1智能儀器設(shè)計

2025/8/8內(nèi)容回顧2數(shù)據(jù)采集技術(shù)傳感器傳感器測量電路S/HA/D多路轉(zhuǎn)換器輸入輸出接口測量電路S/H存儲器CPU總線模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元傳感器及其信號調(diào)理電路微處理器及其接口……數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)3多通道一般型優(yōu)點：多路信號共用一個S/H和ADC，電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低缺點：由于多路信號是分時進行采集和A/D轉(zhuǎn)換的，因此采集速度低；由于是分時采集，不能獲得多路信號同一時刻的數(shù)據(jù)，對于要求多路信號嚴格同步采集的系統(tǒng)是不適用的內(nèi)容回顧多通道同步型優(yōu)點：由于各通道有獨立的S/H電路，可以實現(xiàn)同步采集和分時A/D轉(zhuǎn)換缺點：由于多路信號的A/D轉(zhuǎn)換仍然是分時進行的，工作速度仍然較低4多通道獨立型優(yōu)點：每一通道有獨立的S/H、ADC電路，可以實現(xiàn)同步采集和高速采集缺點：成本較高，如何保證同步？內(nèi)容回顧網(wǎng)絡(luò)式優(yōu)點：采集通道數(shù)多，采集數(shù)據(jù)量大，便于橫向擴展，數(shù)據(jù)易于存儲、集中管理缺點：設(shè)計復雜、成本高、重點要考慮站點間數(shù)據(jù)同步的準確性和效率5內(nèi)容回顧（2）運用前置放大器的依據(jù)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)應該多大？a．充分地利用ADC的滿刻度分辨率b．高輸入阻抗，反應時間快；c．頻率響應范圍寬；d．高抗共模干擾能力；e．低漂移、低噪聲及低輸出阻抗調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲前置放大器倍數(shù)選擇內(nèi)容回顧67數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的前置放大器為什么一般設(shè)置在調(diào)理電路的最前端？請用公式推導說明。作業(yè)？數(shù)據(jù)采集技術(shù)放大器前置/后置兩種調(diào)理電路的對比濾波器后置等效圖濾波器前置等效圖

由于

K＞1，所以，調(diào)理電路中放大器設(shè)置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲

數(shù)據(jù)采集技術(shù)8數(shù)據(jù)采集技術(shù)III.放大器倍數(shù)的選擇若A/D轉(zhuǎn)換器滿度輸入電壓為E，滿度輸出數(shù)字量為DFS，則A/D的量化絕對誤差為q（LSB），即：如果輸入模擬的采樣電壓為Vi，那么這個采樣電壓的量化相對誤差為：為了避免弱信號采樣電壓在A/D轉(zhuǎn)換時達不到要求的轉(zhuǎn)換精度，就必須將它放大K倍后再進行A/D轉(zhuǎn)換，滿足轉(zhuǎn)換精度的要求，即9數(shù)據(jù)采集技術(shù)放大器的增益K應滿足兩個條件：既不能使A/D溢出，又要滿足轉(zhuǎn)換精度的要求，即所需放大器增益K：10通用運算放大器儀用放大器程控增益放大器隔離放大器內(nèi)容回顧11（3）常用測量放大器光電耦合、變壓器耦合和電容耦合數(shù)據(jù)采集技術(shù)(a)通用運算放大器12常用的運放都有哪些*？輸入失調(diào)電壓、輸入失調(diào)電壓的溫漂；輸入偏置電流、輸入失調(diào)電流、輸入偏置電流的溫漂；差模開環(huán)直流電壓增益、共模抑制比、電源電壓抑制比；輸出峰-峰值電壓、最大共模輸入電壓、最大差模輸入電壓；開環(huán)帶寬、單位增益帶寬、全功率帶寬；轉(zhuǎn)換速率、建立時間；等效輸入噪聲電壓；差模輸入阻抗、共模輸入阻抗、輸出阻抗；13數(shù)據(jù)采集技術(shù)14數(shù)據(jù)采集技術(shù)15運放LM358OP07TL062TLV2252TLC4502輸入失調(diào)電壓5mV60μV3mV200μV10μV輸入失調(diào)電壓溫漂20μV/℃0.3μV/℃10μV/℃0.5μV/℃1μV/℃共模抑制比80dB126dB86dB75dB100dB供電方式單電源雙電源雙電源單電源單電源價格（元）0.510.8220幾款常用運放性能比較

思考：單電源如何變雙電源？數(shù)據(jù)采集技術(shù)16單電源如何變雙電源？數(shù)據(jù)采集技術(shù)CD4011-四2輸入與非門輸出方波+半橋整流濾波電路17薄膜熱線式風速傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)厚膜半導體氣體傳感器18射隨*濾波限幅ADC氣體傳感器信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集技術(shù)帶溫度補償恒流式熱線風速傳感器測量電路*風速RT恒流源電路溫度補償電路數(shù)據(jù)采集技術(shù)1920數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實例美國佐治亞理工大學TongueDriveSystem視頻1-6*ARMstm3210通道,12位ADC數(shù)據(jù)采集技術(shù)21(b)儀用放大器

在智能儀器中，常常需要精確放大帶有一定共模干擾的微弱的差模信號，要求放大電路輸入阻抗和共模抑制比高、誤差小、穩(wěn)定性好。

這種用來放大傳感器輸出的微弱電壓或電流信號的放大器稱為儀用放大器。數(shù)據(jù)采集技術(shù)儀用放大器由A1、A2、A3構(gòu)成，其對稱性結(jié)構(gòu)使整個放大器具有很高的共模抑制能力，是智能測量儀器中最常用的放大電路。此時放大器的輸出電壓為：通常為保證放大器的共模抑制能力，電路參數(shù)對稱，即22儀用放大器原理23常用儀用放大器AnalogDevice公司：AD512、AD620、AD623

MAXIM公司：MAX4195、4196、4197BB公司：INA114、118、128數(shù)據(jù)采集技術(shù)●工作溫度

-40℃～+85℃●內(nèi)部輸入保護能夠長期耐受±40V電壓●工作電壓范圍寬（±2.5V～±6V），可

使用5V單電源供電系統(tǒng)●只需一個外部電阻就可以設(shè)置1至1000

之間的任意增益值●失調(diào)電壓低（25μV）●漂移?。?.1μV/℃）●輸入偏置電流低（0.25nA）●共模抑制比高（G=1000時≥110dB）主要性能：數(shù)據(jù)采集技術(shù)2425基本連接方法

在靠近電源引腳處連接的去耦合電容主要用于噪聲或高阻電源場合。輸出G為增益數(shù)據(jù)采集技術(shù)傳感器靈敏度5mv/gauss大地磁場約為0.5gauss放大倍數(shù)A=200LM385穩(wěn)壓芯片提供1.2V偏置電壓AD623儀用放大器磁阻傳感器信號調(diào)理電路數(shù)據(jù)采集技術(shù)26數(shù)據(jù)采集技術(shù)27(c)程控放大器智能儀器含有微處理器，用儀器內(nèi)置的程序控制放大器的增益，稱為程控增益放大器（PGA）。程控放大器由運放及模擬開關(guān)控制的電阻網(wǎng)絡(luò)組成，模擬開關(guān)的地址由硬件電路或微處理器控制。分類程控反相放大器、程控同相放大器、集成程控放大器等28程控反相放大器虛線框為模擬開關(guān)，模擬開關(guān)的閉合位置受控制信號C1、C2的控制，反饋電阻又隨開關(guān)位置而變，從而實現(xiàn)放大器的增益由程序控制。當放大倍數(shù)小于1時，程控反相放大器構(gòu)成程控衰減器。數(shù)據(jù)采集技術(shù)29程控同相放大器利用8選1集成模擬開關(guān)CD4051構(gòu)成程控同相放大器圖中，C、B、A為通道選擇輸入端，其狀態(tài)由程序（D2、D1、D0的狀態(tài)）控制，C、B、A不同的編碼組合決定開關(guān)與哪一通道接通，從而選擇R0～R7之間的某個電阻接入電路。實現(xiàn)程控增益的功能。數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)30集成程控放大器*其中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)由譯碼—驅(qū)動器及雙四通道模擬開關(guān)組成可實現(xiàn)兩級增益改變31數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)32(d)隔離放大器

隔離放大器(IsolationAmplifier)即輸入端和輸出端沒有直接的電耦合，而是通過光、變壓器或電容等耦合元件耦合。輸入端和輸出端的絕緣電壓一般達1000V以上，絕緣電阻達數(shù)十ΜΩ。數(shù)據(jù)采集技術(shù)33隔離放大器的符號按耦合器件的不同，可分為光電耦合、變壓器耦合和電容耦合三種。輸入、輸出級之間不能有電的連接，即前、后級不能共用電源和地線注意：34輸入級激勵發(fā)光管，由光電管將光信號耦合到輸出級，實現(xiàn)信號的傳輸，保證了輸入和輸出間的電氣隔離。光耦隔離放大器

光電耦合隔離放大器以光為耦合媒介，輸入與輸出在電氣上完全隔離，通過光信號的傳遞實現(xiàn)電信號的傳遞。基本原理數(shù)據(jù)采集技術(shù)35公司產(chǎn)品型號BBISO100、ISO130、3650、3652HPHCPL7800/7800A/7800B、HCNR201*ToshibaTLP521-1、TLP521-2、TLP521-4FairchildHCPL-2530,HCPL-2531變壓器耦合（內(nèi)置DC/DC變換器）BBIS0212、ISO213ADAD202，AD204、AD210、AD215、ADUM1200常用集成光耦/變壓器耦合隔離放大器*數(shù)據(jù)采集技術(shù)36TLP521光耦隔離電機驅(qū)動與電路控制信號隔離電機驅(qū)動及光耦隔離電路數(shù)據(jù)采集技術(shù)37

變壓器耦合隔離放大器的輸入部分和輸出部分采用變壓器耦合，信息傳送通過磁路實現(xiàn)。變壓器耦合隔離放大器常用變壓器耦合隔離放大器BB公司：ISO212、3656AD公司：AD202、AD204、AD210、AD215

ADUM1200數(shù)據(jù)采集技術(shù)電容耦合隔離放大器——線性隔離

采用電容耦合的隔離放大器如BB公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122等。●額定隔離電壓≥1500V（交流60Hz連續(xù)）●隔離阻抗●輸入電壓范圍±12.5V●輸入電阻200kΩ●輸出電源范圍±12.5V數(shù)據(jù)采集技術(shù)3839抗干擾工控機測量系統(tǒng)信號隔離電路原理圖隔離放大器實例數(shù)據(jù)采集技術(shù)第3章數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)3.2模擬信號調(diào)理3.3模擬多路轉(zhuǎn)換器（MUX）3.4采樣保持電路40數(shù)據(jù)采集技術(shù)數(shù)據(jù)采集技術(shù)3.3模擬多路開關(guān)（模擬多路轉(zhuǎn)換器）在智能儀器中，往往需要同時或依次采集多路信號，也就是利用模擬多路開關(guān)輪流切換每個被采集的信號與ADC的通路。

這種開關(guān)稱為模擬多路開關(guān)或模擬多路轉(zhuǎn)換器。41數(shù)據(jù)采集技術(shù)類型導通電阻截止電阻開關(guān)時間舌簧繼電器JFETCMOS0.1Ω100Ω1.5kΩ1014Ω109Ω108Ω1ms200ns500ns模擬多路開關(guān)器件實際上由多個模擬開關(guān)組成，由譯碼電路實現(xiàn)控制。目前電子模擬多路開關(guān)多用舌簧繼電器、JFET及CMOS器件42（1）模擬多路開關(guān)分類雙極型晶體管場效應管通道數(shù)量對傳輸信號的精度和開關(guān)切換速率有直接的影響；通道數(shù)量越多，寄生電容和泄漏電流越大。泄漏電流指開關(guān)斷開時流過模擬開關(guān)的電流；一般希望泄漏電流越小越好。導通電阻指開關(guān)閉合時的電阻；導通電阻會損失信號，使精度降低。開關(guān)速度指開關(guān)接通或斷開的速度；對于頻率較高的信號，要求模擬開關(guān)切換速度快。芯片電源電壓范圍電源電壓越高，切換速度越快，導通電阻越??；反之，導通電阻越大。（2）模擬多路開關(guān)的性能指標43數(shù)據(jù)采集技術(shù)44（3）集成模擬多路開關(guān)