1、第八章 自动数据采集系统简介,目的：满足科研试验中测量参数多、测量速度快、 精确度高的要求，实现实时采样、实时处理、实时控制和实时显示。 测控系统：利用计算机实现众多参数的自动测量和控制的系统。 数据采集：对客观世界的信息进行收集并显示、处理、传输和记录的过程。,自动数据采集系统基本组成,待 测 非 电 量,传 感 器,信号调理,S/H,A/D,计 算 机,D/A,传 感 器,传 感 器, , ,信号调理,信号调理,多路模拟开关,放大器,显示,打印,输出,数字锁存,数字量,输出,信号调理 电桥电路,信号调理：对输入信号加以调理、变换和改善以提高测量的准确度并满足后继设备的输入要求。 电桥电路
2、目的：通过电桥电路将电阻、电感、电容等一类电参量信号转化为电压或电流信号。,不平衡电桥,平衡电桥,直流电桥,交流电桥,信号调理 电桥电路,信号调理 模拟信号的放大,放大器的主要性能参数：增益、带宽、输入阻抗、 零点漂移与增益漂移以及共模抑制比。,对放大器的主要要求：,(1) 输入阻抗要高；,(2) 抗共模电压干扰能力强；,(3) 有较高带宽；,(4) 能附加一些适应特定要求的装置。,信号调理 常用放大器,差动放大器：信号电压是放大器两个输入端的差值。其特点是具有抑制共模电压的能力。 调制解调放大器：将输入信号调制为交流而进行交流放大，然后再解调恢复为直流信号。其特点是可消除零点漂移。 隔离放大
3、器：采用隔离输入变压器和保护屏蔽技术。其特点是更进一步提高共模抑制比。,自动增益控制放大器：根据输入信号的幅值，通过逻辑比较电路来自动选择最佳增益。 仪表放大器：由三个运算放大器组成。其特点是具有高的开环增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低失调电压和温度漂移。,可编程增益放大器：通过程序设置，可根据输入信号的幅值而改变增益。,信号调理 常用放大器,方法：采用电阻分压器,信号调理 模拟信号的衰减,信号调理 滤波器,目的：选取有用信号，滤除无用信号，提高信噪比,频率通带、频率阻带、截止频率,无源滤波器：,一阶,二阶,信号调理 滤波器,有源滤波器,1. 多路转换开关的类型与特点 (1) 电磁式开关 主
4、要有：继电器和干簧管。 优点：耐压高、绝缘好、导通电阻小、漏电流小；。 缺点：机械触点寿命短、速度低、体积大、耗电多 适宜使用场合：低速的高压大信号；低速的高精度小信号。,多路转换开关,目的：多路信号共用放大器或A/D转换器等仪表。,要求：开路时电阻为无穷大，接通时电阻为零；切换速度快、可靠性高、触点噪音小、寿命长。,(2) 半导体式开关 主要有：双极晶体管、场效应管和数据采集系统 多用的CMOS集成电路多路开关。 优点：速度快、寿命长、体积小、耗电省； 缺点：耐压低、导通电阻大、有一定的漏电流。 适宜使用场合：高速数据采集系统。,多路转换开关,2. 多路转换开关的联接形式 (1) 单端式,多
5、路转换开关,(2) 差动式,多路转换开关,作用：通过逻辑控制电路使其处于“采样”或“保持”状态，以此满足某些A/D转换器在转换时要求输入信号保持不变或多个输入通道要求采样的时间和相位相同的需求。工作原理：,对采样频率的要求：,采样保持器,存在问题：,采取措施：,以四位数/模转换器为例：,电阻网络输出的总电流为：,数/模转换器（D/A、DAC）,经反相运放，可以实现 电流-电压变换：,输出电压为：,对于n位D/A：,四位DAC输入/输出关系,数/模转换器（D/A、DAC）,四位DAC的T形电阻网络：,目的：解决电阻制造工艺的困难。,数/模转换器（D/A、DAC）,主要技术参数： (1) 分辨率：
6、输出最小电压与输出最大电压之比，该比值取决于DAC的位数。 四位DAC的分辨率为：,有时也直接用DAC的位数表示分辨率，如8位、12位等。,数/模转换器（D/A、DAC）,(2) 线性度 通常用非线性误差的大小表示DAC的线性度。,产生偏离的主要原因： 模拟开关导通压降及 电阻网络各电阻值R 不尽相等等。,数/模转换器（D/A、DAC）,(3) 输出电压(或电流)的建立时间 定义：从输入数字信号起到输出电压(或电流)达到稳定值所需要的时间。 电流型DAC：建立时间相当快，一般不超过1s； 电压型DAC：建立时间主要取决于运算放大器所需的时间。除以上主要参数外，还有精度、温度系数等，使用时可查阅
7、有关手册。,数/模转换器（D/A、DAC）,逐次逼近型模/数转换器,模/数转换器（A/D、ADC）,设输入模拟量为UX，其逼近过程见下表和图：,模/数转换器（A/D、ADC）,主要技术参数 (1) 分辨率用输出数字量的二进制位数表示，如8位、10位、12位等。它反映模/数转换器所能分辨的被测量最小值。位数越多，分辩率越高。 (2) 转换时间完成一次模/数转换所需要的时间。一般是从接到转换信号开始，到输出稳定的数字量为止所需的时间，通常在几十微秒左右。,模/数转换器（A/D、ADC）,(3) 相对精度实际输出的数字量与理想转换特性之间的最大偏差。除以上主要参数外，还有电压范围、温度系数、功耗等，
8、使用时可查阅有关手册。 模/数转换器的选择根据传感器、放大器、采样保持器等环节的性能指标，确定ADC的各项指标，要通盘考虑。,模/数转换器（A/D、ADC）,计算机,连接方式： (1) 外总线系统 接口：RS232、RS422、IEEE488等。 特点：数据采集设备可以靠近现场，而远离计算机，能配置成任何规模的系统。数据采集设备有自己的为处理器，有助于远程作业和减轻主计算机的负担，便于构成分布式系统。 (2) 内总线系统 特点：系统的各个组件不需独立的机箱和电源，可以直接装在主计算机机箱里，从而缩小了系统体积，降低了成本，提高了速度。但规模不可能很大。,计算机,作用： 控制多路转换开关的转换、
9、启动A/D、D/A等输入输出设备、进行数据处理。其中数据处理软件的主要任务是： 对输入信息进行系统整定，恢复原来的物理形式； 采用各种数学方法最大限度的消除混入信号的噪声与干扰； 对数据本身进行某些加工变换、或在有关联的数据间进行相互运算，从而得到能表达该数据内在特征的二次数据； 将计算机的输出用于控制机构可以构成计算机控制系统。,自动数据采集系统的结构形式,应用场合：输入量缓慢变化及传感器输出电压较高的场合,(1) 共享放大器、ADC的结构形式,(2) 每个输入信号有一个测量放大器，共享A/D转换 器的结构配置,应用场合：对多路模拟开关的精度要求不高。,自动数据采集系统的结构形式,(3) 每
10、个输入信号有一个测量放大器和一个A/D转换器的结构配置,应用场合：高速数据采集系统，或要求同时检测多个模拟信号的场合。,自动数据采集系统的结构形式,(4) 差动结构的数据采集装置,应用场合：由于这种结构具有强的抑制共模干扰的能力，适用于输入信号电平低的情况，还可抑制长传输线引起的严重干扰。,自动数据采集系统的结构形式,通道数：能提供给用户可使用的模拟量输入通道总数。 (2) 数据采集速度 (a) 系统最高重复采样率：模拟输入系统全部通道重复扫描采集时，每个通道在单位时间内能测量得到的可用数据的个数，单位为“次/s” 。 (b) 单通道最高重复采样率：系统中一个模拟通道连续重复采样时，在单位时间
11、内能采集到的可用数据的最大个数，单位“次/s” 。,自动数据采集系统的主要技术指标,(c) 信号频率和采样频率：采样频率一般为信号最高频率的510倍。,自动数据采集系统的主要技术指标,(3) 分辨率与精度：ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的模拟信号电压就越小。,系统干扰的抑制 噪声的种类及来源,噪声：测量系统测量和传输的有用信号以外的一切信号均被称为噪声。,测量电路的噪声,内部噪声,外部噪声,热噪声,散粒噪声,接触噪声,工频噪声,射频噪声,电子开关,系统干扰的抑制 噪声的传输途径,噪声形成干扰所必须具备的三个要素： 噪声源、对噪声敏感的接收电路、传输通道,噪声的耦合方式 (1) 静电耦合
12、（电容性耦合）：由于两个电路之间存在寄生电容，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。,(2) 电磁耦合(互感耦合)：由于两个电路之间存在互感，使得当一个电路的电流变化时，通过磁交链就会影响到另一个电路，从而形成干扰电压。,(3) 漏电流耦合：由于电子电路内部的元件支架、接线柱、印刷板等绝缘不良，高电平电路通过绝缘电阻向低电平电路漏电，这种漏电电流对低电平电路造成干扰。 (4) 共阻抗耦合：由于几个电路之间有公共阻抗，当一个电路中有电流流过时，在公共阻抗上产生一个压降，这一压降对其它与公共阻抗相连的电路形成干扰。,系统干扰的抑制 噪声的传输途径,(5) 传导耦合：经导线检拾到噪声，再经它传输到
13、噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。 (6) 辐射电磁场耦合：大功率的高频电气设备、广播、电视、通讯发射台等，不断地向外发射电磁波。检测系统若置于这种辐射场中，就会感应到与辐射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。,系统干扰的抑制 噪声的传输途径,消除和抑制噪声应从分析噪声的来源、性质、传播途径、耦合方式以及进入检测器电路的形式、接收噪声的电路等入手，通常采取以下措施： (1) 消除或抑制噪声源； (2) 破坏噪声的耦合通道； (3) 减弱接收电路对噪声的敏感性； (4) 采用软件抑制干扰。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,硬件上抑制噪声的基本措施 1. 屏蔽 (1) 静电屏蔽
14、：主要用来抑制静电耦合干扰，其屏蔽层必须接地； (2) 磁屏蔽：屏蔽层采用高导磁材料。主要用来防止高磁导率的铁镍等磁性物质在磁场中被磁化； (3) 电磁屏蔽：屏蔽层采用导电良好的金属材料。主要用来防止高频电磁场的干扰。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,2. 接地 接地的目的与作用： (1) 保证人身和设备安全 (2) 抑制干扰 (a) 通过接地给干扰电压以低阻通路； (b) 消除各电路电流流经公共地线阻抗所产生的噪声电压，即共阻干扰； (c) 避免磁场或地电位差的影响，使其不形成地环路。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,地线的种类 实际地：接大地。 虚地：不接大地，只是作为信号参考点，建立系统的基准电
15、位。 (1) 屏蔽层地线：为防止静电干扰或电磁干扰而设置的地线，有安全保护的作用，一般是接大地。 (2) 信号源地线：传感器本身的零电位基准公共线； (3) 功率地线：大电流网络的零电位； (4) 交流电源地线：使之与直流地线相互绝缘。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,各种地线的处理原则 (1) 低频电路的一点接地原则：就是用导线将多个接地点汇集到一点，再从这点接地。采用一点接地，可以有效地克服地电位差的影响和共用地线的共阻抗引起的干扰； (2) 高频电路的接地原则：频率在10MHz以上的电路要用多点接地；频率在10MHz以下时，如地线长度小于信号波长的1/20，可采用一点接地，否则应采用多点接地
16、； (3) 强电地线与信号地线分开设置； (4) 模拟信号地线与数字信号地线分开设置。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,接地方法 (1) 埋设铜板； (2) 接地棒； (3) 网状(辐射状)地线。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,隔离 作用：在采用两点以上接地的测试系统中，为了抑制地电位差所形成的干扰，运用隔离技术切断地环路电流，此时可认为测试系统对地是悬空的。在完成系统的隔离之后，就在唯一的接地点接大地。 方法：采用电磁隔离和光电隔离。 电磁隔离：在两个电路间加一个隔离变压器，使两个电路之间电的联系被切断，以磁的形式传递信号。该方法可用于交流和高频电路的信号隔离和电源隔离。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,光电隔离：在两个电路间加入一个光电耦合器。使两电路间信号的传递以光的方式进行。光电隔离广泛应用于由微机构成的检测或控制系统中。 滤波 滤波方式：模拟滤波和数字滤波。,系统干扰的抑制 噪声的抑制,模拟滤波：依靠滤波电路来实现，有无源和有源 滤波器两种。,数字滤波：通过一定的计算机程序对被采样的信号进行平滑加工，以提高有用信号、消除或减小各种干扰和噪声。,
