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1、第二章智能仪器的数据采集技术,数据采集系统的组成结构,模拟信号调理,数据采集系统设计,智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。,第一节 数据采集系统的组成结构,图2.1 数据采集系统的基本组成,实际的数据采集系统往往需要同时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有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。,数据采集系统类型,传感器,传感器
2、,传感器,模拟信号调整电路,模拟信号调整电路,模拟信号调整电路,模拟多路切换器,采样保持,A/D转换,计算机,控制逻辑,一、集中式数据采集系统的典型结构,多路分时采集分时输入结构,多路同步采集分时输入结构,传感器,传感器,传感器,模拟信号调整电路,模拟信号调整电路,模拟信号调整电路,模拟多路切换器,采样保持,A/D转换器,计算机,控制逻辑,采样保持,采样保持,二、分散采集式(分布式),(a)分布式单机数据采集结构,传感器,传感器,传感器,模拟信号调整电路,模拟信号调整电路,模拟信号调整电路,采样保持,A/D转换器,计算机,控制逻辑,采样保持,采样保持,A/D转换器,A/D转换器,(b)网络式数
3、据采集结构,第二节 模拟信号调理,在一般测量系统中信号调理包括小信号放大、滤波外，还有零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，相应的执行电路统称为信号调理电路。,典型调理电路的组成框图,一、传感器的选用,(一)对传感器的主要技术要求1.转换范围与被测量实际变化范围相一致2.转换精度转换速度应符合整机要求3.能满足被测介质和使用环境的特殊要求4.能满足用户对可靠性和可维护性的要求,(二)可供选用的传感器类型 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。,1.大信号输出传感器,大小
4、信号输出传感器的使用,2.数字式传感器数字式传感器一般是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。,频率量及开关量输出传感器的使用,3.集成传感器4.光纤传感器,二、运用前置放大器的依据,后级等效输入噪声,信号被噪声“淹没”,后级等效输入噪声,总输出噪声,总的等效输入噪声,无前置放大，VIS=VIN 信号淹没VIS VIN，VIN VIN,即 K0 1,放大器 K,滤波器 1,VIN0,VIN1,VON,滤波器后置等效电路,等效输入噪声,滤波器前置等效电路,滤波器 1,放大器 K,VIN0,VIN1,VON,等效输入噪声,由于 K1,所以，这就是说，调理电路中放大器设置
5、在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。,两电路等效输入噪声,滤波器前置,滤波器后置,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，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。,仪用放大器主要性能指标,非线性度 指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。要选择0.024%的仪用放大器2.温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度(150)V/变化3.建立时间 从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间,4.恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器
6、由饱和状态恢复到最终值所需的时间5.电源引起的失调 指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值6.共模抑制比放大器差模电压增益与共模电压增益值比。CMRR 60 140 dB,(一)仪用放大器,R1=R2，R4R6，R5R7,图2.9 仪用放大器的基本结构,V4=V1,V5=V2,假设 R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：,由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。,(二)程控增益放大器由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。,图2.10 程控放大器原理框图,(三)隔离放大器,隔离放大器
7、采用浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。耦合方式:变压器耦合、光耦合、电容耦合,284型隔离放大器,四、模拟信号的采样与保存,采样保持电路(S/H）,采样保持的主要参数：捕捉时间tAC=300nS 15S孔径时间tAP=1020nS 3.保持电压的下降 0.1V/S 1V/S 馈电0.01%0.01%电压增益精度0.01%,LF198/LF298/LF398的原理图,两极
8、采样/保持电路原理,A/D转换器主要技术指标(1)分辨率ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量(2)转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间定义为A/D转换时间(3)精度 绝对精度 相对精度 偏移误差 增益误差 线性度误差 温度对误差的影响,第三节 A/D转换器及接口技术,二、ADC的转换原理比较型ADC:反馈比较型及非反馈积分型ADC-型ADCV/F型ADC,(一)比较型ADC逐次逼近型（反馈型）转换速度、精度、价格适中。分辨率8 16位 速度：S 级 精度：0.1%左右常用芯片：ADC0809、ADC0801、AD571A、AD574,逐次逼近式转换器原理,(二)积分型ADC,积分式A
9、DC的核心部件是积分器，速度较慢,转换时间mS级优点：线性度好、精度 0.01%左右、抗干扰能力强、性能价格比高。常用芯片：MC14433 分辨率转换速度（310）Hz 精度1LSB输入电压范围 0V 1.999V AD7555 ICL7135,双积分ADC电路结构图,双积分ADC波形图,1.定时积分阶段T1,2.定值积分阶段T2,工作波形,(三)-型ADC,过采样-A/D变换器由于采用了过采样技术和-调制技术，增加了系统中数字电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且易于与数字系统实现单片集成，因而能够以较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应了VLSI技术发展的要求。,(四)V/F型ADC智能
10、仪器中常用的另一种ADC是V/F型ADC。它主要由V/F转换器和计数器构成。V/F型ADC的特点：与积分式ADC一样，对工频干扰有一定的抑制能力；分辨率较高；特别适合现场与主机系统距离较远的应用场合；易于实现光电隔离。,三、常用ADC集成芯片及其与智能仪器中微处理器的接口,AD574简介分辨率 12位最大转换时间 25 S 转换精度 1LSB输入范围 0 10V（或0 20V）单极性 5V（或10V）双极性片内含电压基准和时钟电路直接挂在8位或16位微机总线上,ADC574A单极性和双极性输入接法,AD574的控制状态表,(一)AD574A及其与微处理器的接口,(二）串行A/D转换器ADS11
11、10及其在AT89C51 单片机中的应用国外电子元器件2008年 第二期1.ADS1110的特点（TLC公司产品）小型SOT23-6封装；片内基准电压：精度2.048 V+0.05；片内可编程增益放大器PGA；片内振荡器；16位分辨率；可编程的转换速率15次秒240次秒；I2C总线接口(8个有效地址)1001aaa；电源电压2.7 V5.5 V；低电流消耗240 A。,2.ADS1110的引脚功能VDD（5）：电源端，通常接+5V；GND（2）：模拟地和数字地；VIN+（1）、VIN-（6）：采样模拟信号输入端，其范围为2.048 V2.048 V；SCL（3）：I2C总线时钟线；SDA（4）
12、：I2C总线数据线。,ADS1110的AD转换器内核是由差分开关电容-调节器和数字滤波器组成。,3.ADS1110的内部结构,4.ADS1100与AT89C51接口电路,数据采集显示系统，采集工业现场的4路模拟信号并轮询显示。,I2C 总线协议（1）只有在总线空闲时才允许启动数据传送（2）在数据传送过程中当时钟线为低电平时数据线必须保持稳定状态不允许有跳变，时钟线为高电平时，数据线的任何电平变化将被看作总线的起始或停止信号,起始信号时钟线保持高电平期间数据线电平从高到低的跳变作为I2C 总线的起始信号停止信号时钟线保持高电平期间数据线电平从低到高的跳变作为I2C 总线的停止信号,应答信号I2C 总线数据传送时，每成功地传送一个字节数据后，接收器都必须产生一个应答信号。,第五节 数据采集系统设计举例,数据采集系统的主要技术指标:1.系统的通过速率(系统速度、采样速率)2.系统的分辨率3.系统的精度4.非线性误差、共模抑制比、串模抑制比,16路数据采集系统,
