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第第5章章 现代测量系统硬件模块设计现代测量系统硬件模块设计5.1 传感器常用调理电路传感器常用调理电路5.1.1 电桥电桥 u 将电阻、电感、电容或阻抗参量的变化转换为电压或将电阻、电感、电容或阻抗参量的变化转换为电压或 电流输出的一种测量电路。电流输出的一种测量电路。u 特点特点:电路简单，较高的准确度和灵敏度，广泛使用电路简单，较高的准确度和灵敏度，广泛使用u 分类分类：（：（4种方法）种方法）按照激励电源的性质按照激励电源的性质：直流与交流电桥；：直流与交流电桥；按照输出方式按照输出方式：平衡式电桥与不平衡式电桥。与传：平衡式电桥与不平衡式电桥。与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。按照电源供电的方式按照电源供电的方式：恒压源供电电桥和恒流源供：恒压源供电电桥和恒流源供电电桥。电电桥。按照电桥的结构：按照电桥的结构：单臂电桥、差动半桥、差动全桥。单臂电桥、差动半桥、差动全桥。(1)电桥的基本工作原理电桥的基本工作原理 Z1,Z2,Z3,Z4为四个桥臂阻抗。A，C两端接电压源，则在B，D两端输出不平衡电压UBD分别为：恒压源供电：恒流源供电：5.1 传感器常用调理电路传感器常用调理电路EABCUZ4Z3Z2DZ1I1I2-+Z0Z电源Z0Z电源ABCZ0Z0Z0DUUZ0ZABCZ0Z0Z0 ZD电源ABCZ0ZZ0 ZZ0 ZDU单臂电桥：单臂电桥：将电桥的将电桥的一个桥臂阻抗接电参一个桥臂阻抗接电参数型传感器的变换器数型传感器的变换器(Z0Z)，其余三个，其余三个臂的阻抗均恒定臂的阻抗均恒定Z2=Z3=Z4=Z0，差动半桥：差动半桥：两个桥臂与电两个桥臂与电参数型传感器的两个差动参数型传感器的两个差动变换器相接，则构成差动变换器相接，则构成差动半桥，即两个桥臂阻抗发半桥，即两个桥臂阻抗发生差动变化生差动变化(Z0Z，Z0 Z)其余两个臂的阻抗均其余两个臂的阻抗均恒定恒定Z3=Z4=Z0，差动全桥：差动全桥：四个桥臂阻四个桥臂阻抗均为电参数型传感器抗均为电参数型传感器的四个差动变换器，且的四个差动变换器，且四个桥臂阻抗发生差动四个桥臂阻抗发生差动变化变化(Z0Z，Z0 Z，Z0Z，Z0 Z)5.1.1 电桥电桥5.1.2 同步分离电路同步分离电路作用：作用：检测电容、电感分量，常用作电感或电容型传检测电容、电感分量，常用作电感或电容型传 感器输出调理电路感器输出调理电路电路结构及工作原理：电路结构及工作原理：阻抗阻抗Z两端的电压为两端的电压为Uz=Uzmcos(t+)，所以，所以滤去滤去2 t项：项：同理有：同理有：5.1.2 同步分离电路同步分离电路5.1.3 前置放大器前置放大器1).测量放大器测量放大器特点特点:（1）很高的输入阻抗；很高的输入阻抗；（2）共模抑制比大。）共模抑制比大。可用于一般场合，精度要求高时，可选用AD公司提供的AD521，AD522和612型，以及国产ZF60S型单片集成测量放大器。多档程控放大器，通过两位程控信号多档程控放大器，通过两位程控信号C1和和C2来控制模拟开关来切来控制模拟开关来切换反馈电阻换反馈电阻Rf，可实现四个档的闭环增益值，可实现四个档的闭环增益值Rf0/R、Rf1/R、Rf2/R和和Rf3/R。特点：特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值反馈电阻阻值 可编程增益放大器的增益可通过数字逻辑电路来控制。2).程控放大器程控放大器5.1.3 前置放大器前置放大器5.1.3 前置放大器前置放大器3).低噪声前置放大器低噪声前置放大器u 微弱信号检测应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、环微弱信号检测应用范围遍及光、电、磁、声、热、生物、环保、医学、材料等领域。微弱信号检测的目的是从强噪声中提保、医学、材料等领域。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号。取有用信号。u 低噪声前置放大器是微弱信号检测的第一级，是任何一个微低噪声前置放大器是微弱信号检测的第一级，是任何一个微弱信号检测系统或装置的关键部件之一。弱信号检测系统或装置的关键部件之一。u 通过精心选择器件、合理采取抗干扰措施等手段，最大限度通过精心选择器件、合理采取抗干扰措施等手段，最大限度地降低或抑制放大器自身产生的噪声，从而保证信号的低噪声地降低或抑制放大器自身产生的噪声，从而保证信号的低噪声传输或放大。传输或放大。u 低噪声放大器产品：低噪声放大器产品：PARC的113、116、118型;TOREX的XC2401、2404型 u隔离放大器由输入放大器、隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成离电源等几部分组成；u常用的隔离放大器主要有常用的隔离放大器主要有电电磁（变压器）耦合和光电耦磁（变压器）耦合和光电耦合合两种形式。包括有光、超两种形式。包括有光、超声波、无线电波和电磁等方声波、无线电波和电磁等方式。式。u隔离运算放大器是指输入、隔离运算放大器是指输入、输出没有电气联系。保证输输出没有电气联系。保证输入、输出更好的隔离入、输出更好的隔离。5.1.3 前置放大器前置放大器4).隔离放大器隔离放大器5.1.3 前置放大器前置放大器隔离放大器实例：隔离放大器实例：AD202u 排除干扰信号；排除干扰信号；u 保证人身安全考虑。输入端往往是接大电压，保证人身安全考虑。输入端往往是接大电压，输出端输出端（测量端）接小电压，对测量人员有益。（测量端）接小电压，对测量人员有益。隔离放大器的作用隔离放大器的作用5.1.2 前置放大器前置放大器高电压信号检测典型接线高电压信号检测典型接线u 低频信号低频信号用两个电阻分压用两个电阻分压u 高频信号高频信号脉冲分压器脉冲分压器脉冲分压器脉冲分压器5).量程变换量程变换5.1.3 前置放大器前置放大器当当R2C2=R1C1时，脉冲分压器的传递函数时，脉冲分压器的传递函数与信号频率无关。此时即使输入为高频信与信号频率无关。此时即使输入为高频信号，脉冲分压器的输出波形也不会发生畸号，脉冲分压器的输出波形也不会发生畸变。克服了在对高频信号进行分压时，由变。克服了在对高频信号进行分压时，由于于分布电容分布电容的影响所导致的分压电路输出的影响所导致的分压电路输出波形的畸变。波形的畸变。1).相关原理相关原理 噪声没有规律，不同时刻的噪声是没有关联的。利用信噪声没有规律，不同时刻的噪声是没有关联的。利用信号的规律性（相关性）来检测信号，也可以利用一个与被测号的规律性（相关性）来检测信号，也可以利用一个与被测信号规律性部分相同的已知信号来检测被测信号，达到去除信号规律性部分相同的已知信号来检测被测信号，达到去除噪声的目的，这就是相关原理。噪声的目的，这就是相关原理。2).相关函数相关函数 (1)自相关函数和自相关检测自相关函数和自相关检测 自相关函数自相关函数:描述信号描述信号f(t)与延时与延时 时间间隔后同一信号的相时间间隔后同一信号的相关性。关性。5.1.4 相关技术与锁定放大器相关技术与锁定放大器自相关检测原理框图自相关检测原理框图 设输入设输入 xi(t)由被测信号由被测信号si(t)和噪声和噪声ni(t)组成，得自相关输组成，得自相关输出为：出为：乘法器延时器()5.1.4 相关技术与锁定放大器相关技术与锁定放大器根据互相关函数的性质，根据互相关函数的性质，由于信号由于信号si(t)与噪声与噪声n(t)不相关，得不相关，得Rsn()=0,Rns()=0,且随着且随着 的增大有的增大有:于是信号于是信号s(t)的自相关函数的自相关函数Rsn()=s(t)将包含将包含s(t)所携带的信所携带的信息。息。5.1.4 相关技术与锁定放大器相关技术与锁定放大器(2)互相关函数和互相关检测互相关函数和互相关检测描述两个不同信号的相关性。互相关函数：描述两个不同信号的相关性。互相关函数：设输入设输入 f(t)由被测信号由被测信号s(t)和噪声和噪声n(t)组成，组成，y(t)为参考信号，则为参考信号，则自相关输出为：自相关输出为：当参考信号当参考信号y(t)与被测信号与被测信号s(t)相关相关，而，而y(t)与噪声与噪声n(t)无相关性即无相关性即Ryn()=0，于是：，于是：尤其是当尤其是当y(t)与被测信号与被测信号s(t)同频、同相时，二者相关性最大同频、同相时，二者相关性最大(Rsy()最大最大)Rxy()=Rsy()3).锁定放大器工作原理及组成锁定放大器工作原理及组成设输入信号为设输入信号为：S(t)为有用信号，幅值为为有用信号，幅值为A，角频率为，角频率为0，初相角为，初相角为 ；N(t)为噪声。参考为噪声。参考信号为信号为 y(t)=Bsin 0(t+),为时间位移，则二者的互相关函数为：为时间位移，则二者的互相关函数为：输出（DC）前置放大AC放大器滤波与衰减积分DC放大相移信号输入（AC）参考输入（AC）信号通道参考通道相关器乘法器5.1.4 相关技术与锁定放大器相关技术与锁定放大器由于参考信号由于参考信号 与噪声与噪声 互不相关，所以互不相关，所以 。因此，因此，正比于有用信号的幅值。若正比于有用信号的幅值。若 ，则，则 取最大值。取最大值。由以上分析可知，锁定放大器就是利用噪声信号不可能与待测信号同由以上分析可知，锁定放大器就是利用噪声信号不可能与待测信号同频同相的特点，利用一个与待测信号同频的参考信号，通过对参考信号频同相的特点，利用一个与待测信号同频的参考信号，通过对参考信号相相位搜索位搜索，在满足与待测信号同相的条件下，最有效地检测出待测信号，并，在满足与待测信号同相的条件下，最有效地检测出待测信号，并同时消除噪声信号的影响。同时消除噪声信号的影响。5.1.4 相关技术与锁定放大器相关技术与锁定放大器性能指标性能指标u满刻度输出时的输入电平FS（测量灵敏度）u过载电平OVL（允许的输入噪声最大峰值）u最小可测信号MDS（能辨别的最小输入信号）u输入总动态范围（输入噪声最大峰值与最小输入信号之间的关系）输入总动态范围=20lg（OVL/MDS）dBu输出动态范围（检测到的有用信号的动态范围）输出动态范围=20lg（FS/MDS）dBu动态储备（系统抵抗干扰和噪声的能力）动态储备=20lg（OVL/FS）dB 综上述三项：输入总动态范围=输出动态范围+动态储备5.1.4 相关技术与锁定放大器相关技术与锁定放大器5.2 数据采集系统数据采集系统作用作用：连续量的离散化（时间）和量子化（幅值）连续量的离散化（时间）和量子化（幅值）5.2.1 连续量的离散化连续量的离散化5.2.2 连续量的量子化连续量的量子化若以固定量值若以固定量值 x为量为量距增量对连续量的幅距增量对连续量的幅值进行采样，称为幅值进行采样，称为幅值的量子化。值的量子化。5.2 数据采集系统数据采集系统5.2.3 连续量的离散化和量子化连续量的离散化和量子化 遵守四舍五入的原则，连续量遵守四舍五入的原则，连续量x(t)经离散化和量子化后是经离散化和量子化后是阶梯型变化量，不能全面地反映阶梯型变化量，不能全面地反映x(t)函数的实际情况，带函数的实际情况，带来了的量化误差来了的量化误差5.2 数据采集系统数据采集系统量化误差：Q量化值，最低有效值所对应的模拟输入量A/D转换器的作用转换器的作用：模拟量转换为数字量。：模拟量转换为数字量。A/D转换器的作用转换器的作用：模拟量转换为数字量；：模拟量转换为数字量；A/D转换器的分类：转换器的分类：A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标u 量化误差量化误差；e=Q/2,u 转换时间：指完成一次转换时间：指完成一次A/D转换所需时间转换所需时间u分辨力：分辨力：指能够引起指能够引起A/D转换器变化一个字的输转换器变化一个字的输入量的变化量。对于入量的变化量。对于n位位A/D转换器中，其分辨力为转换器中，其分辨力为1/2n-1，约等于，约等于1/2n，或直接称为，或直接称为n位分辨力。位分辨力。u 其它其它5.2.4 A/D转换器转换器1)D/A转换器的作用与分类转换器的作用与分类作用：作用：将计算机系统输出的数字量转换为模拟量。将计算机系统输出的数字量转换为模拟量。分类：分类：并行并行D/A转换器和串行转换器和串行D/A转换器，其中并行转换器，其中并行 D/A转换器的转换速度极高。转换器的转换速度极高。5.2.5 D/A转换器及主要参数转换器及主要参数2).D/A转换器的基本表达式转换器的基本表达式：D/A转换器的量化单位。转换器的量化单位。3).D/A转换器的技术参数转换器的技术参数绝对精度绝对精度相对精度：相对精度：分辨力分辨力建立时间建立时间温度系数温度系数其它参数其它参数5.2.5 D/A转换器及主要参数转换器及主要参数 1).1).采样保持器的作用采样保持器的作用 连续量连续量VX(t)转变为时间序列值转变为时间序列值VX(nT).u 保证保证A/D转换器在模数转换期间输入电压是稳定不转换器在模数转换期间输入电压是稳定不变的；变的；u S/H是以是以“快采慢测快采慢测”的方法实现对快速变化信号的方法实现对快速变化信号进行测量的有效手段。进行测量的有效手段。5.2.6 采样保持电路采样保持电路2).采样保持器的结构采样保持器的结构 采样保持电路通常由采样保持电路通常由保持电容器，输入输出缓冲放保持电容器，输入输出缓冲放大器，逻辑输入控制的开关电路大器，逻辑输入控制的开关电路等组成等组成 采样期间：开关闭合，模拟输入信号向保持电容充电，A2的输出电压跟随输入信号的变化。保持期间：开关断开，电容器上的电压可维持不变，A2的输出电压送至A/D转换器进行模数转换。5.2.6 采样保持电路采样保持电路5.2.7 多通道数据采集系统的多通道数据采集系统的几种结构形式几种结构形式 每个通道都有各自独自的采样保持器与每个通道都有各自独自的采样保持器与A/D转换器，转换器，这种结构形式可以对各通道输入信号这种结构形式可以对各通道输入信号进行同步、高速进行同步、高速数据采集。数据采集。多通道多通道A/DA/D转换转换 各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个各通道有各自独立的采样保持器，但公用一个A/D转换器。转换器。通过多路开关分，对各路信号分时进行通过多路开关分，对各路信号分时进行A/D转换。能够转换。能够实现实现多路信号的同步采集多路信号的同步采集，但，但采集速度稍慢采集速度稍慢。单通道共享A/D转换器 5.2.7 多通道数据采集系统的几多通道数据采集系统的几种结构形式种结构形式 各通道公用一个采样保持器和各通道公用一个采样保持器和A/DA/D转换器。工作时，通过多路开关将各路转换器。工作时，通过多路开关将各路信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现信号分时切换，输入到公用的采样保持器中，实现多路信号的分时采集多路信号的分时采集，而而非同步采集非同步采集。并且。并且采集速度最慢采集速度最慢。优点是。优点是节省硬件成本，适于对采集节省硬件成本，适于对采集速度要求不高的应用场合。速度要求不高的应用场合。多通道共享采样保持器与A/D转换器 5.2.7 多通道数据采集系统的几多通道数据采集系统的几种结构形式种结构形式例例4-1：设计一个测温系统，采用热电阻设计一个测温系统，采用热电阻RT作测温传感作测温传感器。已知：电阻器。已知：电阻RT的关系式为：的关系式为：RT(T)=R0(1+AT)其中，其中，R0=100（00C时铂电阻值），时铂电阻值），A=3.910-3 0C要求：测温范围要求：测温范围0200 0C，分辨率为，分辨率为1 0C。1）画出系统结构框图，说明各电路的作用。）画出系统结构框图，说明各电路的作用。2）画出所选用的调理电路，写出温度输入和调理电路）画出所选用的调理电路，写出温度输入和调理电路输出的关系式。输出的关系式。3）选择）选择A/D转换和放大器的放大倍数。转换和放大器的放大倍数。4）证明所设计的系统能达到测温范围和分辨率要求。5.3 测试系统设计举例测试系统设计举例1）系统结构框图，各环节的功能说明如下：）系统结构框图，各环节的功能说明如下：l传感器：将输入的待测非电量信号（这里为温度信号）转换传感器：将输入的待测非电量信号（这里为温度信号）转换为电信号；为电信号；l调理电路：将传感器输出的电信号进行调理放大，转换成适调理电路：将传感器输出的电信号进行调理放大，转换成适合合A/D转换器输入的信号；转换器输入的信号；lA/D转换器：将模拟信号转换为数字信号，送入转换器：将模拟信号转换为数字信号，送入CPU系统；系统；lCPU系统：对信号进行分析处理并显示结果。系统：对信号进行分析处理并显示结果。5.3 测试系统设计举例测试系统设计举例若I0=3mA，选择8位A/D，满量程VFS=10.24V2 2）调理电路）调理电路 3)3)恒流源输出：恒流源输出：则A/D的量化值为 因为系统分辨率为10C，所以当系统输入为1C时，双恒流源输出 于是放大器的放大倍数应为：，取K=355.3 测试系统设计举例测试系统设计举例4)在选定以上放大倍数之后，测温范围则为：在选定以上放大倍数之后，测温范围则为：即测温范围为：0250C，大于0200 C，因此系统设计满足要求。5.3 测试系统设计举例测试系统设计举例