第二章_测控系统原理与设计2_输入输出3

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1、第2 1节模拟输入通道 模拟输入通道是指被测量与微机之间的通道 它一般由以下部分组成 测控通道 在测控系统中 一台微机往往要同时测量几个被测量 因而测控系统的输入通道常常是多路的 按照各路输入通道是共用一个采集通道还是每个通道各用一个 输入通道可分为集中采集式和分散采集式 2 1 1 输入通道的分类 集中采集式之分时采集结构 采集电路 电路简单 成本低 但不能获得各路信号同一时刻的值 适于中 低速采样系统中 集中采集式之多路同步采集结构 采集电路 电路较复杂 时间偏斜误差小于分时采样系统 适于中 低速采样系统中 分散式采集结构 采集电路 电路较复杂 成本较高 适于对速度要求较高的采样系统中 特

2、点 没有模拟多路切换器 都有各自 和 随机或顺序进入计算机 2 1 2 传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一道环节 也是决定整个测试系统性能的关键环节之一 要正确选用传感器 首先要明确所设计的测试系统需要什么传感器 系统对传感器的技术要求 其次要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器 把同类产品的指标和价格进行对比 从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器 一 对传感器的主要技术要求 实现物理量到电信号的转换 满足量程需求 输出为电量 精度满足要求 速度满足要求 符合整机对传感器精度 通常为系统精度的十倍 和速度的要求 满足环境要求 满足被测介质和使用环境的要求 如耐高温 耐高压 防腐

3、抗振 防爆 抗电磁干扰 体积小 质量轻和不耗电或耗电少等 满足可靠性和可维护性的要求满足性能价格比要求 1 大信号输出传感器 要求 与A D相配套的大信号输出传感器 特性 A 把放大电路与传感器做成一体 使传感器能直接输出0 5V 0 10V或0 2 5V要求的信号电压 把传感器与相应的变送器电路做成一体 构成能输出4 20mA直流标准信号的变送器 可省去小信号放大环节 二 可供选用的传感器类型 下面是传感器输出为模拟量时的输入通道 2 数字式输出传感器 1 构成 采用频率敏感效应器件构成 也可以是由敏感参数R L C构成的振荡器 或模拟电压输入经V F转换等 2 特性 数字量传感器一般都是输

4、出频率参量 具有测量精度高 抗干扰能力强 便于远距离传送等优点 传感器输出如果满足TTL电平标准 就可以直接接入计算机的I O口或中断入口 如果传感器输出不是TTL电平 则须经电平转换或放大整形 图2 1 5所示 频率量及开关量输出的传感器还具有信号调理较为简单的优点 3 用途 非快速测量时选用 传感器输出为频率量或开关量时的输入通道 光电隔离器 opticalcoupler 英文缩写为OC 亦称光耦合器 简称光耦 光耦合器以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所以 它在各种电路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的

5、发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动发光二极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件 因而具有很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增加计算机工作的可靠性 2 1 5 3 集成式传感器 1 构成 将传感器与信号调理电路做成一体 例如 将应变片

6、 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 2 特性 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 特性 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 在信号输入通道中采用光纤传感器 可从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰 光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器 使待测参数与进入调制区的光相互作用后 导致光的光学性质 如光的强度 波长 频率 相位 偏正态等 发生变化 称为被调制的信号光 在经过光纤送入光探测器 经解调后 获得被测参数 1 向传感器厂家定购 价格高 2 实用设计方法 从传感器定型产品

7、中选一个作基础件 在其前设计一种敏感器或在其后设计一种转换器的方案进行 组合方案 各种方式的传感器组合后达到满足特定测量需要的特制传感器 赃物度测试 特殊需要传感器的解决方法 其他 BCD码输出 专用特制等 2 1 3信号调理电路的参数设计和选择 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂 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 误差修正和量程切换等 这些操作统称为信号调理 SignalConditioning 相应的执行电路统称为信号调理电路 信号调理的内容 小信号放大滤波 硬件完成 零点校正线性化温度补偿误差修正量程切换 软 典型信号调理电路的组成 对于大信号电压可以经A D

8、转换 也可以经V F转换送入微机 但后者响应速度较慢 对于大电流输出 只要经过简单I V转换即可变为大信号电压输出 电路噪声 等效电路噪声 信号输出 信号输入 1 前置放大器 放大器前置的原因1 使输入的小信号不被电路噪声所淹没 在无输入信号时 电路的输出为噪声 设电路的放大倍数为K 则噪声折算到输入端即为等效输入噪声VIN 总输出噪声折算到前置放大器输入端为 若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹没 VIS VIN 加入前置放大器后 为使输入信号不被噪声淹没 应VIS VIN 即VIN VIN 解得 即前置电路必须是放大器 放大器前置的原因2 防止滤波器的噪声被放大器放大 放大器前置时 电路的等

9、效输入噪声为 放大器后置时 电路的等效输入噪声为 放大器前置有利于减少噪声 信号调理通道中常用的放大器 在智能仪器的信号调理通道中 针对被放大信号的特点 并结合数据集电路的现场要求 目前使用较多的放大器有仪用放大器 程控增益放大器以及隔离放大器等 一 仪用放大器 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 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 由上式可知 通过调节电阻RG 可以很方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 RG一般为外接电阻 在实际的设计仪用放大电路过程中 重点考虑以下主要性能指标 1 非线

10、性度2 温漂3 建立时间4 恢复时间5 电源引起的失调6 共模抑制比 1 非线性度它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差 VI VO 2 温漂温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度 输出电压会随温度的变化而发生 1 50 V 变化 这与仪用放大器的增益有关 3 建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间 4 恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间 放大器的建立时间和恢复时间是由频带宽度决定 直接影响数据采集系统的采样速率 放大器增益带宽积指标 5 电源引起的失调指电源电压每变化1 引起放大器的漂移电

11、压值 仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器 对于共电源系统 指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一 6 共模抑制比CMRR 20logAdef Acom共模电压存在场合 二 程控增益放大器程控放大器是常用部件 在许多实际应用中 为了在整个测量范围内获取合适的分辨力 常采用可变增益放大器 增益由仪器内置计算机的程序控制 这种由程序控制增益的放大器 称为程控放大器 三 隔离放大器隔离模式 两口隔离 信号输入部分与信号输出部分欧姆隔离 三口隔离 信号输入部分 信号输出部分 功率供给部分彼此欧姆隔离 三种隔离办法 光隔离 电容隔离 变压器隔离 电磁 应用场合 高共模电压场合 如电力线电流取样 强

12、电场中测量小范围电压差 测试现场干扰比较大的微弱模拟信号 而对信号的传递精度要求又高 多个系统不能共地 特点 1 能保护系统元件不受高共模电压的损害 防止高压对低压信号系统的损坏2 泄漏电流低 对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路 3 共模抑制比高 能对直流和低频信号进行准确 安全的测量 种类 高通滤波器 陷波滤波器 去混淆滤波器作用 防止零点漂移 防止共频干扰 防止采集混叠现象 二 滤波器的作用和参数选择 1 隔直电容的作用 为隔离电路的零点漂移 通常用隔直电容的方法 隔直电容的作用 使调理电路的零漂电压不会随被测信号一起送到采集电路 隔直电容C与电压跟随器输入电阻Ri形成的高通滤波器

13、截止频率应很低 甚至不到1赫兹 如图所示 由于fl很低 对一般的低频干扰不起作用 在有些仪器上需要滤除低频干扰 需要设置专门的高通滤波器 滤除低频干扰 其截止频率应高于需要滤除的干扰频率 调理电路通频带的下限频率由专门的高通滤波器决定 而不由RC电路决定 2 高通滤波器 3 陷波器陷波器 陷波器 抑制交流电干扰 陷波频率应等于交流电干扰的频率 50Hz 如果不存在交流电干扰就不设置陷波器 当被测信号频率远小于交流电频率时 也可用低通滤波器滤除交流电干扰 4 低通滤波器 低通滤波器 去混淆 即在采样前先滤除高频干扰 防止高频分量被采样而折叠到信号频段产生 混淆 采样定理的折叠失真及消除条件 连续

14、信号x t 被宽度为的脉冲信号所采集 采样周期为T 这样一个过程可以看成是连续信号x t 对单位脉冲序列的脉冲调制过程 采样开关就起到脉冲调制器作用 这个过程可以用数学表达式表示为 对应频谱为 取样脉冲信号 其中ws为采样角频率 2 1 9 2 1 8 若让采样信号Xs t 通过一个截频为Ws 2的理想低通滤波器 其传输函数为 得到恢复信号X0 t 的频谱为 在0 Ws 2范围内有 将n 0拆出所得这种差别叫折叠失真 折叠失真的消除 频谱图讨论 被采样信号 恢复信号 将式2 1 12展开得 Wc被采样频率 Ws采样频率 由图可看出x w ws 可看做x w 以w ws 2为对折轴折叠的结果 因

15、此 该频率又称为折叠频率 如果wc ws 2被采样信号频谱中高于ws 2的部分 ws 2 wc 采样后沿ws 2折叠回来便在 ws wc ws 2范围内形成干扰或噪声 这种情况下 经理想低通滤波恢复出来的信号频谱xo W 与原被采样信号频谱X W 的差别是x w 在ws 2 wc部分被切掉了 在 ws wc ws 2却多出一块 结论 消除采样引起的折叠失真满足的条件 采样定理 被采样信号的最高频率必须为有限值 即采样频率要大于被采样信号最高频率的两倍 即采样周期T满足条件 采样定理 香农定理 2 去混淆滤波的设置 采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折叠频率fs 2的频率分量 产生频率混

16、淆 被采样频谱包含有用信号和干扰噪声两部分 大多存在高于fs 2的频率分量 由于被采样频谱中高于fs 2的频率分量采样后会出现在低于fs 2的信号频段上 这样就无法用频率滤波的方法将它们与信号分离 为消除频率混淆或假频干扰 就只有在采样之前先用一个截频fh fs 2的低通滤波器把高于fs 2的频率分量滤掉 以保证采样时被采样的频谱只包含低于fs 2的频率分量 即满足采样定理 在采样开关之前设置的这种用途的低通滤波器常称做去混淆滤波器或去假频滤波器 当然 如果被采样频谱中不包含高于fs 2的频率分量 或者虽然有但也很微弱 那就不必增加去混淆滤波这道环节 去混淆滤波器的任务是滤掉被采样频谱中高于fs 2的频率分量 如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话 那么去混淆滤波器截止频率fh fs 2就可以了 结论 1 混淆 产生的原因 被采样频谱中含有高于折迭频率fs 2的频率分量 2 混淆 的危害 被采样频谱中高于fs 2的频率分量采样后会沿fs 2折迭到 fs fc fs 2频段对信号形成干扰 3 混淆 的消除 在采样之前先用一个低通滤波器把高于fs 2的频率分量滤掉