電工電子學(xué)：第7章 測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第3版

7.1電量測量7.2非電量電測法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成7.3傳感器*7.4有源濾波和測量放大電路*7.5模擬開關(guān)和取樣-保持電路7.6數(shù)-模（D/A）轉(zhuǎn)換器7.7模-數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器7.8非電量測量系統(tǒng)舉例第7章測量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7.1.1常用電工測量儀表的分類7.1.2測量誤差和儀表準(zhǔn)確度7.1.3電流、電壓、功率和電能的測量7.1電量測量電工測量儀表按測量方法分為直讀式和比較式儀表。直讀式儀表能直接指示被測量的大小，又分為模擬式儀表和數(shù)字式儀表。比較式儀表（例如直流電橋、直流電位差計、交流電橋）是將被測量和已知的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而確定被測量的數(shù)值。7.1.1常用電工測量儀表的分類表7.1.1電工測量儀表上的幾種符號及其意義符號意義符號意義-直流儀表

2或2kV絕緣強度實驗電壓2kV~交流儀表⊥或↑儀表直立放置

_~交直流儀表︹或→儀表水平放置1.5或1.5準(zhǔn)確度等級1.5級BC工作環(huán)境等級

1

1工作環(huán)境等級分A、B、C三組，其中A組（溫度0℃+40℃,相對濕度80%以下）不在面板上標(biāo)出；B——溫度-20℃~+50℃，相對濕度85%以下；C——溫度-40℃~+60℃，相對濕度98%以下。在用電工測量儀表進(jìn)行測量時，儀表的讀數(shù)和被測量的實際值之間總要存在一定的誤差。誤差的表示方法主要有絕對誤差和相對誤差：

絕對誤差是指儀表的指示值A(chǔ)x與被測量實際值A(chǔ)0之間的差值，即

△A=Ax-A0

γ=

△AA0×100%相對誤差是指絕對誤差

△A與被測量的實際值A(chǔ)0之間的差值，即7.1.2測量誤差和儀表準(zhǔn)確度儀表的準(zhǔn)確度是按儀表的最大相對額定誤差來分級的，即：△Am相對額定誤差：γm=Am×100%目前我國直讀式電工測量儀表的準(zhǔn)確度分為如表7.1.2所示五個等級。5.0表7.1.2

各級儀表的最大基本誤差儀表的準(zhǔn)確度等級基本誤差%0.1±0.10.2±0.20.5±0.51.0±1.01.5±1.52.5±2.5±5.01.電流和電壓的測量測量直流電流常用磁電式電流表測量直流電壓常用磁電式電壓表圓柱型鐵心FF磁電式儀表的結(jié)構(gòu)示意7.1.3電流、電壓、功率和電能的測量測量交流電流常用電磁式電流表，測量交流電壓常用電磁電壓表。電磁式儀表常采用推斥式結(jié)構(gòu)?？蓜予F片固定鐵片固定線圈電磁式儀表結(jié)構(gòu)示意2.功率和電能的測量功率的測量常采用功率計直接測量。目前常用的是電動式功率計，它是電動式儀表的一種。固定線圈固定線圈可動線圈FF電動式儀表結(jié)構(gòu)示意i2ii1**+-u功率計接線負(fù)載感應(yīng)式電度表結(jié)構(gòu)

非電量電測法非電量信號

傳感器信號處理A/D轉(zhuǎn)換

模擬顯示數(shù)字顯示計算機原理框圖*7.2非電量電測法和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成

傳感器1模擬信號1濾波放大1

S/H1

傳感器2模擬信號2濾波放大2

S/H2

傳感器n模擬信號n濾波放大n

S/H

n……A/D微機系統(tǒng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)原理框圖傳感器是一種以測量為目的，能夠感受規(guī)定的被測量，并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。按被測對象的參數(shù)分類：溫度、速度、力…按被變換原理分類:電阻式、電容式、…正確合理選擇傳感器:精度、可靠性、穩(wěn)定性、抗干擾性。7.3傳感器幾種常用傳感器介紹溫度傳感器金屬熱電阻、半導(dǎo)體熱電阻（熱敏電阻）、熱電偶、集成穩(wěn)度傳感器。熱敏電阻又分：PTC（阻值隨溫度成正比變化）、NTC（阻值隨溫度成反比變化）。IsRT-++處理常用測溫電路力傳感器外引線焊接電極內(nèi)引線硅條膠膜襯底半導(dǎo)體應(yīng)變片RRRR1R+?RUsU-++-放大和顯示應(yīng)變測量電路熱釋電紅外線傳感器待測目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)（菲涅爾透鏡）熱釋電紅外傳感器信號處理報警電路+-UDDRGSDE處理++--雙探測元件濾光片信號電路氣體傳感器電極加熱器瓷絕緣管旁熱式氣敏器件結(jié)構(gòu)及符號SnO2燒結(jié)體123456（a）結(jié)構(gòu)（b）符號~220VBZ氖管家用可燃性氣體報警器電路氣敏傳感器蜂鳴器BR霍爾傳感器霍爾傳感器是將霍爾元件、放大器、溫度補償器及穩(wěn)壓電路集成在一個芯片上，它基于霍爾磁效應(yīng)，可以將磁場磁通量的變化轉(zhuǎn)化成為線性的電壓信號輸出。用霍爾元件可以制成霍爾電流傳感器、霍爾電壓傳感器及霍爾功率傳感器另外，霍爾元件可用于位置及位移檢測，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角及移動速度檢測等。電梯智能稱重變送裝置

7.4.1有源濾波電路7.4.2測量放大電路*7.4有源濾波器和測量放大電路1.低通有源濾波電路RCRfR1uiRC濾波環(huán)節(jié)同相輸入比例放大電路負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)一階低通有源濾波電路

7.4.1有源濾波電路=(1+

RfR1)1+

jωRCUi.=Af1+j

ωωc1√1+(

ωωc)2=Af

–arctanωωcH(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af

–arctan（ωωc（）ω=）幅頻特性相頻特性UO.=(1+

RfR1)R-jωC1-jωC1Ui.=Af1+j

ωωcUi.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af

0.707Af0ωωc

H(jω)ω)(0ωω0-4π-2π–arctan（ωωc（）ω=）幅頻特性相頻特性2.高通濾波電路RCRfR1uiUO.=(1+

RfR1)R+

jωC1Ui.RR+

jωC1Ui.R=Af1-

jωUi.=Afωc一階高通濾波電路=Af1-j

ωωc1H(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(

ωωc)2=Af

–arctan（ωωc（）ω=）0.707Af0ωωc

H(jω)ω)(0ωωc

4π2π測量放大電路的作用將傳感器送來的微弱信號進(jìn)行放大，再送到后面電路去處理。對測量放大電路的要求輸入電阻高、躁聲低、穩(wěn)定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、線性度好、失調(diào)小、并有一定的抗干擾能力。7.4.2測量放大電路

1.用集成運放組成的測量放大電路ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iP同相輸入同相輸入ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPiP=ui1ui2–RP=ui1ui2–Aduo=R3R2（1+2R1RP）uo2–uo1=（R1+RPR1+）iP–=（1+2R1RP）（ui2ui1）uo=R3R2uo2–uo1（–（1+2R1RP）（ui2ui1）=R3R2）2.集成測量放大電路芯片在要求較高場合采用。具有外接元件少，無需精密匹配電阻，結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強等優(yōu)點。IN+IN-+-UiRSUoU-U+RG10K100KAD5217121310846115142913RG取不同值，Ad:0.1~10003隔離放大器+UC2+UC1UoUiI2I3I1CR3R2R1V2V1+-+

7.5.1模擬開關(guān)7.5.2取樣-保持（S/H）電路*7.5模擬開關(guān)和取樣-保持電路模擬開關(guān)用于傳輸模擬信號，它主要由控制電路和開關(guān)電路兩部分組成。構(gòu)成方式：雙極型晶體管電路MOS場效應(yīng)晶體管主要介紹由CMOS傳輸門構(gòu)成的模擬開關(guān)和集成多路模擬開關(guān)。

7.5.1模擬開關(guān)UiUoCPCPUDDT1T2電路CPUoUiCPTG圖形符號CP=1，Uo=Ui；CP=0，高阻，Ui無法傳輸?shù)経oCMOS傳輸門模擬開關(guān)UoUiTG1DDUiUo電路圖形符號當(dāng)D=1，開關(guān)閉合，Uo=Ui；D=0，開關(guān)斷開

CC4051模擬開關(guān)CBA30UDD123456781615141312111091246COMMON75INHUEEUSSCC4051ABCINH電平轉(zhuǎn)換電路譯碼電路12345670輸出COMMON

CC4051功能表地址輸入輸出通道INHABCCOMMON100000000×××-00000101001110010111011101234567uoA2CuiA1uc（t）（t）（t）

輸入緩沖放大器模擬開關(guān)保持電容

輸出緩沖放大器7.5.2采樣-保持（S/H）電路采樣-保持電路波形圖采樣采樣采樣保持保持uiucuo（t）（t）（t）ttt+UccLF19812345678-Ucc調(diào)零輸入邏輯控制參考電壓CH輸出+15V-15VUiUoCLM393+-+LF19830k15k2CW121k24kDT1kCH0.1u1245678S-H集成芯片及峰值檢測電路

7.6.1T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器7.6.2集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例7.6數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2基準(zhǔn)電源模擬開關(guān)T型電阻網(wǎng)絡(luò)電流求和放大器并行數(shù)字輸入D=0，S

接地；D=1，S

接“虛地”。7.6.1T型電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器梯形電阻網(wǎng)絡(luò)A、B、C、D任意一點，其右邊的電阻網(wǎng)絡(luò)等效電阻均等于R

。對n位D/A有

D/A的主要技術(shù)參數(shù)※分辨率:

是指最小輸出電壓（對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)為1）與最大輸出電壓(對應(yīng)的輸入二進(jìn)制數(shù)的所有位全為1)之比。分辨率=1/（2n-1）例如十位數(shù)模轉(zhuǎn)換器的分辨率為：1210-1≈0.001※轉(zhuǎn)換精度：表示實際輸出的電壓值與理想的輸出電壓值之間的差別。※轉(zhuǎn)換速度：從數(shù)碼輸入到模擬電壓穩(wěn)定輸出間的時間稱為轉(zhuǎn)換速度。

CC7520D/A轉(zhuǎn)換器

CC7520是10位CMOS電流開關(guān)型D/A轉(zhuǎn)換器，其結(jié)構(gòu)簡單，通用性好。片內(nèi)只含倒T型電阻網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)和反饋電阻RF，應(yīng)用時外部要接參考電壓源和運算放大器。Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF12345678161514131211109

CC7520外部引腳圖引腳功能

Iout1、Iout2：電流輸出端GND：接地端D9~D0：數(shù)字信號輸入端UDD：電源輸入端，5~10VUREF：基準(zhǔn)電源，–10V~+10VRF：反饋信號輸入端7.6.2集成D/A轉(zhuǎn)換器舉例

CC7520D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用電路12341615141312CC7520……D0D1D9UREFUDD++_U0UO=–

(D929+D828+…+D121+D020)UREF210

程控三角波/方波發(fā)生器……D8D7D0++_U01123416151413CC752056D9_++UREF+15VU02A1A2CR1R210kUO2UO1UZUZ-UZ-UZT概述

7.7.1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器*7.7.2雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器7.7模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器

A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將輸入的模擬電壓數(shù)字化。直接轉(zhuǎn)換器：逐次逼近型、并聯(lián)比較型等間接轉(zhuǎn)換器：單積分型、雙積分型等概述電壓比較器n位D/A

轉(zhuǎn)換器逐次逼近寄存器節(jié)拍脈沖發(fā)生器輸出寄存器基準(zhǔn)電源數(shù)字量輸出CP模擬信號輸入UxUS7.7.1逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器四位D/A轉(zhuǎn)換器1DQCDQCDQCDQC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比較器節(jié)拍脈沖發(fā)生器??????????時鐘脈沖數(shù)碼寄存器d3d2d1d0?????逐次比較寄存器U0U+U+JKU0=(d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C401000UR=8VU0=4V10000010111011U0=5VU0=6V01U0=5.5V四位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器D/A順序d3d2d1d0UA/V比較該位1的去留11

0

0

04UA<UI1

1

0

026UA>UI1

0

1

035UA<UI1

0

1

145.5UA≈UI留去留留UA逼近UI的波形四位逐次逼近型ADC的轉(zhuǎn)換過程UA逼近U1的波形5.52O512346UA/V2341脈沖順序集成A/D芯片ADC0801各管腳功能：D0~D7：八位數(shù)字信號輸出端UCC：電源端，UCC

=5VDGND：數(shù)字地端AGND：模擬地端CS：片選信號，低電平有效RD：讀出端，低電平有效WD：寫入端，低電平有效CLKIN：外部時鐘脈沖輸入端CLKR：內(nèi)部時鐘脈沖端INTR：輸出控制端

UIN(+)、UIN(-)：模擬量輸入端ADC0801外引腳圖1234567891011121314151617181920CSRDWRCLKINTRUIN(+)UIN(-)AGNDUREF/2DGNDUCCCLKRD0D1D2D3D4D5D6D7ADC0801典型外部接線…+5VR10kC150pF67810194CLKRCLKUcc20CSRDWRINTRDB7DB6DB1DB0計算機接口

雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器屬于電壓－時間變換的間接A/D轉(zhuǎn)換器。

基本原理是將一段時間內(nèi)的輸入模擬電壓Ui

和參考電壓UR通過兩次積分，變換成與輸入電壓平均值成正比的時間間隔，再變換成正比于輸入模擬信號的數(shù)字量。*7.7.2雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器Ui－URABS1RS2Cuo積分器比較器CP數(shù)字量輸出_+計數(shù)器控制邏輯電路_+&脈沖發(fā)生器++A1A2雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖－URUiABS1RS2Cuo積分器比較器CP數(shù)字量輸出_+計數(shù)器控制邏輯電路_+&脈沖發(fā)生器++A1A2CPuottt000UPT1T2Dout

1.

定時采樣階段：

S1合向A側(cè)，從0開始對Ui積分。－URUiABS1RS2Cuo積分器比較器CP數(shù)字量輸出_+計數(shù)器控制邏輯電路_+&脈沖發(fā)生器++A1A2CPuottt000UPT1T2Dout

t=T1時，

S1合向B側(cè)，停止采樣。

t=t1積分器輸出為UP=-RCT1Ui=-RCTCUi2n－URUiABS1RS2Cuo積分器比較器CP數(shù)字量輸出_+計數(shù)器控制邏輯電路_+&脈沖發(fā)生器++A1A2CPuottt000UPT1T2Dout

2.

比較讀數(shù)階段：

t≥T1時，積分器的輸出電壓UPuo=-RC1（–UR）∫tT1dtDout

=2nURUi模數(shù)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率

以輸出二進(jìn)制的位數(shù)表示分辨率。位數(shù)越多,誤差越小,轉(zhuǎn)換精度越高。轉(zhuǎn)換速度

它是指完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間。轉(zhuǎn)換時間是指從接到轉(zhuǎn)換控制信號開始到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字輸出信號所經(jīng)過的這段時間。相對精度

它是指實際的各個轉(zhuǎn)換點偏離理想特性的誤差。在理想情況下，所有的轉(zhuǎn)換點應(yīng)當(dāng)在一條直線上。雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片cc14433介紹UDDQ3Q2Q1Q0DS1DS2DS3DS4OREOCUsscc14433UAGURUxR1R1/C1C1C01C02DUCLKICLKOUEEDS1Q3Q2Q1Q0輸出結(jié)果狀態(tài)111111111110000000╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳╳DS1選通時Q3~Q0表示的輸出結(jié)果千位數(shù)為0千位數(shù)為1輸出結(jié)果為正值輸出結(jié)果為負(fù)值輸入信號過量程輸入信號欠量程CC14433選通脈沖時序1/2TC80TC16400Tc2TcEOCDS1DS2DS3DS4Q3~Q018Tc千位百位十位個位千位百位十位溫度測量系統(tǒng)原理框圖：溫度信號1溫度信號2信號采集電路模擬開關(guān)放大濾波電路A/D轉(zhuǎn)換電路數(shù)碼顯示電路計算機系統(tǒng)說明：一般A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號直接送給計算機系統(tǒng)處理、顯示、傳輸、打印和實現(xiàn)各種控制功能。本例中，用數(shù)碼顯示電路替代微機。*7.8非電量測量系統(tǒng)舉例－5VAD590R12kΩ35.7kΩ9kΩ35.7kΩ2kΩ1kΩ×3

C0.1μF+5VS1-S3R3R2R4R2'R3'R4'2kΩ2kΩ9kΩ++_A0OP077.2kΩUx84AD5841＋15VUR+10VR1'測溫系統(tǒng)電路圖1COMMANCC4051INHABC01

基準(zhǔn)電源模擬開關(guān)

信號采集

放大濾波電路123CC1403UREFEOCDUUAGUx+5VRD20kΩ2VUxR1C1C01C02R1/C10.1μF0.1μF470kΩCLKICLKO300kΩABCDLTLEBICC4511+5V-5VORQ0Q1Q2Q3USSUDD

R×7100Ω×7ROPRM200Ω×21513141216+5V912345CC14138DS4DS3DS2DS1測溫系統(tǒng)電路圖2CC14433

A/D轉(zhuǎn)換器位選擇驅(qū)動器

譯碼器溫度傳感器AD590，二端式集成溫度－電流傳感器。測溫范圍：－55℃＋150℃，精度±0.3℃使用直流電源范圍＋4V＋30V線性電流輸出：1μA/K注意：AD590測量的是熱力學(xué)溫度K。K=。C+273.21.信號采集電路采用八選一多路模擬開關(guān)CC4051,可巡回監(jiān)測8路被測溫度信號通過開關(guān)S1、S2、S3控制CC4051地址輸入端A、B、C的電平，以選擇通道。本系統(tǒng)以2路被測溫度信號為例。2.模擬開關(guān)7.2kΩR1R235.7kΩ2kΩR3R42kΩ9kΩUx－5V10VI1I2ITAD5903.