【正文】 1 數(shù)據(jù)通道概述 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 信號調(diào)理 傳感器的選用 運用前置放大器的依據(jù) 信號調(diào)理通道中的常用放大器 V/I和 I/V轉(zhuǎn)換電路 第二章 (1) 計算機控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù) (前向通道 ) 2 多路模擬開關(guān) 結(jié)構(gòu)原理 擴展電路 采樣 /保持器 概述 采樣 /保持器的工作原理 系統(tǒng)采集速度與采樣 /保持 采樣保持器 3 A/D (Analog/Digital)轉(zhuǎn)換器及接口技術(shù) A/D轉(zhuǎn)換器的作用 ADC的轉(zhuǎn)換原理 常用 ADC集成芯片及其與微處理器的接口 典型芯片 — ADC0809介紹 AD574A及其與微處理器的接口 CS5360及其與微處理器的接口 A/D轉(zhuǎn)換模板 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 數(shù)字量輸入通道 開關(guān)輸入電路 脈沖計數(shù)電路 4 數(shù)據(jù)通道概述 用 戶人 機界面 采集卡 工 業(yè) 系 統(tǒng) 機 機界面 數(shù)據(jù)通道 人通過鍵盤、鼠標等向計算機輸入信息；計算機通過顯示器輸出信息 5 數(shù)據(jù)通道 工業(yè)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)通道的 分類 開關(guān)量 :某個開關(guān)通、斷的狀態(tài) .只有兩種狀態(tài) 模擬量 :時間上連續(xù)；量值在一定范圍內(nèi)連續(xù) 模擬量輸入到計算機 ,需要 將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量 即模數(shù)轉(zhuǎn)換 ,因此該通道也稱為 A/D通道 6 實例 1:研華 PCL724數(shù)據(jù)采集卡 7 數(shù)據(jù)采集卡 接口 20芯扁平線 8 電源線 9 實例 2:智能模塊 泓格 I7017 模擬量輸入 10 泓格 I7014 模擬量輸出 11 模擬量輸入通道的任務(wù)是把被控對象的過程參數(shù)如溫度、壓力、流量、液位、重量等 模擬量信號 轉(zhuǎn)換成計算機可以接收的 數(shù)字量信號 . 結(jié)構(gòu)組成如圖 21所示 ,來自于工業(yè)現(xiàn)場傳感器或變送器的多個模擬量信號首先需要進行 信號調(diào)理 ,然后經(jīng) 多路模擬開關(guān) ,分時切換到后級進行 前置放大、采樣保持和模 /數(shù)轉(zhuǎn)換 ,通過接口電路以數(shù)字量信號進入主機系統(tǒng) ,從而完成對過程參數(shù)的巡回檢測任務(wù) . 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的 組成結(jié)構(gòu) 12 顯然 ,該通道的核心是模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器即 A/D轉(zhuǎn)換器 ,通常把模擬量輸入通道稱為 A/D通道或 AI通道 . 傳 感 變 送 器 信 號 調(diào) 理 多 路 模 擬 開 關(guān) 前 置 放 大 器 采 樣 保 持 器 轉(zhuǎn) 換 器 接 口 邏 輯 電 路 過 程 參 數(shù) PC 總 線 圖 21 模擬量輸入通道的結(jié)構(gòu)組成 A/D 13 實際的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)往往需要 同時測量多種物理量 或 同一種物理量的多個測量點 .因此 ,多路模擬輸人通道 更具有 普遍性 .按照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是 各路共用一個 還是 每路各用一個 ,多路模擬輸人通道可分為 集中采集式和分散采集式 兩大類型 . 14 一、 集中 采集式 圖 22 集中式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 15 二 、 分散 采集式 (分布式 ) (a) 分布式 單機 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu) 16 通信接口 上位機 數(shù)據(jù) 采集站 1 數(shù)據(jù) 采集站 2 數(shù)據(jù) 采集站 3 數(shù)據(jù) 采集站 N …… …… …… …… …… 模擬信號和數(shù)字信號 (b) 網(wǎng)絡(luò)式 數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu) 圖 23 分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu) 上位機、下位機的概念 17 信號調(diào)理 (Signal Conditioning) 所謂 信號調(diào)理 ,就是將傳感器或者變送器所輸出的電信號進行 放大、隔離、濾波 ,以便數(shù)據(jù)采集板實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集 . 傳感器 /數(shù)電 /模電知識 傳感器 前置 放大 低 通 濾 波 高 通 至 采集電路 圖 24 典型調(diào)理電路的組成框圖 18 傳感器 的選用 (復(fù)習(xí) ) 傳感器是信號輸人通道的第一道環(huán)節(jié) ,也是決定整個測試系統(tǒng)性能的 關(guān)鍵環(huán)節(jié) 之一 .要正確選用傳感器 ,首先要明確所設(shè)計的測試系統(tǒng) 需要什么樣的傳感器 —— 系統(tǒng)對傳感器的技術(shù)要求； 其次是要了解現(xiàn)有傳感器廠家有哪些 可供選擇的傳感器 ,把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比 ,從中挑選合乎要求的 性價比 最高的傳感器 . 19 傳感器 :用于將被測物理信號轉(zhuǎn)化為電信號的器件 . 常用傳感器舉例 : ? 溫度測量 :熱電阻 (0～ 200度 ) 熱電偶 (200～ 1500度 ) ? 壓力測量 :彈簧位移、壓敏器件 ? 流量測量 :壓力差原理 ? 位移 測量 :電位器、電容式、 光柵 (調(diào)速系統(tǒng)中介紹 ) … ? 速度測量 :電磁感應(yīng)、離心位移 … ? … … 20 變送器 (復(fù)習(xí) ) 用于將 傳感器信號進行初步處理 .包括 : 1. 信號濾波 :實現(xiàn)一個低通濾波器 ,濾除常見 高頻干擾 2. 小信號放大 :小信號易受干擾 ,不易傳輸 ,要進行放大 . 3. I/V變換 :將電壓 /電流信號統(tǒng)一變換為規(guī)定 標準信號 ,以利于傳輸使用 . 常見標準 :計算機接口標準 : 范圍 0～ 5V DDZП 型儀表標準 :范圍 0～ 10mA DDZШ 型儀表標準 :范圍 4～ 20mA :對實際 物理信號與電信號成非線性關(guān)系的情況進行補償操作 ,使其成為線性關(guān)系 ,這部分工作亦可 由計算機軟件完成 . 如 :熱電偶 中 ,熱電勢 e與溫度 T的關(guān)系一般為 : T = a1e4+a2e3+a3e2+a4e+a5 (a1～ a5為常數(shù) ) 補償后 ,變送器的輸出電壓 V與溫度 T的關(guān)系可轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系 , 即 :V = aT+b 21 (一 ) 對傳感器的主要 技術(shù)要求 1. 具有將 被測量 轉(zhuǎn)換為后續(xù)電路 可用電量 的功能 ,轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍 相一致 . 2. 轉(zhuǎn)換精度 符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標 ,轉(zhuǎn)換速度 應(yīng)符合整機要求 . 3. 能滿足 被測介質(zhì)和使用環(huán)境 的特殊要求 ,如耐高溫 、耐高壓 、 防腐 、 抗振 、 防爆 、 抗電磁干擾 、 體積小 、 質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等 . 4. 能滿足用戶對 可靠性和可維護性 的要求 . 22 (二 ) 可供選用的傳感器 類型 溫度的傳感器 就有 :熱電偶、熱電阻、熱敏電阻 、半導(dǎo)體 PN結(jié)、 IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器等好多種 .在都能滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下 ,應(yīng)側(cè)重考慮成本低、適配電路是否簡單等因素進行取舍 ,盡可能選擇性價比高 的傳感器 . 23 1. 大信號輸出傳感器 :為了與 A/D輸入要求相適應(yīng) ,傳感器廠家開始設(shè)計、制造一些 專門與 A/D相配套的大信號輸出傳感器 . 傳感器 傳感器 傳感器 小信號放大 信號修正與變換 濾波 A/D 微機 微機 I/V轉(zhuǎn)換 V/F 光電耦合 小電流 小電壓 大電壓 大電流 圖 25 大信號輸出傳感器的使用 電流 /電壓轉(zhuǎn)換 電壓 /頻率轉(zhuǎn)換 24 傳感器 : 數(shù)字式傳感器一般是采用 頻率敏感效應(yīng)器件 構(gòu)成 ,也可以是由敏感參數(shù) R、 L、 C構(gòu)成的振蕩器 ,或模擬電壓輸入經(jīng) V/F轉(zhuǎn)換 等 ,因此 ,數(shù)字量傳感器一般都是 輸出頻率參量 ,具有 測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送 等優(yōu)點 . 25 傳感器 放大整形 光電隔離 計算機 傳感器 整形 光電隔離 計算機 頻率量輸出 開關(guān)量輸出 圖 頻率量及開關(guān)量 輸出傳感器的使用 26 3. 集成傳感器 :(DS18B20 溫度傳感器 ) 集成傳感器是將 傳感器與信號調(diào)理電路做成一體 .例如 ,將 應(yīng)變片 、應(yīng)變電橋、線性化處理、 電橋 放大等做成一體 ,構(gòu)成 集成壓力傳感器 .采用集成傳感器可以減輕輸人通道的信號調(diào)理任務(wù) ,簡化通道結(jié)構(gòu) . 27 傳感器 : 這種傳感器其信號拾取、變換、傳輸都是通過 光導(dǎo)纖維 實現(xiàn)的 ,避免了電路系統(tǒng)的電磁干擾 .在信號輸入通道中采用光纖傳感器可以從 根本上解決 由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾 . 28 運用 前置放大器 的依據(jù) 多數(shù)傳感器輸出信號都比較小 ,必須選用 前置放大器進行放大 . ?判斷傳感器信號 “ 大 ” 還是 “ 小 ” 和要不要進行放大的依據(jù)又是什么 ？ ?放大器為什么要 “ 前置 ” ,即設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？ ?前置放大器的 放大倍數(shù)應(yīng)該多大 ？ 29 信號調(diào)理通道中的 常用放大器 (難點 ) 在智能儀器的信號調(diào)理通道中 ,針對被放大信號的特點 ,并結(jié)合數(shù)據(jù)采集電路的現(xiàn)場要求 ,目前使用較多的放大器有 測量放大器、程控增益放大器以及隔離放大器 等 . 前置放大器的任務(wù)是將 模擬輸入小信號放大到 A/D轉(zhuǎn)換的量程范圍之內(nèi) ,如 05VDC。 對單純的微弱信號 ,可用一個運算放大器進行 單端同相放大或單端反相放大 .如圖 25所示 ,信號源的 一端若接放大器的正端為同相放大 ,同相放大電路的放大倍數(shù) G=1+R2/R1； 若信號源的 一端接放大器的負端為反相放大 ,反相放大電路的放大倍數(shù) G=－ R2/ ,這兩種電路都是單端放大 ,所以 信號源的另一端是與放大器的另一個輸入端共地 .(電路 /模電 ) 30 圖 25 放大電路 VIV O1R2R圖 2 5 放大電路VIV O1R2R( a ) 同相放大～U s～U s( b ) 反相放大31 OP07 32 (一 )測量放大器 在實際工程中 ,來自生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器信號往往帶有較大的 共模干擾 ,而 單個運放電路的差動輸入端難以起到很好的抑制作用 .因此 ,A/D通道中的前置放大器常采用由 一組運放構(gòu)成的測量放大器 ,也稱儀表放大器 ,如圖 26(a)所示 . 經(jīng)典 的測量放大器是由 三個運放組成的對稱結(jié)構(gòu) ,測量放大器的差動輸入端 Vin?和 Vin?分別是兩個運放 A A2的同相輸入端 ,輸入阻抗很高 ,而且完全對稱地直接與被測信號相連 ,因而有著 極強的抑制共模干擾能力 . 33 + 3 A 2 A 1 A 1 R 2 R S R 1 R 2 R S R N I V G R N I V + 負載 (外接 ) 外接地 T U O V (外接 ) 圖 26 測量放大器 34 儀用放大器上下對稱 ,即圖中 R1=R2,R4=R6,R5=閉環(huán)增益 為 : 假設(shè) R4=R5,即第二級運算放大器增益為 1,則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為 : 由上式可知 ,通過 調(diào)節(jié)電阻 RG,可以很方便地改變儀用放大器的 閉環(huán)增益 .當采用集成儀用放大器時 ,RG一般為外接電阻 . 45G1f R/R)R/R21(A ???)R/R21(A G1f ???)RR21(RRVVVGG12SININO U T ?? ????35 ① 測量放大器的特點 :具有 高共模抑制比、高速度、高精度、寬頻帶、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪聲 等 . ② 測量放大器的工作原理 :由 三個運算放大器 構(gòu)成 ,其內(nèi)部基本電路如圖所示 . :A A2二個同相放大器 組成 差動式放大電路 ,輸入信號加在 A A2的同相輸入端 ,從而具有 高抑制共模干擾的能力和高輸入阻抗 .功率放大器 A3為后級 ,它不僅切斷共模干擾的傳輸 ,還將 雙端輸入 方式變換成 單端輸出方式 ,以滿足負載的需要 . 36 ③ 測量放大器 集成芯片 常用的有 AD521S、 AD522B、 AD61AD60 ZF60 INA102等 . a. AD521采用標準 DIP14雙列直插式封裝 ,其管腳功能如圖 a與基本接法如圖 b所示 .在使用 AD521(或其他測量放大器 )時 ,要特別注意為偏置電流提供回路 .為此 ,輸入 (引腳 l或引腳 3)端必須與電源的地線相連構(gòu)成回路 . b. AD522也是單芯片集成精密測量放大器 . 37