电气测试系统ch2.1课件

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1、1,第二章 输入输出通道,测控系统通常具有输入和输出通道，输入通道 又可分为模拟量、数字量输入通道；相应的，输出 通道也可以分成模拟量、数字量输出通道。不同通 道具有不同通道性能，完成不同动作：,电气测试系统原理,2,主要内容,2.1 模拟输入通道 2.2 模拟输出通道 2.3 开关量输入/输出通道 2.4 单元电路的级联设计,电气测试系统原理,3,2.1 模拟输入通道,电气测试系统原理,4,主要内容,一、模拟输入通道的基本类型与组成结构 二、传感器的选用 三、信号调理电路的参数设计和选择 四、数据采集电路的参数设计和选择 五、模拟输入通道的误差分配与综合,电气测试系统原理,5,一、模拟输入通

2、道的基本类型与组成结构,模拟输入通道是测控系统中被测对象与计算机 之间的联系通道。 输入通道应包含有以下两大环节： a、传感器电路： 将被测各非电物理量转换为可用的电信号； b、数据采集电路： 将模拟电信号转换为数字电信号。,电气测试系统原理,6,说明,除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非 电量转换为模拟电量； 这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进 行数字转换，还需进行适当的信号调理。,电气测试系统原理,7,模拟输入通道的组成,模拟输入通道由传感器电路、信号调理电路、 数据采集电路三部分组成，如下图： 实际测控系统往往需同时测量多种物理量（多 参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点

3、巡 回测量），多路模拟输入通道更具有普遍性。(例),电气测试系统原理,8,分类,标准：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。 多路模拟输入通道可分为集中采集式(简称集中 式)和分散采集式(简称分布式)两大类型。,电气测试系统原理,9,1、集中采集式(集中式),集中采集式多路模拟输入通道的典型结构包括 分时采集型和同步采集型两种，下图为多路分时采 集分时输入的典型电路：,电气测试系统原理,10,多路分时采集分时输入电路的特点,多路信号共同使用一个SH(采样/保持)和AD转换电路，简化电路结构，降低成本； 对信号的采集由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换、轮流选通，因而相邻两路

4、信号在时间上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据；,电气测试系统原理,11,分时采集会产生采样的时间偏斜误差。尽管时间偏斜很短，对于要求多路信号严格同步采集测试的系统是不适用的； 广泛应用于多数中速及低速测量系统。,电气测试系统原理,12,多路同步采集分时输入电路的结构,电气测试系统原理,13,同步采集型分时输入电路的特点：,在多路转换开关前，给每路信号通路各加一个采样保持器，使多路信号采样在同一时刻进行，即同步采样(为该结构的最大特点)。 各自的保持电路保持采样信号幅值，多路转换开关分时切换进入公用的SH和AD电路，将保持的采样幅值转换成数据输入主机(分时转换)。 消除分时采集型结构的时间

5、偏斜误差，同时也能满足同步采集要求，电路又比较简单。,电气测试系统原理,14,电路不足：被测信号路数较多时，同步采样得到的信号在保持器中保持时间加长； 电路不足：保持器总有一些泄漏(负载电阻不为无穷大)，保持的信号有所衰减，且由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同。 不能获得严格意义上的同步输入。,电气测试系统原理,15,2、分散采集式(分布式),特点： 每路输入信号都有一个SH和AD转换电路，不再需要模拟多路切换器MUX。 每一个SH和AD只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机。,电气测试系统原理,16,分散采集式结构图,电气测试系统原

6、理,17,分散采集式电路的结构特点,信号被同时采集(采样开关受控后同时动作)，采集的数据随后被送至ADC进行A/D转换。 对于A/D转换得到的数字量，处理器会控制ADC进行分时的送出，并为处理器读取。(即在信号输出时，可由ADC受控并分时输出数字量)。 该电路保存的是经过ADC转换好的数字信号，不会发生信号的丢失。,电气测试系统原理,18,电路较为复杂，每路都需要A/D转换器，成本较高。当精度要求较高，转换路数较多时，A/D转换器带来成本增加必须要考虑。 适用于对转换精度要求较高的场合，并且对各类信号数据同步性要求较高的场合。 被采样的信号为各种类型不同的信号时，这种电路也用得较为常见。,电气

7、测试系统原理,19,电路结构的异同点及各自的适用范围,1、分时采集分时输入 2、同步采集分时输入 3、分布式采集 例,电气测试系统原理,20,分时采集， 分时输入电路,同步采集， 分时输入电路,分布式采集电路,电气测试系统原理,21,数据采集电路： 在上图中所示的三种结构的信号采集电路中，通常包括有：模拟多路切换开关、采样保持器、AD转换器。 这几部分电路的作用就是将传感器输出的模拟电信号转换为数字电信号，因此这部分电路被称之为“数据采集电路”。,电气测试系统原理,22,模拟输入通道的组成： 传感器电路 调理电路(对信号进行采集前的预处理) 数据采集电路 信号调理电路的组成： 下面我们分别研究

8、这三部分的选择和设计原则。,电气测试系统原理,23,二、传感器的选用,传感器选用时面临的问题： 测控系统中传感器的作用(精度、变换信号等方面) 传感器技术的发展 测控系统中传感器选择的多样性 (例),电气测试系统原理,24,正确选用传感器的原则,1）明确所设计的测量系统需什么样的传感器， 即系统对传感器的技术要求；来确定传感器的类型 及指标要求。(说明) 2）了解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，挑选合乎要求的性能价格比 最高的传感器。 (说明),电气测试系统原理,25,1、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

9、化范围(变化幅度范围、变化频率范 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(一般应优于系统精度的十倍左右)，转 换速度应符合整个系统要求。(说明) (3) 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) 满足用户对可靠性和可维护性的要求。,电气测试系统原理,26,2、传感器类型,可用于同一被测量的不同类型的传感器具有不 同的特点和不同价格。在满足测量范围、精度、速 度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配 电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价 格比高的传感

10、器。 例：温度传感器的种类： 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 不同类型的温度传感器在测量时所获的测量精 度、测量范围等有所不同，选用时要考虑性价比。,电气测试系统原理,27,近年传感器技术有了较大发展，精度等都有较 大提高，对测控系统有较大影响的传感器类型： (1) 大信号输出传感器 (2) 数字式传感器 (3) 集成传感器 (4) 光纤传感器,电气测试系统原理,28,(1)大信号输出传感器,针对小信号输出，把放大电路与传感器做成一 体，使传感器直接输出0-5V、0-10V或0-2.5V的信号 电压，把传感器与相应变送电路做成一体，构成输 出4-20m

11、A直流标准信号变送器。输入通道尽可能选 用大信号传感器或变送器，省去小信号放大环节：,电气测试系统原理,29,(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VF转换等。 数字传感器具有如下明显的特点： 输出为频率参量， 测量精度高、 抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 采用数字量传感器时，传感器输出如果满足TTL 电平标准，则可直接与微处理器进行接口。 (例，数字温度传感器),电气测试系统原理,30,如果传感器输出不是TTL电平，则须经电平转换或放大整形。一般进入单片机的I/O口或扩展I/O口时还要通过光电耦合

12、隔离，如下图所示：,电气测试系统原理,31,数字式传感器的适用范围：,非快速测量中。 原因： 经过额外的参数变化电路，所以一般响应较慢,电气测试系统原理,32,(3) 集成传感器 将传感器与信号调理电路做成一体。如将应变 片、应变电桥、线性化处理电路、电桥放大电路等 做成一体，构成集成压力传感器。集成传感器可减 轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。(例) (4) 光纤传感器 信号拾取、变换、传输通过光纤实现，避免电 路系统的电磁干扰。信号输入通道中采用光纤传感 器从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。,电气测试系统原理,33,(5)合成传感器电路 除前述各传感器外，目前市售各种测量仪表，

13、 这些测量仪表内部传感器及其测量电路配置较完 善，一般都有大信号输出端，有的还有BCD码输出。 售价远高于一个传感器的价格，故在小型测试 系统中较少采用，较大型的系统中使用较多。,电气测试系统原理,34,特殊条件下传感器的选用,对一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目 前还没有现成的传感器可供选用。解决方法如下： 提出用户要求，找传感器厂家订做，但是批量小的价格一般都很昂贵。 从现有传感器定型产品中选择一种作为基础，在该传感器前面设计一种敏感器或(和)在该传感器后面设计一种转换器，从而组合成满足特定测量需要的特制传感器。 例：,电气测试系统原理,35,三、信号调理电路的参数设计和选择,所谓信号

14、调理，就是在信号采样的预处理，在 一般的测量系统中，信号调理的任务比较复杂，信 号调理应包含如下的具体内容： 小信号放大、滤波(现场信号通常为小信号， 且包含噪声信号) 零点校正(零点偏移) 线性化处理 温度补偿 误差修正和量程切换,电气测试系统原理,36,实现,一般而言，信号调理过程应设计专门的硬件电 路来完成，这些硬件电路统称为信号调理电路。 测控系统中，部分的调理电路功能可由软 件来完成，简化电路设计。,电气测试系统原理,37,信号调理的重点,对于信号输入通道，信号调理重点为： 小信号放大 信号滤波 频率信号的放大整形。 典型的信号调理电路组成如下图所示：,电气测试系统原理,38,1、前

15、置放大器,是否采用前置放大器考虑以下几个问题： (1)如何判断传感器的输出信号“大”还是“小”； (2)要不要对传感器的输出信号进行放大； (3)放大的依据是什么； (4)放大器为什么要“前置”即设置在调理电路的最前 端，能不能接在滤波器的后面； (5)前置放大器的放大倍数应该为多大；,电气测试系统原理,39,前置放大器的作用：,1）对传感器信号进行适当放大，以满足后续 电路对信号强度的要求。简单电路中直接就可以将 信号放大到ADC的量程范围内； 2）抗干扰的需要。,电气测试系统原理,40,前置放大器的作用,一般而言，由于电路内部各种噪声源的存在， 电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的

16、 波动电压，这就是电路的输出噪声。如下图,电气测试系统原理,41,电路输出端测得的噪声有效值VON，折算到输入 端（除以该电路的增益K），得到的电平值称为该 电路的等效输入噪声VIN，即 VINVONK 如果加在该电路输入端的信号幅度VIS小到比该 电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被 电路的噪声所“淹没”。(一般的传感器输出信号都 是微弱的电信号),电气测试系统原理,42,提高有用信号的输出，抑制噪声信号，使得信 号不被噪声淹没，这在前置放大器选择时就显得尤 为重要。,电气测试系统原理,43,为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在 该电路前面加一级放大器，如下图所示：,电气测试系统原理,44,结论1：,为使小信号输入不被电路的噪声所淹没，在电 路前端加入的电路必须是放大器，即K01； 放大器必须是低噪声，即放大器本身等效输入 噪声必须比后级电路的等效输入噪声低； 调理电路前端电路必须