第三章 (3) 数据采集技术与输入输出接口 智能仪表

第三章 数据采集技术与输入输出接口
主要内容
七、 频率相位信号的采集及其接口 八、 数据采集缓存器的设置与保护
七、 频率相位信号的采集及其接口
1、概述
(1) “数字式传感器”输出频率信号、相差 数字式传感器”输出频率信号、 信号或脉冲信号； 信号或脉冲信号；它是检测信号的主要形式之一 (2)为了提高传输抗干扰能力，常常通过V/F (2)为了提高传输抗干扰能力，常常通过V/F 为了提高传输抗干扰能力 技术将模拟电压信号转换为频率信号输入微机， 模拟电压信号转换为频率信号输入微机 技术将模拟电压信号转换为频率信号输入微机， 可以达到A/D转换的目的 A/D转换的目的； 还可以达到A/D转换的目的； (3)频率是单位时间里信号重复过程的次数 (3)频率是单位时间里信号重复过程的次数, 频率是单位时间里信号重复过程的次数, 是测频的基准! 时间是测频的基准!
七、 频率相位信号的采集及其接口
若定时计数: 定时计数:
定时时间Ts 1s， 定时时间Ts为1s，则±1 Ts为
个脉冲引起的误差： 个脉冲引起的误差： δ=1/(fxTs)=1/fx 与被测信号频率有关，频率低， δ与被测信号频率有关，频率低，则δ大。 若测周期: 测周期: 时钟信号频率为fs， 时钟信号频率为fs fs， δ=1/(fsTx)=fx/fs 个脉冲引起的误差也与被测信号频率有关， ±1个脉冲引起的误差也与被测信号频率有关， 频率愈低则误差愈小。 被测信号频率为1kHz 频率愈低则误差愈小。当被测信号频率为1kHz 时，时钟信号频率fs为1MHz时，误差δ达到 时钟信号频率fs 1MHz时 误差δ fs为 程度， ±1×10-3程度，这对于精密测量是不能允许的 。
七、 频率相位信号的采集及其接口
(4)． (4)．同步采集技术 所谓同步技术是在对两路（被测和基准）频率信号计数时 计数时， 所谓同步技术是在对两路（被测和基准）频率信号计数时， 用频率低的被测信号来控制定时计数的开始和结束(同步) 用频率低的被测信号来控制定时计数的开始和结束(同步)，仅让 频率很高的基准信号不同步，由此产生的± 频率很高的基准信号不同步，由此产生的±1个脉冲的影响将大 大减小。 大减小。
七、 频率相位信号的采集及其接口
0 Vi + R C · VQ · -Vr · · 单稳
Vr f0
当积分电路的输出电压 达到基准电压V 当积分电路的输出电压VQ达到基准电压Vr时，比较器翻转， 输出电压V 比较器翻转， 同时积分电路的电容器被复零 复零的次数就是输出频率。 积分电路的电容器被复零， 同时积分电路的电容器被复零，复零的次数就是输出频率。
3CJ1E 1000P R1 100K 2 0～10V 3 R2 100K · 6 · R3 15K 2 · 15V · · 4 8 555 1 3 · R4 10K 0～10K
V1
f0
C2 33P
七、 频率相位信号的采集及其接口
上页图中555输出近15V高电平时，场效应管3CJ1E截止， 上页图中555输出近15V高电平时，场效应管3CJ1E截止， 555输出近15V高电平时 3CJ1E截止 10V时 运算放大器324输出电压经积分线性上升，当达到10V 324输出电压经积分线性上升 运算放大器324输出电压经积分线性上升，当达到10V时，555 转换输出电压为低电平（ 0V） 3CJ1E导通使积分电容 导通使积分电容C1 转换输出电压为低电平（近0V） , 3CJ1E导通使积分电容C1 放电，324输出电压迅速下降，当降至5V时，555输出电压又 放电，324输出电压迅速下降，当降至5V 输出电压迅速下降 5V时 555输出电压又 转为高电平，3CJ1E再次截止 324输出电压又再次上升 再次截止， 输出电压又再次上升。 转为高电平，3CJ1E再次截止，324输出电压又再次上升。 如此反复，形成振荡，输入电压V值大则积分电流V/R 如此反复，形成振荡，输入电压V值大则积分电流V/R1大 LM324(运放 输出电压上升快，振荡频率高，反之， 运放) ，LM324(运放)输出电压上升快，振荡频率高，反之，则频率 其输出频率 低。其输出频率
七、 频率相位信号的采集及其接口
LMX31A、LMX31系列V/F转换器是一种简单、 LMX31A、LMX31系列V/F转换器是一种简单、廉价的芯片 系列V/F转换器是一种简单 由于使用了新的温度补偿能隙基准电路，能达到精密V/F ，由于使用了新的温度补偿能隙基准电路，能达到精密V/F 的性能，LMX31A具有高水平的精度 温度特性， 具有高水平的精度10V转 的性能，LMX31A具有高水平的精度-温度特性，将0～10V转 换成0 10kHz时线性度达0.01%，可在单5V电源下工作， 时线性度达0.01% 5V电源下工作 换成0～10kHz时线性度达0.01%，可在单5V电源下工作，功 耗仅15mW 温度稳定性达±50×1015mW， 耗仅15mW，温度稳定性达±50×10-6/℃. LMX31系列V/F转换器 其内部由开关电流源、 系列V/F转换器， LMX31系列V/F转换器，其内部由开关电流源、输入比较 器和单脉冲定时器等部分组成。可自己其工作原理。 器和单脉冲定时器等部分组成。可自己其工作原理。加上一 定的外部元件， LMX31芯片即可构成V/F转换电路 芯片即可构成V/F转换电路。 定的外部元件，用LMX31芯片即可构成V/F转换电路。
七、 频率相位信号的采集及其接口
如上页图所示，微机先清除两个计数器，再发出START 如上页图所示，微机先清除两个计数器，再发出START 信号表示定时计数开始， 的上升沿到来之前D 信号表示定时计数开始，在fx的上升沿到来之前D触发器仍 关闭两计数门， 上升沿开启两计数器计数， 关闭两计数门，由fx上升沿开启两计数器计数，即定时开始 与被测信号同步。微机内部定时一到就改变START信号， START信号 与被测信号同步。微机内部定时一到就改变START信号，触 发器要等f 的又一个上升沿到来时才跳变而关闭计数器， 发器要等fx的又一个上升沿到来时才跳变而关闭计数器，即 定时结束与被测信号同步，时序如下图. 定时结束与被测信号同步，时序如下图.
1 VQ = ∫ V1dt = V1 / RC * ∆T RC
当VQ=Vr时，电容器被复零，因此以Vr代VQ ，取ΔT的倒数 电容器被复零，因此以V ΔT的倒数
1 V1 f0 = T RCVr
七、 频率相位信号的采集及其接口
应用时基集成电路555， 应用时基集成电路555，就可按上述原理构成普 时基集成电路555 通的V/F转换器。 V/F转换器 通的V/F转换器。下图所示电路是该转换器的一种基 本形式，可以把0 10V电压转换成 电压转换成0 10kHz脉冲频率 本形式，可以把0～10V电压转换成0～10kHz脉冲频率 信号，非线性误差为0.1%左右。 0.1%左右 信号，非线性误差为0.1%左右。
七、 频率相位信号的采集及其接口
2、V/F转换原理及特点 V/F转换原理及特点
V/F变换器是把直流电压信号转换为频率信号的装置（ V/F变换器是把直流电压信号转换为频率信号的装置（有 变换器是把直流电压信号转换为频率信号的装置 A/D转换效果），有以下几个特点 转换效果），有以下几个特点： A/D转换效果），有以下几个特点： ①V/F转换过程是对输入信号的不断积分，因而能对噪声或信号 V/F转换过程是对输入信号的不断积分， 转换过程是对输入信号的不断积分 的波动进行平滑滤波 进行平滑滤波； 的波动进行平滑滤波； ②转换后输出的是串行信号，便于隔离和远传； 转换后输出的是串行信号，便于隔离和远传； ③利用微机的特点，可使串行信号采集接口简化，编程方便。 利用微机的特点，可使串行信号采集接口简化，编程方便。 V/F转换器基本上由积分电路和比较电路组成。 V/F转换器基本上由积分电路和比较电路组成。下页图所示 转换器基本上由积分电路和比较电路组成 的为单积分式V/F转换器的结构原理图 单积分式V/F转换器的结构原理图。 的为单积分式V/F转换器的结构原理图。
Vi 1 f0 = ≈ Vi 10 R1C1
这里 , R3C2
( KH Z )
1/ f 0 以抵消3CJ1E的放电时间的影响。 以抵消3CJ1E 放电时间的影响 3CJ1E的 的影响。
七、 频率相位信号的采集及其接口
3、V/F转换器芯片 V/F转换器芯片
V/F专用集成电路芯片品种较多， AD公司 AD578、 V/F专用集成电路芯片品种较多，有AD公司的AD578、 公司的 专用集成电路芯片品种较多 AD650、AD651等 NS公司 LM131、LM231、LM331， BB公 公司的 AD650、AD651等，有NS公司的LM131、LM231、LM331，有BB公 VFC32、VFC62、VFC320等 司的VFC32、VFC62、VFC320等，国产的不少也可与国外同类产 品相媲美， 5GVFC32、BG382，等等。 品相媲美，如5GVFC32、BG382，等等。
同时注意四个概念: 同时注意四个概念: 时刻; 时间间隔; 时标; 测频； 时刻; 时间间隔; 时标; 测频；
七、 频率相位信号的采集及其接口
(2)．（短 定时计数（工业测量，V/F作为A/D） (2)．（短）定时计数（工业测量，V/F作为A/D） 作为A/D ．（ 当分辨率要求不是很高而要求采集速度时，定时器定时 当分辨率要求不是很高而要求采集速度时，定时器定时 可由下式确定： 时间可由下式确定 时间可由下式确定： 1 TS = ⋅ 2 N fs 式中f 式中fs、N分别为V/F转换的满度输出额定频率（最高） 分别为V/F转换的满度输出额定频率 最高） V/F转换的满度输出额定频率（ 和希望获得的A/D转换分辨率。例如LM331 A/D转换分辨率 LM331； 10kHz频率 和希望获得的A/D转换分辨率。例如LM331；在0～10kHz频率 范围，若要8位分辨率，取定时时间T =25.6ms，要得10 10位 范围，若要8位分辨率，取定时时间Ts=25.6ms，要得10位 A/D转换的效果 转换的效果， A/D转换的效果，取Ts=102.4ms 。要提高分辨率则要加长定 时时间，即加长采样周期，显然这样会降低采样速度。 时时间，即加长采样周期，显然这样会降低采样速度。