校正、隔选、抗干扰

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1、1/81第十三讲 数据采集技术（二）P176-P183P183-P191复习内容预习内容作业2/81本讲内容采样偏差的校正技术 信号隔离与选通技术数据采集中的抗干扰技术第十三讲 数据采集技术（二）3/81采样偏差的校正技术4/81采样偏差的校正技术在实际采样过程中，由于系统是实际系统，不是理想 系统，各个环节都存在着不同程度的偏差，有些偏差很大 ，这就使得采样所得的结果大大偏离实际值，就会极大的 影响控制的精度。为了使采样结果与实际值能够吻合，必须进行校正。有些通过硬件校正即可，有些还需要通过软件校正。校正的主要内容有两方面：一是线性度校正，二是零 点校正。5/81线性度校正给给采样样系统输统

2、输 入一个线线性信号。信号f(t)是理想采样系统对线性输 入信号处理的结果，该电压模拟了一 个理想化的采样系统处理过的某个传 感器的输出电压。f*(t) 与f(t)之间有偏差，这些偏差中的一种偏差是回归线f*(t)的 斜率与的斜率有偏差，这个偏差就是该采样系统的线性误差。 f*(t)是实际采样系统对信号不同 点进行采样所得到的离散点。调节线性误差的方法：就是调节采样系统中放大器的放大倍数。 6/81线性度校正例：如测量热处理炉的温升曲线， 在加热过程中用标准电测温度计进 行测量，在每个时间点上同时也用 研制的采样系统采集数据，最后可 以获得标准温升曲线和采样器采集 的温升曲线。如果在温度上升的

3、线性区间，采样器采集的温升曲线的 斜率与标准温升曲线的斜率不相等。就要调节放大倍数。 其原因是采样温升曲线的斜率与采样器的放大倍数成正比。7/81线性度校正如，说明采样器的放大倍 数偏小，根据与的比值=/的 大小，可以准确的计算出采样器放 大倍数的调节量，从而将线性偏差 调到最小。如果，说明采样器的放 大倍数偏大，经过计算后将其调 小即可。 8/81采样器零点校正 有些物理量的变化是一个从- 到 + 连续的函数， 这些连续函数的零点通常都是人为设定的。有些物理量则有确定的零点：例如电压为零的情况 ；车床在由正转切换到反转转速为零的情况等。在设定的物理量的零点上，采样器的输出往往不是 零，这一般

4、有以下原因： 传感器误差 采样器中的放大器的零点漂移和零点偏移 9/81采样器零点校正 传感器误差 该误差是传感器制造出厂时就存在的。 例：工程上常用的600A/5V的一种霍尔电流传感器，其 指标为：输出电压误差为1%。则在每一点上其允许的偏差 为50mV。 在电流为零时，其输出信号也在50 mV以内 ，往往并不为零。在工程中应用的这种传感器，大多数零点偏差在 10mV20mV之间。 10/81采样器零点校正 传感器误差 该误差是传感器制造出厂时就存在的。 例：在某电厂的直流监测系统中，用到的两只600A/5V的霍 尔电流传感器，其零点偏差1号为+15mV，2号为-14mV。可以 算出其对应的

5、电流偏差为：即：1号电流传感器在电流为零时，其输出信号相当于有正 向1.8A电流；2号电流传感器在电流为零时，其输出信号相 当于有反向1.68A 电流。11/81采样器零点校正 放大器的零点漂移主要由器件本身特性和温度变化所 引起。一般指在放大器调零调好后，在其输入端输入电压 为零的情况下，其输出电压在零点附近缓慢的漂移，而不 是完全的输出为零的情况。而且环境温度越高，这种漂移 越大。解决零点漂移的办法：在放大电路中加温度补偿元件 ，而且现在市售的运算放大器，许多内部已经加有补偿电 路，温度稳定性已经大为提高，这种由温度引起的输出漂 移已经得到很强的抑制，零点漂移已经很小。采样器中的放大器的零

6、点漂移和零点偏移 12/81采样器零点校正 运算放大器的输入失调电压：指的是要保持运算放大器的输出为零，在其输入端所加的一个微小的电压。在不加输入失调电压即输入为零的时候，其输出就有一 个电压值，称之为放大器的零点偏移，其偏移电压既与输入 失调电压有关，也与放大电路的放大倍数有关，这种输出偏 移电压正比于输入失调电压和放大倍数。 采样器中的放大器的零点漂移和零点偏移 13/81 采样器零点校正 例：设放大器的输入失调电压=0.2mV，放大倍数=100（采 样器多级放大的综合放大倍数），则该采样器在输入信号电 压为零时的输出偏移电压为：采样器中的放大器的零点漂移和零点偏移 如果该采样器是对一个从

7、0到1m高程的液面进行监测， 采样器的最大线性输出电压为10V，在输出10V时对应的液 面高度为2m，则采样器的零点偏移所对应的液面高度h为：即：在液面高度为零时，采样器的输出值为0.004m。14/81采样器误差是普遍存在的，是由多方面的原因决定的 。通过在电路设计上进行补偿和校正以外，通过软件进行 校正是一个重要的方法。根据经验，软件校正比硬件校正效果更好。尤其是在 现场进行硬件校正，有时候因条件限制，很难校正。而用 软件校正则很方便。软件校正又称为软调节。 采样器零点校正 15/81以热处理炉温度控制中的温度采样检测为例，在软件 设计时，设置一个校正变量，可以通过键盘方便的改变的 数值。

8、设每次采样完成后A/D转换所得的温度值为Td，通过 标准温度表测得的温度值为Tc，则输出显示与存入数据库 的温度值Tdat必须等于Tc，在软件中规定：采样器零点校正 16/81采样器零点校正 当热处热处 理炉初始处处于室温（例如20）时时，由于传传感器和 采样样器的零点偏移造成的综综合偏移 ，采样样器所得到的温度 值值Td不一定是20 ；在没有调节调节 之前，设设置ADJ的初始值为值为 零，再看屏幕上Td 的数值值是多少，例如若此时时的Td = 21，而实际实际 炉温为为 20，说说明采样样器初始偏差为为1。这这就是该该系统总统总 的初 始偏移或零点偏移。 纠纠正该该偏移：就是通过键盘过键盘

9、将ADJ设设置为为-1，这样设这样设 置 后，程序按公式计计算后，得到的系统总输统总输 出值值Tdat就必然 为为20。从而与实际值实际值 相吻合。17/81 由于在现场现场 参数整定的时时候，系统统已经经在线线运行，实际实际 的温度值值不可能为为室温； 此时时校正的方法：先将校正变变量ADJ设设置为为零，记录记录 用 标标准温度表测测定实际实际 的温度值值Tc，并同时记录时记录 同一时时刻 采样样器输输出的温度值值Td (由于此时时ADJ= 0 因此该该Td值值就是 屏幕上显显示的Tdat)。例如测测定的几个点的对应对应 温度值值如表 所示： 采样器零点校正 实际温度与测得数值及其偏差 Tc

10、86012001220136015401600 Tdat（Td）98013301350148016601720 Tc - Tdat-120-130-130-120-120-120(单位：)18/81 采样器零点校正 现场认为 Tc值就是实际温度值，要求输出显示与存入 数据库的数值Tdat要等于Tc值。变量ADJ 与Td和Tc的关系： 当ADJ等于Td和Tc的偏差平均值时，可保证Tdat=Tc。即：将变量ADJ设置为-124，就可以消除系统的偏差。使最终 输出值Tdat与实际值Tc相符。再用Tdat数值进行后续的计算分析 和对加热控制器的输出控制就准确的多了。19/81信号隔离与选通技术20/8

11、1信号隔离与选通技术 当计算机数据采集系统有多路模拟信号输入，通常要将这 些信号互相隔离，再对这些信号有选择的选通，或者逐一选 通后进入A/D转换器进行模数转换； 有些系统有多路数字量信号输入，也要进行隔离与选通。信号隔离与选通的器件很多，要根据信号特征选用。21/81 其要求的驱动电流大，损耗大； 因为靠弹簧片工作，在一定的工作次数后会疲 劳损坏，即寿命有限； 其触点接触电阻不稳定，触点新鲜干净且弹簧 片没有疲劳，能够压紧的情况下，其导通电阻 很小，导通良好。但触点上有油污或触点氧化 或弹簧压紧无力，其接触电阻就比较大，对微 弱信号影响很大。 信号隔离与选通技术在没有电子开关以前，所有信号都

12、是用继电器进行隔离或接通的 。继电器存在以下缺点 ：22/81后来电子开关的问世，大大提高了信号的传输质量。 尤其是集成电路电子开关的导通电阻相当稳定，在一个芯 片内每一路的导通电阻数值几乎相同。同类型的芯片其性 能也几乎相同。给信号的隔离与选通带来了极大的好处。 信号隔离与选通技术 电子开关有数字型（数据选择器）和模拟型（模拟开 关）两大类。 在制造工艺上有晶体管式和场效应管式两种。23/81 由于晶体管在导通时有残留电压，而且在饱和时集电极与发 射极之间是一个非线性电阻，传输过程有失真，对模拟开关 来说，这样大的误差是不允许的。因此晶体管式开关都作为 多路数据选择器，不用作多路模拟开关。

13、数据选择器的选通速度快，模拟开关的选通速度要慢一些。 数据选择器只能用于数字量信号的隔离与选通。 模拟开关既可用于模拟量信号的隔离与选通，也可用于数字 量信号的隔离与选通，模拟开关在用于数字量信号的隔离与 选通时，要注意开关的速度能否适应要求。信号隔离与选通技术24/81 对数字量信号，可根据信号是TTL电平还是CMOS电平选 用相应的多路数据选择器。信号隔离与选通技术数据选择器又称为多路数据选择器，它类似于 多个输入的单刀多掷开关 ，它在选择控制信号作用 下，选择多路数据输入中 的某一路与输出端接通。25/81 多路数据选择器用于对多路数字信号进行选择。每一路数 字信号相当于二进制的一位，只

14、有高、低电平两个状态。 每次选择多路中的一路进行传输。在传输过程中只要求所 传送信息的状态(高电平或低电平)不变即可，允许电压幅度 有一定变化。 数据选择器能将对应输入端口上的数字电平信号选通到输 出端口，使其数字量的0或者1保持原值或反码值。信号隔离与选通技术例：若定义3.5V以上为1(高电平)，只要传输最后保证3.5V 以上即可，比方说4V甚至5V仍然是1，没有改变信息。26/81信号隔离与选通技术 有双4选1数据选择器，如74LS153，74HC153； 有8选1数据选择器，如74LS152，74HC152； 有16选1数据选择器，如74LS150，74HC150等。多路数据选择器种类：

15、 74LS15为低功耗TTL器件，输入输出为TTL电平； 74HC15为高速CMOS器件，输入输出为CMOS电平。其中：27/81信号隔离与选通技术 有原码值输出的器件，74153为原码值输出； 也有反码值输出的器件，74152和74150为反码值输出； 74151为8选1既有原码输出引脚，又有反码输出引脚的器件。 根据输出数码值与输入数码值的关系： 也有具有电平转换功能的数据选择器，可以在选通信号的同时进 行电平转换，将输入端的TTL电平信号，转换为CMOS电平输出 ，如74AC(T)153。 CMOS多路数据选择器国产的有4与或选择器CC4019，8对1数据 选择器CC4512，4线-16

16、线译码器/数据选择器CC4514、CC4515 等。数据选择器内部结构纯粹是数字电路的输入输出结构，电路比较 简单，只要将所选中端口的逻辑电平送到输出端即可。 28/8116选1 反码 输出 器件 1508选1既有反 码输出也有 原码输出的 器件151 双4选1原 码输出的 器件153 AC(T)153：双4选1原码输出具 有电平转换功能的器件，该器 件输入为TTL电平，输出为 CMOS电平。 通道的选通由选通编码输 入引脚A、B、C、D的码值 决定。 每种芯片都 有允许控制 端EN：当EN 为低电平时 才允许将所 选通的输入 端的数码输 出到输出端 ；否则，输 出端呈现高 阻态，以便 于和与其相 连的总线隔 离。 29/81信号隔离与选通技术模拟信号的隔离与选通电路比较复杂，要求开关接通时， 开关两端电阻很小，而断开时此电阻很大，并希望对所传 输的信号有良好的线性度，以减小传输失真，要求工作稳 定性好，开关