1、第二章第二章 测控通道（输入测控通道（输入/输出通道）输出通道）l2.1 模拟输入通道模拟输入通道l2.2 模拟输出通道模拟输出通道l2.3 开关量输入开关量输入/输出通道输出通道l2.4 单元电路的级联设计单元电路的级联设计2.1 模拟输入通道模拟输入通道2.1.1 基本类型与组成结构基本类型与组成结构传感器传感器调理电路调理电路采集电路采集电路至微机至微机图图2-1-1 信号输入通道的基本组成信号输入通道的基本组成 多路模拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是多路模拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采各路共用一
2、个还是每路各用一个，多路模拟输入通道可分为集中采集式和分散采集式集式和分散采集式一、集中采集式（集中式）一、集中采集式（集中式）其典型结构有分时采集型和同步采集型其典型结构有分时采集型和同步采集型传感器传感器传感器传感器传感器传感器调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路模模拟拟多多路路切切换换器器采样采样/保持器保持器A/D转换器转换器计计算算机机控制逻辑控制逻辑（a）多路分时采集分时输入结构）多路分时采集分时输入结构 简化了电路结构，降低了成本。但不能获得同一时刻简化了电路结构，降低了成本。但不能获得同一时刻数据，产生时间偏斜误差，适用于多数中速和低速测试系数据，产生时间偏斜误差，
3、适用于多数中速和低速测试系统统。图图2-1-2 集中采集式模拟输入典型结构集中采集式模拟输入典型结构传感器传感器传感器传感器传感器传感器调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路采样采样/保持器保持器采样采样/保持器保持器采样采样/保持器保持器模模拟拟多多路路切切换换器器采样采样/保持器保持器A/D转换器转换器计计算算机机控制逻辑控制逻辑(b) 多路同步采集分时输入结构多路同步采集分时输入结构 被测信号路数较多时，保持的时间加长，保持器总被测信号路数较多时，保持的时间加长，保持器总会有些泄露，信号有所衰减，不能获得真正的同步输入会有些泄露，信号有所衰减，不能获得真正的同步输入二、分散采集
4、式（分布式）二、分散采集式（分布式）传感器传感器传感器传感器传感器传感器调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路调理电路采样采样/保持器保持器采样采样/保持器保持器采样采样/保持器保持器A/D转换器转换器A/D转换器转换器A/D转换器转换器控制逻辑控制逻辑计算机计算机图图2-1-3 分散采集式模拟输入通道结构分散采集式模拟输入通道结构2.1.2 传感器的选用传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一环节，是决定整个测试系统传感器是信号输入通道的第一环节，是决定整个测试系统性能的关键之一。性能的关键之一。 正确选用传感器要做到：正确选用传感器要做到： 1.1.明确所设计的测试系统需要什么样的传感器
5、明确所设计的测试系统需要什么样的传感器系统对传感系统对传感器的技术要求。器的技术要求。 2.2.了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产了解现有传感器厂家有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，从中挑选合乎要求的性能价格比最品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。高的传感器。一、对传感器的主要技术要求一、对传感器的主要技术要求（1 1）能将被测量转换为后续电路可用电量，转换范围与实际变）能将被测量转换为后续电路可用电量，转换范围与实际变化范围相一致。化范围相一致。（2 2）转换精度符合传感器要求的精度指标，一般要优于其）转换精度符合传感器要求
6、的精度指标，一般要优于其1010倍倍左右，转换速度应符合整机要求。左右，转换速度应符合整机要求。（3 3）能满足被测介质和使用环境的特殊要求。）能满足被测介质和使用环境的特殊要求。（4 4）能满足用户对可靠性和可维护性的要求）能满足用户对可靠性和可维护性的要求。二、可供选用的传感器类型二、可供选用的传感器类型 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量。对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量。可用于同一被测量的不同类型的传感器具有不同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的价格。在都能满足测量范围、精的特点和不同的价格。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考
7、虑成本度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比较高的传感器。以下介绍几种对选择性能价格比较高的传感器。以下介绍几种对微机化测控系统有较大影响的传感器。微机化测控系统有较大影响的传感器。（1 1）大信号输出传感器）大信号输出传感器传感器传感器传感器传感器传感器传感器小信号放大小信号放大信号修正与变换信号修正与变换I/V滤波滤波A/D计算机计算机V/F光电光电耦合耦合计算机计算机大电流大电流小电压小电压小电流小电流大电流大电流图图2-1-4 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用变送器变送器1
8、、变送器（英文：transmitter）是把传感器的输出信号转变为可被控制器识别的信号（或将传感器输入的非电量转换成电信号同时放大以便供远方测量和控制的信号源）的转换器。传感器和变送器一同构成自动控制的监测信号源。2、变送器的种类很多，不同的物理量需要不同的传感器和相应的变送器。用在工控仪表上面的变送器主要有温度变送器、压力变送器、流量变送器、电流变送器、电压变送器等等。3、传感器是敏感元件，变送器是转换元件。（）数字式传感器（）数字式传感器1、数字式传感器，能把被测（模拟）量直接转换成数字量输出的传感器。2、数字式传感器特点：具有较高的测量精度和分辨率、测量范围大；抗干扰能力强，稳定性好；信
9、号易于处理、传送和自动控制；安装方便，维护简单，工作可靠性高。3、数字式传感器分类：脉冲数字式（光、磁栅传感器，感应同步器，角数编码器），数字频率式（振荡器）传感器传感器传感器传感器放大整形放大整形整形整形光电隔离光电隔离光电隔离光电隔离计算机计算机计算机计算机频率量频率量输出输出开关量开关量输出输出图图2-1- 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用（）集成传感器（）集成传感器1、是将传感器与信号调理电路做成一体。、是将传感器与信号调理电路做成一体。2、按制造工艺分类：、按制造工艺分类：集成传感器、薄膜传感器、集成传感器、薄膜传感器、厚膜传感器、陶瓷传感器厚膜传感器、陶
10、瓷传感器（）光纤传感器（）光纤传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。电路系统的电磁干扰。价格贵，小型测试系统中较少采用，在大型系统中使用较多。价格贵，小型测试系统中较少采用，在大型系统中使用较多。总述：对于一些特殊的测量需要或特殊的工作环境，目前还没总述：对于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。或提出用户要求，找传感器厂家订有现成的传感器可供选用。或提出用户要求，找传感器厂家订做，但批量小，价格高；或选择现有定型产品为基础，在其前做，但批量小，价格高；或选择现有定型产品为
11、基础，在其前面设计一种敏感器或在其后设计一种转换器，从而组合成满足面设计一种敏感器或在其后设计一种转换器，从而组合成满足特定测量需要的特制传感器。特定测量需要的特制传感器。2.1.3 信号调理电路的参数设计和选择信号调理电路的参数设计和选择 在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了小信号放大、滤在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理，相应的执行电路称为信号调理程切换等，这些操作统称为信号调理，相应的执行电路称为信号调理电路。电路
12、。前置放大前置放大低通低通陷波陷波高通高通传感器传感器信号信号至采集至采集电路电路图图2-1-6 典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图 陷波器是为抑制交流电干扰而设置的，不仅节省电路更避免了陷波器是为抑制交流电干扰而设置的，不仅节省电路更避免了信号频率分量的损失。当被测信号频率远远小于交流电频率时，也信号频率分量的损失。当被测信号频率远远小于交流电频率时，也可用低通滤波器滤除交流电干扰。可用低通滤波器滤除交流电干扰。一、前置放大器一、前置放大器几个问题：几个问题：1 1 为什么要设计前置放大电路？为什么要设计前置放大电路？2 2 放大器为什么要前置？是否能接在滤波器后？放大器为什么要前
13、置？是否能接在滤波器后？答答1 1：由于电路内部存在各种噪声源，使得电路零输时仍存在一定幅度的波：由于电路内部存在各种噪声源，使得电路零输时仍存在一定幅度的波动电压，即电路的输出噪声，若加在输入端的信号幅度小于该电路的等动电压，即电路的输出噪声，若加在输入端的信号幅度小于该电路的等效输入噪声，则信号会被效输入噪声，则信号会被“淹没淹没”。因此须加前置放大器，调理电路前。因此须加前置放大器，调理电路前端必须是低噪声前置放大器。端必须是低噪声前置放大器。前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVOSVONVINVIN0VIS图图2-1-7 前置放大器的作用前置放大器的作用电路总输出噪声：等效输入
14、噪声:2200on)()(UKUKKUININ20200)(KUUKKUUININONIN2020)(KUUUINININ20011KUUININK01答答2 2：为了减小体积，调理电路中的滤波器大多采用：为了减小体积，调理电路中的滤波器大多采用RCRC有源滤波器，由有源滤波器，由于电阻元件是电路噪声的主要根源，故于电阻元件是电路噪声的主要根源，故RCRC滤波器产生的电路噪声比较滤波器产生的电路噪声比较大。若将放大器置于滤波器后，滤波器的噪声将会被放大，使输出信大。若将放大器置于滤波器后，滤波器的噪声将会被放大，使输出信噪比降低。调理电路中放大器设置在滤波器前有利于减少电路的等效噪比降低。调理
15、电路中放大器设置在滤波器前有利于减少电路的等效输入噪声。由于电路的等效输入噪声决定了电路所能输入的最小信号输入噪声。由于电路的等效输入噪声决定了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是提高了电路接受弱信号减少电路的等效输入噪声实质上是提高了电路接受弱信号的能力。的能力。放大器放大器K滤波器滤波器1放大器放大器K滤波器滤波器1VIN0VIN1VIN1VIN0图图2-1-8 两种调理电路的对比两种调理电路的对比二、滤波器二、滤波器 为了使调理电路的零漂电压不会随被测信号一起送到采集为了使调理电路的零漂电压不会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
16、入隔直电容电路，通常在调理电路与采集电路之间接入隔直电容C C和电和电压跟随器。如图。隔直电容压跟随器。如图。隔直电容C C与电压跟随器输入电阻与电压跟随器输入电阻R Ri i形成形成一个一个RCRC高通滤波器，其截止频率为：高通滤波器，其截止频率为：12LifRC 由于由于C和和Ri很大，所很大，所以以fL很低，甚至不到很低，甚至不到1HZ, 对一般的低频干扰并不对一般的低频干扰并不起作用起作用。调理电路调理电路A+采集电路采集电路-隔直电容隔直电容电压电压跟随器跟随器 图图2-1-9隔直电容的作用隔直电容的作用讨论：为什么要设置去混淆低通滤波器，滤波器的频率和讨论：为什么要设置去混淆低通滤
17、波器，滤波器的频率和陡度应怎样选择呢？陡度应怎样选择呢？1 1 采样的折叠失真及消除条件采样的折叠失真及消除条件 两个问题：两个问题： 折叠失真是怎样产生的？折叠失真是怎样产生的？ 怎样消除折叠失真和折叠噪声呢？怎样消除折叠失真和折叠噪声呢？( )X( )X( )H( )H( )sX( )sX()sX()sX( )oX( )oXccsscc2s2s图图2-1-10折叠失真的产生与消除折叠失真的产生与消除（a）(b)00)()()(nsnwwXwXwX折叠失真：折叠失真：要消除采样引起的折叠失真，必须满足以下条件：要消除采样引起的折叠失真，必须满足以下条件：第一，必须使被采样信号为带限信号，即它
18、的最高频率第一，必须使被采样信号为带限信号，即它的最高频率为有限值，即为有限值，即 。第二，必须使采样频率大于被采样信号最高频率的第二，必须使采样频率大于被采样信号最高频率的2 2倍，倍，即采样周期即采样周期T T满足条件满足条件只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，理论上就只要在满足上述两个条件的情况下进行采样，理论上就可从采样信号可从采样信号 中无失真地恢复出被采样号中无失真地恢复出被采样号 。这就是著名的奈奎斯特采样定理。这就是著名的奈奎斯特采样定理。cf 12cTf( )sx t( )x t2 2 去混淆滤波去混淆滤波采样产生折叠失真是由于被采样频谱中含有高于折叠频率采样产生折叠失真
19、是由于被采样频谱中含有高于折叠频率fs/2fs/2的频的频率分量率分量, ,若设该频率分量的幅值为若设该频率分量的幅值为A Aa a，频率为频率为fafs/2,fafs/2,则采样后该频则采样后该频率分量就会变成幅值为率分量就会变成幅值为A Ab b ,频率为频率为f bfs/2f bfs/2的频率分量，如图的频率分量，如图2-1-112-1-11所所示，两者以示，两者以f=fs/2f=fs/2为对称轴，即为对称轴，即 Aa=AAa=Ab b f fb b=fs-fa =fs-fa 这种现象又常称为频率混淆或假频干扰。被采样这种现象又常称为频率混淆或假频干扰。被采样频谱大多存在高于频谱大多存在
20、高于fs/2 fs/2 的频率分量，就只有在采的频率分量，就只有在采样之前先用一个截频样之前先用一个截频f fh hfs/2fs/2的低通滤波器把高于的低通滤波器把高于fs/2fs/2的频率分量滤掉，满足采样定理的频率分量滤掉，满足采样定理AaAbfbfa(fs/2) -1f图图2-1-11 频率混淆示意图频率混淆示意图去混淆滤波器的任务是滤掉采样频谱中高于去混淆滤波器的任务是滤掉采样频谱中高于fs/2fs/2的频率分量，如果去混的频率分量，如果去混淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么淆滤波器是一个陡度为无限大即矩形幅频特性的低通滤波器的话，那么去混淆滤波器截止频率去
21、混淆滤波器截止频率fh=fs/2fh=fs/2就可以了。实际中如何选择？就可以了。实际中如何选择？首先，去混淆滤波器截止频率首先，去混淆滤波器截止频率fhfh应该与采样周应该与采样周期期TsTs保持固定的关即保持固定的关即 ，式中，式中C C为选为选定的截频系数，定的截频系数，C C2 2。其次，由于去混淆滤波。其次，由于去混淆滤波器是低通滤波器，因此其截频器是低通滤波器，因此其截频fhfh应该等于被测应该等于被测试信号的最高频率试信号的最高频率fmax.fmax.去混淆滤波器陡度去混淆滤波器陡度S S应应该能保证把高于该能保证把高于fs/2fs/2的干扰衰减到的干扰衰减到A/DA/D的最小量
22、的最小量化电平化电平q q以下。去混淆低通滤波器陡度以下。去混淆低通滤波器陡度S S也与截也与截频常数频常数C C有关，有关，C C取小些，取小些，S S就要取大些，陡度越高的滤波器阶数就越高。就要取大些，陡度越高的滤波器阶数就越高。滤波器阶数越高，幅频特性陡度越大，对减小混淆误差越有利。滤波器阶数越高，幅频特性陡度越大，对减小混淆误差越有利。1shsffCTCfs/220lgk(f)fhfs-fhffs图图2-1-12 去混淆滤波器波特图去混淆滤波器波特图所以，在我们设计模拟输入通道时，必须考虑到，抗混叠低通滤波器截止频率 、陡度S（阶数n）、采样周期T、A/D转换器位数m等参数是相互制约和影响的。hf谢谢，结束！
