第15章数据采集系统.ppt

第15章 数据采集系统 15.1 传感器 按阶次分类 实际可实现的滤波器复频域传输函数为一有理数 按逼近方式来分类 各种滤波器的实际频率响应特性与理想情况是有差别的，理想滤波器不可能用实际电路实现，只能寻求出某一传递函数，使其幅频特性和相频特性逼近理想特性，通常用频带内所允许的最大衰减或带阻内最小衰减及滤波陡度等主要技术指标来表示实际特性逼近理想特性的程度。 放大电路 传感器的输出信号大小形式各不相同，就需要不同的放大电路与之相匹配，放大电路包括最普通的比例放大电路（有时和滤波电路结合）、低漂移放大器、交流电桥输出型放大电路、测量放大电路、程控增益放大电路等等。 下面以测量放大电路、程控增益放大电路、隔离放大电路为例进行说明。 测量放大器 普通的比例放大器只能在没有干扰的情况下对小信号进行放大，然而，传感器的工作环境往往是比较复杂和恶劣的，工频、静电和电磁耦合等共模干扰信号有时会很严重。虽然很多运算放大器共模抑制比（CMRR）较高,但还是不能够对来自信号源的共模干扰信号起到有效的抑制作用。测量放大器就是专为这种场合设计的放大电路。 在微弱信号的检测系统中通常采用测量放大电路（又称仪表放大器）作为前置放大器。它具有高输入阻抗、低输出阻抗、强共模干扰抑制能力、低温漂、低失调电压和高稳定增益等特点。 电路的组成和工作原理 下图为由三个单运放组成的测量放大器，它由两级组成，两个对称的同相放大器A1、A2构成第一级,差动放大器A3构成第二级，若A1、A2选用相同特性的运放，则它们的共模输出电压和漂移电压也都相等，通过差分放大器，可以相互抵消，故它有很强的共模抑制能力和较小的输出漂移电压，同时该电路可具有较高的差模电压增益。为保证精度常采用精密匹配的外接电阻。同时要求R1=R2、R3=R5、R4=R6。 设三个运放都是理想运算放大器，则有 一般情况下，取测量放大电路的第二级放大器增益为Af2=1, Af1= Af ,可见测量放大电路的共模抑制比比普通差动放大电路提高了Af倍。为了提高整个电路的共模抑制比，通常将第一级差放的增益做的很大，同时尽量提高第二级差动放大器的共模抑制比。 在某些只需对信号简单放大的情况下，采用一般运放组成的测量放大器来对传感器的输出信号放大是可行，为了保证精度常需采用精密匹配的外接电阻，才能保证最大的共模抑制比，否则增益的非线性也比较大，因此在要求较高的场合，常采用集成测量放大器。 隔离放大器 隔离放大器又称隔离器，它是采用隔离放大技术的放大器，它不仅具有通用运放的特性，而且由于它的输入回路与输出回路和电源之间没有直接的电路耦合，信号的传递和电源的传递均通过变压器耦合或光电耦合实现，所以输入回路与输出回路之间有良好的绝缘性能，绝缘电阻可达数十MΩ。 许多测量系统的输出与仪表和信号源间的地电位差以及电磁感应产生的共模干扰有很大关系。普通的差动放大器和测量放大器虽然也能抑制共模干扰，但却不允许共模电压高于放大器的电源电压，而隔离放大器不仅具有很强的共模抑制能力，而且能承受上千伏的高共模电压。因此隔离放大器一般用于信号回路具有很高的共模电压的情况。 三、程控增益放大器 被测量所处的环境和时间不同，可能会造成其变化范围不同，此外在多路数据采集系统中，也经常遇到各路信号动态范围不一致的情况，因此在数据采集系统中，当被测量变化范围较大时，通常会通过改变放大器增益的办法，来实现对不同幅度信号的放大，即信号通过放大器后，具有合适的动态范围，以保证A/D转换的精度。 程控放大器又称数控放大器，它是利用程序控制的办法来实现增益的自动变换。目前，数字控制系统中最常使用的数控增益放大器有以下几种：增益电阻切换型、D/A转换器实现型、浮点放大器型。 下图为利用改变反馈电阻的办法实现的可变增益放大电路，它其实是采用多路开关来切换放大器中决定增益的电阻，从而来改变放大器的增益，这种电路的缺点为：当切换增益电阻时，会因运放输入端电阻失去对称性而使放大器共模抑制比降低、零漂增大。为克服这一缺点，通常采用的方法是：由测量放大器与多路模拟开关配合，来实现自动增益控制。 目前使用最多的是集成程控测量放大器,它是将所需电阻、多路开关及其控制电路与运放都集成在同一组件中。 采样/保持器的工作原理如下图所示，A1为高输入阻抗的场效应管组成的跟随器，A2为输出缓冲器，开关K是由工作方式控制输入端所控制的开关。电容器CH为保持电容。在采样状态下，采样命令由控制输入端控制开关K使其闭合，输入信号ui经