1、1第二章第二章 输入输出通道输入输出通道NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理2 测控系统通常具有测控系统通常具有输入输入和和输出输出通道，输入通道通道，输入通道又可分为又可分为模拟量模拟量、数字量输入通道数字量输入通道；相应的，输出；相应的，输出通道也可以分成通道也可以分成模拟量模拟量、数字量输出通道数字量输出通道。不同通。不同通道具有不同通道性能，完成不同动作道具有不同通道性能，完成不同动作：NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理3 主要内容主要内容 2.1 2.1 模拟输入通道模拟输入通道 2.2 2.2 模拟输出通道模拟输出通道 2.3 2.
2、3 开关量输入开关量输入/ /输出通道输出通道 2.4 2.4 单元电路的级联设计单元电路的级联设计NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理4 2.1 2.1 模拟输入通道模拟输入通道NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理5主要内容主要内容一、模拟输入通道的基本类型与组成结构一、模拟输入通道的基本类型与组成结构 二、传感器的选用二、传感器的选用 三、信号调理电路的参数设计和选择三、信号调理电路的参数设计和选择 四、数据采集电路的参数设计和选择四、数据采集电路的参数设计和选择 五、模拟输入通道的误差分配与综合五、模拟输入通道的误差分配与综合 NUST自动
3、化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理6一、模拟输入通道的基本类型与组成结构一、模拟输入通道的基本类型与组成结构 模拟输入通道模拟输入通道是测控系统中被测对象与计算机是测控系统中被测对象与计算机之间的联系通道。之间的联系通道。 输入通道应包含有以下两大环节：输入通道应包含有以下两大环节： a a、传感器电路：传感器电路： 将被测各将被测各非电物理量非电物理量转换为可用的电信号；转换为可用的电信号； b b、数据采集电路：数据采集电路： 将模拟电信号转换为数字电信号。将模拟电信号转换为数字电信号。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理7说明说明 除除数字传感器数字
4、传感器外外，大多数传感器都是将大多数传感器都是将模拟非模拟非电量转换为模拟电量；电量转换为模拟电量； 这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的信号调理。行数字转换，还需进行适当的信号调理。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理8模拟输入通道的组成模拟输入通道的组成 模拟输入通道由模拟输入通道由传感器电路传感器电路、信号调理电路信号调理电路、数据采集电路数据采集电路三部分组成，如下图：三部分组成，如下图： 实际测控系统往往需同时测量多种物理量（多实际测控系统往往需同时测量多种物理量（多参数测量）或同一种物理量
5、的多个测量点（多点巡参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量），回测量），多路模拟输入多路模拟输入通道更具有普遍性。通道更具有普遍性。( (例例) )NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理9分类分类 标准：标准：按照系统中按照系统中数据采集电路是各路共用一数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个个还是每路各用一个。 多路模拟输入通道可分为多路模拟输入通道可分为集中采集式集中采集式( (简称集中简称集中式式) )和和分散采集式分散采集式( (简称分布式简称分布式) )两大类型。两大类型。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理101 1、集中
6、采集式、集中采集式( (集中式集中式) ) 集中采集式多路模拟输入通道的典型结构包括集中采集式多路模拟输入通道的典型结构包括分时采集型分时采集型和和同步采集型同步采集型两种，下图为两种，下图为多路分时采多路分时采集分时输入集分时输入的典型电路：的典型电路： NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理11多路分时采集分时输入电路的特点多路分时采集分时输入电路的特点 多路信号共同使用多路信号共同使用一个一个S SH(H(采样采样/ /保持保持) )和和A AD D转换转换电路，简化电路结构，降低成本；电路，简化电路结构，降低成本； 对信号的采集由模拟多路切换器即多路转换开关对信号
7、的采集由模拟多路切换器即多路转换开关分时切换分时切换、轮流选通轮流选通，因而相邻两路信号在时间，因而相邻两路信号在时间上是依次被采集的，上是依次被采集的，不能获得同一时刻的数据不能获得同一时刻的数据； NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理12 分时采集会产生分时采集会产生采样的时间偏斜误差采样的时间偏斜误差。尽管时间。尽管时间偏斜很短，对于要求多路信号严格同步采集测试偏斜很短，对于要求多路信号严格同步采集测试的系统是不适用的；的系统是不适用的； 广泛应用于多数广泛应用于多数中速及低速测量中速及低速测量系统。系统。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统
8、原理13多路多路同步采集分时输入同步采集分时输入电路的结构电路的结构NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理14同步采集型分时输入电路的特点：同步采集型分时输入电路的特点： 在多路转换开关前，给每路信号通路各加一个采在多路转换开关前，给每路信号通路各加一个采样保持器，使多路信号采样在同一时刻进行，样保持器，使多路信号采样在同一时刻进行，即即同步采样同步采样( (为该结构的最大特点为该结构的最大特点) )。 各自的保持电路保持采样信号幅值，多路转换开各自的保持电路保持采样信号幅值，多路转换开关分时切换进入公用的关分时切换进入公用的S SH H和和A AD D电路，将保持电路，
9、将保持的采样幅值转换成数据输入主机的采样幅值转换成数据输入主机( (分时转换分时转换) )。 消除分时采集型结构的时间偏斜误差，同时也能消除分时采集型结构的时间偏斜误差，同时也能满足同步采集要求，电路又比较简单。满足同步采集要求，电路又比较简单。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理15 电路电路不足不足：被测信号路数较多：被测信号路数较多时时，同步采样得到，同步采样得到的信号在保持器中保持时间加长；的信号在保持器中保持时间加长； 电路电路不足不足：保持器总有一些：保持器总有一些泄漏泄漏( (负载电阻不为无负载电阻不为无穷大穷大) )，保持的信号有所衰减，且由于各路信号
10、保，保持的信号有所衰减，且由于各路信号保持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同。持时间不同，致使各个保持信号的衰减量不同。 不能获得严格意义上的同步输入。不能获得严格意义上的同步输入。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理162 2、分散采集式、分散采集式( (分布式分布式) )特点：特点： 每路输入信号都有一个每路输入信号都有一个S SH H和和A AD D转换电路，转换电路，不再需要模拟多路切换器不再需要模拟多路切换器MUXMUX。 每一个每一个S SH H和和A AD D只对本路模拟信号进行数字只对本路模拟信号进行数字转换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机转
11、换即数据采集，采集的数据按一定顺序或随机地输入计算机地输入计算机。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理17分散采集式结构图分散采集式结构图NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理18分散采集式电路的结构特点分散采集式电路的结构特点 信号被同时采集信号被同时采集( (采样开关受控后同时动作采样开关受控后同时动作) )，采，采集的数据随后被送至集的数据随后被送至ADCADC进行进行A/DA/D转换。转换。 对于对于A/DA/D转换得到的数字量，处理器会控制转换得到的数字量，处理器会控制ADCADC进进行分时的送出，并为处理器读取。行分时的送出，并为处理器
12、读取。( (即在信号输出即在信号输出时，可由时，可由ADCADC受控并分时输出数字量受控并分时输出数字量) )。 该电路保存的是经过该电路保存的是经过ADCADC转换好的数字信号，不会转换好的数字信号，不会发生信号的丢失。发生信号的丢失。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理19 电路较为复杂，每路都需要电路较为复杂，每路都需要A/DA/D转换器，成本较高。转换器，成本较高。当精度要求较高，当精度要求较高，转换路数较多时，转换路数较多时，A/DA/D转换器带转换器带来成本增加必须要考虑。来成本增加必须要考虑。 适用于对转换精度要求较高的场合，并且对各类适用于对转换精度要
13、求较高的场合，并且对各类信号数据信号数据同步性要求较高同步性要求较高的场合。的场合。 被采样的信号为各种类型不同的信号时，这种电被采样的信号为各种类型不同的信号时，这种电路也用得较为常见。路也用得较为常见。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理20电路结构的异同点及各自的适用范围电路结构的异同点及各自的适用范围 1 1、分时采集分时输入、分时采集分时输入 2 2、同步采集分时输入、同步采集分时输入 3 3、分布式采集、分布式采集 例例NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理21分时采集，分时采集，分时输入电路分时输入电路同步采集，同步采集，分时输入电路
14、分时输入电路分布式采集电路分布式采集电路NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理22 数据采集电路：数据采集电路： 在上图中所示的三种结构的信号采集电路中，通在上图中所示的三种结构的信号采集电路中，通常包括有：模拟多路切换开关、采样保持器、常包括有：模拟多路切换开关、采样保持器、A AD D转换器。转换器。 这几部分电路的作用就是将传感器输出的这几部分电路的作用就是将传感器输出的模拟电模拟电信号转换为数字电信号信号转换为数字电信号，因此这部分电路被称之，因此这部分电路被称之为为“数据采集电路数据采集电路”。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理23 模
15、拟输入通道的组成：模拟输入通道的组成： 传感器电路传感器电路 调理电路调理电路( (对信号进行采集前的预处理对信号进行采集前的预处理) ) 数据采集电路数据采集电路 信号调理电路的组成：信号调理电路的组成： 下面我们分别研究这三部分的选择和设计原则。下面我们分别研究这三部分的选择和设计原则。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理24二、传感器的选用二、传感器的选用传感器选用时面临的问题：传感器选用时面临的问题： 测控系统中传感器的作用测控系统中传感器的作用( (精度、变换信号精度、变换信号等方面等方面) ) 传感器技术的发展传感器技术的发展 测控系统中传感器选择的多样性测
16、控系统中传感器选择的多样性 ( (例例) )NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理25正确选用传感器的原则正确选用传感器的原则 1 1）明确所设计的测量系统需什么样的传感器，）明确所设计的测量系统需什么样的传感器，即系统对传感器的技术要求；来确定传感器的类型即系统对传感器的技术要求；来确定传感器的类型及指标要求。及指标要求。( (说明说明) ) 2 2）了解哪些可供选择的传感器，把同类产品的）了解哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，挑选合乎要求的指标和价格进行对比，挑选合乎要求的性能价格比性能价格比最高最高的传感器。的传感器。 ( (说明说明) ) NU
17、ST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理261 1、传感器的主要技术要求：、传感器的主要技术要求： (1) (1) 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转转换范围与被测量实际变化范围换范围与被测量实际变化范围( (变化幅度范围、变化频率范变化幅度范围、变化频率范围围) )相一致。相一致。 (2) (2) 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标给传感器的精度指标( (一般应优于系统精度的十倍左右一般应优于系统精度的十倍左右) )，转，转换速度应符合整个系统要求。换速
18、度应符合整个系统要求。( (说明说明) ) (3) (3) 满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。和不耗电或耗电少等。 (4) (4) 满足用户对可靠性和可维护性的要求。满足用户对可靠性和可维护性的要求。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理272 2、传感器类型、传感器类型 可用于同一被测量的不同类型的传感器具有不可用于同一被测量的不同类型的传感器具有不同的特点和不同价格。在满足同的特点和不同价格
19、。在满足测量范围、精度、速测量范围、精度、速度、使用条件度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。格比高的传感器。 例：温度传感器例：温度传感器的种类：的种类： 热电偶热电偶、热电阻热电阻、热敏电阻热敏电阻、半导体半导体PNPN结结、ICIC温度传感器温度传感器、光纤温度传感器光纤温度传感器 不同类型的温度传感器在测量时所获的不同类型的温度传感器在测量时所获的测量精测量精度、测量范围度、测量范围等有所不同，选用时要考虑性价比。等有所不同，选用时要考虑性价比。
20、 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理28 近年传感器技术有了较大发展，精度等都有较近年传感器技术有了较大发展，精度等都有较大提高，对测控系统有较大影响的传感器类型：大提高，对测控系统有较大影响的传感器类型： (1) (1) 大信号输出传感器大信号输出传感器 (2) (2) 数字式传感器数字式传感器 (3) (3) 集成传感器集成传感器 (4) (4) 光纤传感器光纤传感器NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理29(1)(1)大信号输出传感器大信号输出传感器 针对小信号输出针对小信号输出，把放大电路与传感器做成一，把放大电路与传感器做成一体，使传感
21、器直接输出体，使传感器直接输出0-5V0-5V、0-10V0-10V或或0-2.5V0-2.5V的信号的信号电压，把传感器与相应变送电路做成一体，构成输电压，把传感器与相应变送电路做成一体，构成输出出4-20mA4-20mA直流标准信号变送器。输入通道尽可能选直流标准信号变送器。输入通道尽可能选用大信号传感器或变送器，省去小信号放大环节：用大信号传感器或变送器，省去小信号放大环节： NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理30(2)(2) 数字式传感器数字式传感器 数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数成，也可
22、以是由敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器，构成的振荡器，或或模拟电压输入经模拟电压输入经V VF F转换等。转换等。 数字传感器具有如下明显的特点：数字传感器具有如下明显的特点： 输出为频率参量，输出为频率参量， 测量精度高、测量精度高、 抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 采用数字量传感器时，传感器输出如果满足采用数字量传感器时，传感器输出如果满足TTLTTL电平标准，则可直接与微处理器进行接口。电平标准，则可直接与微处理器进行接口。 ( (例，数字温度传感器例，数字温度传感器) )NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理31
23、 如果传感器输出不是如果传感器输出不是TTLTTL电平，则须经电平转换电平，则须经电平转换或放大整形。一般进入单片机的或放大整形。一般进入单片机的I/OI/O口或扩展口或扩展I/OI/O口时还要通过光电耦合隔离，如下图所示：口时还要通过光电耦合隔离，如下图所示： NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理32数字式传感器的适用范围：数字式传感器的适用范围： 非快速测量中。非快速测量中。 原因：原因： 经过额外的参数变化电路，所以一般响应较慢经过额外的参数变化电路，所以一般响应较慢NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理33(3)(3) 集成传感器集成传感器
24、 将将传感器与信号调理电路传感器与信号调理电路做成一体。如将应变做成一体。如将应变片、应变电桥、线性化处理电路、电桥放大电路等片、应变电桥、线性化处理电路、电桥放大电路等做成一体，构成集成压力传感器。集成传感器可减做成一体，构成集成压力传感器。集成传感器可减轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。轻输入通道的信号调理任务，简化通道结构。( (例例) )(4)(4) 光纤传感器光纤传感器 信号拾取、变换、传输通过光纤实现，避免电信号拾取、变换、传输通过光纤实现，避免电路系统的电磁干扰。信号输入通道中采用光纤传感路系统的电磁干扰。信号输入通道中采用光纤传感器从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。
25、器从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理34(5)(5)合成传感器电路合成传感器电路 除前述各传感器外，目前市售各种测量仪表，除前述各传感器外，目前市售各种测量仪表，这些测量仪表内部传感器及其测量电路配置较完这些测量仪表内部传感器及其测量电路配置较完善，一般都有大信号输出端，有的还有善，一般都有大信号输出端，有的还有BCDBCD码输出。码输出。 售价远高于一个传感器的价格，故在小型测试售价远高于一个传感器的价格，故在小型测试系统中较少采用，较大型的系统中使用系统中较少采用，较大型的系统中使用较较多。多。 NUST自动化学院自动化学
26、院电气测试系统原理电气测试系统原理35特殊条件下传感器的选用特殊条件下传感器的选用 对一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目对一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目前还没有现成的传感器可供选用。解决方法如下：前还没有现成的传感器可供选用。解决方法如下： 提出用户要求，找传感器厂家订做，但是批量小提出用户要求，找传感器厂家订做，但是批量小的价格一般都很昂贵。的价格一般都很昂贵。 从现有传感器定型产品中选择一种作为基础，在从现有传感器定型产品中选择一种作为基础，在该传感器前面设计一种敏感器或该传感器前面设计一种敏感器或( (和和) )在该传感器后在该传感器后面设计一种转换器，从而组合成满足特定测量
27、需面设计一种转换器，从而组合成满足特定测量需要的特制传感器。要的特制传感器。 例：例： NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理36三、信号调理电路的参数设计和选择三、信号调理电路的参数设计和选择 所谓信号调理，就是在信号采样的预处理，在所谓信号调理，就是在信号采样的预处理，在一般的测量系统中，信号调理的任务比较复杂，信一般的测量系统中，信号调理的任务比较复杂，信号调理应包含如下的具体内容：号调理应包含如下的具体内容： 小信号放大、滤波小信号放大、滤波( (现场信号通常为小信号，现场信号通常为小信号，且包含噪声信号且包含噪声信号) ) 零点校正零点校正( (零点偏移零点偏移
28、) ) 线性化处理线性化处理 温度补偿温度补偿 误差修正和量程切换误差修正和量程切换NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理37实现实现 一般而言，信号调理过程应设计专门的硬件电一般而言，信号调理过程应设计专门的硬件电路来完成，这些硬件电路统称为信号调理电路。路来完成，这些硬件电路统称为信号调理电路。 测控系统中，部分的调理电路功能可由软测控系统中，部分的调理电路功能可由软件来完成，简化电路设计。件来完成，简化电路设计。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理38信号调理的重点信号调理的重点 对于信号输入通道，信号调理重点为：对于信号输入通道，信号调理重
29、点为： 小信号放大小信号放大 信号滤波信号滤波 频率信号的放大整形频率信号的放大整形。 典型的信号调理电路组成如下图所示：典型的信号调理电路组成如下图所示：NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理391 1、前置放大器、前置放大器 是否采用前置放大器考虑以下几个问题：是否采用前置放大器考虑以下几个问题： (1)(1)如何判断如何判断传感器的输出信号传感器的输出信号“大大”还是还是“小小”； (2)(2)要不要要不要对传感器的输出信号进行放大；对传感器的输出信号进行放大； (3)(3)放大的放大的依据依据是什么；是什么； (4)(4)放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”即
30、设置在调理电路的即设置在调理电路的最前最前端端，能不能接在滤波器的后面；，能不能接在滤波器的后面； (5)(5)前置放大器的前置放大器的放大倍数放大倍数应该为多大应该为多大； NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理40前置放大器的作用：前置放大器的作用： 1 1）对传感器信号进行）对传感器信号进行适当适当放大，以满足后续放大，以满足后续电路对信号强度的要求。简单电路中直接就可以将电路对信号强度的要求。简单电路中直接就可以将信号放大到信号放大到ADCADC的量程范围内；的量程范围内； 2 2）抗干扰的需要。）抗干扰的需要。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试
31、系统原理41前置放大器的作用前置放大器的作用 一般而言，由于电路内部各种噪声源的存在，一般而言，由于电路内部各种噪声源的存在，电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的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波动电压，这就是电路的，这就是电路的输出噪声。输出噪声。如下图如下图 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理42 电路输出端测得的噪声有效值电路输出端测得的噪声有效值V VONON，折算到输入，折算到输入端端（除以该电路的增益除以该电路的增益K K），得到的电平值称为该，得到的电平值称为该电路的电路的等效输入噪声等效输入噪声V VININ，即，即 V V
32、ININV VONONK K 如果加在该电路输入端的信号幅度如果加在该电路输入端的信号幅度V VISIS小到比该小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所电路的噪声所“淹没淹没”。( (一般的传感器输出信号都一般的传感器输出信号都是微弱的电信号是微弱的电信号) )NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理43 提高有用信号的输出，抑制噪声信号，使得信提高有用信号的输出，抑制噪声信号，使得信号不被噪声淹没，这在前置放大器选择时就显得尤号不被噪声淹没，这在前置放大器选择时就显得尤为重要。为重要。NUST自动化学院自
33、动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理44 为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在为了不使小信号被电路噪声所淹没，就必须在该电路前面加一级放大器，如下图所示：该电路前面加一级放大器，如下图所示： NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理45结论结论1 1： 为使小信号输入不被电路的噪声所淹没，在电为使小信号输入不被电路的噪声所淹没，在电路前端加入的电路必须是放大器，即路前端加入的电路必须是放大器，即K K0 011； 放大器必须是低噪声，即放大器本身等效输入放大器必须是低噪声，即放大器本身等效输入噪声必须比后级电路的等效输入噪声低噪声必须比后级电路的等效输入噪声低； 调
34、理电路前端电路必须是调理电路前端电路必须是低噪声前置放大器低噪声前置放大器。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理46 放大器在滤波器后及滤波器在放大器后的两种放大器在滤波器后及滤波器在放大器后的两种不同调理电路的比较不同调理电路的比较NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理47结论结论2 2： 调理电路中放大器设置在调理电路中放大器设置在滤波器前面滤波器前面有利于减少有利于减少电路的等效输入噪声。电路的等效输入噪声。 电路等效输入噪声决定电路所能输入的最小信号电路等效输入噪声决定电路所能输入的最小信号电平。因此电平。因此减少电路的等效输入噪声实质上
35、提高减少电路的等效输入噪声实质上提高电路接收弱信号的能力电路接收弱信号的能力。 前置放大器的设置，满足了对电路噪声抑制，同前置放大器的设置，满足了对电路噪声抑制，同时，只要选择合适的放大倍数，也满足了电路对时，只要选择合适的放大倍数，也满足了电路对小信号放大的要求。小信号放大的要求。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理482 2、滤波器、滤波器滤波器的功能及分类滤波器的功能及分类： 低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器带阻滤波器NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理49测控系统中的滤波器测控系统中的滤波器 为
36、使调理电路的零漂电压不随被测信号一起送为使调理电路的零漂电压不随被测信号一起送到采集电路，通常在调理电路与采集电路之间接到采集电路，通常在调理电路与采集电路之间接入入隔直电容隔直电容C C和电压跟随器和电压跟随器A A，如下图所示：，如下图所示： 隔直流电容隔直流电容C C与电压跟随器与电压跟随器A A的输入电阻的输入电阻R Ri i构成构成RCRC高通滤波器，其截止频率为：高通滤波器，其截止频率为：CRfi21NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理50 调理电路中滤波器类型的选择调理电路中滤波器类型的选择 滤波器设置的前提滤波器设置的前提 滤波器的参数设计滤波器的参数设
37、计 ( (截止频率、衰减幅度截止频率、衰减幅度) )NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理51（1 1）奈奎斯特采样定理）奈奎斯特采样定理 采样引起的失真必须被消除，采样引起的失真必须被消除，为消除采样中可为消除采样中可能会存在的折叠失真，必须满足以下条件：能会存在的折叠失真，必须满足以下条件： a a、被采样信号为带限信号，即它的最高频率、被采样信号为带限信号，即它的最高频率为有限值为有限值，即：即： b b、采样频率大于被采样信号最高频率两倍，、采样频率大于被采样信号最高频率两倍，即采样周期即采样周期T T满足条件：满足条件：CfCfT21NUST自动化学院自动化学院
38、电气测试系统原理电气测试系统原理52 只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，理论理论上就可从采样信号中无失真地恢复出原被采样上就可从采样信号中无失真地恢复出原被采样信号。这个结论就是著名的信号。这个结论就是著名的奈奎斯特采样定理奈奎斯特采样定理。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理53（2 2）低通有源滤波器的设计）低通有源滤波器的设计一阶低通滤波器一阶低通滤波器 功能：低于截止频率的低频信号通过，衰减高功能：低于截止频率的低频信号通过，衰减高频信号分量，通带为频信号分量，通带为 ， 为截止频率。为截止频率。 RCRC网络构成
39、的一阶低通滤波器的网络构成的一阶低通滤波器的I/OI/O关系如下：关系如下： 复域关系为：复域关系为： 为输入信号频率为输入信号频率 滤波器的的截止频率为：滤波器的的截止频率为：c0cRCSSVSVSHi11)()()(0cjsjSH11)(RCc1NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理54 信号通过该滤波器时，幅值衰减如下：信号通过该滤波器时，幅值衰减如下： 相应得到图中同相端输入的有源一阶低通滤波器相应得到图中同相端输入的有源一阶低通滤波器的增益衰减关系如下：的增益衰减关系如下： 低通截止频率：低通截止频率： 信号频率信号频率 时，可无衰减通过滤器。时，可无衰减通过滤
40、器。 2000)(1111)()(jjVjVi2010)(11)1 ()()(RRjVjVFiRC100NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理55几点说明几点说明 ) )无源低通滤波器结构简单，带负载能力差。无源低通滤波器结构简单，带负载能力差。 对于直流信号，负载开路时，信号将无衰减的输对于直流信号，负载开路时，信号将无衰减的输出；但外电路有负载时，信号将会被衰减。出；但外电路有负载时，信号将会被衰减。 上述电路中，如上述电路中，如R=20KR=20K，当负载电阻为当负载电阻为R RL L=5K=5K，对，对通过的直流信号，将会被衰减通过的直流信号，将会被衰减80%80
41、%；如果输入的是交；如果输入的是交流信号，衰减将会更大。流信号，衰减将会更大。 不能直接多级级联来获得更好的频率响应不能直接多级级联来获得更好的频率响应。NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理56 ) ) 有源滤波器有着极高的输入阻抗和极低的有源滤波器有着极高的输入阻抗和极低的输输出阻抗，可直接进行级联，不需进行阻抗匹配。出阻抗，可直接进行级联，不需进行阻抗匹配。 同时，有源滤波器电路还可进行增益调整，通同时，有源滤波器电路还可进行增益调整，通过调节桥臂电阻，可补偿电路中的增益衰减。过调节桥臂电阻，可补偿电路中的增益衰减。 电路对直流信号及低频信号几乎电路对直流信号及低频
42、信号几乎无无增益衰减。增益衰减。 ) )相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代的优势，在大部分场合，都采用有源滤波器。的优势，在大部分场合，都采用有源滤波器。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理57二阶低通滤波器二阶低通滤波器 滤波器阶数不同对性能有着影响，下图为二阶滤波器阶数不同对性能有着影响，下图为二阶有限增益有限增益的低通滤波器的原理图。的低通滤波器的原理图。 一般的，电路中通常取：一般的，电路中通常取： RRR21CCC21NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理58幅频特性幅频特性: :传递函数为：传
43、递函数为：增益为：增益为：滤波器的低通截止频率为：滤波器的低通截止频率为： 0)1(101)2(10101HVCSRVRHVRSCVVCSRVRoooi20)()3(1)()()(RCSRCSHHSVSVSHooi343RRRHoRC10NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理59说明说明 、这种二阶低通滤波器中，放大倍数、这种二阶低通滤波器中，放大倍数H H0 0不能任不能任意指定，当意指定，当 ，滤波器电路不稳定。，滤波器电路不稳定。 、电路中元件离散性少，电路参数调整方便。、电路中元件离散性少，电路参数调整方便。不过由于电路中通过引进了正反馈，所以整个电路不过由于电路
44、中通过引进了正反馈，所以整个电路的增益大小受到一定的限制。的增益大小受到一定的限制。 03oHNUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理60伯特瓦兹低通滤波器设计伯特瓦兹低通滤波器设计 滤波器输入输出关系为：滤波器输入输出关系为： 是放大倍数，是放大倍数， 为伯特瓦兹多项式。为伯特瓦兹多项式。 伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多项式的幅值满足下式：项式的幅值满足下式： n n为滤波器阶数，为滤波器阶数， 为截止频率，为截止频率， 为信号频为信号频率。率。)()(0SBHSHn0H)(SBnnjSnSB20)(1)(0NUST自
45、动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理61 令截止频率令截止频率 ，得到归一化的伯特，得到归一化的伯特瓦瓦兹多项式：兹多项式：srad /10NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理62一阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：一阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：二阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为：二阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为： 对前述滤波器，令对前述滤波器，令 ，对照上表，对照上表，当满足当满足 时，该二阶低通滤波器就是一时，该二阶低通滤波器就是一个个二阶伯特瓦兹低通滤波器。二阶伯特瓦兹低通滤波器。 伯特瓦兹低通滤波器的截止频率为：伯特瓦兹低通滤波器的截止频率
46、为：00/1)(SHSHsrad /1023oHRC10200)/()/)(3(1)(SSHHSHooNUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理63 将一阶滤波器和二阶滤波器级联后可得到奇阶将一阶滤波器和二阶滤波器级联后可得到奇阶的伯特瓦兹低通滤波器，将二阶滤波器级联后可得的伯特瓦兹低通滤波器，将二阶滤波器级联后可得到偶阶的伯特瓦兹低通滤波器。到偶阶的伯特瓦兹低通滤波器。 例：设计截止频率为例：设计截止频率为1KHz1KHz的的4 4阶伯特瓦兹低通阶伯特瓦兹低通滤滤波器波器NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理64参数的选取参数的选取 滤波器为滤波器为4
47、 4阶，阶，n=4n=4，对第一级滤波器，得到其，对第一级滤波器，得到其放大倍数为：放大倍数为： 第二级滤波器，放大倍数为：第二级滤波器，放大倍数为： 因此可得：因此可得： 对于放大倍数，有下式成立：对于放大倍数，有下式成立： 取取 765. 0301 H848. 1302 H235. 201H152. 102H235. 211101RRH152. 112202RRHKRR1021NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理65 可得：可得： 为满足频率要求，根据下式进行求解：为满足频率要求，根据下式进行求解： 由于电容分档较粗，首先进行电容选择，取：由于电容分档较粗，首先进行
48、电容选择，取： 则可以得到：则可以得到： 实际使用时，取实际使用时，取: : KR35.121KR52. 12kHzRCf1210FC1 . 0KR592. 1KR6 . 1NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理66例：设计截止频率为例：设计截止频率为5KHz5KHz的三阶低通滤波器的三阶低通滤波器NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理67伯特瓦兹低通滤波器的特点伯特瓦兹低通滤波器的特点 、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的、伯特瓦兹低通滤波器在通频带内具有最大的平坦度，阶数越高，平坦度越好。在截止频率处，平坦度，阶数越高，平坦度越好。在截止频率
49、处，所有的伯特瓦兹低通滤波器都有所有的伯特瓦兹低通滤波器都有-3dB-3dB的增益衰减。的增益衰减。 、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带、伯特瓦兹低通滤波器的阶数越高，在通频带内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强。内愈平坦，且对高频噪声的抑制能力也越强。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理68 ）滤波器阶数）滤波器阶数n n越高，幅频特性陡度越大，越高，幅频特性陡度越大，对减少混淆误差越有利。但是应看到，滤波器阶数对减少混淆误差越有利。但是应看到，滤波器阶数越高，使得滤波器设计中，节数越多，带来成本的越高，使得滤波器设计中，节数越多，带来成本的上升，而且上升，
50、而且信号通过滤波器时产生的延时也越长信号通过滤波器时产生的延时也越长。 ）闭环系统中，这种延时受到系统稳定性的）闭环系统中，这种延时受到系统稳定性的 限制限制( (延时时间受限于系统的要求延时时间受限于系统的要求) )，因而滤波器的，因而滤波器的阶数不宜太高。阶数不宜太高。 NUST自动化学院自动化学院电气测试系统原理电气测试系统原理69四、数据采集电路的参数设计和选择 数据采集电路的设计中，需解决以下问题：数据采集电路的设计中，需解决以下问题： ( (一一) A/D) A/D转换器的选择转换器的选择 ( (二二) ) 采样保持器采样保持器S SH H的选择的选择 ( (三三) ) 采集电路的
