数据采集技术
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➢仪用放大器 ➢程控增益放大器 ➢隔离放大器
23
(一) 仪用放大器
仪用放大器的基本结构
24
仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4 ＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：
Af (1 2R1 / RG )R5 / R4
假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为 1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：
19
放大器噪声分析
VIS
VOS
VIN0
前置放大器K0
后级电路K
VON
VIN
VIN VON / K
总的等效输出噪声：
VON (VIN0 K0 K )2 (VIN K )2
总的等效输入噪声：
VIN
VON K0K
VI2N 0
(VIN K0
)2
20
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VIS>V'IN，就必须使V'IN<VIN，
11
(一) 传感器的主要技术指标
将被测量→转换后续电路可用电量： 1.测量范围：与被测量实际变化范围相一致。 2.测量精度：符合整个测试系统根据总精度要求 而分配给传感器的精度指标； 3.转换速度（带宽）：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、耐高压、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； 5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 12
数据采集系统简称DAS （Data Acquisition System），是指将温 度、压力、流量、位移等模拟量进行采样、 量化转换成数字量后，以便由计算机进行 存储、处理、显示或打印的装置。
2
传感器 模拟信号调理
数据采集电路
微机系统
图、 数据采集系统的基本组成
• 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
9
传感 器
前置 放大
滤 程控 滤 波 放大 波
采集 电路
典型模拟调理电路的组成框图
10
一、传感器的选用
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。
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；
➢ 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的
传感器，
• 自行设计传感器
…
……
数据 采集站N
…
模拟信号或数字信号
网络式数据采集结构
7
请总结每种数据采 集系统结构的主要 特点！及适用场合。
8
§2.2 模拟信号调理
数据采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务：
• 实现非电量信号向电信号的转换、小信号 放大、滤波等；
• 与软件配合实现零点校正、线性化处理、 温度补偿、误差修正和量程切换等功能。
VI‘N
VI2N 0
(VIN K0
)2
VIN0 VIN
1
1
K
2 0
为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前
端加入的电路必须是放大器，即K0＞1，而且 必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输
入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。
因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置
放大器。
21
两种调理电路的对比
13Fra Baidu bibliotek
1. 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、制造一些专门与A/D相配套的 大信号输出传感器。
传感器 小电压 小信号放大 小电流
信号修正与变换
滤波 A/D 微机
传感器 大电压
V/F
传感器 大电流 I/V转换
光电耦合
微机
图、 大信号输出传感器的使用
14
2. 频率输出式传感器： 采用频率敏感效应器件构成，也可以由 敏感参数R、L、C构成的振荡器，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。
调理 S/H
模
拟
传感器2
调理 S/H
多
A/D
计
路
传感器3
调理 S/H
开
关
控制逻辑
算 机
多路同步取样共用A/D分时采集
5
3. 集中式数据采集系统的典型结构之三
•多通道同步采样A/D，分时传输数据 •多通道独立取样A/D，有通道缓存
6
二、分布式采集
上位机
通信接口
数据 采集站1
…
数据 采集站2
…
数据 采集站3
17
4. 光纤传感器： 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。 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。
18
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。
•放大器为什么要“前置”,即设置在调理 电路的最前端？ •前置放大器的放大倍数应该多大？
15
频率量及开关量输出传感器的使用
传感器 频率 输出
放大 整形
传感器
开关量 输出
整形
光电 隔离
光电 隔离
计算机 计算机
16
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，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。
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。
（a） VIN
(VIN0 K )2 VI2N1 K
VI2N 0
(VIN1 K
)2
（b） VIN
(VIN1K )2 (VIN0K )2 K
VI2N0 VI2N1
由于 K＞1,所以，VIN VIN，调理电路中放大器设置在 滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。
22
三、信号调理通道中的常用放大器
第二章 智能仪器的输入/输出通道 及接口技术
§2.1 数据采集概述 §2.2 模拟信号调理 §2.3 量程自动转换技术 §2.4 A/D转换及接口技术 §2.5 数据采集系统设计及举例 §2.6 数据采集系统误差分析 §2.7 开关量输入通道 §2.8 模拟量输出通道 §2.9 开关量输出通道
1
§2.1 数据采集概述
的多个测量点。 • 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
3
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
传感器1
调理 模
传感器2
拟 调理 多 S/H
A/D
计
传感器3
路 调理 开
关
算
控制逻辑
机
多路共用采集电路分时采集
4
2. 集中式数据采集系统的典型结构之二
传感器1
(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， 例如测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 等多种。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、 可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性价比高的传感 器。
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(一) 仪用放大器
仪用放大器的基本结构
24
仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4 ＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：
Af (1 2R1 / RG )R5 / R4
假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为 1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：
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放大器噪声分析
VIS
VOS
VIN0
前置放大器K0
后级电路K
VON
VIN
VIN VON / K
总的等效输出噪声：
VON (VIN0 K0 K )2 (VIN K )2
总的等效输入噪声：
VIN
VON K0K
VI2N 0
(VIN K0
)2
20
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VIS>V'IN，就必须使V'IN<VIN，
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(一) 传感器的主要技术指标
将被测量→转换后续电路可用电量： 1.测量范围：与被测量实际变化范围相一致。 2.测量精度：符合整个测试系统根据总精度要求 而分配给传感器的精度指标； 3.转换速度（带宽）：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、耐高压、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； 5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 12
数据采集系统简称DAS （Data Acquisition System），是指将温 度、压力、流量、位移等模拟量进行采样、 量化转换成数字量后，以便由计算机进行 存储、处理、显示或打印的装置。
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传感器 模拟信号调理
数据采集电路
微机系统
图、 数据采集系统的基本组成
• 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
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传感 器
前置 放大
滤 程控 滤 波 放大 波
采集 电路
典型模拟调理电路的组成框图
10
一、传感器的选用
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。
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；
➢ 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的
传感器，
• 自行设计传感器
…
……
数据 采集站N
…
模拟信号或数字信号
网络式数据采集结构
7
请总结每种数据采 集系统结构的主要 特点！及适用场合。
8
§2.2 模拟信号调理
数据采集系统信号调理（Signal Conditioning）的任务：
• 实现非电量信号向电信号的转换、小信号 放大、滤波等；
• 与软件配合实现零点校正、线性化处理、 温度补偿、误差修正和量程切换等功能。
VI‘N
VI2N 0
(VIN K0
)2
VIN0 VIN
1
1
K
2 0
为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前
端加入的电路必须是放大器，即K0＞1，而且 必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输
入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。
因此，调理电路前端电路必须是低噪声前置
放大器。
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两种调理电路的对比
13Fra Baidu bibliotek
1. 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、制造一些专门与A/D相配套的 大信号输出传感器。
传感器 小电压 小信号放大 小电流
信号修正与变换
滤波 A/D 微机
传感器 大电压
V/F
传感器 大电流 I/V转换
光电耦合
微机
图、 大信号输出传感器的使用
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2. 频率输出式传感器： 采用频率敏感效应器件构成，也可以由 敏感参数R、L、C构成的振荡器，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。
调理 S/H
模
拟
传感器2
调理 S/H
多
A/D
计
路
传感器3
调理 S/H
开
关
控制逻辑
算 机
多路同步取样共用A/D分时采集
5
3. 集中式数据采集系统的典型结构之三
•多通道同步采样A/D，分时传输数据 •多通道独立取样A/D，有通道缓存
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二、分布式采集
上位机
通信接口
数据 采集站1
…
数据 采集站2
…
数据 采集站3
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4. 光纤传感器： 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。 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。
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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。
•放大器为什么要“前置”,即设置在调理 电路的最前端？ •前置放大器的放大倍数应该多大？
15
频率量及开关量输出传感器的使用
传感器 频率 输出
放大 整形
传感器
开关量 输出
整形
光电 隔离
光电 隔离
计算机 计算机
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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，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。
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。
（a） VIN
(VIN0 K )2 VI2N1 K
VI2N 0
(VIN1 K
)2
（b） VIN
(VIN1K )2 (VIN0K )2 K
VI2N0 VI2N1
由于 K＞1,所以，VIN VIN，调理电路中放大器设置在 滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。
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三、信号调理通道中的常用放大器
第二章 智能仪器的输入/输出通道 及接口技术
§2.1 数据采集概述 §2.2 模拟信号调理 §2.3 量程自动转换技术 §2.4 A/D转换及接口技术 §2.5 数据采集系统设计及举例 §2.6 数据采集系统误差分析 §2.7 开关量输入通道 §2.8 模拟量输出通道 §2.9 开关量输出通道
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§2.1 数据采集概述
的多个测量点。 • 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
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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
传感器1
调理 模
传感器2
拟 调理 多 S/H
A/D
计
传感器3
路 调理 开
关
算
控制逻辑
机
多路共用采集电路分时采集
4
2. 集中式数据采集系统的典型结构之二
传感器1
(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， 例如测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 等多种。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、 可靠性等因素进行取舍，尽可能选择性价比高的传感 器。