气象仪器精品课程

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1、v气象仪器主讲人：LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器第二章 智能仪器基础*2 2概述 2.1传感器与信号调理 2.2模/数转换技术 2.3微控制器 2.4人机接口 2.5低功耗设计 2.6数据处理技术 2.1LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器*3 32.1 概述随着微电子技术的不断发展以及单片机的问世，以单片机为 主体，将计算机技术与测量控制技术结合在一起，又组成了 所谓的“智能化测量控制系统”，也就是智能仪器。 操作自动化 具有自测功能 具有数据处理功能 具有友好的人机对话能力 具有可程控操作能力 智能仪器的功能特点 LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器智能仪器发展趋势v1 微型化

2、 v2 多功能 v3 人工智能化 v4 融合ISP和EMIT技术，实现仪器仪表系统的 Internet接入（网络化） v5 智能仪器发展的新阶段 -虚拟仪器LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器第二章 智能仪器基础*5 5概述 2.1传感器与信号调理 2.2模/数转换技术 2.3微控制器 2.4人机接口 2.5低功耗设计 2.6数据处理技术 2.1LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.2 传感器与信号调理*6 6信号调理是将实际存 在的电压、电流、声 音、图像、温度、压 力等连续变化的模拟 信号进行放大、滤波 、隔离等操作转换成 采集设备能够识别的 标准信号 。传感器与信号调理传感器是指能

3、把物 理化学量转变成便 于利用和输出的电 信号，用于获取被 测信息，完成信号 的检测和转换的器 件。LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器Text 4结构型物理型能量转化型能量控制型传感器的分类按被测物理量按传感器与被测量 间能量转换关系2.2.1 传感器 *7 7Text 3按传感器工作或 信号转换原理力、速度、温 度传感器等LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器传感器的选择 *8 81)测量对象与测量环境 2)灵敏度 3)频率响应特性 4)线性范围 5)稳定性 6)精度 合理地选用传感器， 是在进行某个量的测 量时首先要解决的问 题。当传感器确定之 后，与之相配套的测 量方法和测量设备也

4、就可以确定了。测量 结果的成败，在很大 程度上取决于传感器 的选用是否合理。LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.2.2 信号调理*9 9信号调理滤波 放大 去噪 主要针对前置放大器部分加以阐述 传感器输出的信号不可避免的包含杂波信号，幅度也不一 定适合直接进行数模（A/D）转换，需要将传感器的信号进 行调理。 完成滤波、幅度变换等调理功能的电路称为信号调理电路 。LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器仪用放大器 *1010仪用放大器是一种具有精密差动电压增益的器件。由于其 具有高共模抑制比、高稳定增益、高输入阻抗、低输出阻 抗、低温漂、低失调电压等优点，因此，非常适合于微弱 信号的放大，

5、以及有较大共模干扰的场合。为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，电 路采用上、下对称结构 ,仪用放大器的闭环增益为LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器集成仪用放大器*1111美国AD公司提供的AD521/522、AD612/605等测量放大器；BB 公司的INA114/118；Maxim公司的MAX4195/4196/4197等。管脚OFF SET(4,6脚)脚用来调节放大器的零点，调整方 法是将这两个端子接到一个10 电位器的固定端，电位 器的滑动端接到负电源上，如图2-2（b）所示，放大器的 放大倍数A：LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器程控增益放大器*12121）程控同相放

6、大器 信号从同相端输入，电阻网路接在运放 反相端与输出端之间，当CD4051的端 接通时，电路是一个跟随器，当其他端 如第j端接通时，电路增益为2）程控反相放大器 结构简单，电阻网络接在运放的反相输 入端与输出端之间，输入电阻不随增益 的变化而变化。缺点是模拟开关的导通 电阻及其漂移会影响增益的精度。 （a）同相程控增益放大器(b)程控反相增益放大器 LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器隔离放大器 *1313隔离放大器将输入、输出及电源在电流和电阻上进行隔离， 使之没有直接耦合的测量放大器。主要用于要求共模抑制比 高的、模拟信号的传输放大中， 可在模拟信号进入采集系统 之前，用隔离放大器进行

7、隔离放大。特点 (1)能保护系统元器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，无需提供偏流返 回通路。 (3)共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行 准确、安全的测量。LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器第二章 智能仪器基础*1414概述 2.1传感器与信号调理 2.2模/数转换技术 2.3微控制器 2.4人机接口 2.5低功耗设计 2.6数据处理技术 2.1LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.3 模/数转换技术由于实际测量对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、等)，要 让微处理器识别、处理这些信号，必须首先将

8、这些模拟信号转换成数字 信号，也就是模/数（A/D）转换。 通常A/D转换的过程包括采样、保持和量化、编码两大步骤。 采样：是指周期地获取模拟信号的瞬时值，从而得到一系列时间上离散 的脉冲采样值。 保持：是指在两次采样之间将前一次采样值保存下来，使其在量化编码 期间不发生变化。 量化：将采样保持电路输出的模拟电压转化为最小数字量单位整数倍的 转化过程。 编码：把量化的结果用代码(如二进制数码、BCD码等)表示出来的过程。 LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.3.1 A/D转换器的主要技术指标*1616线性度转换误差转换时间A/D转换器的主要技术指标 分辨率 是指输出数字量变化一个最小单位

9、(最低位的变化)，对应输入模拟量需要变化的量。 通常以输出二进制码的位数表示分辨率。 转换误差 通常以输出误差的最大值形式给出。它表示A/D转换器实际 输出的数字量和理论上的输出数字量之间的差别。 转换时间 是指A/D转换器从转换控制信号到来开始，到输出端得到稳定的数字信号所经过的时间。 输入电压范围、功率损耗等 分辨率LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.3.2 几种常见的A/D转换器原理*1717常见A/D转换器原理并行比较型逐次比较型双积分型型LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器并行比较型A/D转换器*1818由电阻分压器、电压比较 器、数码寄存器及编码器4 个部分组成。 优点是转

10、换速度快，其转 换时间只受电路传输延迟 时间的限制，最快能达到 低于20ns。 缺点是随着输出二进制位 数的增加，器件数目按几 何级数增加。一个n位的转 换器，需要2n-1个比较器 。一个n位的转换器，需要 2n-1个比较器。例如，n=8 时，需要28-1=255个比较 器。 适用于要求转换速度高、 但分辨率较低的场合。 3位并行比较型A/D转换器LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器逐次比较型A/D转换器*1919由控制逻辑电路、时序产 生器、移位寄存器、D/A转 换器及电压比较器组成。 原理：将输入模拟信号与 不同的参考电压作多次比 较，使转换所得的数字量 在数值上逐次逼近输入模 拟量对应

11、值。 特点：转换时间与转换精 度比较适中，转换时间一 般在级，转换精度一般在 0.1%以下，是目前集成A/D 转换器产品中使用较为普遍的一种。 4位逐次逼近型A/D转换器的原理图LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器双积分型A/D转换器 *2020双积分型AD转换器属于间 接型AD转换器，它把待转 换的输入模拟电压先转换 为一个中间变量，例如， 时间T或频率F。然后再对 中间变量量化编码，得出 转换结果。 与逐次逼近型AD转换器相 比,双积分型AD转换器工 作性能稳定、抗干扰能力 强、电路结构简单。但转 换速度较慢，一般一次转 换时间在1-2ms，而逐次比 较型AD转换器可达到1s 。双积分式

12、A/D基本原理LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器型A/D转换器 *2121型A/D转换器以很低 的采样分辨率（1位）和很 高的采样速率将模拟信号数 字化。 原理：通过使用过采样、噪 声整形和数字滤波等方法增 加有效分辨率，然后对A/D 转换器输出进行采样抽取处 理以降低有效采样速率，实 现A/D转换。 近年来, 型A/D转换器 以其分辨率高、线性度好、 成本低等特点，得到越来越 广泛的应用，特别在既有模 拟又有数字信号处理场合。型转化器结构图 LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器第二章 智能仪器基础*2222概述 2.1传感器与信号调理 2.2模/数转换技术 2.3微控制器 2.4人机接

13、口 2.5低功耗设计 2.6数据处理技术 2.1LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.4 微控制器(MCU)*2323习惯上称智能仪器中的微处理器为微控制器或单片机。 它将CPU、存储器、定时计数器、I/O接口、甚至A/D转 换器、D/A转换器、监视定时器电路等集成在一块集成电路 上，构成了一个完整的微型计算机系统。 采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化， 且功能比起采用电子或数字电路更加强大。 在硬件设计时应首先考虑选择单片机，然后确定与之配套 的外围芯片。在选择单片机时，要考虑的因素有字长、寻址 能力、指令功能、执行速度、中断能力以及市场对这种单片 机的软、硬件支持状态等。

14、LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器*2424单片机体系 结构 常见的单片机有两种体系结构，即复杂指令集（CISC）结构 和精简指令集（RISC）结构。CISC结构 即冯诺伊曼结构 这种结构的单片机指令丰富 功能较强，可应用于控制关 系复杂的场合，但其数据线 和指令线分时复用，取指令 和取数据不能同时进行，速 度受限，价格亦高。 Intel的8051系列、Motorola 的M68HC系列、Atmel的AT89 系列、华邦Winbond的W78系 列和Philips的P80C51系列等RISC结构 即哈佛结构。 这种结构的单片机数据线和 指令线分离，取指令和取数 据可以同时进行，执行效率 更

15、高速度更快，程序存储器 的空间利用率大大提高，有 利于实现超小型化设计。TI的MSP430、各公司的ARM 单片机、Microchip的PIC系 列、Zilog的Z86系列、 Atmel的AT90S系列、三星 KS57C系列4位单片机和义隆 的EM78系列等LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.4.2 MCS-51系列单片机 MCS-51系列单片机最初由Intel公司在研制成功，现在以 8051技术核心为主导的微控制器技术已被、Philips 、Atmel 等公司继承，并在原有基础上又进行了新的开发，形成功能 更加强劲的、兼容51的多系列化单片机。 MCS-51单片机分51和52子系列，并

16、以芯片型号的末位数字 加以标识。51子系列是基本型，52子系列是增强型。 MCS-51系列单片机的主要硬件特性表 LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.4.3 PIC系列单片机 PIC系列单片机由美国Microchip半导体公司为要求高性 能而低价格的用户设计的。 率先采用了精简指令集（RISC）结构，可以实现单周期 指令，功耗低，这一系列单片机最大的特点是不搞单纯 的功能堆积，从实际出发，重视产品的性能与价格比。 目前已有初档8位单片机、中档8位单片机 、高档8位单 片机等。 此外，PIC单片机还有高性能PIC18CXXX系列单片机，是 集高性能、CMOS、全静态、模/数转换器于一体的16位单 片机，内含灵活的OTP存储器带有先进的模拟和数字接口 ，可用做片上系统，具有嵌入控制分层控制能力，为用 户提供了完善的片上系统解决方案。LOGO仪器科学与技术系气 象 仪 器2.4.4 MSP-430系列单片机 MSP-430系列单片机是