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

1、第八章 自動數(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)時采樣、實(shí)時處理、實(shí)時控制和實(shí)時顯示。 測控系統(tǒng)：利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)眾多參數(shù)的自動測量和控制的系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集：對客觀世界的信息進(jìn)行收集并顯示、處理、傳輸和記錄的過程。,自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基本組成,待 測 非 電 量,傳 感 器,信號調(diào)理,S/H,A/D,計(jì) 算 機(jī),D/A,傳 感 器,傳 感 器, , ,信號調(diào)理,信號調(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,信號調(diào)理電橋電路,信號調(diào)理：對輸入信號加以調(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轉(zhuǎn)化為電壓或電流信號。,不平衡電橋,平衡電橋,直流電橋,交流電橋,信號調(diào)理電橋電路,信號調(diào)理模擬信號的放大,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。,信號調(diào)理常用放大器,差動放大器：信號電壓是放大器兩個輸入端的差值。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。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。,自動增益控制放大器：根據(jù)輸入信號的幅值，通過邏輯比較電路來自動選擇最佳增益。 儀表放大器：由三個運(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)輸入信號的幅值而改變增益。,信號調(diào)理常用放大器,方法：采用電阻分壓器,信號調(diào)理模擬信號的衰減,信號調(diào)理濾波器,目的：選取有用信號，濾除無用信號，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；低速的高精度小信號。,多路轉(zhuǎn)換開關(guān),目的：多路信號共用放大器或A/D轉(zhuǎn)換器等儀表。,要求：開路時電阻為無窮大，接通時電阻為零；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)換時要求輸入信號保持不變或多個輸入通道要求采樣的時間和相位相同的需求。 工作原理：,對采樣頻率的要求：,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)的建立時間 定義：從輸入數(shù)字信號起到輸出電壓(或電流)達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時間。 電流型DAC：建立時間相當(dāng)快，一般不超過1s； 電壓型DAC：建立時間主要取決于運(yùn)算放大器所需的時間。 除以上主要參數(shù)外，還有精度、溫度系數(shù)等，使用時可查閱有關(guān)手冊。,

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)換時間 完成一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換所需要的時間。一般是從接到轉(zhuǎn)換信號開始，到輸出穩(wěn)定的數(shù)字量為止所需的時間，通常在幾十微秒左右。,模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D、ADC）,(3) 相對精度 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、時可查閱有關(guān)手冊。 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的噪聲與干擾； 對數(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) 每個輸入信號有一個測量放大器，共享A/D轉(zhuǎn)換 器的結(jié)構(gòu)配置,應(yīng)用場合：對多路模擬開關(guān)的精度要求不高。,自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,(3) 每個

10、輸入信號有一個測量放大器和一個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)，或要求同時檢測多個模擬信號的場合。,自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式,(4) 差動結(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，適用于輸入信號電平低的情況，還可抑制長傳輸線引起的嚴(yán)重干擾。,自動數(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，每個通道在單位時間內(nèi)能測量得到的可用數(shù)據(jù)的個數(shù)，單位為“次/s” 。 (b) 單通道最高重復(fù)采樣率：系統(tǒng)中一個模擬通道連續(xù)重復(fù)采樣時，在單位時間內(nèi)

11、能采集到的可用數(shù)據(jù)的最大個數(shù)，單位“次/s” 。,自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),(c) 信號頻率和采樣頻率：采樣頻率一般為信號最高頻率的510倍。,自動數(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)挠杏眯盘栆酝獾囊磺行盘柧环Q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要素： 噪聲源、對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）：由于兩個電路之間存在寄生電容，使得一個電路的電荷變化影響到另一個電路。,(2) 電磁耦合(互感耦合)：由于兩個電路之間存在互感，使得當(dāng)一個電路的電流變化時，通過磁交鏈就會影響到另一個電路，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，這種漏電電流對低電平電路造成干擾。 (4) 共阻抗耦合：由于幾個電路之間有公共阻抗，當(dāng)一個電路中有電流流過時，在公共阻抗上產(chǎn)生一個壓降，這一壓降對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，如地線長度小于信號波長的1/20，可采用一點(diǎn)接地，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地； (3) 強(qiáng)電地線與信號地線分開設(shè)置； (4) 模擬信號地線與數(shù)字信號地線分開設(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，此時可認(rèn)為測試系統(tǒng)對地是懸空的。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：在兩個電路間