《测控仪器设计第2版 教学课件 ppt 作者 浦昭邦 王宝光 第5章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控仪器设计第2版 教学课件 ppt 作者 浦昭邦 王宝光 第5章（111页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 电路与软件系统设计,电路与软件系统是测控仪器中的重要组成部分，它担负着信息的传递和处理以及对目标进行控制的重要任务。 本章从总体设计出发，仅就测控仪器的电路与软件系统设计的一般性和共性问题予以介绍。 本章共分为五节： 第一节 电路与软件系统概述 第二节 测控电路设计 第三节 测控仪器的软件设计 第四节 可靠性与故障诊断技术 第五节 电路与软件系统的设计举例,第一节 电路与软件系统概述,一、电路与软件系统的组成,图5-1 电路与软件系统组成,1. 测量电路 测量电路是信息流的输入通道，其作用是将传感器输出的测量信号进行调理、转换、或者运算等。 测量电路包含的电路类型众多，例如各种放大电路
2、、调制解调电路、滤波电路、阻抗变换电路、电平转换电路、模数转换（A/D）电路、频率-电压转换电路、傅立叶变换电路、量程自动切换电路、非线性补偿电路、温度补偿电路、运算电路等等。,2. 控制电路 控制电路是信息流的输出通道，其作用是根据中央处理系统发出的命令，对被控参数实行控制。 控制电路也包含多种电路，例如各种电压放大电路、电流放大电路、功率放大路、驱动与隔离电路、数字模拟（D/A）转换电路、电压-电流转换电路、遥控电路等。,3. 中央处理系统 中央处理系统同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道，因此它是整个电路与软件系统的中心，同时也是整个测控仪器的神经中枢。 多数
3、的中央处理系统一般都采用计算机。小型的测控仪器常采用单片机(MPU)、微处理器(P)、可编程逻辑控制器(PLC)、数字信号处理(DSP)芯片，并配以相应的外围电路，组成便携式测控仪器和工业过程控制仪器。 4. 电源 上述的测量电路、控制电路和中央处理系统在硬件形式上均为电路系统，因此电源是必不可缺的重要环节。电源的主要作用包括：为整个电路系统各单元提供必要的能量，为各个电路单元提供电平基准，为测量信号和控制信号提供参考电平等等。,5. 软件系统 在基于计算机或各种微处理器构建的中央处理系统中，必须配以软件系统才能正常工作，否则系统将成为“裸机”。 软件系统对于完成各种信息处理、提高系统的自动化
4、和智能化水平、提升系统性能和可靠性、共享测量数据以及系统之间互相通讯和联络等具有直接的作用，同时它也是提高测控仪器附加值的重要手段之一。,二、电路与软件系统的设计要求,四、电路与软件系统的设计准则,随着微电子技术和计算机技术的飞速发展和广泛应用，对电路与软件系统的设计要求越来越严格，也越来越规范。电路与软件系统的设计，除应遵守测控系统总体设计原则外，还应考虑系统本身的特点，具体可以遵循以下准则：,第二节 测控电路设计,测控电路主要包括测量电路、中央处理电路、控制电路和电源等几个部分。以下分别就各个单元电路的设计方法给予介绍。,一、测量电路的设计 测量电路是连接传感器与中央处理系统的纽带，是获取
5、被测信号不可或缺的重要环节，是信息输入通道。测量电路性能好坏直接影响测控仪器的测量精度和可靠性。 1、测量电路的作用及组成 作用： (1) 信号调理 对传感器输出的信号进行调理，例如放大、滤波、阻抗匹配、隔离、调制、解调、整形、细分、辨向等等，以期改善信号质量、达到测量精度要求。信号调理电路的形式和要求主要取决于传感器，不同的传感器需要配用不同的信号调理电路。,(2) 信号转换：对信号进行参数或形式的转换，例如阻抗电压转换、电压电流转换、电压频率转换、模拟数字转换、脉冲数字转换等等，以便满足后续电路处理和计算机系统的要求。信号转换电路的形式与要求主要取决于传感器的输出以及后续环节的特性。 (3
6、) 简单运算：对经过调理和转换的信号进行简单的运算处理，例如加减运算（差动）、微积分运算、特征值运算（峰值、平均值、有效值、峰峰值、）等等，以便直接获得某些测量结果。对于后续环节不采用计算机的情形而言，运算功能显得尤为重要。,组成：不同形式的传感器，其后续测量电路的组成形式差异较大。 对于输出模拟信号的传感器而言（如图5-2所示），放大电路和滤波电路一般是必需的。 对于需要交流激励信号的传感器而言，还需振荡器和调制解调器。很多测控场合还需运算电路，来实现一些简单的运算和数据处理任务。对于采用计算机和微处理器的场合，常常还需模数转换电路。,对于输出数字信号的传感器而言，计数器和锁存器一般是必需的
7、（如图5-3所示）。对于传感器输出数字信号与后续电路不匹配（如TTL信号与CMOS信号等）的场合，还需电平转换电路。对于传感器输出正弦波的场合，还需整形电路将正弦波转变为方波。对于传感器输出连续脉冲的场合，还需辨向电路判断被测量变化的方向。为了进一步提高分辨力和精度，还常常采用细分电路。,图5-2 传感器输出模拟信号的测量电路组成,2、信号调理电路 对于模拟信号，调理电路一般包括放大电路（含阻抗匹配）、滤波电路、调制解调电路等。对于数字信号，调理电路一般包括整形电路、细分电路、辨向电路等。,(1) 放大电路,图5-3 传感器输出数字信号的测量电路,(2) 滤波电路,(3) 调制解调电路,定义：
8、调制就是用一个测量信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。 解调就是从已经调制的信号中去除载波信号，提取反映被测量值的测量信号。 因此，调制与解调是一对反概念和反过程。 调制的主要作用：给测量信号赋予一定新的特征，使之与噪声和干扰信号显著区别开来，从而便于将测量信号从含有噪声的信号中分离出来。,在测控系统中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，因此可以用测量信号对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。 有时可以用脉冲信号作载波信号，可以用测量信号对脉冲信号的不同特征参数作调制，其中最常用的是对脉
9、冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。,以调幅为例进行简单介绍,调幅过程就是用被测信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。输出的调幅信号如图5-5所示，一般表达式可写为： 式中：Um为载波信号的幅值，k为幅值线性调制的比例系数，c为载波信号的角频率。,图5-5 幅值调制 (a)调制信号 (b)载波信号 (c)调幅信号,图5-6 包络检波 (a) 调幅信号 (b) 半波检波 (c) 原始信号,包络检波：由于幅度调制是让已调信号的幅值随调制信号的幅值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号是一致的。只要能检出调幅信号的包络线，就能够实现解调。如图5
10、-6所示。 由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号 (经全波检波或截去它的上半部也可)。再经低通滤波，滤除高频载波信号，即可获得所需调制信号，实现解调。因此，包络检波就是建立在整流的原理基础上的。 在包络检波电路中由于二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，又称为线性检波电路。,为了正确进行信号调制，必须要求载波信号的频率远远高于被测信号的变化频率，通常至少要求10倍以上。
11、这样，解调时滤波器才能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。例如，若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率应大于1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100 Hz，可选通频带为200 Hz。,(4) 细分与辨向电路,测量电路常常需要对周期信号进行计数的方法实现测量。为了提高仪器的分辨力，就需要使用细分电路。信号细分电路又称插补器，主要是采用电路的手段对周期性的测量信号进行插值，以便提高仪器分辨力。另一方面，绝大多数增量码传感器一般允许被测量在正、反两个方向变化，因此在进行计数和细分电路设计的时候，往往需要同时考虑被测量变
12、化方向（即辨向）的问题。因此，细分与辨向常常是需要综合来考虑的。 细分的基本原理：根据周期性测量信号的波形、振幅或者相位的变化规律，在一个周期内进行插值，从而获得优于一个信号周期的更高的分辨力。 按工作原理划分，细分可分为直传式细分和平衡补偿式细分； 按所处理的信号划分，细分可分为调制信号细分和非调制信号细分。,3、信号转换电路,不同的传感器以及不同后续处理环节，需要采用不同的信号转换电路形式。一般而言，模拟信号常常需要阻抗电压转换、电流电压转换、相位电压转换、模拟/数字转换等电路，数字信号一般需要频率电压转换、脉冲数字转换、电平转换等电路。,(1) 阻抗电压转换电路,阻抗/电压转换电路的作用
13、就是将传感器输出的阻抗变化转变为电压变化。典型传感器包括电阻应变式传感器、压阻式传感器、电感式传感器等。 实现阻抗电压转换的典型电路就是测量电桥，如图5-11所示。一般采用全等臂电桥形式 。,图5-11 测量电桥,(2) 电流电压转换电路,对于输出电压信号的传感器而言，其抗干扰能力一般较差。有时输出的直流电压上还会叠加有交流成分的信号，从而使控制系统产生误判断，出现错误动作，严重时还会损坏设备。特别是在信号需要远距离长线传输时，信号衰减严重。对于使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用也受到了限制。因此，常常许多传感器输出的电压信号被转换为电流输出，以提高抗干扰能力和传输距离。而后
14、续电路（特别是中央处理系统）一般只能处理电压信号。因此，将电流信号转变为电压信号是经常需要的。 电流电压转换器也叫电流环接收器，目前已有集成电路成品。电流环接收器的典型产品有RCV420等。图5-12是RCV420电流电压变送器芯片原理及其电流/电压转换电路。,(3) 模拟数字转换电路,在大多数场合下，被测量都是模拟量，传感器的输出也多为模拟电压信号。为了适应后续的计算机处理，完成将模拟量转换成一定位数的数字量的器件就是模拟数字转换器，简称A/D转换器。 按照模拟/数字转换的原理，A/D转换器可以分为双积分式、逐次逼近式、并行比较式、-式等；按照转换器的位数，可以分为8位、10位、12位、16
15、位、24位等；按照转换速度的高低，有可以分为低速和高速两种。 A/D转换电路的设计主要应考虑以下几方面因素： A/D转换器的位数：一般说来，位数越多，分辨率越高，量化误差就越小。因此，A/D转换器的相对精度也常用最低有效值的位数LSB来表示，即：1 LSB = 满刻度值/2n。 线性误差：指A/D转换器在满量程内的输入和输出之间的比例关系不是完全的线性而产生的误差。 转换时间 ：指A/D转换器完成一次转换所需要的时间，是从模拟量输入至数字量输出所经历的时间。 基准电源稳定度：当基准电源电压变化时，将使A/D转换器的基准电压发生变化，从而使输出数字量发生变化。这种变化的实质，相当于输入模拟信号有
16、变化，从而产生误差。,4、运算电路,作用：就是对传感器输出的模拟信号按照一定的数学规律进行适当的计算，从而获得需要的输出值。 运算电路主要采用各种集成放大电路组成，由于集成运放的输出电压将按一定的数学规律随输入电压变化，因此集成运放必须工作在线性工作区。需要注意的是，在运算电路中，无论是输入电压还是输出电压，一般均是对“地”而言的。 此外，还可以利用运算放大器组成补偿电路，进行温度补偿、非线性补偿等。,二、中央处理系统设计,1、中央处理系统的作用与组成 中央处理系统的作用：对测量电路系统送来的信号进行运算、处理、显示、存储、打印等，然后按照仪器的功能要求，向控制电路系统发出控制命令，并通过控制电路和执行器对被控参数实行控制。它同时连接着测量电路和控制电路，即连接着信息流的输入通道和输出通道。,中央处理系统的组成：传统的中央处理系统主要是由电子线路构成，所具备的功能较少，也比较弱。随着计算机技术的迅速发展，使得传统的测控仪器发生了根本性变革，即采用计算机为测控仪器电路与系统的核心部分，代替传统测控仪器
