测控系统原理与设计第2章测控通道.ppt

第二章 测控通道(I/O通道) 内容:模拟输入通道、模拟输出通道、开关量输入／输出通道、单元电路级联设计 重点：模拟输入通道、模拟输出通道组成和设计；开关量输入／输出通道组成和设计。 难点：测控通道的基本理论和参数设计。 §2-1 模拟输入通道 2.1 模拟输入通道 2.1.1 基本类型与组成结构 定义:微机化测控系统中微机与被测对象之间的联系通道称为模拟输入通道。 组成：传感器；信号调理；数据采集。 作用：将模拟信号变成数字信号。 类型：多路模拟输入（集中；分散）；单路模拟输入。 模拟输入通道的基本组成 一、集中采样式 类型：分时采样型；同步采样型 分时采样型特点：多路公用一个Ｓ／Ｈ和Ａ／Ｄ 　　　　　　　　电路简单；成本低；依次采集 同步采样型特点：多路同时被采样；保持电路的　　　　　　　泄放会产生误差。 典型电路结构如图 多路分时采集分时输入结构图 相当采集电路 多路同步采集分时输入结构图 二、分散采集式 特点：没有模拟多路切换器；都有各自Ｓ／Ｈ和Ａ／Ｄ。随机或顺序进入计算机。 §2-1-2 传感器的选用 一、对传感器的主要技术要求： 1、实现物理量到电信号的转换，满足量程需求。 2、精度满足要求，速度满足要求。 3、满足环境要求。 4、满足可靠性和可维护性要求。 5、满足性能价格比要求。 二、可供选用的传感器类型 1、大信号输出传感器 2、数字式输出传感器 3、集成式传感器 4、光纤传感器 其他:BCD码输出、专用特制等。 大信号输出传感器应用图 频率\开关输出传感器应用图 2-1-3信号调理电路的参数设计和选择 1.功能：放大、滤波、调零、线性处理、温度补偿、误差修正、量程切换等统称为信号调理。相应的电路成为信号调理电路。 2.特性：部分工作可由软件完成，简化测试系统结构。 3.信号调理重点：小信号放大、信号滤波以及对频率信号的放大整形。 4.典型电路构成： 一、前置放大器 1.输出噪声： 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。 2.等效输入噪声： 把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到该电路的输入端即除以该电路的增益K，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声VIN 。 一、前置放大器 3.前置放大特点：可有效提高信噪比 4.要求：前置放大器的放大倍数大于1， 等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声要低。 前置放大器要求是低噪声的。 5.实现：如电路图 前置放大器作用 图2—1—7 前置放大器的作用 两种调理电路对比 调理电路的等效输入噪声分别为： 显然当K大于1时前者较小。所以将滤波器放在放大器的后面是合理的。有利减少电路的等效输入噪声，提高接受弱信号能力 前置放大器 二、滤波器 1.种类：高通滤波器；陷波滤波器；去混淆滤波器 2.作用：防止零点漂移；防止共频干扰；防止采集混叠现象。 1、采样定理 连续信号 x（t）被宽度为 的脉冲信号所采集，采样周期为T。 这个过程可以用数学表达式表示为： 对应频谱为: 采样定理 其中 为采样角频率. 采样定理 结论:一个连续信号经过理想采样后, 其频谱产生周期性的延拓.每隔一个采样频率 后就以1/T的倍数重复出现. 采样定理 如果信号最高频率分量超过 就会出现频谱混叠，所以，采样频率必须大于2倍的信号最高频率 。这就是采样定理（奈奎斯特定理，香农定理） 另外还要注意：采样信号必须为带宽有限信号，即最高频率为有限值。 2、去混叠滤波 §2-1-4 采样电路的参数设计和选择 一、A/D转换器的选择 1、 A/D转换器位数的确定 设模拟输入的电压分别是 Kg为A/D前放大器的增益。 M位A/D满量程为E。则应使： A/D转换器的选择 所以有： 动态范围常常用如下表示： 若知道L1则可以确定位数： A/D转换器的选择 A/D转换的量化误差为 即满量 程的 可根据精度指标估算A/D的位数 2 、A/D的转换速度 积分型、逐次比较型、双极并行型速度依次提高。 采样时间为： A/D转换器的选择 提高转换速度的措施： ①减少通道数，最好用分散采集方式N=1; ②减少截频系数C,增大去混淆低通滤波器陡度； ③选用转换时间短的A/D芯片 ④选用直接读取存储器的技术（DMA） 3、根据环境选择A/D：温度、功耗、可靠性等； 4、选择A/D转换的输出状态： 并行、串行输出，二进制、BCD码输出，时钟等 二、采样保持器的选择 1、主要参数 捕捉时间 tAC 由保持状态过渡到跟踪输入信号电压值所需的时间，反映了A/D的采集速度。包括了开关的延迟