，而在使用環(huán)境需要隔離的場合下，就應使用隔離放大器。20精選課件ppt測量放大器（IA）又常稱為可變增益放大器、數據放大器或橋路放大器。一般結構如圖6-3所示。21精選課件ppt差動輸入端+IN、﹣IN直接與信號源相連，故有較高的共模抑制能力。外接電阻RG用于調整測量放大器增益，有些放大器還用Rs進行增益微調。負載的電壓信號是測量端S與參考端R間的電位差。通常S端與Vout端在放大器外連接且參考電位取地電位。理想的測量放大器僅對輸入端的差值放大。若放大器工作在共模方式，且VIN+＝VIN-（其中VIN+、VIN-為放大器兩個差動輸入端電壓），則放大器輸出為零。22精選課件ppt通用測量放大器由3個高性能集成運算放大器A1、A2、A3構成（圖6-4）。23精選課件ppt差動輸入/輸出級放大器A1、A2對差動信號輸入的增益為1+2R1/Rw。由于結構對稱，且允許被放大信號直接加到輸入端，因而保證了很強的共模抑制能力。A1、A2的共模增益僅為1，與R1及Rw的數值無關（在Rw上不出現共模電壓，因此沒有共模電流流經它，因為運放在正常工作時，輸入端之間沒有多大電位差）。A3將A1、A2的差動輸出信號轉換為一個對地輸出的參考信號，A3的共模抑制主要由4個R2相匹配的精度確定。圖6-4所示放大器的傳遞作用為：VOUT=（V12-V11）（2R1/Rw+1）24精選課件ppt模數轉換器（ADC）之前的電路統稱為信號調理電路。信號調理器的基本功能是調零和放大，即進行標度變換以使采集信號與模數轉換器的輸入量程相匹配。標度變換：將對應參數值的大小轉換成能直接顯示有量綱的被測工程量數值。信號調理器一般包括傳感器的直流供電、信號調零電路、信號放大器和信號濾波器等。25精選課件ppt二、模擬多路開關（MUX）在數據采集系統中，經常需要對多參數進行多路采集，如果每一路都單獨采用各自的輸入回路，即每一路都采用放大、采樣/保持和A/D等環(huán)節(jié)，不僅使系統成本成倍增加，而且會導致系統體積龐大，給系統的校準也帶來很大困難。通常采用公共的采樣/保持及A/D轉換電路（有時甚至可將某些放大電路共用），需要有模擬多路開關的支持。26精選課件ppt模擬多路開關有機械式、電磁式和電子式三大類。純機械式開關在現代數據采集系統中已很少使用。電磁式多路開關主要是指各種繼電器、干簧管等，其中干簧繼電器體積小、切換速度快、噪聲小、壽命長，最適合在模擬量輸入通道中使用。電子開關具有切換速度高、無抖動、易于集成等特點，但其導通電阻一般較大，輸入電壓、電流容量較小，動態(tài)范圍很有限，常用于高速且要求系統體積較小的場合。27精選課件ppt多路模擬開關的主要用途：把多個模擬量參數分時地接通送入A/D轉換器，即完成多到一的轉換，稱為多路模擬開關；或者把計算機處理，且由D/A轉換成的模擬信號按一定的順序輸出到不同的控制回路（或外設），即完成一到多的轉換，稱為多路分配器。這兩種器件有的只有一種用途，稱為單向多路模擬開關，如AD7501（8路）、AD7506（16路），有的則既能作多路模擬開關，又能作反多路開關，稱為雙向多路分配器，如CD4051。28精選課件pptCD4051是單端8通道多路模擬開關，它帶有3個輸入端A、B、C和1個選通脈沖輸入端INH。A、B、C的信號用控制8個通道中的1個通道與公共端相連。若8個輸入信號加到通道IN/OUT的X0-X7端，而從公共輸入/輸出端X輸出，則CD4051是8線到1線多路模擬開關；如果1個輸入信號加到公共端X，而從8個端子X0-X7之一輸出，則CD4051是1線到8線模擬多路分配器。29精選課件pptINH是CD4051禁止輸入端，當INH端保持高電平，INH=1時，通道斷開，禁止模擬量輸入，即8路輸入X0?X7中任何一路均不與公共端相連，8路通道都關斷；當INH端為低電平，INH=0時，通道接通，CD4051正常工作，根據A、B、C選擇輸入端的不同組合，選擇8路通道中的某路和輸出端接通。其原理電路圖如圖6-5所示。30精選課件pptVCC是電路的供電電壓，VDD是芯片的工作電壓（通常Vcc>VDD），VSS是公共接地端電壓，VEE負電源電壓31精選課件ppt在圖6-5中，邏輯電平轉換單元完成CMOS到TTL的轉換；二進制三-八譯碼器用來選樣輸入端C、B、A的狀態(tài)進行譯碼，以控制開關電路TG，使某一路開關接通，從而使輸入和輸出通道相連。CMOS：互補金屬氧化物（PMOS管和NMOS管）共同構成的互補型MOS集成電路制造工藝，功耗很低、電壓范圍寬、抗干擾能力強。TTL：集成電路輸入級和輸出級全采用晶體管組成的單元門電路，多發(fā)射極實現輸入級“與”邏輯，輸出級晶體管實現“非”邏輯。與非門輸出結果為：有0出1，全1出0。+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”，被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號系統。多路模擬開關的通道數有4路、8路和36路等。32精選課件ppt半導體多路模擬開關特點：采用標準雙列宜插式結構，尺寸小，便于安排；直接與TTL（或CMOS）電平相兼容；內部帶有通道選擇譯碼器，使用方便；可采用正或負雙極性輸入；轉換速度快，導通或關斷時間在1μs左右；壽命長，無機械磨損；接通電阻低，一般小于100Ω；斷開電阻高，一般達109Ω以上。半導體集成多路模擬開關在數據采集系統中得到了廣泛的應用。33精選課件ppt三、采樣保持放大器當傳感器將非電物理量轉換成電量，并經放大、濾波等一系列處理后，需經A/D轉換成數字量，才能送入數據采集系統的計算機。如果直接用ADC對模擬量進行轉換，則應考慮到任何一種ADC都需要有一定的時間來完成量化及編碼的操作。在轉換過程中，如果模擬量變化，將直接影響轉換精度。34精選課件ppt在同步系統中，幾個并聯的量均需要取同一瞬時值，若仍直接送入ADC進行轉換（共用一個ADC），所得到的幾個量就不是同一時刻的值，無法進行計算和比較。所以要求輸入到ADC的模擬量在整個轉換過程中保持不變，但轉換之后，又要求ADC的輸入信號能夠跟隨模擬量變化。能夠完成上述任務的器件叫采樣保持放大器（SHA）。35精選課件pptSHA就是在某瞬間內，通過模擬開關對一個變化的模擬信號Vin進行采樣，并將采樣值存儲（保持）下來，直到下一次重新采樣前將存儲的信息處理完畢。因此，為了克服轉換信號變化帶來的誤差，必須在系統的ADC前加SHA，如圖6-6所示。36精選課件pptSHA主要由模擬開關、存儲介質和緩沖放大器A組成，它的一般形式如圖6-7所示。37精選課件ppt當控制電路的驅動信號為高電平時，模擬信號Vin就通過模擬開關與存儲介質相連，存儲介質通常是一個電容器。因此，電容器兩端的電壓Vc將跟隨模擬信號Vin的變化而變化，這就是采樣期。當驅動信號為低電平時，模擬開關截止，此時電容器上的電壓Vc保持模擬開關截止瞬間的Vin值不變，這就是保持期。38精選課件ppt圖6-8是一種實際SHA的電路圖。它由兩個緩沖器、場效應開關和保持電容組成，其原理也是依靠電容充電后保持其信號電壓。39精選課件ppt緩沖器具有很高的輸入阻抗，控制信號控制開關。當控制信號為高電平時，開關導通，輸出信號Vout隨輸入信號Vin變化。當控制信號為低電平時，開關截止，呈很高的阻抗，輸出信號Vout依靠電容將保持著開關截止時刻的輸入電壓。SHA的工作過程可以分為四個階段，即：由保持瞬變到采樣、采樣、由采樣瞬變到保持、保持，如圖6-9所示。SHA的控制信號由采樣周期和保持周期組成。40精選課件ppt在由保持瞬變到采樣周期時，SHA的輸出Vout從原來保持電壓很快跟隨輸入信號電壓Vin變化。自采樣周期開始到SHA輸入端建立起轉換電壓所需要的時間稱為采集時間，即存貯電容器充電到采樣模擬電壓Vin時所需的時間。實際上，只有SHA輸出電壓穩(wěn)定為轉換電壓Vin時才能開始轉換，所以采集時間（也稱為捕捉時間Tac）包括放大器的信號建立時間，如圖6-9所示。41精選課件ppt42精選課件ppt在采樣周期，SHA輸入和輸出電壓之間有差別，主要是失調偏移誤差造成的，此誤差稱為采樣偏移誤差。自采樣瞬變到保持周期時，輸出信號不是立即保持下來而是繼續(xù)變化，造成誤差，見圖6-9。這樣，在保持控制信號發(fā)出后直到邏輯輸入控制開關完全斷開所需要的時間稱為孔徑時間TAP。43精選課件ppt在保持周期中，輸出電壓有某些下降。SHA的電壓下降率是其輸出電壓變化的速率，可用下式表示：△V/△T=I/Ch式中I—下降電流；Ch—保持電容。SHA在轉換時間內的下降量不應大于0.1個最低位置。44精選課件ppt采集時間是SHA的一個關鍵動態(tài)指標，它主要取決于電容量和輸入放大器最大供電流。采集時間范圍是15ps～10μs。孔徑時間一般在5ps～200μs之間，它也是SHA最重要的一項動態(tài)性能指標。集成SHA的特點是：采樣速度快，精度高，下降速率慢，一般在2～2.5μs即可達到±0.01%～±0.03%的精度。45精選課件ppt第三節(jié)信號變換電路數據采集系統的框圖6-10。模擬輸入信號，即在時間上與幅值上均連續(xù)變化的信號，首先經過一個預采樣濾波器，然后由采樣器每隔一個采樣時間讀出一次數據，再由模數轉換器量化為二進制數碼，即成為計算機可以接受的數字信號。46精選課件ppt模擬輸入信號的采樣脈沖應做得很窄，以便在采樣脈沖空余時間可以進行多路復用。在計算機內進行數字信號處理后，再利用數模轉換器DAC將數字信號轉換為模擬信號。在此轉換過程中，二進制數碼首先轉換為連續(xù)時間脈沖，脈沖之間的空隙則再經過“再建平滑濾波器”來填充平滑以恢復為模擬信號。模擬信號的數字化過程如圖6-11所示。47精選課件ppt48精選課件ppt測試對象的被采集參數，只有少數數據傳感器可以將待測的模擬量直接轉換為數字信號，大部分由傳感器將被測量轉換為電壓信號，或先變?yōu)殡妳担ㄈ珉娮?、電容或電感），再經過一定的線路（如橋式電路）變換為電壓信號，然后通過模數轉換器將電壓信號轉換成數字信號。輸入電壓信號低于1V者稱為低電平信號，高于1V者稱為高電平信號。49精選課件ppt因此，需要相應的信號變換電路，以滿足各種不同種類信號之間的耦合。常見的信號變換電路：D/A轉換、A/D轉換、V/F轉換、F/V轉換、V/I轉換及I/V轉換等。這里只介紹數模轉換器和模數轉換器。50精選課件ppt一、數模（D/A）轉換1.數模轉換的基本原理數模轉換器（DAC）是將數字量轉換成為相應模擬量的器件。將數字量的每一位代碼通過電阻網絡，按權大小形成相應的模擬輸出，然后相加即可得到所需的模擬量。51精選課件ppt數模轉換器的基本結構框圖如圖6-12所示，由輸入寄存器、模擬開關、電阻網絡、基準電源與求和放大器五個部分組成。52精選課件ppt將數字量輸入數模轉換器；輸入寄存器的每位寄存器控制相應位的模擬開關，根據輸入寄存器的狀態(tài)，模擬開關將電阻網絡相應部分接至基準電源或地；經求和放大器將所有位相加，即可得出與數字量成正比的模擬量。Rf53精選課件ppt圖6-13所示為四位T型電阻網絡D/A轉換器電路原理圖。這種T型網絡是由R和2R為基本環(huán)節(jié)。A、B、C、D任一節(jié)點向左或向右看，其等效電阻是相等的。例如，當輸入一組數字量為d3、d2、d1、d0=1000時，即只有開關S3接VR，其余均接地，等效電路如圖6-14所示。由圖可見，任何一個節(jié)點向左或右看，其等效電阻均為2R。54精選課件ppt55精選課件ppt模擬開關Si，由輸入數碼Di控制，當Di=1時Si接運算放大器反相端，電流Ii流入求和電路；當Di=0時，Si則將電阻2R接地。根據運算放大器線性運用的“虛地”的概念可知，無論模擬開關Si處于何種位置，與Si相連的2R電阻均將接“地”（地或虛地）。因此，流經2R電阻的電流與開關位置無關，為確定值。分析R-2R電阻網絡可以發(fā)現，從每個節(jié)點向左看的二端網絡等效電阻均為R,流入每個2R電阻的電流從高位到低位按2的整數倍遞減。設基準電壓源電壓為VREF,則總電流為I=VREF/R,則流過各開關支路（從右到左）的電流分別為I/2、I/4、I/8和I/16。56精選課件ppt由于S3接VR，則RfRf57精選課件ppt58精選課件ppt從上式可以看出，輸出模擬量與輸入的數字量成正比，從而實現了D/A轉換功能。59精選課件ppt2.D/A轉換器的主要技術指標（1）分辨率D/A轉換器的分辨率是指當輸入數字量發(fā)生單位數碼變化時，所對應輸出模擬量的變化量。因分辨率取決于轉換器的位數，故在實際使用中，常用數字量的有效位數來表示，如8位、10位、12位等。（2）精度精度通常用其絕對誤差來表示。它是指實際轉換器的輸出值與理想轉換器輸出值之間的差值，其值一般可用±1LSB（LSB為最低有效位值）表示。60精選課件ppt（3）非線性誤差D/A轉換器的非線性誤差是指在滿量程范圍內，實際轉換特性曲線偏離理想轉換特性曲線的最大值與滿量程輸出之比。一般非線性誤差小于±1/2LSB。（4）建立時間模擬電壓建立時間是指輸入數字量有變化時，到其輸出模擬量穩(wěn)定的時間，此時間與數字量變化大小有關。通常建立時間指滿量程變化建立時間。61精選課件ppt3.DAC0832集成單片D/A轉換器DAC0832是與微處理器完全兼容的、具有8位分辨率的集成D/A轉換芯片，是目前廣泛使用的一種D/A器件。（1）DAC0832基本結構DAC0832結構圖如圖6-15所示，它主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。62精選課件ppt63精選課件ppt（2）DAC0832引腳功能DAC0832引腳排列如圖6-16所示。64精選課件pptD0～D7：8位數據輸入端。ILE:數據允許鎖存信號，高電平有效。：輸入寄存器選擇信號，低電平有效。：輸入寄存器選通信號，低電平有效。輸入寄存器鎖存信號LE1由ILE、

、三個信號組合產生，LE1為高電平時，輸入寄存器狀態(tài)隨輸入數據而變化，LE1的下降沿將輸入數據鎖存。：數據傳送控制信號，低電平有效。65精選課件ppt

:DAC寄存器的寫選通信號。DAC寄存器的鎖存信號LE2由和的邏輯組合產生，LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的下降沿將輸入寄存器的內容輸入DAC寄存器，并開始D/A轉換。RFB反饋信號輸入端，為外部運放提供一個輸出電壓。IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC內容線性變化。66精選課件pptIOUT2：電流輸出端2，IOUT1+IOUT2=常數。VREF:參考電源輸入端，要求外接精密基準電源。Vcc:正電源輸入端。AGND:模擬地。DGND:數字地。67精選課件ppt（3）DAC0832輸出方式DAC0832是電流輸出型D/A轉換器，要獲得模擬電壓輸出，需在外部接運算放大器將電流信號轉換成電壓信號。輸出方式有單極性和雙極性兩種。①單極性輸出。單極性輸出如圖6-17所示，當Vref端接+5V（或-5V）時，輸出電壓的范圍是0～+5V（或-5～OV）；當Vref端接+10V（或-10V）時，輸出電壓范圍是0～+10V（或-10～0V）。68精選課件ppt69精選課件ppt②雙極性輸出。雙極性輸出如圖6-18所示，是在圖6-17的基礎上再增加一個運放。70精選課件ppt（4）DAC0832與單片機接口方法圖6-19所示為DAC0832與單片機接口方法。71精選課件ppt由于DAC0832是微處理器完全兼容的芯片，因而與單片機接口也較方便。圖中采用單緩沖形式，將ILE（數據允許鎖存信號，高電平有效）接+5V，輸入寄存器選擇線及數據傳送控制信號與8031地址線P2.7直接相連作為片選信號，兩級寄存器的寫信號均由8031的（寄存器選通信號）控制。當P2.7為“0”選中DAC0832后，只要輸出控制信號，DAC0832就能完成數字量的輸入鎖存和D/A轉換輸出。72精選課件ppt二、模數（A/D）轉換技術指標模數轉換主要有逐次逼近式、雙積分式和并行式等幾種方式。1.A/D轉換器的主要技術指標（1）分辨率分辨率是指A/D轉換器對輸入信號的分辨能力，常以輸出二進制位數或BCD碼位數表示。例如，A/D轉換器ADC0809，其分辨率為8位，用百分數來表示時，分辨率為1/2N×100%=1/28×100%≈0.4%。73精選課件ppt（2）轉換精度A/D轉換器轉換精度是指A/D轉換器實際輸出和理想輸出之間的差值。（3）轉換時間與轉換速率A/D轉換器完成一次轉換所需的時間稱為轉換時間，轉換速率是轉換時間的倒數。不同類型的A/D轉換器的轉換時間差別很大，高速并行式A/D轉換器轉換時間可達20～50ns；逐次逼近式A/D轉換器轉換時間多在10～100μs之間，目前也有可達到0.4μs的芯片；而雙積分式A/D轉換器轉換時間最長，大都在幾十到幾百毫秒之間。74精選課件ppt2.雙積分式A/D轉換器MG14433MG14433是位雙積分式CMOS集成A/D轉換器，它的主要特點是具有自動校零、自動極性判別、單參考電壓、動態(tài)字位掃描BCD碼輸出及自動量程控制信號輸出等功能。轉換速度約為1～10次/s。（1）MG14433基本結構MG14433結構框圖如圖6-20所示，主要由模擬電路及數字電路兩大部分構成。模擬電路主要用于接收被測信號和基準電壓，并進行積分。基準電壓為200mV或2V時，模擬電壓輸入量程相應為199.9mV或1.999V。75精選課件ppt76精選課件ppt數字電路部分是將模擬電路送來的積分信號轉換成時間間隔，編碼后輸出。組成部分：控制邏輯：用于A/D轉換器的節(jié)拍產生和控制，協調各部分工作；BCD碼輸出鎖存器：用于存放A/D轉換后的BCD碼結果；多路選擇開關：用于字位動態(tài)掃描BCD碼輸出，即個、十、百、千各位BCD碼輪流在Q0?Q3端輸出，并在DS1～DS4端輸出同步字位選通信號；77精選課件ppt4位二進制碼的組合代表十進制數的0，1，2，3，4，5，6，7，8，9十個數符。78精選課件ppt時鐘發(fā)生器：外接RC產生計數時鐘脈沖；極性判別，用于判別并顯示輸入電壓的極性；溢出檢測：當輸入電壓超出量程范圍時，輸出過量程指示信號。79精選課件ppt（2）MC14433應用MC14433引腳排列如圖6-21所示。80精選課件ppt①電源接入。芯片工作電源為±5V，為提高電源抗干擾能力，正、負電源端應分別通過去耦電容0.047μF，0.02μF與公共地Vss端相接。去耦電容：把輸出信號的干擾作為濾除對象，用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使放大器穩(wěn)定工作。②外接振蕩器電阻Rc。Rc的典型值為470kΩ，時鐘頻率隨Rc增加而下降。③外接積分阻容元器。外接元件典型值為：量程為2V時，C1=0.1μF，R1=470kΩ；量程為200mV時，C1=O.1μF，R1=27kΩ。④外接失調補償電容C0。C0典型值為0.1μF。81精選課件ppt⑤基準電壓輸入?？捎蒑C1403通過分壓提供+2V或+200mV的基準電壓。接地端為模擬地Vao。⑥轉換周期結束標志。轉換周期結束由EOC輸出。每當轉換周期結束，EOC端輸出一個寬度為時鐘周期1/2的正脈沖。⑦過量程標志。過量程標志由端輸出，當輸入|Vx|>VR時，輸出低電平。⑧轉換更新控制。更新轉換結果輸出控制端為DU。當DU與EOC連接時，每次A/D轉換結果的輸出都被更新。82精選課件ppt⑨轉換結果輸出。轉換結果以BCD碼形式按千、百、十、個位由Q3～Q0送出，相應的選通信號由DS1～DS4提供。當DS2、DS3、DS4選通期間，輸出端Q3～Q0分時輸出三位完整的BCD碼；但在DS1選通期間，輸出端Q3～Q0除了表示千位數的O或1外，還表示轉換結果的正負極性、輸入信號是欠量程還是過量程。83精選課件ppt（3）MC14433與單片機接口MC14433的輸出結果是動態(tài)分時輪流輸出的BCD碼，因而須通過I/0口與單片機相連。圖6-22所示為MC14433與8031單片機接口的一種方式。其方法是將Q0～Q3、DS1～DS4接至P1口，而DU端與EOC端相連，以選擇連續(xù)轉換方式，每次轉換完畢后其結果都被送至輸出寄存器，EOC端同時也接至8031的端。8031單片機讀取A/D轉換結果時，既可以采用中斷方式，也可以采用査詢方式。84精選課件ppt85精選課件ppt第四節(jié)數據采集方法監(jiān)控分站的主要工作任務之一是采集它所聯接傳感器送來的模擬量和開關量信息，將它們輸入到分站的CPU進行處理。對于模擬量與給定位進行比較，遇有超限時，就地發(fā)出報警信號或進行設備斷電控制。模擬量的采集需要經過A/D轉換器把它變成計算機能接受的二進制量，然后再輸入到CPU處理。A/D轉換器每次只能處理一個模擬量，輸入量多時，必須設置多路開關，使輸入的多路模擬信號輪流經過A/D轉換器得到變換。86精選課件ppt開關量的采集是通過計算機的位測量操作來實現的，每個開關量輸入對應一位數據線，CPU掃描位狀態(tài)是否發(fā)生了變化，判斷各路被測開關的“合”、“分”狀況或設備開停狀態(tài)。當被檢測的開關量多于8路時，可在輸入接口電路設置多路轉換開關進行擴展。87精選課件ppt一、模擬量采集系統A/D轉換器主要有以下四種：積分型、逐次逼近型、電壓頻率型、平行轉換型。煤礦監(jiān)控系統采集的模擬量參數大多變化緩慢，又由于礦井環(huán)境的干擾源很強，A/D轉換器多選用積分型。為提高抗干擾能力，可采取濾波電路或者軟件濾波（又稱數字濾波）解決。模擬量采集系統主要由輸入接口電路、多路轉換開關、采樣保持器、A/D轉換器及總線接口邏輯電路等組成。8路模擬量采集系統的輸入接口電路結構如圖6-27。88精選課件ppt89精選課件ppt模擬量傳感器的輸出標準制式有：電壓型0～1V、0～5V;電流型1～5mA、5～20mA;頻率型5～15Hz、200～1000Hz等。其中，頻率型以脈沖形式表示，這是因為在傳感器的輸出電路中設置了電壓—頻率變換器（V/F變換），因此，只需進行脈沖計數，再乘以變換系數即可測量，不需進行A/D變換。電壓型和電流型制式的信號，則需要經過輸入接口電路變?yōu)锳/D轉換器所要求的0～1V標準輸入信號形式，方能進行轉換。圖6-28是輸入接口電路原理圖。90精選課件ppt模擬信號輸入到接口電路，首先進行阻抗變換，由跳接線S1來完成。共三個擋位:A擋:把1～5mA的信號變換為0.2～1V；B擋:電壓型信號0～1V和0～5V原樣輸入;C擋:變換4～20mA信號為1～5V;后邊是一級電壓跟隨器N1,用以提高輸入阻抗。91精選課件ppt其次，進行線路誤差補償。由于傳感器（如CH4、CO等）的直流工作電源是由分站集中供電，電源線與傳感器信號輸出線共用一根地線，因此，在公共地線上將產生直流電壓降，疊加在信號上，使分站接收端的模擬信號電壓增大，形成“零點誤差”。零點誤差:輸入為零時，實際輸出值與規(guī)定的輸出值之差。比如一個電流表，零點沒有校準，就是不通電時，它的指針也不指零。

92精選課件ppt為了消除零點誤差，設置線路誤差補償電路。圖6-28中的運算放大器N2和N3構成線路誤差補償電路。93精選課件pptN2為同相比例放大器，放大倍數是2，其輸入端為1/2分壓電路，則綜合放大系數為1。N3為射極輸出器，其正相輸入端接到電位器Rp可動端上，若輸入一個適當大小的正電位，則N2的反相輸入端亦是一個正電位，將使N2的輸出電壓值減小。94精選課件ppt調整電位器RP，可使N2的輸出電壓值恰好等于傳感器的實際輸出值，這樣零點誤差就得到了補償。每當傳感器與分站間距離變化，即電纜長度變化時，需要相應地調整電位器Rp，以消除線路電阻變化帶來的誤差。只有電壓型信號才需要補償零點誤差，電流制式的信號不需補償。因此，應盡量選用電流型的傳感器。95精選課件ppt最后是量程轉換電路，它是由跳接線S2及電阻R5、R6組成。R5的阻值是R6的4倍。當傳感器輸出制式為0～5V或4～20mA時，將跳接線選樣為位置A，經過1/5分壓后，輸出電壓為0～1V（電流制為0.2～1mA）。若傳感器輸出制式為0～1V或1～5mA時，應將跳接線選擇位置B，使輸出信號不經分壓直接輸出。96精選課件ppt二、開關量采集電路開關量采集電路由輸入接口電路、輸入緩沖器等組成，其工作原理框圖如圖6-29所示。輸入接口電路主要由光電耦合器、顯示電路等構成。97精選課件ppt開關量輸入信號經過輸入接口電路進入緩沖器。光電耦合開入電路直接與開停狀態(tài)檢測傳感器相接，將接收到的電流信號或觸點信號，經光電隔離轉換成標準的TTL電平信號。此信號送入二極管顯示電路，同時也送到緩沖電路。當單片機對緩沖電路使能時，緩沖器內的開停狀態(tài)信息經數據總線送單片機處理。TTL電平信號：+5V等價于邏輯“1”，0V等價于邏輯“0”。使能:負責控制信號的輸入和輸出，就是一個“允許”信號。98精選課件ppt輸入接口電路的光電耦合器是為了防止開關量傳感器對分站帶來干擾，在電路上將它們隔離開。采用光電隔離技術是開關量輸入（同樣適用于開關量輸出）電路中最有效、最常用的抗干擾措施。它能將輸入信號與輸出信號連同電源和地線在電氣上完全隔離，因此抗干擾能力強。光電耦合器壽命長，可靠性高，與繼電器有觸點式隔離器件相比，響應速度快，易與邏輯電路配合使用。99精選課件ppt光電耦合器還具有電平轉換功能，將設備開停狀態(tài)信號轉換成標準的TTL芯片電平信號（+5V）。為了監(jiān)視傳感器與分站間信號傳輸電纜的斷線或短路故障，輸入接口電路采用雙耦合器接線，如圖6-30所示。100精選課件ppt101精選課件ppt當開關量輸入端接收到+5mA電流時，耦合器IC1導通，輸出端1為低電平，表示設備開；當開關量輸入端接收到-5mA電流時，耦合器IC2導通，輸出端2為低電平，表示設備停；當