第7章测量和数据采集系统.ppt

1、,退出,退出,第7章,上页,下页,返回,7.1.1 常用电工测量仪表的分类,7.1 电量测量,7.1.2 测量误差和仪表准确度,7.1.3 电流、电压和功率的测量,7.1.1 常用电工测量仪表的分类,直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟 式仪表和数字式仪表。,第7章,翻页,上页,下页,电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。,比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电桥）是将被测量和已知的标准量进行比较，从而确定被测量的数值。,返回,（2）按仪表的工作原理分为：磁电式、电磁式、电动式；,第7章,翻页,上页,下页,（1）按被测量的不同分为： 电流表（安培、毫安、微安表）、 电压

2、表（伏特、毫伏表）、 功率表（瓦特表）、 电能表(电度表）（千瓦时表）、 频率计、电阻表（欧姆表）、 功率因数表；,（3）按仪表的种类分为：直流仪表、交流仪表、交直流 两用仪表。,返回,直读式仪表分类,上页,下页,翻页,第7章,几种常见的测量仪表,指针式万用表,数字式万用表,钳型电流表,兆欧表,返回,第7章,上页,下页,翻页,表7.1.1 电工测量仪表上的几种符号及其意义,返回,第7章,上页,下页,翻页,在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被测量的实际值之间总要存在一定的误差。,误差的表示方法主要有绝对误差和相对误差：,绝对误差是指仪表的指示值Ax与被测量实际值A0之间的差值，即 A =

3、Ax-A0,7.1.2 测量误差和仪表准确度,返回,第7章,上页,下页,翻页,目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如表7.1.2所示五个等级。,仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来分级的，即：,返回,Am是仪表的量程(满偏值), Am是可能发生的最大误差。,7.1.3 电流、电压和功率的测量,1. 电流和电压的测量,测量直流电流常用磁电式电流表 测量直流电压常用磁电式电压表,第7章,上页,下页,翻页,返回,第7章,上页,下页,翻页,测量交流电流常用电磁式电流表，测量交流电压常用电磁电压表。 电磁式仪表常采用推斥式结构。,电磁式仪表结构示意,返回,上页,下页,返回,第7章,2. 功率的测量

4、,功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。,本节结束,第7章,上页,下页,返回,7.2.1 非电量电测法,*7.2非电量电测法和数据采集系统的组成,7.2.2 数据采集系统的组成,非电量电测法示意图,上页,下页,第7章,返回,翻页,传感器,7.2.1 非电量电测法,上页,下页,第7章,返回,7.2.2 数据采集系统的组成,数据采集系统的组成示意图,本节结束,第7章,上页,下页,返回,7.3.1 有源滤波电路,*7.3 有源滤波器和测量放大电路,7.3.2 测量放大电路,第7章,上页,下页,返回,7.3.1 有源滤波电路,翻页,定义： 滤波电路是一种允许某

5、一指定频率范围内的信号顺利通过，而 抑制此频率范围以外的其他频率信号的电路,分类： （1）按通频带分：高通、低通、带通和带阻； （2）按组成元件的性质分： 无源滤波电路（仅含无源元件R、L、C） 有源滤波电路（含晶体管或集成运放等有源元 件）,特点：与无源滤波电路相比，含有集成运放的有源滤波电路具有放大 作用，可以通过运放使输入与负载隔离，并且带负载能力强。,第7章,上页,下页,返回,翻页,R,Rf,一阶低通有源滤波电路,R1,ui,负反馈网络,同相输入比例放大电路,1.低通有源滤波电路,上页,下页,第7章,返回,翻页,第7章,上页,下页,返回,翻页,2. 高通滤波电路,第7章,上页,下页,返

6、回,翻页,第7章,上页,下页,返回,翻页,第7章,上页,下页,返回,7.3.2 测量放大电路,翻页,输入电阻高、躁声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。,将传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。,第7章,上页,下页,返回,翻页,用集成运放组成的测量放大电路,类型：反相输入、同相输入、差分输入的比例运放电路,比较： 同相输入：输入电阻高，可用作测量放大电路的前 置级，但易引入 共模干扰； 反相输入：运放输入端为“虚地”，短距离测量时抗 干扰性能好，远 距离测量时，地电阻易 引入干扰；此外输入电阻低，不易与传 感器相连。,典型的测量放大

7、电路由三个集成运放构成，如图7.3.7所示。,第7章,上页,下页,返回,翻页,用集成运放组成的测量放大电路,差分放大电路,同相 输入,同相 输入,iP,第7章,上页,下页,返回,ui1,uo,ui2,R1,RP,R2,R2,R3,R3,A1,A2,A3,uo1,uo2,iP,）,本节结束,第7章,上页,下页,返回,7.4.1 模拟开关,*7.4 模拟开关和采样-保持电路,7.4.2 采样-保持（S/H）电路,第7章,上页,下页,返回,翻页,模拟量转换成数字量通常分四个步骤： 采样、保持由采样/保持电路完成 量化、编码由A/D转换器完成,第7章,上页,下页,返回,翻页,7.4.1 模拟开关,模拟

8、开关用于传输模拟信号，它主要由控制电路和开关电路两部分组成。,主要介绍由CMOS传输门构成的模拟开关和集成多路模拟开关。,构成方式：双极型晶体管电路,MOS场效应晶体管,第7章,上页,下页,返回,翻页,CMOS传输门,电路,工作原理： 假设T1、T2管的开启电压的绝对值为3V，输入电压Ui的变化范围为010V ，CP=1 时认为CP端加了10V电压。,第7章,上页,下页,返回,翻页,CMOS传输门,电路,图形符号,注意： 由于MOS管的漏极和源极在结构上完全一样，可以互换，故传输门具有双向传输的特性，即Ui和Uo可以互换。,第7章,上页,下页,返回,翻页,电路,图形符号,模拟开关,模拟开关的结

9、构：由一个传输门加一个反相器构成。,模拟开关的工作原理： 当控制信号D=1时，模拟开关接通，使Ui=Uo； 当控制信号D=0时，模拟开关断开。,第7章,上页,下页,返回,翻页,电路,图形符号,单刀双掷模拟开关,工作原理： 当控制信号D=1时，传输，Uo=Ui； 当控制信号D=0时，传输，Uo=Ui。 可以通过控制端来控制信号Ui是传输到Uo还是Uo。,第7章,上页,下页,返回,翻页,多路转换开关集成多路模拟开关,作用：用于多选一,种类：常见的有四选一、八选一、十六选一等类型。,例子：集成块是一个八选一多路开关。 它主要由逻辑电平转换电路、地址译码电路、开关通道三部分组成。 为禁止端，当其为高电

10、平时，八个通道全部不通；当其为低电平时，相应的输出各通道。,第7章,上页,下页,返回,翻页,CC4051模拟开关,第7章,上页,下页,返回,翻页,7.4.2 采样-保持（S/H）电路,采样-保持电路的基本概念,采样/保持电路的作用： 若被测信号是快速变化的，则应在A/D转换前加采样/保持电路，使某一时刻采样到的被测信号，可以保持一段时间不变，让A/D 变换具有足够的时间进行变换，送给计算机。,第7章,上页,下页,返回,翻页,采样/保持电路的设计思想： 采样/保持电路应由采样脉冲控制。在采样状态时，电路的输出跟随模拟电压变化 在保持状态时，保持前一次采样结束瞬间的模拟电压，直至下一次采样。,采样

11、定理（香农定理）： 为保持信号的不失真，必须满足： fs 2 fimax 其中： fs 采样频率；fimax 输入信号最高频率分量的频率。,第7章,上页,下页,返回,翻页,模拟开关,保持电容,采样-保持电路示意图,第7章,上页,下页,返回,采样-保持电路波形图,本节结束,工作原理： （1） Uc（t）高电平时，开关S闭合，属采样时间， Ui（t）通过A1对保持电容快速充电， Uo跟随 Ui的变化而变化。 （2） Uc（t）低电平时，开关S断开，属保持时间，电容电压保持着开关断开瞬间的输入电压值，Uo=Ui（nT），此值一直保持到下一次采样 状态开始为止。,第7章,上页,下页,返回,7.5.1

12、T型电阻网络D/A转换器,7.5 数/模(D/A)转换器,7.5.2 集成D/A转换器举例,D/A的功能：将数字信号转换成模拟信号，它通常 用于系统里对外部设 备实现控制操作 的输出通道中。,上页,下页,第7章,返回,翻页,7.5.1 T型电阻网络D/A转换器,T型电阻D/A变换器的工作原理： 由输入二进制数码的各位分别控制相应的模拟开关，通过电阻网络得到一个与二进制数码各位的权值成比例的电流，再经过运放求和，转换成与输入二进制码成比例的模拟电压输出。,D/A的组成框图,上页,下页,第7章,返回,翻页,模拟量输出,数字量输入,T型电阻网络D/A转换器,梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边

13、的电阻网络等效电阻均等于R 。,当 D=0时 S接右边（接地） ；当 D=1时 S 接左边（虚地）。,并行数字输入,上页,下页,第7章,翻页,模拟信号输出,返回,当 D=0时S 接地；当 D=1时S 接“地”（虚地），,T型电阻网络的等效电路,即不论模拟开关接到左边还是右边，电阻2R一端总是零电位。其等效电路如图：,第7章,上页,下页,翻页,R,返回,上页,下页,第7章,翻页,2R,UO= Rf I01,返回,上页,下页,第7章,D/A的主要技术参数,是指最小输出电压（ 对应的输入二进制数为1 ）与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。,例如十位数模转换器的分辨率为：,分辨率=

14、1/（2n-1）,表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。,从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。, 分 辨 率:, 转换精度：, 转换速度：,翻页,返回,CC7520 外部引脚图,Iout1、Iout2：电流输出端,RF：反馈信号输入端,UDD：电源输入端，5 10V,GND：接地端,UREF：基准电源，10V +10V,上页,下页,第7章,翻页,CC7520 D/A转换器,CC7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器，其结构简单，通用性好。片内只含倒T型电阻网络、电子开关和反馈电阻RF，应用时外部要接参考电压源和运算放大器。,引脚功能,D9D0：数字信号输入端,

15、7.5.2 集成D/A转换器举例,返回,上页,下页,第7章,翻页,CC7520 D/A转换器应用电路,返回,程控三角波/方波发生器,UO2,UO1,第7章,上页,下页,返回,本节结束,1k,R1,R2,C,DZ,10k,20k,第7章,上页,下页,返回,7.6.1 逐次逼近型A/D转换器,7.6 模/数(A/D)转换器,*7.6.2 双积分型A/D转换器,概述,上页,下页,第7章,返回,翻页,A/D 转换器的作用是将输入的模拟电压数字化。,直接转换器：,间接转换器：,逐次逼近型、并联比较型等,单积分型、双积分型等,概述：,7.6.1 逐次逼近型A/D转换器,逐次逼近的基本思想： 转换过程类似于

16、天平称重，从最重的砝码开始依次放到天平盘中，直到天平平衡，将盘中砝码值相加即得物体重量，只是A/D转换器是用一套二进制基准电压代替砝码。,上页,下页,第7章,返回,翻页,结果表示,逐次逼近型A/D转换器原理框图,上页,下页,第7章,返回,翻页,逐次逼近型A/D转换器原理,上页,下页,第7章,返回,翻页,A/D转换过程如下：,1）开始前，将输出各位置0。,2）转换开始，由节拍脉冲发生器将逐次逼近寄存器的 最高位置1，输出变为100.0，此数码经D/A转换器转 换成相应的模拟电压US， 送到比较器与输入电压Ux 进行比较。 若UxUS，说明数字量不够大，应将最高位的1保留； 若UxUS，表明数字量

17、过大，应将最高位的1清除。,3）按同样的方法将逐次逼近寄存器的次高位置1，并经 过比较确定这个1是否应该保留。,4）依次类推，逐位比较，直到最低位。,5）将结果存入输出寄存器。,四 位 D/A 转 换 器,1,+,C4 C3 C2 C1 C0,+,Ui=5.52V,比较器,节 拍 脉 冲 发 生 器,时钟 脉冲,数码寄存器,d3,d2,d1,d0,上页,下页,第7章,返回,逐次比较寄存器,U0,U+,J,K,0,UR=8V,U0=4V,0,0,0,0,1,1,翻页,U0=5V,U0=6V,U0=5.5V,四位逐次逼近型A/D转换器,D/A,1,1 0 0 0,4,UAUI,1 1 0 0,2,

18、6,UAUI,1 0 1 0,3,5,UAUI,1 0 1 1,4,5.5,UAUI,留,去,留,留,UA逼近UI的波形,四位逐次逼近型ADC的转换过程,UA逼近U1的波形,上页,下页,第7章,5.52,返回,翻页,集成A/D芯片,ADC0801外引脚图,ADC0801各管脚功能：,上页,下页,第7章,UIN(+)、UIN(-)：模拟量输入端,返回,翻页,上页,下页,返回,翻页,第7章,*7.6.2 双积分型A/D转换器,双积分型A/D转换器属于电压时间变换的间接A/D转换器。,基本原理是将一段时间内的输入模拟电压 Ui 和参考电压UR 通过两次积分，变换成与输入电压平均值成正比的时间间隔，再

19、变换成正比于输入模拟信号的数字量。,上页,下页,返回,翻页,第7章,Ui,UR,A,B,S1,R,S2,C,uo,积分器,比较器,CP,数字量输出,_,+,计数器,控 制 逻 辑 电 路,_,+,脉冲 发生器,+,+,A1,A2,双积分型A/D转换器原理图,上页,下页,返回,翻页,第7章,1. 定时采样阶段： S1合向A侧，从0开始对Ui积分。,A/D转换器的工作波形,上页,下页,返回,翻页,第7章,t=T1 =2nTC时， S1合向B侧，停止采样。 t=t1积分器输出为,A/D转换器的工作波形,上页,下页,返回,翻页,第7章,2. 比较读数阶段：,t T1时，积分器的输出电压,模数转换器的主

20、要技术指标,分 辨 率,以输出二进制的位数表示分辨率。位数越多,误差越小,转换精度越高。,转换速度,它是指完成一次转换所需的时间。转换时间是指从接到转换控制信号开始到输出端得到稳定的数字输出信号所经过的这段时间。,相对精度,它是指实际的各个转换点偏离理想特性的误差。在理想情况下，所有的转换点应当在一条直线上。,上页,第7章,返回,下页,本节结束,*7.7 非电量测量系统举例,上页,下页,返回,翻页,温度测量系统原理框图：,第7章,上页,下页,返回,翻页,信号采集,放大滤 波电路,第7章,翻页,上页,下页,返回,第7章,A/D转换器,位选择 驱动器,译码器,1.信号采集电路,温度传感器AD590，二端式集成温度电流传感器。 测温范围：55150，精度0.3 使用直流电源范围4V30V 线性电流输出：1A/K 注意：AD590测量的是热力学温度K。 K=C+273.2,翻页,上页,下页,返回,第7章,2.模拟开关,采用八选一多路模拟开关CC4051,可巡回监测8路被测温度信号 通过开关S1、S2、S3控制CC4051地址输入端A、B、C的电平，以选择通道。 本系统以