计算机控制系统的数据采集技术(前向通道).ppt

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1、1 2 0数据通道概述2 1数据采集系统的组成结构2 2信号调理2 2 1传感器的选用2 2 2运用前置放大器的依据2 2 3信号调理通道中的常用放大器2 2 4V I和I V转换电路 第二章 1 计算机控制系统的数据采集技术 前向通道 2 2 3多路模拟开关2 3 1结构原理2 3 2扩展电路2 4采样 保持器2 4 1概述2 4 2采样 保持器的工作原理2 4 3系统采集速度与采样 保持2 4 4采样保持器 3 2 5A D Analog Digital 转换器及接口技术2 5 1A D转换器的作用2 5 2ADC的转换原理2 6常用ADC集成芯片及其与微处理器的接口2 6 1典型芯片 A

2、DC0809介绍2 6 2AD574A及其与微处理器的接口2 6 3CS5360及其与微处理器的接口2 7A D转换模板2 8A D转换器的选择2 9数字量输入通道2 9 1开关输入电路2 9 2脉冲计数电路 4 2 0数据通道概述 人 机界面 工业系统 机 机界面 数据通道 人通过键盘 鼠标等向计算机输入信息 计算机通过显示器输出信息 5 数据通道 工业系统 数据通道的分类 开关量 某个开关通 断的状态 只有两种状态 模拟量 时间上连续 量值在一定范围内连续 模拟量输入到计算机 需要将模拟量转换为数字量即模数转换 因此该通道也称为A D通道 6 实例1 研华PCL 724数据采集卡 7 数据

3、采集卡接口 20芯扁平线 8 电源线 9 实例2 智能模块 泓格I7017模拟量输入 10 泓格I7014模拟量输出 11 模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度 压力 流量 液位 重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号 结构组成如图2 1所示 来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理 然后经多路模拟开关 分时切换到后级进行前置放大 采样保持和模 数转换 通过接口电路以数字量信号进入主机系统 从而完成对过程参数的巡回检测任务 2 1数据采集系统的组成结构 12 显然 该通道的核心是模 数转换器即A D转换器 通常把模拟量输入通道称为A D通道或AI通

4、道 13 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采集式两大类型 14 一 集中采集式 图2 2集中式数据采集系统的典型结构 15 二 分散采集式 分布式 a 分布式单机数据采集结构 16 b 网络式数据采集结构图2 3分布式数据采集系统的典型结构 上位机 下位机的概念 17 2 2信号调理 SignalConditioning 所谓信号调理 就是将传感器或者变送器所输出的电信号进行放大 隔离 滤波 以便数据采集板实现数据的采集 传感器

5、 数电 模电知识 图2 4典型调理电路的组成框图 18 2 2 1传感器的选用 复习 传感器是信号输人通道的第一道环节 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样的传感器 系统对传感器的技术要求 其次是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价比最高的传感器 19 传感器 用于将被测物理信号转化为电信号的器件 常用传感器举例 温度测量 热电阻 0 200度 热电偶 200 1500度 压力测量 弹簧位移 压敏器件流量测量 压力差原理位移测量 电位器 电容式 光栅 调速系统中介绍 速度测量

6、 电磁感应 离心位移 20 变送器 复习 用于将传感器信号进行初步处理 包括 1 信号滤波 实现一个低通滤波器 滤除常见高频干扰2 小信号放大 小信号易受干扰 不易传输 要进行放大 3 I V变换 将电压 电流信号统一变换为规定标准信号 以利于传输使用 常见标准 计算机接口标准 范围0 5VDDZ 型仪表标准 范围0 10mADDZ 型仪表标准 范围4 20mA4 非线性补偿 对实际物理信号与电信号成非线性关系的情况进行补偿操作 使其成为线性关系 这部分工作亦可由计算机软件完成 如 热电偶中 热电势e与温度T的关系一般为 T a1e4 a2e3 a3e2 a4e a5 a1 a5为常数 补偿后

7、 变送器的输出电压V与温度T的关系可转化为线性关系 即 V aT b 21 一 对传感器的主要技术要求1 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能 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 转换速度应符合整机要求 3 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 4 能满足用户对可靠性和可维护性的要求 22 二 可供选用的传感器类型温度的传感器就有 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

8、用条件等情况下 应侧重考虑成本低 适配电路是否简单等因素进行取舍 尽可能选择性价比高的传感器 23 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 图2 5大信号输出传感器的使用 电流 电压转换 电压 频率转换 24 2 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 因此 数字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 便于远距离传送等优点 25 图2 6频率量及开关量输出传感器的使用 26 3 集成传感器 DS18B20温度传

9、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人通道的信号调理任务 简化通道结构 27 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 在信号输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 28 2 2 2运用前置放大器的依据多数传感器输出信号都比较小 必须选用前置放大器进行放大 判断传感器信号 大 还是 小 和要不要进行放大的依据又是什么 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 2

10、9 2 2 3信号调理通道中的常用放大器 难点 在智能仪器的信号调理通道中 针对被放大信号的特点 并结合数据采集电路的现场要求 目前使用较多的放大器有测量放大器 程控增益放大器以及隔离放大器等 前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A D转换的量程范围之内 如0 5VDC 对单纯的微弱信号 可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大 如图2 5所示 信号源的一端若接放大器的正端为同相放大 同相放大电路的放大倍数G 1 R2 R1 若信号源的一端接放大器的负端为反相放大 反相放大电路的放大倍数G R2 R1 当然 这两种电路都是单端放大 所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地 电

11、路 模电 30 图2 5放大电路 31 OP07 32 一 测量放大器 在实际工程中 来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰 而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用 因此 A D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器 也称仪表放大器 如图2 6 a 所示 经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构 测量放大器的差动输入端Vin 和Vin 分别是两个运放A1 A2的同相输入端 输入阻抗很高 而且完全对称地直接与被测信号相连 因而有着极强的抑制共模干扰能力 33 图2 6测量放大器 34 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

12、 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 35 测量放大器的特点 具有高共模抑制比 高速度 高精度 宽频带 高稳定性 高输入阻抗 低输出阻抗 低噪声等 测量放大器的工作原理a 结构 由三个运算放大器构成 其内部基本电路如图所示 b 工作原理 A1 A2二个同相放大器组成差动式放大电路 输入信号加在A1 A2的同相输入端 从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗 功率放大器A3为后级 它不仅切断共模干扰的传输 还将双端输入方式变换成单端输出方式 以满

13、足负载的需要 36 测量放大器集成芯片常用的有AD521S AD522B AD612 AD605 ZF605 INA102等 a AD521采用标准DIP 14双列直插式封装 其管脚功能如图a与基本接法如图b所示 在使用AD521 或其他测量放大器 时 要特别注意为偏置电流提供回路 为此 输入 引脚l或引脚3 端必须与电源的地线相连构成回路 b AD522也是单芯片集成精密测量放大器 37 AD521的管脚功能及基本接法 38 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 并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路 了解 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

14、的偏差 当增益为1时 如果一个12位A D转换器有0 025 的非线性偏差 当增益为500时 非线性偏差可达0 1 相当于把12位A D转换器变成10位以下转换器 故一定要选择非线性偏差小于0 024 的仪用放大器 39 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 通常仪用放大器的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 恢复时间恢复时间是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 显然 放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率 40 4 建立时间建立时间是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

15、在给定误差范围内所需的时间5 电源引起的失调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稳压电源的主要依据之一 41 6 共模抑制比 CMRR CommonModeRejectionRatio 当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时 在放大器输出端测量出电压变化值UCM 则共模抑制比CMRR可用下式计算 CMRR也是放大器增益的函数 它随增益的增加而增大 这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构 这个前端结构对差动信号有增益 对共模信号没有增益 但CMRR的计算却是折合到放大器输出端 这样就

16、使CMRR随增益的增加而增大 42 二 程控增益放大器 PGA ProgrammableGainAmplifier 了解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 特别是在通用测量仪器中 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 在智能仪器中 可变增益放大器的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 在A D转换通道中 多路被测信号常常共用一个测量放大器 而各路的输入信号大小往往不同 但都要放大到A D转换器的同一量程范围 因此 对应于各路不同大小的输入信号 测量放大器的增益也应不同 具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器 如图2 6 b 所示 43 图2 6前置放大器 b 可变增益放大器 44 把图2 6 b 中的外接电阻Rg换成一组精密的电阻网络 每个电阻支路上有一个开关 通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益 根据开关支路上的电阻值与增益公式 就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2 4 8 16 32 64 128 256倍 显然 这一组开关如果用多路模拟开关 类似CD4051 就可方便地进