电气测试系统课件.ppt

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1、1,第二章 输入输出通道,电气测试系统原理,2,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,3,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,4,2.1 模拟输入通道,电气测试系统原理,5,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,6

2、,一、模拟输入通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,7,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,8,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（多点巡回测量

3、），多路模拟输入通道更具有普遍性。(例),电气测试系统原理,9,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,10,1、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,11,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，因而相邻两路信号在时间上是依次被

4、采集的，不能获得同一时刻的数据；,电气测试系统原理,12,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,13,多路同步采集分时输入电路的结构,电气测试系统原理,14,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偏斜误差，同时也能满足同步

5、采集要求，电路又比较简单。,电气测试系统原理,15,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,16,2、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,17,分散采集式结构图,电气测试系统原理,18,分散采集式电路的结构特点

6、,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,19,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。,电气测试系统原理,20,电路结构的异同点及各自

7、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,21,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,22,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,23,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：下面我们分别研究这三部分的选择和设计原则。,电气测试系统原理,24,二、传

8、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,25,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,26,1、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

9、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,27,2、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

10、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,28,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,29,(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4-20mA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,30,(2)数字式传感器,数字式传感器一般

11、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,31,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隔离，如下图所示：,电气测试系统原理,32,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,33,(3)集成

12、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,34,(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，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

13、理,35,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,36,三、信号调理电路的参数设计和选择,所谓信号调理，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

14、误差修正和量程切换,电气测试系统原理,37,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,38,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,39,1、前置放大器,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

15、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,40,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,41,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,42,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

16、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,43,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,44,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,45,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是低噪声前置放大器。,电气测试系统原理,46,放大器在滤波器后及

17、滤波器在放大器后的两种不同调理电路的比较,电气测试系统原理,47,结论2：,调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。电路等效输入噪声决定电路所能输入的最小信号电平。因此减少电路的等效输入噪声实质上提高电路接收弱信号的能力。前置放大器的设置，满足了对电路噪声抑制，同时，只要选择合适的放大倍数，也满足了电路对小信号放大的要求。,电气测试系统原理,48,2、滤波器,滤波器的功能及分类：低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,电气测试系统原理,49,测控系统中的滤波器,为使调理电路的零漂电压不随被测信号一起送到采集电路，通常在调理电路与采集电路之间接入隔直电容C和电压跟随

18、器A，如下图所示：隔直流电容C与电压跟随器A的输入电阻Ri构成RC高通滤波器，其截止频率为：,电气测试系统原理,50,调理电路中滤波器类型的选择滤波器设置的前提滤波器的参数设计(截止频率、衰减幅度),电气测试系统原理,51,（1）奈奎斯特采样定理,采样引起的失真必须被消除，为消除采样中可能会存在的折叠失真，必须满足以下条件：a、被采样信号为带限信号，即它的最高频率为有限值，即：b、采样频率大于被采样信号最高频率两倍，即采样周期T满足条件：,电气测试系统原理,52,只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，理论上就可从采样信号中无失真地恢复出原被采样信号。这个结论就是著名的奈奎斯特采样定理。,电气

19、测试系统原理,53,（2）低通有源滤波器的设计,一阶低通滤波器 功能：低于截止频率的低频信号通过，衰减高频信号分量，通带为，为截止频率。RC网络构成的一阶低通滤波器的I/O关系如下：复域关系为：为输入信号频率 滤波器的的截止频率为：,电气测试系统原理,54,信号通过该滤波器时，幅值衰减如下：相应得到图中同相端输入的有源一阶低通滤波器的增益衰减关系如下：低通截止频率：信号频率 时，可无衰减通过滤器。,电气测试系统原理,55,几点说明,)无源低通滤波器结构简单，带负载能力差。对于直流信号，负载开路时，信号将无衰减的输出；但外电路有负载时，信号将会被衰减。上述电路中，如R=20K，当负载电阻为RL=

20、5K，对通过的直流信号，将会被衰减80%；如果输入的是交流信号，衰减将会更大。不能直接多级级联来获得更好的频率响应。,电气测试系统原理,56,)有源滤波器有着极高的输入阻抗和极低的输出阻抗，可直接进行级联，不需进行阻抗匹配。同时，有源滤波器电路还可进行增益调整，通过调节桥臂电阻，可补偿电路中的增益衰减。电路对直流信号及低频信号几乎无增益衰减。)相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代的优势，在大部分场合，都采用有源滤波器。,电气测试系统原理,57,二阶低通滤波器,滤波器阶数不同对性能有着影响，下图为二阶有限增益的低通滤波器的原理图。一般的，电路中通常取：,电气测试系统原理,58,幅频特性:传递函

21、数为：增益为：滤波器的低通截止频率为：,电气测试系统原理,59,说明,、这种二阶低通滤波器中，放大倍数H0不能任意指定，当，滤波器电路不稳定。、电路中元件离散性少，电路参数调整方便。不过由于电路中通过引进了正反馈，所以整个电路的增益大小受到一定的限制。,电气测试系统原理,60,伯特瓦兹低通滤波器设计,滤波器输入输出关系为：是放大倍数，为伯特瓦兹多项式。伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多项式的幅值满足下式：n为滤波器阶数，为截止频率，为信号频率。,电气测试系统原理,61,令截止频率，得到归一化的伯特瓦兹多项式：,电气测试系统原理,62,一阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：二阶伯特瓦兹低通

22、滤波器的传递函数为：对前述滤波器，令，对照上表，当满足 时，该二阶低通滤波器就是一个二阶伯特瓦兹低通滤波器。伯特瓦兹低通滤波器的截止频率为：,电气测试系统原理,63,将一阶滤波器和二阶滤波器级联后可得到奇阶的伯特瓦兹低通滤波器，将二阶滤波器级联后可得到偶阶的伯特瓦兹低通滤波器。例：设计截止频率为1KHz的4阶伯特瓦兹低通滤波器,电气测试系统原理,64,参数的选取,滤波器为4阶，n=4，对第一级滤波器，得到其放大倍数为：第二级滤波器，放大倍数为：因此可得：对于放大倍数，有下式成立：取,电气测试系统原理,65,可得：为满足频率要求，根据下式进行求解：由于电容分档较粗，首先进行电容选择，取：则可以得

23、到：实际使用时，取:,电气测试系统原理,66,例：设计截止频率为5KHz的三阶低通滤波器,电气测试系统原理,67,伯特瓦兹低通滤波器的特点,、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的平坦度，阶数越高，平坦度越好。在截止频率处，所有的伯特瓦兹低通滤波器都有-3dB的增益衰减。、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强。,电气测试系统原理,68,）滤波器阶数n越高，幅频特性陡度越大，对减少混淆误差越有利。但是应看到，滤波器阶数越高，使得滤波器设计中，节数越多，带来成本的上升，而且信号通过滤波器时产生的延时也越长。）闭环系统中，这种延时受到系统稳定性的 限制(延时时

24、间受限于系统的要求)，因而滤波器的阶数不宜太高。,电气测试系统原理,69,四、数据采集电路的参数设计和选择,数据采集电路的设计中，需解决以下问题：(一)A/D转换器的选择(二)采样保持器SH的选择(三)采集电路的工作时序和最高允许频率(四)多路测量通道的串音问题(五)主放大器的设置,电气测试系统原理,70,数据采集电路的设计：,数据采集电路是实现模拟信号数字化的电路，其核心器件是各种类型的A/D转换器。对于集中采集式的测量通道，A/D转换器前面都设置模拟多路开关MUX，以便从多路模拟信号中选取一路进行AD转换。一般而言，根据被采样信号的变化速率，常用的数据采集电路有以下三种，如下图所示：,电气

25、测试系统原理,71,1、若被测模拟信号为恒定或慢变信号，则可以直接进行AD转换，如下图所示：2、如被测模拟信号为动态信号(快速变化信号)，那就必须在模拟开关MUX与A/D转换器之间设置采样保持器S/H，如下图所示：,电气测试系统原理,72,3、如各路模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大，就必须在采样保持器SH与模拟开关MUX之间设置放大电路作为主放大器，,电气测试系统原理,73,(一)A/D转换器的选择要点,A/D转换器是数据采集电路的核心部件，正确选用AD转换器是提高数据采集电路性价比的关键，A/D转换器的指标较多，在选用时应主要考虑以下几点：1、A/D转换器的位数确定 2、A

26、/D转换器的转换速度 3、A/D转换器的输出状态 4、A/D转换器的使用环境,电气测试系统原理,74,1、A/D转换器位数的确定,ADC位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态范围，液影响采集电路的转换精度。A/D转换器的位数主要由以下两个指标来决定：1）数据采集电路电压转换范围 2）转换精度 对选用的A/D转换器，在对信号进行转换时，应满足以下两个条件：1）小信号不被量化噪声所淹没 2）大信号不使A/D转换器溢出,电气测试系统原理,75,对上述问题，设模拟输入电压最大值和最小值分别为Vmax和Vmin，ADC前的放大器增益为K，m位ADC的满量程输入电压为E，应满足以下两式：小信号不被量化

27、噪声淹没 大信号不使A/D溢出 注：器件的选择由精度要求来决定,电气测试系统原理,76,模拟开关MUX、采样保持器SH、ADC组成的数据采集电路的总误差是这三个组成部分的分项误差的综合值，则选择元件精度的一般规则是：每个元件的精度指标应优于系统精度的十倍左右。(上述结论由误差理论得出),电气测试系统原理,77,2、A/D转换速度的确定,A/D转换器从开始转换到转换结束并输出稳定的数字量，需要一定的时间，这段时间就是A/D转换器的转换时间，对于采用不同原理实现的A/D转换器，其转换时间有着较大的区别。1）对积分型、电荷平衡型和跟踪比较型ADC转换速度较慢，转换时间从几十ms到几ms不等。这类A/

28、D转换器一般适用于对温度、压力、流量等缓变参数的检测和控制。,电气测试系统原理,78,2）逐次比较型的A/D转换器的转换时间可从几微秒到100微秒左右，属中速的A/D转换器，在工业生产中用得较多。3）采用双极型或CMOS式工艺制成的全并行型、串并行型和电压转移函数型的A/D转换器属高速A/D转换器。转换时间仅20-100 ns左右。高速A/D转换器适用于雷达、数字通讯、实时光谱分析、实时瞬态记录、视频数字转换系统等。,电气测试系统原理,79,A/D转换过程的时间,A/D转换过程所需的时间包括以下两部分：1）A/D转换器的转换时间tC 2）两次A/D转换的时间间隔(休止时间t0)。包括ADC内部

29、电路的恢复时间，CPU读取A/D转换结果及再次发出启动A/D转换的指令的时间。微处理器需几ms到几十ms才能完成ADC转换以外工作，如读数据、再启动、存数据、循环记数等。ADC的转换速率(单位时间内能完成的转换次数)应由转换时间tC和休止时间t0二者共同决定：,电气测试系统原理,80,转换周期TA/D的定义：,数据采集电路中转换周期定义：TA/D=t0+tc 对一个通道数为N的模拟输入通道，完成一次采样的时间为：TS=N TA/D 对单路测量系统或分散测量系统，则Nl。当信号频率为fh(最高频率为fmax)，由采样定理可得：,电气测试系统原理,81,A/D转换器的转换时间为：对信号频率fmax

30、较大的高频(高速)测量系统，为提高系统的响应速率，应该采取以下措施：1）减少通道数N，设计分散采集结构，即N1 2）减小截频系数C，增大低通滤波器陡度；3）选用转换时间短的A/D转换器(中高速ADC)；4）由CPU读取数据改为直接存储器存取(DMA)技术，以大大缩短休止时间。,电气测试系统原理,82,3、A/D转换器的输出状态,根据计算机接口特征，选择合适的ADC的输出状态简化ADC与微处理器的接口电路设计。1）ADC的输出状态：并行或串行(串行输出便于远距离传输)；2）ADC的输出数字形式：二进制码或BCD码(BCD码输出便于十进制数字显示)3）时钟选用：外部、内部时钟或不用时钟；4）转换结

31、束时有无转换结束状态信号；5）有无三态输出缓冲器；6）与TTL、CMOS及ECL电路的兼容性等。,电气测试系统原理,83,4、根据环境条件选择A/D,如工作温度、功耗、可靠性等级等性能参数，要根据环境条件来选择A/D转换器的芯片。,电气测试系统原理,84,(二)采样保持器SH的选择,对模拟信号A/D转换时，当输入信号频率较高，由于A/D转换时间(孔径时间)的存在会造成较大的转换误差，为防止出现这种误差，必须在AD开始转换时将信号保持住，AD 转换结束后又能跟随输入信号的变化，使输入信号处于采样状态，这种电路称为采样/保持电路。,电气测试系统原理,85,(三)采集电路的工作时序和最高允许频率,一

32、般而言，常见的数据采集电路包括：模拟多路开关MUX、采样保持器S/H和A/D转换器,电气测试系统原理,86,数据采集电路的工作时序,1）对于模拟多路开关MUX，一个采样周期TS内，依次接通N道模拟信号，通道地址信号为高电平表示某道信号被接通，低电平表示所有信号被断开。2）采样指令脉宽稍窄于通道地址指令脉宽，保持指令脉宽要大于A/D转换时间，即在整个A/D转换期间，都应进行信号保持。3）右图中的EOC为A/D状态信号，高电平表示正在转换，低电平表示转换结束可读取转换数据。,电气测试系统原理,87,系统的最小采样周期,由于采样指令脉宽应大于S/H的捕捉时间TAC，而AD转换启动时间应在S/H的保持

33、建立时间结束之后，又由于A/D转换所需时间为TC，因此每个通道转换所需时间即S/H和A/D的工作周期T为；若采样周期为TS，模拟采样通道数为N，则T TS/N，则可得系统的最小采样周期为：,电气测试系统原理,88,信号最高允许频率,系统所能转换的模拟信号的最高允许频率为：与下式由理论计算出的最高信号频率：比较后可知信号最高允许频率由前式决定。,电气测试系统原理,89,(四)、多路测量时通道的串音问题,1、串音 多通道数字测量系统中，模拟多路开关MUX常被用做多选一开关或多路采样开关。每当某一指定通道的开关接通时，其它各道开关全都是关断的。理想情况下，负载上只应出现被接通的那个通道的信号，被关断

34、的各路信号不应出现在负载上。实际情况并非如此，其它被关断的信号也会出现在负载上，对本来是惟一被接通的信号形成干扰，这种干扰称为通道间串音干扰，简称串音。,电气测试系统原理,90,2、通道间串音干扰产生的原因,通道间串音干扰的产生主要是由于模拟开关的断开电阻Roff不是无穷大和多路模拟开关中存在寄生电容的缘故。如下图为第一道开关接通，其余(N-1)道开关均关断时的情况,电气测试系统原理,91,泄漏电压,简化后，可以得到由于N-1个通道的关断电阻不为无穷大而得到的在负载上的泄漏电压为：,电气测试系统原理,92,3、减小串音干扰的方式,为减小串音干扰，可以采取如下措施：1）减小输入电阻，前级电路采用

35、电压跟随器；2）选用导通电阻RON极小、关断电阻Roff极大的开关管；3）减少输出端并联开关数N；若N1，则VN0。4）选用寄生电容小的多路模拟开关MUX：,电气测试系统原理,93,高频串音干扰,当切换多路高频信号时，截止通道的高频信号还会通过通道间寄生电容C和开关源、漏极间的寄生电容(开关电容)CDS在负载端也会产生泄漏电压：寄生电容Cx和开关电容CDS的数值越大，信号频率越高，泄漏电压就越大，串音干扰也就越严重。为减小串音应选用寄生电容小的多路模拟开关MUX。,电气测试系统原理,94,(五)主放大器的设置,一般而言，测控系统的数据采集电路采用如下图所示的结构：这种结构中，为了使采样后数据尽

36、量符合ADC的量程，在模拟开关MUX与采样保持器S/H之间通常设置了一级放大电路，为与调理电路中的前置放大器相区别，称采集电路中的放大器为“主放大器”。,电气测试系统原理,95,1、主放大器的功能：由于测控系统中，微处理器接受的为数字信号，数据采集电路的任务是将经过调理电路处理过的模拟信号数字化，采集电路中的主放大器也是为此而设置的。2、主放大器设置前提：不能使A/D溢出，满足转换精度的要求,电气测试系统原理,96,假设模拟多路切换器输出的第i道信号的第j次采样电压为Vij，采样电压的量化相对误差便为：采样电压越小，相对误差越大，转换精度越低，为避免弱信号采样电压在A/D转换时达不到要求的转换

37、精度，必须放大K倍后再进行A/D转换，这样量化精度便可提高K倍，满足转换精度的要求，,电气测试系统原理,97,由上式可见，K越大，放大后的A/D转换相对误差越小，精度越高，但K也不能太大，以致产生AD溢出。因此，主放大器的增益K应满足两个条件：既不能使A/D溢出，又要满足转换精度的要求，即：,电气测试系统原理,98,对于满量程输入电压为E，满量程输出数字量为DFS的ADC可以得到所需的主放大器增益K为：,电气测试系统原理,99,3、主放大器选择的类型,1)如果被测物理量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，且各路信号的幅度也相差不大，也就是Vij随i和j的变化都不大，那就没有必要在采集电路中

38、设置主放大器，只要使各路信号调理电路中的前置放大器增益满足上式即可。2)如果被测量的多路模拟信号都是恒定或变化缓慢的信号，但是各路信号的幅度相差很大，也就是说Vij不随j变化，但随i变化很大，那就应在采集电路中设置程控增益放大器作为主放大器。,电气测试系统原理,100,程控增益放大器的特点 每当多路开关MUX在对第i道信号采样时，放大器就采预先按上式选定的第i道的增益Ki进行放大。,电气测试系统原理,101,五、模拟输入通道的误差分配与综合,对一个模拟输入通道的设计，一般首先给定精度要求、工作温度、通道数目和信号特征等条件，然后根据条件，初步确定通道的结构方案和选择元器件。由于系统精度是给定的

39、，因此系统的设计总是围绕如何提高精度进行。,电气测试系统原理,102,一个通道总是由多个环节构成，因此系统对精度的要求就已经具体到各个环节，根据系统对精度(误差)的要求，就涉及到各个环节的误差分配的问题，也就是如何由系统的误差来决定各个环节所允许的误差，以保证最终所设计的系统满足给定的精度要求。根据误差理论来具体实现，不过对于具体实现时，各环节应该还应根据作用来分配误差。,电气测试系统原理,103,分配规则如下：,1）确定通道的结构方案 2）由通道的总精度要求，给各环节分配误差，以便选择元器件。通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，采样保持器和AD转换器等误差可按选择元件精度的一般规则和具体情况而定。,电气测试系统原理,104,3）选择元件精度的一般规则：每个元件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的10倍左右。要构成一个要求0.1级精度性能的模拟输入通道，所选择的A/D转换器、采样/保持器和模拟多路开关组件的精度都应该不大于0.01。4）初步选定元件后，根据元件技术特性和元件间相互关系核算实际误差，按绝对值和形式或方和根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定的指标。如不合格，应该分析误差，重新选择元件及进行误差分析综合，直至达到要求。,电气测试系统原理,105,小结,