第二章：数据采集系统设计

4. 光纤传感器
这种传感器其信号拾取、变换、 这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维 实现的，避免了电路系统的电磁干扰。 实现的，避免了电路系统的电磁干扰。 光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的 干扰。 干扰。
(三) 传感器量程的自动转换
输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标 定电路，如下页图所示。S为继电器开关，控制100∶1衰减 器是否接入。V5 ～V10 是场效应管模拟开关，控制放大器不 同的增益。继电器开关S、V5～V10在微机发出的控制信号的 控制下，形成不同的通、断组合，构成0.1V、1V、10 V、 100 V和1000 V五个量程以及自动测试状态。
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 传统A/D转换器及接口技术 传统A/D转换器及接口技术 A/D Σ-∆型ADC原理与接口技术 ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析
数据采集系统简称（ 数据采集系统简称（Data Acquisition System）DAS ）
(3) 10V量程。Ｖ7、V9导通，放大电路被接成跟随器，放 大倍数为1，然后输出经分压，此时
U omax
9 +1 = 10 × ≈ 3.16V 21.6 + 9 + 1
(4) 100V量程。V8、V10导通，放大电路仍为串联负反馈 放大器，同时继电器开关S吸合，使100∶1衰减器接入，此时
U omax
传感 器
前置 放大
滤 波
程控 放大
滤 波
采集 电路
典型模拟调理电路的组成框图
一、传感器的选用
传感器是信号输入通道的第一环节， 传感器是信号输入通道的第一环节 ， 也是决定整个测 试系统性能的关键环节之一。 试系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 自行设计
是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、 是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行取样、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 换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、 的装置。 的装置。
第一节 数据采集系统的组成结构
传感器
模拟 信号调理 数据 采集电路
微机 系统
传感器:将被测非电量转换成模拟电信号 传感器 将被测非电量转换成模拟电信号 调理电路:对模拟信号进行放大、 调理电路 对模拟信号进行放大、滤波等调理 对模拟信号进行放大 采集电路:把模拟信号转换成数字信号 采集电路 把模拟信号转换成数字信号
二、运用前置放大器的依据
当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。 当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。 • 放大器为什么要“前置 ”, 即设置在调理电路的最前端 放大器为什么要“前置” ？ • 前置放大器的放大倍数应该多大？ 前置放大器的放大倍数应该多大？
1 电路的噪声
1
S 1. △
2
9.9 MΩ
＋ －
∞ V9
V8 Uo
V6
9 kΩ
147 kΩ ＋15 V
V5
1 kΩ
量程标定电路原理
(2) 1V量程。V8、V10导通，此时放大电路被接成串联负 反馈放大器，其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为
21.6 + 9 + 1 Af = = 31.6 9 +1 U omax = 1× 31.6 = 3.16V
相邻两路信号采 MUX对N路信号依 集时偏(N为信号 次采样，相邻两 路数T为采样周期) 路采样时偏T/N 适用场合 不严格要求同步 采集的场合
二、分布式采集
上位机 通信接口
数据 采集站1 采集站 …
数据 采集站2 采集站 …
数据 采集站3 采集站 …
……源自文库
数据 采集站N 采集站 …
模拟信号或数字信号
1 21.6 + 9 + 1 = 100 × × = 31.6V 100 9 +1
(5) 1000 V 量程。继电器开关S吸合，使100∶1衰减器接 入，同时V7、V9导通，放大电路被接成跟随器，并使输出再经 V V 分压，此时
U omax
1 9 +1 = 100 × × = 31.6V 100 21.6 + 9 + 1
大信号输出传感器的使用
2. 数字式传感器
采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R 采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成 的振荡器， V/F转换等 转换等。 的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。
输出噪声:电路在没有信号输入时， 输出噪声 电路在没有信号输入时，输出端输出一定幅 电路在没有信号输入时 度的波动电压。 度的波动电压。 输入噪声:把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到 输入噪声 把电路输出端测得的噪声有效值 把电路输出端测得的噪声有效值 该电路的输入端即除以该电路的增益K， 该电路的输入端即除以该电路的增益 ，得到的电平值称为 等效输入噪声V 该电路的等效输入噪声 该电路的等效输入噪声 IN
VIN = VON / K
2 放大器噪声分析
总的等效输出噪声： 总的等效输出噪声：
′ V ON =
(V IN 0 K 0 K ) + (V IN K )
2
2
总的等效输入噪声： 总的等效输入噪声：
′ V ON ′ V IN = = K 0K
V
2 IN 0
V IN 2 + ( ) K0
假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没， 假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN， 加入前放后，希望 就必须使V' 加入前放后，希望VIS>V'IN，就必须使 IN<VIN，
由上述计算可见，送入A/D转换器的输入规范电压为 0～ 3.16 V，同时， 由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举 电源，因此0.1 V、 1 V和10 V三挡量程的输入电阻高达10 000 M 。10 V和1000 V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10 M 。 当V5 、V6和V8导通，继电器开关S吸合时，电路组态为自 测试状态。此时放大器的输出应为-3.12 V。仪器在自诊断时测 量该电压，并与存储的数值相比较。若两者之差在6%以内，即 认为放大器工作正常； 否则视为故障， 必须排除。
多路模拟输入通道数据采集系统
同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 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，多路模拟输入通道可分为两大类型: 一个，多路模拟输入通道可分为两大类型:
◆集中式采集 ◆分布式采集
一、多路模拟信号集中采集式 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一
1.大信号输出传感器（ 1.大信号输出传感器（可省去小信号放大环节 ） 大信号输出传感器
为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、 为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一 A/D输入要求相适应 些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。 些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。 A/D相配套的大信号输出传感器
‘ > V 2 + (VIN ) 2 VIN IN 0
K0
VIN 0 < VIN
1 1− 2 K0
（a） ）
VIN =
′ VIN =
2 (VIN 0 K ) 2 + VIN 1
K
= V
2 IN 0
VIN 1 2 +( ) K
（b） ）
(VIN 1 K ) 2 + (VIN 0 K ) 2 2 2 = VIN 0 + VIN 1 K
频率量及开关量输出传感器的使用
3. 集成传感器
集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如， 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如， 将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体， 将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体， 构成集成压力传感器。 构成集成压力传感器。 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务， 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简 化通道结构。 化通道结构。
(二) 选用什么类型传感器
对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量， 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、 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。 PN结 IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。 温度传感器 在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下， 在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下， 应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、 应侧重考虑成本低 、 相配电路是否简单、 可靠性等因素进 行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。 行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
′ 由于 K＞1,所以， IN < VIN ，调理电路中放大器设置在滤波器 1,所以， 所以 V 前面有利于减少电路的等效输入噪声。 前面有利于减少电路的等效输入噪声。
(一) 传感器的主要技术要求
将被测量→转换后续电路可用电量： 将被测量→转换后续电路可用电量： 后续电路可用电量 1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 转换范围 2.转换精度： 2.转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传 转换精度 感器的精度指标； 感器的精度指标； 3.转换速度（带宽）：符合整机要求； 3.转换速度（带宽）：符合整机要求； 转换速度 ）：符合整机要求 4.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、 4.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高 被测介质和使用环境的特殊要求 防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、 压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不 耗电或耗电少等； 耗电或耗电少等； 5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 能满足用户对可靠性和可维护性的要求
(1) 0.1 V量程。V8、V6导通，放大电路被接成电压负反馈 放大器， 其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为
21.6 + 9 + 1 Af = = 31.6 1 U omax = 0.1× 31.6 = 31.6V
100 kΩ S 1. Hi Lo 100 kΩ V10 21.6 kΩ V7
τ
第二节 模拟信号调理
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 传感器输出的电信号很微弱， 直接输送到显示、记录或分析仪器中去， 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声， 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声 要去掉噪声，提高信噪比。 要去掉噪声，提高信噪比。
网络式数据采集结构
集中采集式 电路共同点 电路不同点
分散采集式
都由传感器、调理电路、采集电路 三部分组成 无MUX, 有MUX, N路共用一个S/H N路各用一个S/H 和A/D 和A/D
T 对A/D转换时间的 ≥τ T≥ N 要求 适用场合 适用于信号路数N 适用于信号路数N 不太多或中、低 多或高速测试系 速测试系统 统
3.某些场合，为便于信号的远距离传输， 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测 某些场合 量信进行调制解调处理。 量信进行调制解调处理。
采集系统信号调理（ Conditioning）的任务： 采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务： 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波； 实现非电量信号向电信号的转换、小信号放大、滤波； 零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。 零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。
多路分时采集分时输入结构
2. 集中式数据采集系统的典型结构之二
多路同步采集分时输入结构
分时采集型 电路共同点 电路不同点
同步采集型
N路传感器、调理电路共用一组采集 电路（MUX、S/H、A/D） MUX前不接S/H MUX前接N个S/H N个采样/保持器 同时采样，不存 在采样时偏 严格要求同步采 集的场合