第二章 农业信息采集技术

值和最小幅值之比。 A = 20 lg (Vmax / Vmin)
2.1.3 非电信号归一化技术
人类是通过感觉器官来定性地获取所需的各种信 息。面对认识微观世界变化所需的定量信号，人类必 须借助和人类各感觉器官具有相似功能的传感器，从 微观世界中提取有用的信息。
归一化：用各种传感器将各种现场的物理 信号转换成电信号(模拟电压或电流)
数据采集系统的典型结构
对需转换的模拟信号进行采样， 保证A/D将模拟信号转换为数字
➢将放量数等放传大程大据组感到范器器A围采成D:输C集。出所的需系信的号统➢将除由滤不，波传需提器要高感:的 信器噪噪比声、。滤信➢将分号模多时拟个送调开现AD关理场C：信、号A信的➢D号幅ACD期值C、间不将，变SDH保. AA证输C被出和采的样微采模样机拟值信量号
VIN2(VIN1接地)输出电压为：
VOUT2
=
VIN（2
R4 R2+R4
）（
R1+R3 R1
）
VIN1(VIN2接地)输出电压为：
VOUT1
=
VIN1（
R2 R1
）
通过叠加，放大器输出为：
VOUT = VOUT1 + VOUT2
= VIN2(
RR2+4 R4)
(
R1+R3 R1
)
VIN1（
R2 R1
➢数信号据调采理: 集/控制系统典型示意将图计算机输出的数字信
将DAC输出的电压幅值
号转换为模拟的电压或
进行放大,满足被控对象
电流信号
的需要。
信号的分类：
数字量
开/关信号 脉冲队列
信号
直流信号
模拟量
时域信号
频域信号
on
10-
信息
off
状态
t
速率
t
0.985
幅值
t
形状
t
频率
f
•数 字
信 号
on
off t
图中，当R2=R4、R1=R3和R5=R6时，此时A3输出为：
VOUT
=
（VIN2 -
V IN1）（1 +
2RRG5）（
R2 R1
）
3)．仪表放大器应用
-IN 1
AD524仪表放大器在不增加
件情况下，通过对引脚连
3 输入调零
4
接的设置，可使放大器的增益分
输入调零 5
参考
6
别为1，10，100和1000。也可通 -VS 7
A/D n 转换器
数据 缓冲区
模拟
+
信号
_
A/D n 转换器
PCI总线
…
内存(Buffer)
CPU
2.1.2 数据采集系统主要指标
①．系统分辨率：数据采集系统分辨率是指可分辨信号的最小变化 量，它和传感器灵敏度，放大器的线性度和动态范围、调理电路信 噪比，以及ADC和DAC的二进制位数有关。 ②. 系统精度：系统精度是系统实际输出值和理论值之差。它和 ADC、DAC的转换精度，传感器误差，放大器的线性度和漂移， 直流电源的纹波，取样保持电容和多路模拟开关（MUX）的漏电流， 以及系统结构有关。 ③一.般A系D统C和采D样A速C率的：单系元统精采度样均速高率于是系指统在其保它证单系元统电各路项的指精标度的。情 况下，每秒钟采集信号的次数。它和放大器的转换速率(μV/S)和建 立时间，MUX的通道切换时间、取样保持电路的捕捉时间、数据存 储和读取时间，以及信号源的响应时间有关。 ④. 系统动态范围：系统动态范围是指系统允许信号输入最大幅
放大器是在单运算放大
器的基础上，在每个输
入端增加一个高输入阻
抗的同相放大器A3差分 放大器对A1和A2输出 的VCM+(KVSig/2)、VCM—(KVSig/2)信号进行差分放大，由 于A1和A2参数完全相同，这样在RG的A、B两端便无共模 电压差，而差分电压按 (1+2R5 / RG ) 的增益系数被放大 ， 确保A3输出VOUT为VIN1和VIN2之和，克服单运算放大器所 存在的共模信号问题。
2)．放大器选择 选择放大器的基本原则是根据信号源和数据采集系统
的实际功能和要求，确定放大器的增益、带宽、输入阻抗、 CMRR，转换速率和建立时间等指标。
2．仪表放大器
在数据采集系统中，所采集的信号源许多均由传感器 提供，由于传感器无法实现零输出阻抗，输出又均为小信 号，以及传感器工作现场的恶劣环境， 因此在高质量数 据采集系统中，应选具有以下特点的仪表放大器：
⑥电源抑制比：电源抑制比是运算放大器工作电源电压的 变化量（漂移），同由于电源电压漂移而产生输入失调电 压的变化量之比，即：
PSRR = 20 lg (ΔVC /ΔVOS ) (dB)
⑦输入失调电压：失调电压是信号源内阻为零，当放大器 输出为零时所对应输入的电压值。
⑧转换速率：转换速率是放大器工作在闭环状态下，输入
阶跃(幅度较大)信号时，放大器输出电压变化的最大速率。
即： SR =
d VC(t) (V/μS)
dt
max
⑨非线性度：放大器实际输入与理论输出的偏差。若放大 器增益为1，非线性误差为0.025%,则当增益为500时，其 非线性误差为0.1%。此时对12位ADC而言，实际分辨率 相当于10位ADC的分辨率。 1/212=1/4096=0.00024414 1/210=1/1024=0.000976562
多
路
模拟 信号
选
择
2. 触发源控制 触发信号源 采样频率
+
A/D n 数据
_
转换器
缓冲区
内存(Buffer)
A/D 触发信号
中断信号
6. A/D 分辨率与数据格式
数据位数
二进制代码或补码
单极性或双极性
CPU
5. 中断信号控制
A/D转换的过程—同步板卡
A/D触发信号
模拟
+
信号
_
模拟
+
信号
_
A/D n 转换器
3．隔离放大器
实际应用中，经常遇到信号源(传感器)和系统间不允 许有直接的电信号连接。
原因之一是因为被测量信号为弱信号，实际现场干 扰非常大，又存在很高的共模电压。
原因之二是避免意外的高压浪涌通过地对仪表放大 器造成损坏。
原因之三是传感器和系统必须电隔离，如心电图、脑 电图等，此类仪器必须杜绝因漏电流可能对病人的电击。
高共模抑制 高输入阻抗 低噪声 低线性误差 低温漂 增益设置灵活。
1)．单运算仪表放大器
R
R ROL
E
R
RXROH
VIN1
R1
VIN2
R3
R2 VO
R4
图中传感器输出阻抗ROH = R/2 ， ROL = R// RX 。 根据叠加原理，图中所示放大器在不考虑ROH和ROL情况 下，其电路传递函数为:
② 共模抑制比：共模抑制比是差模信号的放大倍数和
共模信号的放大倍数之比 ，共模抑制比越大表示差模信
号增益越大。即：
共模干扰是一种常见干扰
CMRR = 20 lg KVD / KVC dB
源，因此在放大器的设计、 器件选型和放大器结构都
式中:KVD为差模增益，KVC为共模增益 是一个必须重视的问题。
③温度变化产生的漂移：运算放大器工作环境的变化，将 导致放大器的失调电压、偏置电流等变化。 通常在25℃ 调整放大器电路参数使失调电压等为零。然后在极端工作 温度环境下(最高、最低)要求此时的漂移量之和，必须小 于漂移速率(nA/℃或μV/℃)乘以两极限端的温度范围。 ④时间产生的漂移：运算放大器随“工龄”的增长，失调 电 压、偏置电流等也会随之变化，一般用μV / 月或μV / 年 表示漂移。 ⑤满功率带宽：在确定负载条件下，放大器工作在线性区， 输出无失真正弦波信号最大电压时的最高频率。
）
由此式知，电阻必须精确地按比例匹配，才能对共模
信号进行抑制。设VIN1 = VIN2 = VIN 时，此时输出为：
VOUTCM
= VIN
[(
RR2+4 R4)
(
R1+R3 R1
)
（
R2 R1
）]
VOUTCM
= VIN
[(
RR2+4 R4)
(
R1+R3 R1
)
（
R2 R1
）]
由此知，电阻必须精确地按比例匹配，才能对共模信
化为计算机可识别的数字信号
非电信号 非电信号
归
一K 化 (n)
(n)
F (n)
M U X
S H A
A I/O 微 I/O
D接
接
C 口机口
打 印 机
➢归一化:
控制逻辑
用各种传感器将各
种现场的物理信号 被
转换成电信号(模拟 电压或电流)
控 对 象
V (t)
信 号 调 理
D A C
数 字 控 制
➢DAC:
过在RG1(Pin16)和RG2 (Pin3)间 +VS 8
RG1 16
输出调零 15
输出调零 14 AD524 G=10 13 12 G=100 11 G=1000
检测 10
9 OUT
通过外接不同阻值的电阻，使放大器增益在0~1000范围
((4000/RG +1))±20%)内可变。AD524增益为1时共模抑
1℃
10mV
0.02℃
1. 放大器的性能和选择
放大器用于对模拟小信号进行放大。在实际工程中， 各种类型的集成运算放大器已被广大工程设计者视为首选 器件，根据集成运算放大器的性能分为专用和通用两大类。