数据采集系统设计(1)
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 ➢-型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（Data Acquisition System）DAS
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 的装置。
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， 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。
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。
速测试系统
统
精选PPT
10
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 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。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要 去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测 量信进行调制解调处理。
相邻两路信号采 MUX对N路信号 N个采样/保持器 集时偏(N为信号 依次采样，相邻 同时采样，不存 路数T为采样周期) 两路采样时偏T/N 在采样时偏
适用场合
不严格要求同步 严格要求同步采
采集的场合
Βιβλιοθήκη Baidu
集的场合
精选PPT
7
二、分布式采集
精选PPT
8
数据 采集站1
…
上位机 通信接口
数据 采集站2
…
数据 采集站3
(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、光纤温度传感器等好多种。
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，尽可能选择性能价格比高的传感器。
精选PPT
23
(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
Af
21.69131.6 1
Uomax0.131.631.6V
精选PPT
24
100 k
S1.
S1.
△
Hi
1
2
＋∞
9.9 M
Lo
－
V9
100 k
V10
V6
＋ 15 V
1.大信号输出传感器（可省去小信号放大环节 ）
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。
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、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。
精选PPT
12
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； ▪零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。
精选PPT
13
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
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
(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： 1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 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 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。
精选PPT
2
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 调理电路:对模拟信号进行放大、滤波等调理 采集电路:把模拟信号转换成数字信号
精选PPT
3
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。 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:
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。
(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。
…
……
数据 采集站N
…
模拟信号或数字信号
网络式数据采集结构
集中采集式
分散采集式
电路共同点
都由传感器、调理电路、采集电路 三部分组成
电路不同点
有MUX,
无MUX,
N路共用一个S/H N路各用一个S/H
和A/D
和A/D
对A/D转换时间的 要求
T N
T
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
147 k
V5
V8
21.6 k V7 9 k 1 k
量程标定电路原理
精选PPT
Uo
25
(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
21.691 Af 91 31.6 Uomax 131.6 3.16V
(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
◆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
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
同步采集型
电路共同点
N路传感器、调理电路共用一组采集 电路（MUX、S/H、A/D）
电路不同点
MUX前不接S/H MUX前接N个 S/H
➢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 ➢-型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（Data Acquisition System）DAS
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 的装置。
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， 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。
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。
速测试系统
统
精选PPT
10
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 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。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要 去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测 量信进行调制解调处理。
相邻两路信号采 MUX对N路信号 N个采样/保持器 集时偏(N为信号 依次采样，相邻 同时采样，不存 路数T为采样周期) 两路采样时偏T/N 在采样时偏
适用场合
不严格要求同步 严格要求同步采
采集的场合
Βιβλιοθήκη Baidu
集的场合
精选PPT
7
二、分布式采集
精选PPT
8
数据 采集站1
…
上位机 通信接口
数据 采集站2
…
数据 采集站3
(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、光纤温度传感器等好多种。
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，尽可能选择性能价格比高的传感器。
精选PPT
23
(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
Af
21.69131.6 1
Uomax0.131.631.6V
精选PPT
24
100 k
S1.
S1.
△
Hi
1
2
＋∞
9.9 M
Lo
－
V9
100 k
V10
V6
＋ 15 V
1.大信号输出传感器（可省去小信号放大环节 ）
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。
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、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。
精选PPT
12
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； ▪零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等。
精选PPT
13
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
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
(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： 1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 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 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。
精选PPT
2
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 调理电路:对模拟信号进行放大、滤波等调理 采集电路:把模拟信号转换成数字信号
精选PPT
3
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。 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:
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。
(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。
…
……
数据 采集站N
…
模拟信号或数字信号
网络式数据采集结构
集中采集式
分散采集式
电路共同点
都由传感器、调理电路、采集电路 三部分组成
电路不同点
有MUX,
无MUX,
N路共用一个S/H N路各用一个S/H
和A/D
和A/D
对A/D转换时间的 要求
T N
T
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
147 k
V5
V8
21.6 k V7 9 k 1 k
量程标定电路原理
精选PPT
Uo
25
(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
21.691 Af 91 31.6 Uomax 131.6 3.16V
(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
◆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
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
同步采集型
电路共同点
N路传感器、调理电路共用一组采集 电路（MUX、S/H、A/D）
电路不同点
MUX前不接S/H MUX前接N个 S/H