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第八章 计算机自动测量系统简介第一节 系统的基本组成,目的：满足科研试验中测量参数多、测量速度快、精确度高的要求，实现实时采样、实时处理、实时控制和实时显示。测控系统：利用计算机实现自动测量和控制的系统。数据采集：对客观世界的信息进行收集并显示、处理、传输和记录的过程。,第八章 计算机自动测量系统简介第一节 系统的基本组成,1.1 系统的基本组成：,待测非电量,传感器,信号调理,S/H,A/D,计算机,D/A,传感器,传感器,信号调理,信号调理,信号调理,多路模拟开关,测量放大器,显示,打印,输出,数字锁存,数字量,第八章 计算机自动测量系统简介第二节 信号调理,信号调理：对输入信号加以调理、变换和改善以提高测量的准确度和满足后继设备的输入要求。2.1 电桥连接与激励目的：将电阻信号转化为电压信号。方法：电桥连接。2.2 热电偶冷端温度补偿2.3 信号放大放大器的主要性能参数：增益、带宽、输入阻抗、零点漂移与增益漂移以及共模抑制比。,第八章 计算机自动测量系统简介第二节 信号调理,差动放大器：信号电压是放大器两个输入端的差值。其特点是具有抑制共模电压的能力。调制解调放大器：将输入信号调制为交流而进行交流放大然后再解调恢复为直流信号。其特点是可消除零点漂移。隔离放大器：采用隔离输入变压器和保护屏蔽技术。其特点是更进一步提高共模抑制比。可编程增益放大器：通过程序设置，可根据输入信号的幅度而改变增益。,第八章 计算机自动测量系统简介第二节 信号调理,自动增益控制放大器：根据输入信号的幅度，通过逻辑比较电路来自动选择最佳增益。仪表放大器：由三个运算放大器组成。其特点是具有高的开环增益、高输入阻抗、高共模抑制比、低失调电压和温度漂移。2.4 信号衰减方法：采用电阻分压器2.5 低通滤波目的：平滑输入信号，提高信噪比。,第八章 计算机自动测量系统简介第三节 多路转换开关,3.1 多路转换开关的类型与特点3.1.1 电磁式主要有：继电器和干簧管。优点：耐压高、绝缘好、导通电阻小、漏电流小。缺点：机械触点寿命短、速度低、体积大、耗电多适宜使用场合：低速的高压大信号；低速的高精度小信号。,第八章 计算机自动测量系统简介第三节 多路转换开关,3.1.2 半导体式主要有：双极晶体管、场效应管和数据采集系统 多用的CMOS集成电路多路开关。优点：速度快、寿命长、体积小、耗电省；缺点：耐压低、导通电阻大、有一定的漏电流。适宜使用场合：高速数据采集系统。,第八章 计算机自动测量系统简介第三节 多路转换开关,3.2 多路转换开关的结构形式3.2.1 单端式,第八章 计算机自动测量系统简介第三节 多路转换开关,3.2.2 差动式,第八章 计算机自动测量系统简介第四节 采样保持器,作用：通过逻辑控制电路使其处于“采样”或“保持”状态，以此满足某些A/D转换器在转换时要求输入信号保持不变或多个输入通道要求采样的时间和相位相同的需求。工作原理：,主要性能指标：(1)采集时间(2)下跌率,第八章 计算机自动测量系统简介第五节 数/模转换器(DAC),以四位数/模转换器为例：,电阻网络输出的总电流为：,第八章 计算机自动测量系统简介第五节 数/模转换器(DAC),经反相运放，可以实现电流-电压变换：,输出电压为：,对于n位：,四位DAC输入/输出关系,第八章 计算机自动测量系统简介第五节 数/模转换器(DAC),四位DAC的T形电阻网络：,目的：解决电阻制造工艺的困难。,第八章 计算机自动测量系统简介第五节 数/模转换器(DAC),主要参数：(1)分辨率：输出最小电压与输出最大电压之比，该比值取决于DAC的位数。四位DAC的分辨率为：,有时也直接用DAC的位数表示分辨率，如8位、12位等。,第八章 计算机自动测量系统简介第五节 数/模转换器(DAC),(2)线性度通常用非线性误差的大小表示DAC的线性度。,产生偏离的主要原因：模拟开关导通压降及电阻网络各电阻值R不尽相等等。,第八章 计算机自动测量系统简介第五节 数/模转换器(DAC),(3)输出电压(或电流)的建立时间定义：从输入数字信号起到输出电压(或电流)达到稳定值所需要的时间。电流型DAC：建立时间相当快，一般不超过1s；电压型DAC：建立时间主要取决于运算放大器所需的时间。除以上主要参数外，还有精度、温度系数等，使用时可查阅有关手册。,第八章 计算机自动测量系统简介第六节 模/数转换器(ADC),6.1 逐次逼近型模/数转换器,第八章 计算机自动测量系统简介第六节 模/数转换器(ADC),设输入模拟量为UX，其逼近过程见下表和图：,第八章 计算机自动测量系统简介第六节 模/数转换器(ADC),6.2 双积分型ADC,优点：分辨率高缺点：转换速度低,第八章 计算机自动测量系统简介第六节 模/数转换器(ADC),特点：转换速度快,6.3 并行ADC,第八章 计算机自动测量系统简介第六节 模/数转换器(ADC),6.4 主要参数(1)分辨率 用输出数字量的二进制位数表示，如8位、10位、12位等。它反映模/数转换器所能分辨的被测量最小值。位数越多，分辩率越高。(2)转换速度 完成一次模/数转换所需要的时间。一般是从接到转换信号开始，到输出稳定的数字量为止所需的时间，通常在几十微秒左右。,第八章 计算机自动测量系统简介第六节 模/数转换器(ADC),(3)相对精度 实际输出的数字量与理想转换特性之间的最大偏差。除以上主要参数外，还有电压范围、温度系数、功耗等，使用时可查阅有关手册。6.5.模/数转换器的选择 根据传感器、放大器、采样保持器等环节的性能指标，确定ADC的各项指标，要通盘考虑。,第八章 计算机自动测量系统简介第七节 计算机,7.1 连接方式(1)外总线系统接口：RS232、RS422、IEEE488等。特点：数据采集设备可以靠近现场，而远离计算机，能配置成任何规模的系统。数据采集设备有自己的为处理器，有助于远程作业和减轻主计算机的负担，便于构成分布式系统。(2)内总线系统特点：系统的各个组件不需独立的机箱和电源，可以直接装在主计算机机箱里，从而缩小了系统体积，降低了成本，提高了速度。但规模不可能很大。,第八章 计算机自动测量系统简介第七节 计算机,7.2 作用控制多路转换开关的转换、启动A/D、D/A等输入输出设备、进行数据处理。其中数据处理软件的主要任务是：对输入信息进行系统整定，恢复原来的物理形式；采用各种数学方法最大限度的消除混入信号的噪声与干扰；对数据本身进行某些加工变换、或在有关联的数据间进行相互运算，从而得到能表达该数据内在特征的二次数据；将计算机的输出用于控制机构可以构成计算机控制系统。,第八章 计算机自动测量系统简介第八节自动数据采集系统,8.1自动数据采集系统的结构形式(1)各个输入信号共享测量放大器和A/D转换器,应用场合：输入量缓慢变化及传感器输出电压较高的场合,第八章 计算机自动测量系统简介第八节自动数据采集系统,(2)每个输入信号有一个测量放大器，共享A/D转换器的结构配置,应用场合：对多路模拟开关的精度要求不高。,第八章 计算机自动测量系统简介第八节自动数据采集系统,(3)每个输入信号有一个测量放大器和一个A/D转换器的结构配置,应用场合：高速数据采集系统，或要求同时检测多个模拟信号的场合。,第八章 计算机自动测量系统简介第八节自动数据采集系统,(4)差动结构的数据采集装置,应用场合：由于这种结构具有强的抑制共模干扰的能力，适用于输入信号电平低的情况，还可抑制长传输线引起的严重干扰。,第八章 计算机自动测量系统简介第八节自动数据采集系统,8.2自动数据采集系统的主要技术指标(1)通道数：系统能提供给用户可使用的模拟量输入通道总数。(2)数据采集速度(a)系统最高重复采样率：模拟输入系统全部通道重复扫描采集时，每个通道在单位时间内能测量得到的可用数据的个数，单位为“次/s”。(b)单通道最高重复采样率：系统中一个模拟通道连续重复采样时，在单位时间内能采集到的可用数据的最大个数，单位“次/s”。,第八章 计算机自动测量系统简介第八节自动数据采集系统,(c)信号频率和采样频率：采样频率一般为信号最高频率的510倍。(3)分辨率与精度：ADC的位数越多，分辨率就越高，可区分的模拟信号电压就越小。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.1 概述噪声：测量系统测量和传输的有用信号以外的一切信号均被称为噪声。干扰：具有一定幅值和一定强度、能够影响测量系统正常工作的噪声。噪声形成干扰的三要素：噪声源、对噪声敏感的接收电路和噪声源到接受电路之间的耦合通道。三者之间的联系如图：,噪声源,耦合通道,接收电路,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.2 噪声的分类9.2.1 从噪声产生的来源分类：(1)固有噪声定义：指噪声由电子设备本身原因而产生的。包含热噪声(白噪声)、散粒噪声及接触噪声三种。热噪声：指任何电阻既使不与电源相接，在它的两端也存在着微弱的电压。这种电压是由于电阻中电子热运动所形成的。其特点是具有随机性质，而且几乎覆盖整个频谱，它决定了电路中噪声的下限。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,散粒噪声：存在于电子管和半导体两种元器件中。在电子管里，散粒噪声来自阴极电子的随机发射；在半导体内，散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散以及电子-空穴对的随机发射及其复合形成的。散粒噪声的方根噪声电流为：,热噪声电压的有效值可表示为：,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,接触噪声：由于两种材料之间不完全接触，从而形成电导率的起伏而产生的。它发生在两个导体连接的地方，如继电器的接点、电位器的滑动触点。噪声电流可近似的表示为：,定义：指各种电气设备所产生的噪声。包含工频噪声、射频噪声及电子开关三种。,在低频电路中，接触噪声是重要噪声源。,(2)人为噪声源,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,工频噪声：大功率输电线是典型的工频噪声源。射频噪声：高频感应加热，高频焊接等工业电子设备以及广播、电视、雷达及通讯设备等通过电磁辐射或通过电源线会给附近的测量系统带来干扰。电子开关：由于电子开关通断的速度极快，使电路中的电压和电流发生急剧的变化，形成冲击脉冲，从而成为噪声干扰源。(3)自然噪声源定义：自然噪声主要来自于各种自然放电现象。因此也叫放电噪声。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.2.2 从干扰的表现形式分类(1)规则干扰定义：干扰的出现形式有一定的规律，如电源的纹波、放大器的自激振荡等形成的干扰。(2)不规则干扰定义：干扰的出现形式是不规则的，如某些元器件，它的工作量值和特性随使用条件而变，由它引起的干扰就是不规则的。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,(3)随机干扰定义：干扰的出现具有随机性质，如接触不良、空间电磁耦合等引起的干扰都是随机的。9.2.3 从干扰的区域分类(1)内部干扰定义：来自测量系统内部的干扰。如电路的过渡过程、交叉电路、寄生反馈、内部电磁场等引起的干扰。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,(2)外部干扰定义：来自测量系统外部的干扰。如电网电压波动、电磁辐射、高压电源漏电等。9.2.4 从干扰对电路作用的形式分类(1)差模干扰(串模干扰、串联干扰、正态干扰、常模干扰及横向干扰等)特点：差模干扰进入电路后，使检测系统的一个信号输入端子相对于另一个信号输入端子的电位发生变化，即干扰信号和有用信号迭加起来直接作用于输入端，从而影响测量结果。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,(2)共模干扰(共态干扰、同相干扰、对地干扰及纵向干扰)特点：相对于公共的电位基准点(通常为接地点)，在检测系统的两个输入端子上同时出现干扰。它虽不直接对测量结果造成影响，但当信号输入电路不对称时，它会转化为差模干扰。共模干扰抑制比：作用于检测系统的共模干扰信号与这个共模干扰信号转换为差模干扰信号之比。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,对数形式为：,9.3 噪声的耦合方式9.3.1 电容性耦合(静电耦合)定义：由于两个电路之间存在寄生电容，使得一个电路的电荷变化影响到另一个电路。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.3.2 互感耦合(电磁耦合)定义：由于两个电路之间存在互感，使得当一个电路的电流变化时，通过磁交链影响到另一个电路。9.3.3 共阻抗耦合定义：由于几个电路之间有公共阻抗，当一个电路中有电流流过时，在公共阻抗上产生一个压降，这一压降对其它与公共阻抗相连的电路形成干扰。9.3.4 漏电耦合定义：由于两部分电路之间绝缘不良，高电平电路通过绝缘电阻向低电平电路漏电，这种漏电电流对低电平电路造成干扰。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.3.5 传导耦合定义：经导线检拾到噪声，再经它传输到噪声接收电路而形成干扰的噪声耦合方式。9.3.6 辐射电磁场耦合定义：大功率的高频电气设备、广播、电视、通讯发射台等，不断地向外发射电磁波。检测系统若置于这种辐射场中，就会感应到与辐射电磁场成正比的感应电势，这种感应电势进入电路就形成干扰。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.4 抑制干扰的基本方法 从分析干扰的来源、性质、传播途径、耦合方式以及进入检测器电路的形式、接收干扰的电路等入手，采取以下措施：(1)消除或抑制噪声源；(2)破坏干扰的耦合通道；(3)减弱接收电路对干扰的敏感性；(4)采用软件抑制干扰。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.5 抑制电磁干扰的基本措施9.5.1 屏蔽(1)静电屏蔽：主要用来抑制静电干扰，其屏蔽层必须接地；(2)电磁屏蔽：屏蔽层采用导电良好的金属材料。主要用来防止高频电磁场的干扰；(3)磁屏蔽：屏蔽层采用高导磁材料。主要用来防止低频磁场的干扰。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.5.2 接地9.5.2.1 接地的目的与作用(1)保证人身和设备安全。(2)抑制干扰(a)通过接地给干扰电压以低阻通路；(b)消除各电路电流流经一公共地线阻抗所产生的噪声电压，即共阻干扰；(c)避免磁场或地电位差的影响，使其不形成地环路。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.5.2.2 地线的种类实际地：接大地。虚地：不接大地，只是作为信号参考点，建立系统的基准电位。(1)保安地线：把电网的零线、电器设备的机壳、避雷针等接大地；(2)信号源地线：传感器本身的零信号电位基准公共线；(3)信号地线：用于确定信号的基准电位；(4)负载地线：对负载或大功率驱动级单独设置地线；(5)屏蔽层地线：为防止静电干扰或电磁干扰而设置的地线。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.5.2.3 各种地线的处理原则(1)低频电路的一点接地原则：就是把多个接地点用导线把它们汇集到一点，再从这点接地。采用一点接地，可以有效地克服地电位差的影响和共用地线的共阻抗引起的干扰；(2)高频电路的接地原则：地线长度应小于信号波长的1/20，此时可采用一点接地；否则应采用多点接地；(3)强电地线与信号地线分开设置；(4)模拟信号地线与数字信号地线分开设置。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.5.2.4 接地方法(1)埋设铜板(2)接地棒(3)网状(辐射状)地线9.5.3 浮置(浮空、浮接)定义：电子设备的输入信号放大器公共线(即模拟信号地)不接机壳或大地，测量放大器与机壳或大地之间无直流联系。目的：阻断干扰电流的通路。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,使用条件：在对电路要求高、且采用多层屏蔽的条件下，才使用浮置技术。注意事项：测量电路的浮置应包括该电路的供电电源，否则浮置将是无效的。9.5.4 对称电路(平衡电路)定义：双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其他导线的结构对称。作用：消除导线检拾的噪声电压。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,9.5.5 隔离技术作用：在采用两点以上接地的检测或控制系统中，为了抑制地电位差所形成的干扰，运用隔离技术切断地环路电流。在完成系统的隔离之后，就在唯一的接地点接大地。方法：采用电磁隔离和光电隔离。电磁隔离：在两个电路间加一个隔离变压器，使两个电路之间电的联系被切断，以磁的形式传递信号。该方法可用于信号隔离和电源隔离，主要用于电源隔离。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,光电隔离：在两个电路间加入一个光耦合器。使两电路间信号的传递以光的方式进行。光电隔离广泛应用于由微机构成的检测或控制系统中。9.5.6 滤波定义：滤波是一种只允许某一频带范围内的信号通过或只阻止某一频带范围内信号通过的抑制干扰的措施之一。滤波方式：模拟滤波和数字滤波。数字滤波：在检测系统中通过一定的计算机程序对被采样的信号进行平滑加工，以提高有用信号、消除或减小各种干扰和噪声，从而保证测量的准确度和系统的可靠性。,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,模拟滤波：依靠滤波电路来实现，有无源和有源滤波器两种。数字滤波的优点：(1)不需增加任何硬设备；(2)可靠性高，且没有阻抗匹配问题；(3)多个通道可共用一个数字滤波器;(4)不受电容量限制，可以对频率很低的干扰进行滤波。常用的滤波方法有：(1)程序判断滤波；,第八章 计算机自动测量系统简介第九节 系统干扰的抑制,(2)中值滤波；(3)算术平均滤波；(4)加权平均滤波；(5)低通滤波；(6)高通滤波；(7)复合滤波。9.5.7 对传输线干扰的抑制(1)采用双绞线；(2)使用屏蔽线，并将屏蔽层接地。,思考题,计算机自动测量系统的主要技术指标有哪些？请说明之？什么是噪声？什么是干扰？噪声形成干扰的必要条件是什么？根据干扰进入电路的形式，干扰可分为哪两种？试述这两种干扰的特点，并解释共模干扰抑制比的概念及其求法？试述信号调理的作用，举例说明常用的几种信号调理的方法？试述逐次逼近型模/数转换器的工作原理？,