智能仪器的数据采集技术.ppt

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智能仪器的数据采集技术智能仪器的数据采集技术智能仪器的数据采集系统简称智能仪器的数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），），是指是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。

装置。

第一节第一节数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图3.1数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成实际的数据采集系统往往需要同时实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。

因此，多路模拟输人通道更具测量点。

因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。

按照系统中数据采集电路是有普遍性。

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，多路各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。

采集式两大类型。

一、集中采集式一、集中采集式图图3.2集中式数据采集系统的典型结构集中式数据采集系统的典型结构二、分散采集式二、分散采集式（分布式分布式）（a）分布式单机数据采集结构分布式单机数据采集结构通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号（b）网络式数据采集结构网络式数据采集结构图图3.3分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构第二节第二节模拟信号调理模拟信号调理在一般测量系统中信号调理的任务在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（信号调理（SignalConditioning），），相应相应的执行电路统称为信号调理电路。

的执行电路统称为信号调理电路。

传感传感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集电路电路图图3.4典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图一、传感器的选用一、传感器的选用传传感感器器是是信信号号输输人人通通道道的的第第一一道道环环节节，也也是是决决定定整整个个测测试试系系统统性性能能的的关关键键环环节节之之一一。

要要正正确确选选用用传传感感器器，首首先先要要明明确确所所设设计计的的测测试试系系统统需需要要什什么么样样的的传传感感器器系系统统对对传传感感器器的的技技术术要要求求；其其次次是是要要了了解解现现有有传传感感器器厂厂家家有有哪哪些些可可供供选选择择的的传传感感器器，把把同同类类产产品品的的指指标标和和价价格格进进行行对对比比，从从中中挑挑选选合合乎乎要要求求的的性性能能价价格格比比最最高高的传感器。

的传感器。

（一一）对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求1.具具有有将将被被测测量量转转换换为为后后续续电电路路可可用用电电量量的的功功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。

能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。

2.转转换换精精度度符符合合整整个个测测试试系系统统根根据据总总精精度度要要求求而而分分配配给给传传感感器器的的精精度度指指标标，转转换换速速度度应应符符合合整整机要求。

机要求。

3.能能满满足足被被测测介介质质和和使使用用环环境境的的特特殊殊要要求求，如如耐耐高高温温、耐耐高高压压、防防腐腐、抗抗振振、防防爆爆、抗抗电电磁磁干干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。

扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。

4.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。

（二二）可供选用的传感器类型可供选用的传感器类型对于一种被测量，常常有多种传感器可以测对于一种被测量，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、半导体电阻、热敏电阻、半导体PN结、结、IC温度传感温度传感器、光纤温度传感器等好多种。

在都能满足测器、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、相配电路是否简单等因素进侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，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。

1.大信号输出传感器大信号输出传感器:

为了与为了与A/D输入要求输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与门与A/D相配套的大信号输出传感器。

相配套的大信号输出传感器。

传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图图3.5大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用2.数字式传感器：

数字式传感器一般是数字式传感器：

数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或构成的振荡器，或模拟电压输入经模拟电压输入经V/F转换等，因此，数字转换等，因此，数字量传感器一般都是输出频率参量，具有量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。

离传送等优点。

传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图图3.6频率量及开关量输出传感器的使用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。

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人通道的信采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务，简化通道结构。

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、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，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。

在信号输避免了电路系统的电磁干扰。

在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上入通道中采用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。

解决由现场通过传感器引入的干扰。

二、运用前置放大器的依据二、运用前置放大器的依据多多数数传传感感器器输输出出信信号号都都比比较较小小，必必须须选用前置放大器进行放大。

选用前置放大器进行放大。

判判断断传传感感器器信信号号“大大”还还是是“小小”和和要要不要进行放大的依据又是什么？

不要进行放大的依据又是什么？

放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”,即即设设置置在在调调理理电路的最前端？

电路的最前端？

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？

VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVON图图3.7前置放大器的作用前置放大器的作用图图3.8两种调理电路的对比两种调理电路的对比由于由于K1,所以，所以，这就是，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前说，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。

面有利于减少电路的等效输入噪声。

三、信号调理通道中的常用放大器三、信号调理通道中的常用放大器在智能仪器的信号调理通道中，针在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大电路的现场要求，目前使用较多的放大器有器有仪用放大器仪用放大器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔离放大器隔离放大器等。

等。

（一一）仪用放大器仪用放大器图图3.9仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构仪仪用用放放大大器器上上下下对对称称，即即图图中中R1=R2，R4R6，R5R7。

则放大器闭环增益为：

则放大器闭环增益为：

假假设设R4=R5，即即第第二二级级运运算算放放大大器器增增益益为为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：

，则可以推出仪用放大器闭环增益为：

由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。

当采用便地改变仪用放大器的闭环增益。

当采用集成仪用放大器时，集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。

一般为外接电阻。

在实际的设计过程中，可根据模在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。

具体的放大电路。

1.非线性度非线性度它是指放大器实际输出输入关系曲线它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。

与理想直线的偏差。

当增益为当增益为1时，如果时，如果一个一个12位位A/D转换器有转换器有0.025%的非线性的非线性偏差，当增益为偏差，当增益为500时，非线性偏差可达时，非线性偏差可达0.1%，相当于把，相当于把12位位A/D转换器变成转换器变成10位以下转换器，故一定要选择非线性偏位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于差小于0.024%的仪用放大器。

的仪用放大器。

2.温漂温漂温漂是指仪用放大器输出电压随温温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。

通常仪用放大器度变化而变化的程度。

通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生的输出电压会随温度的变化而发生（150）V/变化，这与仪用放大器的变化，这与仪用放大器的增益有关。

增益有关。

3.建立时间建立时间建建立立时时间间是是指指从从阶阶跃跃信信号号驱驱动动瞬瞬间间至至仪仪用用放放大大器器输输出出电电压压达达到到并并保保持持在在给给定定误误差差范范围内所需的时间。

围内所需的时间。

4.恢复时间恢复时间恢恢复复时时间间是是指指放放大大器器撤撤除除驱驱动动信信号号瞬瞬间间至至放放大大器器由由饱饱和和状状态态恢恢复复到到最最终终值值所所需需的的时时间间。

显显然然，放放大大器器的的建建立立时时间间和和恢恢复复时时间间直直接影响数据采集系统的采样速率。

接影响数据采集系统的采样速率。

5.电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。

仪用放大，引起放大器的漂移电压值。

仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。

稳压电源的主要依据之一。

6.共模抑制比共模抑制比当当放放大大器器两两个个输输入入端端具具有有等等量量电电压压变变化化值值UI时时，在在放放大大器器输输出出端端测测量量出出电电压压变变化化值值UCM，则则共共模抑制比模抑制比CMRR可用下式计算：

可用下式计算：

CMRR也也是是放放大大器器增增益益的的函函数数，它它随随增增益益的的增增加加而而增增大大，这这是是因因为为测测量量放放大大器器具具有有一一个个不不放放大大共共模模的的前前端端结结构构，这这个个前前端端结结构构对对差差动动信信号号有有增增益益，对对共共模模信信号号没没有有增增益益。

但但CMRR的的计计算算却却是是折折合合到到放放大大器器输输出出端端，这这样样就就使使CMRR随增益的增加而增大。

随增益的增加而增大。

（二二）程控增益放大器程控增益放大器程控放大器是智能仪器的常用部件之程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合量仪器中