03SK第八章計(jì)算機(jī)自動(dòng)測量系統(tǒng)簡介BW.ppt

1、第八章 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡介,目的：滿足科研試驗(yàn)中測量參數(shù)多、測量速度快、 精確度高的要求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)顯示。 測控系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)眾多參數(shù)的自動(dòng)測量和控制的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集：對(duì)客觀世界的信息進(jìn)行收集并顯示、處理、傳輸和記錄的過程。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成,待 測 非 電 量,傳 感 器,信號(hào)調(diào)理,S/H,A/D,計(jì) 算 機(jī),D/A,傳 感 器,傳 感 器, , ,信號(hào)調(diào)理,信號(hào)調(diào)理,多路模擬開關(guān),放大器,顯示,打印,輸出,數(shù)字鎖存,數(shù)字量,輸出,信號(hào)調(diào)理電橋電路,信號(hào)調(diào)理：對(duì)輸入信號(hào)加以調(diào)理、變換和改善以提高測量的準(zhǔn)確度并滿足后繼設(shè)備的輸入要求。 電橋電路 目

2、的：通過電橋電路將電阻、電感、電容等一類電參量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號(hào)。,不平衡電橋,平衡電橋,直流電橋,交流電橋,信號(hào)調(diào)理電橋電路,信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)的放大,放大器的主要性能參數(shù)：增益、帶寬、輸入阻抗、 零點(diǎn)漂移與增益漂移以及共模抑制比。,對(duì)放大器的主要要求：,(1) 輸入阻抗要高；,(2) 抗共模電壓干擾能力強(qiáng)；,(3) 有較高帶寬；,(4) 能附加一些適應(yīng)特定要求的裝置。,信號(hào)調(diào)理常用放大器,差動(dòng)放大器：信號(hào)電壓是放大器兩個(gè)輸入端的差值。其特點(diǎn)是具有抑制共模電壓的能力。 調(diào)制解調(diào)放大器：將輸入信號(hào)調(diào)制為交流而進(jìn)行交流放大，然后再解調(diào)恢復(fù)為直流信號(hào)。其特點(diǎn)是可消除零點(diǎn)漂移。 隔離放大器：采用

3、隔離輸入變壓器和保護(hù)屏蔽技術(shù)。其特點(diǎn)是更進(jìn)一步提高共模抑制比。,自動(dòng)增益控制放大器：根據(jù)輸入信號(hào)的幅值，通過邏輯比較電路來自動(dòng)選擇最佳增益。 儀表放大器：由三個(gè)運(yùn)算放大器組成。其特點(diǎn)是具有高的開環(huán)增益、高輸入阻抗、高共模抑制比、低失調(diào)電壓和溫度漂移。,可編程增益放大器：通過程序設(shè)置，可根據(jù)輸入信號(hào)的幅值而改變?cè)鲆妗?信號(hào)調(diào)理常用放大器,方法：采用電阻分壓器,信號(hào)調(diào)理模擬信號(hào)的衰減,信號(hào)調(diào)理濾波器,目的：選取有用信號(hào)，濾除無用信號(hào)，提高信噪比,頻率通帶、頻率阻帶、截止頻率,無源濾波器：,一階,二階,信號(hào)調(diào)理濾波器,有源濾波器,1. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的類型與特點(diǎn) (1) 電磁式開關(guān) 主要有：繼電器和干

4、簧管。 優(yōu)點(diǎn)：耐壓高、絕緣好、導(dǎo)通電阻小、漏電流?。?。 缺點(diǎn)：機(jī)械觸點(diǎn)壽命短、速度低、體積大、耗電多 適宜使用場合：低速的高壓大信號(hào)；低速的高精度小信號(hào)。,多路轉(zhuǎn)換開關(guān),目的：多路信號(hào)共用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器等儀表。,要求：開路時(shí)電阻為無窮大，接通時(shí)電阻為零；切換速度快、可靠性高、觸點(diǎn)噪音小、壽命長。,(2) 半導(dǎo)體式開關(guān) 主要有：雙極晶體管、場效應(yīng)管和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 多用的CMOS集成電路多路開關(guān)。 優(yōu)點(diǎn)：速度快、壽命長、體積小、耗電?。?缺點(diǎn)：耐壓低、導(dǎo)通電阻大、有一定的漏電流。 適宜使用場合：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。,多路轉(zhuǎn)換開關(guān),2. 多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的聯(lián)接形式 (1) 單端式,多路轉(zhuǎn)換開關(guān),(2

5、) 差動(dòng)式,多路轉(zhuǎn)換開關(guān),作用：通過邏輯控制電路使其處于“采樣”或“保持”狀態(tài)，以此滿足某些A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換時(shí)要求輸入信號(hào)保持不變或多個(gè)輸入通道要求采樣的時(shí)間和相位相同的需求。 工作原理：,對(duì)采樣頻率的要求：,采樣保持器,存在問題：,采取措施：,以四位數(shù)/模轉(zhuǎn)換器為例：,電阻網(wǎng)絡(luò)輸出的總電流為：,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A、DAC）,經(jīng)反相運(yùn)放，可以實(shí)現(xiàn) 電流-電壓變換：,輸出電壓為：,對(duì)于n位D/A：,四位DAC輸入/輸出關(guān)系,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A、DAC）,四位DAC的T形電阻網(wǎng)絡(luò)：,目的：解決電阻制造工藝的困難。,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A、DAC）,主要技術(shù)參數(shù)： (1) 分辨率：輸出最小電壓與

6、輸出最大電壓之比，該比值取決于DAC的位數(shù)。 四位DAC的分辨率為：,有時(shí)也直接用DAC的位數(shù)表示分辨率，如8位、12位等。,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A、DAC）,(2) 線性度 通常用非線性誤差的大小表示DAC的線性度。,產(chǎn)生偏離的主要原因： 模擬開關(guān)導(dǎo)通壓降及 電阻網(wǎng)絡(luò)各電阻值R 不盡相等等。,數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A、DAC）,(3) 輸出電壓(或電流)的建立時(shí)間 定義：從輸入數(shù)字信號(hào)起到輸出電壓(或電流)達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間。 電流型DAC：建立時(shí)間相當(dāng)快，一般不超過1s； 電壓型DAC：建立時(shí)間主要取決于運(yùn)算放大器所需的時(shí)間。 除以上主要參數(shù)外，還有精度、溫度系數(shù)等，使用時(shí)可查閱有關(guān)手冊(cè)。,

7、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（D/A、DAC）,逐次逼近型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D、ADC）,設(shè)輸入模擬量為UX，其逼近過程見下表和圖：,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D、ADC）,主要技術(shù)參數(shù) (1) 分辨率 用輸出數(shù)字量的二進(jìn)制位數(shù)表示，如8位、10位、12位等。它反映模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所能分辨的被測量最小值。位數(shù)越多，分辯率越高。 (2) 轉(zhuǎn)換時(shí)間 完成一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間。一般是從接到轉(zhuǎn)換信號(hào)開始，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所需的時(shí)間，通常在幾十微秒左右。,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D、ADC）,(3) 相對(duì)精度 實(shí)際輸出的數(shù)字量與理想轉(zhuǎn)換特性之間的最大偏差。 除以上主要參數(shù)外，還有電壓范圍、溫度系數(shù)、功耗等，使用

8、時(shí)可查閱有關(guān)手冊(cè)。 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇 根據(jù)傳感器、放大器、采樣保持器等環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)，確定ADC的各項(xiàng)指標(biāo)，要通盤考慮。,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D、ADC）,計(jì)算機(jī),連接方式： (1) 外總線系統(tǒng) 接口：RS232、RS422、IEEE488等。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集設(shè)備可以靠近現(xiàn)場，而遠(yuǎn)離計(jì)算機(jī)，能配置成任何規(guī)模的系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集設(shè)備有自己的為處理器，有助于遠(yuǎn)程作業(yè)和減輕主計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，便于構(gòu)成分布式系統(tǒng)。 (2) 內(nèi)總線系統(tǒng) 特點(diǎn)：系統(tǒng)的各個(gè)組件不需獨(dú)立的機(jī)箱和電源，可以直接裝在主計(jì)算機(jī)機(jī)箱里，從而縮小了系統(tǒng)體積，降低了成本，提高了速度。但規(guī)模不可能很大。,計(jì)算機(jī),作用： 控制多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的轉(zhuǎn)換、啟

9、動(dòng)A/D、D/A等輸入輸出設(shè)備、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中數(shù)據(jù)處理軟件的主要任務(wù)是： 對(duì)輸入信息進(jìn)行系統(tǒng)整定，恢復(fù)原來的物理形式； 采用各種數(shù)學(xué)方法最大限度的消除混入信號(hào)的噪聲與干擾； 對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行某些加工變換、或在有關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)間進(jìn)行相互運(yùn)算，從而得到能表達(dá)該數(shù)據(jù)內(nèi)在特征的二次數(shù)據(jù)； 將計(jì)算機(jī)的輸出用于控制機(jī)構(gòu)可以構(gòu)成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,應(yīng)用場合：輸入量緩慢變化及傳感器輸出電壓較高的場合,(1) 共享放大器、ADC的結(jié)構(gòu)形式,(2) 每個(gè)輸入信號(hào)有一個(gè)測量放大器，共享A/D轉(zhuǎn)換 器的結(jié)構(gòu)配置,應(yīng)用場合：對(duì)多路模擬開關(guān)的精度要求不高。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,(3) 每個(gè)

10、輸入信號(hào)有一個(gè)測量放大器和一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)配置,應(yīng)用場合：高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，或要求同時(shí)檢測多個(gè)模擬信號(hào)的場合。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,(4) 差動(dòng)結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)采集裝置,應(yīng)用場合：由于這種結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)的抑制共模干擾的能力，適用于輸入信號(hào)電平低的情況，還可抑制長傳輸線引起的嚴(yán)重干擾。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,通道數(shù)：能提供給用戶可使用的模擬量輸入通道總數(shù)。 (2) 數(shù)據(jù)采集速度 (a) 系統(tǒng)最高重復(fù)采樣率：模擬輸入系統(tǒng)全部通道重復(fù)掃描采集時(shí)，每個(gè)通道在單位時(shí)間內(nèi)能測量得到的可用數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，單位為“次/s” 。 (b) 單通道最高重復(fù)采樣率：系統(tǒng)中一個(gè)模擬通道連續(xù)重復(fù)采樣時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)

11、能采集到的可用數(shù)據(jù)的最大個(gè)數(shù)，單位“次/s” 。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),(c) 信號(hào)頻率和采樣頻率：采樣頻率一般為信號(hào)最高頻率的510倍。,自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),(3) 分辨率與精度：ADC的位數(shù)越多，分辨率就越高，可區(qū)分的模擬信號(hào)電壓就越小。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的種類及來源,噪聲：測量系統(tǒng)測量和傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)以外的一切信號(hào)均被稱為噪聲。,測量電路的噪聲,內(nèi)部噪聲,外部噪聲,熱噪聲,散粒噪聲,接觸噪聲,工頻噪聲,射頻噪聲,電子開關(guān),系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的傳輸途徑,噪聲形成干擾所必須具備的三個(gè)要素： 噪聲源、對(duì)噪聲敏感的接收電路、傳輸通道,噪聲的耦合方式 (1) 靜電耦合（電容

12、性耦合）：由于兩個(gè)電路之間存在寄生電容，使得一個(gè)電路的電荷變化影響到另一個(gè)電路。,(2) 電磁耦合(互感耦合)：由于兩個(gè)電路之間存在互感，使得當(dāng)一個(gè)電路的電流變化時(shí)，通過磁交鏈就會(huì)影響到另一個(gè)電路，從而形成干擾電壓。,(3) 漏電流耦合：由于電子電路內(nèi)部的元件支架、接線柱、印刷板等絕緣不良，高電平電路通過絕緣電阻向低電平電路漏電，這種漏電電流對(duì)低電平電路造成干擾。 (4) 共阻抗耦合：由于幾個(gè)電路之間有公共阻抗，當(dāng)一個(gè)電路中有電流流過時(shí)，在公共阻抗上產(chǎn)生一個(gè)壓降，這一壓降對(duì)其它與公共阻抗相連的電路形成干擾。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的傳輸途徑,(5) 傳導(dǎo)耦合：經(jīng)導(dǎo)線檢拾到噪聲，再經(jīng)它傳輸?shù)皆肼暯邮?/p>

13、電路而形成干擾的噪聲耦合方式。 (6) 輻射電磁場耦合：大功率的高頻電氣設(shè)備、廣播、電視、通訊發(fā)射臺(tái)等，不斷地向外發(fā)射電磁波。檢測系統(tǒng)若置于這種輻射場中，就會(huì)感應(yīng)到與輻射電磁場成正比的感應(yīng)電勢，這種感應(yīng)電勢進(jìn)入電路就形成干擾。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的傳輸途徑,消除和抑制噪聲應(yīng)從分析噪聲的來源、性質(zhì)、傳播途徑、耦合方式以及進(jìn)入檢測器電路的形式、接收噪聲的電路等入手，通常采取以下措施： (1) 消除或抑制噪聲源； (2) 破壞噪聲的耦合通道； (3) 減弱接收電路對(duì)噪聲的敏感性； (4) 采用軟件抑制干擾。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的抑制,硬件上抑制噪聲的基本措施 1. 屏蔽 (1) 靜電屏蔽：主要用來抑

14、制靜電耦合干擾，其屏蔽層必須接地； (2) 磁屏蔽：屏蔽層采用高導(dǎo)磁材料。主要用來防止高磁導(dǎo)率的鐵鎳等磁性物質(zhì)在磁場中被磁化； (3) 電磁屏蔽：屏蔽層采用導(dǎo)電良好的金屬材料。主要用來防止高頻電磁場的干擾。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的抑制,2. 接地 接地的目的與作用： (1) 保證人身和設(shè)備安全。 (2) 抑制干擾 (a) 通過接地給干擾電壓以低阻通路； (b) 消除各電路電流流經(jīng)公共地線阻抗所產(chǎn)生的噪聲電壓，即共阻干擾； (c) 避免磁場或地電位差的影響，使其不形成地環(huán)路。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的抑制,地線的種類 實(shí)際地：接大地。 虛地：不接大地，只是作為信號(hào)參考點(diǎn)，建立系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位。 (1)

15、屏蔽層地線：為防止靜電干擾或電磁干擾而設(shè)置的地線，有安全保護(hù)的作用，一般是接大地。 (2) 信號(hào)源地線：傳感器本身的零電位基準(zhǔn)公共線； (3) 功率地線：大電流網(wǎng)絡(luò)的零電位； (4) 交流電源地線：使之與直流地線相互絕緣。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的抑制,各種地線的處理原則 (1) 低頻電路的一點(diǎn)接地原則：就是用導(dǎo)線將多個(gè)接地點(diǎn)匯集到一點(diǎn)，再從這點(diǎn)接地。采用一點(diǎn)接地，可以有效地克服地電位差的影響和共用地線的共阻抗引起的干擾； (2) 高頻電路的接地原則：頻率在10MHz以上的電路要用多點(diǎn)接地；頻率在10MHz以下時(shí)，如地線長度小于信號(hào)波長的1/20，可采用一點(diǎn)接地，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地； (3) 強(qiáng)電地線與信號(hào)地線分開設(shè)置； (4) 模擬信號(hào)地線與數(shù)字信號(hào)地線分開設(shè)置。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的抑制,接地方法 (1) 埋設(shè)銅板； (2) 接地棒； (3) 網(wǎng)狀(輻射狀)地線。,系統(tǒng)干擾的抑制噪聲的抑制,隔離 作用：在采用兩點(diǎn)以上接地的測試系統(tǒng)中，為了抑制地電位差所形成的干擾，運(yùn)用隔離技術(shù)切斷地環(huán)路電流，此時(shí)可認(rèn)為測試系統(tǒng)對(duì)地是懸空的。在完成系統(tǒng)的隔離之后，就在唯一的接地點(diǎn)接大地。 方法：采用電磁隔離和光電隔離。 電磁隔離：在兩個(gè)電路間