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1、检检 测测 技技 术术 基基 础础 检测就是去认识检测就是去认识 科学家西门子（W.Ven.Siemens） 数字化测量技术 概述概述 准确度高；准确度高； 输入阻抗高；输入阻抗高； 数字显示数字显示; ; 测量速度快；测量速度快； 灵敏度高；灵敏度高； 功能强，使用方便；功能强，使用方便； 与计算机接口容易与计算机接口容易 一数字仪表的特点一数字仪表的特点 把各种连续的模拟量进行量化，以数字编码形式进行传递、把各种连续的模拟量进行量化，以数字编码形式进行传递、 储存、运算处理。储存、运算处理。 这种技术称数字化测量技术。这种技术称数字化测量技术。 工程中,大量的情况涉及到模拟量与数字量的互转
2、换. 一、滤波一、滤波 严重时干扰信号会淹没有用信号，导致无法测量严重时干扰信号会淹没有用信号，导致无法测量 ； 采用抗干扰措施，或进行信号滤波技术提高信噪采用抗干扰措施，或进行信号滤波技术提高信噪 比；比； 有源滤波器有源滤波器的增益可大于的增益可大于1，无源滤波器的增益，无源滤波器的增益 小于小于1（滤波器内部电阻有一定损耗）；此外有（滤波器内部电阻有一定损耗）；此外有 源滤波器还有一系列优点，应用广泛；源滤波器还有一系列优点，应用广泛； 功能上：低通、高通、带通、带阻滤波器；功能上：低通、高通、带通、带阻滤波器； 二、模拟信号放大技术二、模拟信号放大技术 传感器将非电物理量转换为微弱电信
3、号，由于幅传感器将非电物理量转换为微弱电信号，由于幅 值很小且有干扰信号，必须进行信号滤波和放大值很小且有干扰信号，必须进行信号滤波和放大 ，将信号放大到，将信号放大到A/D转换可接受的幅值范围内转换可接受的幅值范围内。 模拟信号的放大，常选用集成运算放大器（简称模拟信号的放大，常选用集成运算放大器（简称 运放）。运放）。 测量放大器：信号放大，且具有高共模抑制比、测量放大器：信号放大，且具有高共模抑制比、 高输入阻抗等特点。高输入阻抗等特点。 AD521是集成测量放大器，采用14脚双列直插 式封装。 1 2 3 4 5 6 7 8 10 11 12 13 14 +IN -IN RG 10K
4、U- UOUT RS 100K U+ AD521基本连接方法 a) 热电耦直接相连；(b) 变压器相连；(c) 交流信号通过电容相连 偏置电流回路 偏置电流回路 偏置电流回路 三、集成模拟多路开关 （4）开关电阻：开关电阻： 导通电阻与断开电阻。作为电子型开关导通电阻与断开电阻并不理想。导通电导通电阻与断开电阻。作为电子型开关导通电阻与断开电阻并不理想。导通电 阻阻120 120 - -270270。 （3 3）切换速度）切换速度: :如果传输的为高速变化的信号如果传输的为高速变化的信号, , 必须考虑切换速度，通常结合必须考虑切换速度，通常结合 采样保持器采样保持器,A/D,A/D转换器的速
5、度综合分析。转换器的速度综合分析。 （2 2）泄漏电流泄漏电流 : : 如果输入信号内阻大如果输入信号内阻大, ,传输信号为电流传输信号为电流, ,泄漏电流泄漏电流越小越好。越小越好。 （1 1）通道数：）通道数：通道数增加通道数增加, ,开关的寄生电容也增加，容易引起各通道相互干扰开关的寄生电容也增加，容易引起各通道相互干扰; ; 理想模拟电子开关接通时，导通电阻为理想模拟电子开关接通时，导通电阻为0 0，无残余电势，不失真传输。断开时，无残余电势，不失真传输。断开时， 电阻无穷大，无泄漏，各信号源之间完全隔离。实际模拟电子开关是达不到这电阻无穷大，无泄漏，各信号源之间完全隔离。实际模拟电子
6、开关是达不到这 些要求的。些要求的。 采用多路模拟开关对采用多路模拟开关对几路或几十路模拟信号进行分时采样几路或几十路模拟信号进行分时采样。由于机械开关切。由于机械开关切 换速度太低，并且工作寿命短（几万次），所以测量电路绝大多数采用模拟电子换速度太低，并且工作寿命短（几万次），所以测量电路绝大多数采用模拟电子 开关。开关。 基本指标：基本指标： 即：将多路被测信号分别传送到A/D转换器进行转换。 微型计算机数据采集系统典型结构图： MUX：一种集成电路，内部有受外部电压信号控制的多个“电子开关”，每个 “开关”的通断与控制信号相互独立 SHA：采样/保持放大器 工作原理如下： 设选择第1路输
7、入信号， 则计算机输出一个4位二进 制码，把计数器置成0001 状态，经四 十六线 译码器后，第1根线输出高 电平，场效应管T1导通， UO= Ui1 ，选中第1路信号。 如果要连续选通第1路到 第3路的信号，可以在计数器 加入计数脉冲，每加入一次 脉冲，计数器加1，状态依次 变为 0001，0010，0011。 集成电路开关 将多路开关、计数器、译码器制造在一个芯 片上。 固体式模拟开关 设计设计JFETJFET开关开关: : 首先考虑的首先考虑的JFETJFET需要通过的电流需要通过的电流 和允许的导通电阻和允许的导通电阻. . V VGSVGSVPVP，导电沟道出现耗尽，导电沟道出现耗尽
8、 层层, ,但尚未夹断但尚未夹断, , VGS=0VGS=0，导电沟道完全畅通，导电沟道完全畅通, , 特点：导通电阻特点：导通电阻5 5- -100100，无残余，无残余 电压，可以作为高精度电压切换。电压，可以作为高精度电压切换。 （一）结型场效应模拟开关（一）结型场效应模拟开关(JFET)(JFET) 又称半导体模拟开关又称半导体模拟开关, ,包括双极型晶体管（包括双极型晶体管（BJTBJT）, ,结型结型JFETJFET， MOSFETMOSFET开关。开关。 其次考虑的是驱动电压,这与允许输入电压和夹断电压Vp有关。 若输入电压范围:Vimin2fcfs2fc 模拟信号进行模拟信号进
9、行 AD 转换时，从启动转换到转换转换时，从启动转换到转换 结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入结束输出数字量，需要一定的转换时间，当输入 信号频率较高时，会造成很大的转换误差。信号频率较高时，会造成很大的转换误差。 S/H的工作原理 tUUmxsintsdtdUUdtdUtsU,tUdtdU mcos显然在正弦波过显然在正弦波过0 0的的t t时时, ,正弦电压变化最大。正弦电压变化最大。 求导求导: : 设输入电压为设输入电压为: : 求最大求最大孔径误差孔径误差V:V: 每一种每一种A/DA/D转换器转换器, ,都需要将连续信号进行离散都需要将连续信号进行离散, ,取其瞬时值进行取
10、其瞬时值进行 量化量化, ,这个转换过程需要有一定的时间这个转换过程需要有一定的时间, ,在这个时间中或量化或记在这个时间中或量化或记 录。称这段时间为孔径时间录。称这段时间为孔径时间tsts(tap)(tap)。如果在如果在tsts内内, ,模拟量仍在变模拟量仍在变 化化, ,必然会引起误差必然会引起误差. .称孔径误差称孔径误差V V。 设允许孔径误差小于LSB（最低有效位。在二进制数中，最低有效位。在二进制数中，LSB是最低加权是最低加权 位位）即： ()2m cm cdUUtfU tdt12221 2FS nFS m cnmFSn cULSBUfU tUUftcos2/2(mmdUUt
11、Udt Tf角速度与频率关系）转换时间转换时间tCONV内，正弦信号电压的最大变内，正弦信号电压的最大变 化不超过化不超过1LSB所代表的电压，数据采集系所代表的电压，数据采集系 统可采集的最高信号频率统可采集的最高信号频率 已知已知AD转换器的型号为转换器的型号为ADC0804， 其转换时间其转换时间tCONV=100 s（时（时 钟频率为钟频率为640kHz），位数），位数n = 8，允许信号变化为，允许信号变化为1/2LSB计算系统可计算系统可 采集的最高信号频率。采集的最高信号频率。 max28 26 CONV113.11(Hz)223.14 100 10nft如果在AD转换器的前面加
12、一个采样保持器，这样就变成在t = tAP内讨 论系统可采集模拟信号的最高频率。仍考虑对正弦信号采样，则系统可采集的信号最高 频率为 孔径时间越大孔径时间越大, ,转换位数越高转换位数越高, ,则转换最高频率越小则转换最高频率越小. . ULSB1max2 AP1(Hz)2nftULSB1 2max1 AP1(Hz)2nft因为tAP一般远远小于AD转换器的转换时间tCONV，所以，有采样保持器的系 统可采集的信号最高频率要大于未加采样保持器的系统。 用孔径时间分别为5s和2s的 8位和12位AD测量Vx,保证孔径误差小于 1LSB,求被测量Vx的最高频率。若转换前使用孔径时间为Tap=0.1
13、s的S/H,上 述两种AD能测量Vx的最高频率又是多少? 19611124 z225 10xnfHtc 196116.2220.1 10xn APfkHzt若转换前使用孔径时间为若转换前使用孔径时间为tap=0.1tap=0.1s s的的S/H,S/H,则则taptap代替代替tc:tc: 解解: (1) : (1) 8 8位位AD,n=8,tc=5AD,n=8,tc=5s:s: 113611388220.1 10xn APfHZt11361119.4222 10xnfHztc 选用采样保持器就可以大大提高可转换信号的频率选用采样保持器就可以大大提高可转换信号的频率. . 若转换前使用孔径时间
14、为若转换前使用孔径时间为tap=0.1tap=0.1s s的的S/H,S/H,则则taptap代替代替tc:tc: (2) (2) 1212位位AD,n=12,tc=2AD,n=12,tc=2s:s: 采样/保持电路构成 反馈式采样反馈式采样/ /保持电路保持电路 这种电路具有较高的采样这种电路具有较高的采样 保持精度，但速度较慢保持精度，但速度较慢。 A1A1是阻抗隔离，是阻抗隔离，A1A1输入阻抗输入阻抗 高，输出阻抗低。高，输出阻抗低。 采样期间，控制信号使采样期间，控制信号使K K闭闭 合，电容器上的电压跟踪输合，电容器上的电压跟踪输 入。保持阶段，入。保持阶段，K K断开，则电断开，
15、则电 容容C C失去放电回路，故能够保失去放电回路，故能够保 持输入瞬时值。持输入瞬时值。 开环快速采样开环快速采样/ /保持电路保持电路 采样采样/ /保持电路有两种形式：保持电路有两种形式： 主要技术指标 捕获时间与输入放大器的响应捕获时间与输入放大器的响应 时间、电容器充放电时间常数时间、电容器充放电时间常数 以及输入变化率有关。以及输入变化率有关。 采样周期应大于捕捉时间。采样周期应大于捕捉时间。 从发出采样命令起从发出采样命令起, ,由于电容的由于电容的 电压电压VcVc充电充电, ,输出电压由原来的输出电压由原来的 保持值过渡到此刻输入信号值保持值过渡到此刻输入信号值 所需时间所需时间。 2.2.捕获时间捕获时间 从发出保持命令起从发出保持命令起, ,到开关真正到开关真正 关断所需的时间关断所需的时间. .由于响应时间由于响应时间 的存在的存在, ,就会产生采样就会产生采样延时延时，导，导 致被采样信号变化引起的误差。致被采样信号变化引起的误差。 1.1.孔径时间孔径时间 3.保持电压衰减率： HCIdtdU00实际上开关关断电阻并非无限大，另外电容器介质存在漏电阻，实际上开关关断电阻并非无限大，另外电容器介质存在漏电阻， 所
