1、 第二章第二章 测控通道测控通道 2.1模拟输入通道 2.2模拟输出通道 2.3开关量输入/输出通道 2.4单元电路的级联设计2.1模拟输入通道2.1模拟输入通道 2.1.1模拟输入通道的基本结构与组成类型 2.1.2传感器的选用 2.1.3信号调理电路的参数设计和选择 2.1.4采集电路的参数设计和选择 2.1.5模拟输入通道的误差分配2.1.12.1.1模拟输入通道的基本结构与组成类型模拟输入通道的基本结构与组成类型 一、模拟输入通道的基本组成一、模拟输入通道的基本组成 模拟输入通道是测控系统中被测对象与计算机之间模拟输入通道是测控系统中被测对象与计算机之间的联系通道的联系通道 一般说来，
2、模拟输入通道应由传感器、信号调理电一般说来，模拟输入通道应由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成路、数据采集电路三部分组成 2.1.12.1.1模拟输入通道的基本结构与组成类型模拟输入通道的基本结构与组成类型 二、多路模拟输入通道的基本类型和结构二、多路模拟输入通道的基本类型和结构 按照系统中数据采集电路是各路按照系统中数据采集电路是各路共用一个共用一个还是每路还是每路各用各用一个一个，多路（，多路（N N路）模拟输入通道可分为路）模拟输入通道可分为集中采集式集中采集式(简简称集中式称集中式)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。2.1.12.1.1模拟输
3、入通道的基本结构与组成类型模拟输入通道的基本结构与组成类型 1 1、集中采集式、集中采集式(集中式集中式)分时采集型分时采集型同步采集型同步采集型 组成结构组成结构图图2-1-2(a)2-1-2(a)图图2-1-2(b)2-1-2(b)电路共同点电路共同点N N路传感器、调理电路共用一组采集电路路传感器、调理电路共用一组采集电路（MUXMUX、S/HS/H、A/DA/D）电路不同点电路不同点MUXMUX前不接前不接S/HS/HMUXMUX前接前接N N个个S/HS/H相邻两路信号采集时偏相邻两路信号采集时偏(N(N为信号路数为信号路数T T为采样周为采样周期期)MUXMUX对对N N路信号依路
4、信号依次采样，相邻两次采样，相邻两路采样时偏路采样时偏T/NT/NN N个采样个采样/保持器同时采保持器同时采样，不存在采样时偏样，不存在采样时偏 适用场合适用场合不严格要求同步不严格要求同步采集的场合采集的场合严格要求同步采集的场严格要求同步采集的场合合图图2-1-22-1-2集中采集式模拟输入通道典型结构集中采集式模拟输入通道典型结构a.分时采集分时采集b.同步采集同步采集2.1.12.1.1模拟输入通道的基本结构与组成类型模拟输入通道的基本结构与组成类型 2 2、分散采集式、分散采集式(分布式分布式)集中采集式集中采集式(集中式集中式)分散采集式分散采集式(分布式分布式)组成结构组成结构
5、图图2-1-22-1-2图图2-1-32-1-3 电路共同点电路共同点 都由传感器、调理电路、采集电路三部分组成都由传感器、调理电路、采集电路三部分组成 电路不同点电路不同点 有有MUX,MUX,N N路共用一个路共用一个S/HS/H和和A/DA/D无无MUX,MUX,N N路各用一个路各用一个S/HS/H和和A/DA/D对对A/DA/D转换时转换时间的间的要求要求长长短短 适用场合适用场合适用于信号路数适用于信号路数N N不太不太多或中、低速测试系统多或中、低速测试系统适用于信号路数适用于信号路数N N多多或高速测试系统或高速测试系统NTT图图2-1-3分散采集式模拟输入通道结构分散采集式模
6、拟输入通道结构与集中式的差别与集中式的差别2.1.22.1.2传感器的选用传感器的选用 正确选用传感器的主要思路：正确选用传感器的主要思路：首先首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器；感器；其次其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择是要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，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从中挑选合乎要求的性能价格比最高性能价格比最高的传感器。的传感器。2.1.22.1.2传感器的选用传感器的选用 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.范围（量程）：
7、范围（量程）：具有将被测量转换为后续电路可用电具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转量的功能，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(变化幅变化幅度范围、变化频率范围度范围、变化频率范围)相一致。相一致。2.2.转换精度和速度：转换精度和速度：转换精度符合根据整个测试系统总转换精度符合根据整个测试系统总精度要求分配给传感器的精度指标，精度要求分配给传感器的精度指标，(一般应优于系一般应优于系统精度的十倍左右统精度的十倍左右)，转换速度符合整机要求。，转换速度符合整机要求。3.3.环境：环境：能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐
8、高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、重量轻、不耗电或耗电少等等。积小、重量轻、不耗电或耗电少等等。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2.1.22.1.2传感器的选用传感器的选用二、可优先选用的传感器类型二、可优先选用的传感器类型1.1.大信号输出传感器大信号输出传感器可省去小信号放大环节可省去小信号放大环节 将转换、放大电路与传感器做成一体，直接输出较大将转换、放大电路与传感器做成一体，直接输出较大的电信号的电信号 电压型：电压型：0 05V5V，0 010V10V等等 电流型：电流型：4
9、420mA20mA，0 010mA10mA等等 省去了设计信号调理电路的麻烦省去了设计信号调理电路的麻烦图图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大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 2.1.22.1.2传感器的选用传感器的选用 2.2.数字式传感器数字式传感器便于远距离传送便于远距离传送 数字式传感器一般由频率敏感效应器件构成，也可以数字式传感器一般由频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数是由敏感参数R R、L L、C C构成的振荡器，或模拟电压输入经构成的振荡器，或模拟电压输入经V/FV/F转换等转换等 特点：特点：输出频率参量（脉冲）输出频率参量（脉冲）测量精
10、度高测量精度高 抗干扰能力强抗干扰能力强 便于远程传送便于远程传送 信号调理简单信号调理简单图图2-1-5频率及开关量输出传感器的使用频率及开关量输出传感器的使用2.1.22.1.2传感器的选用传感器的选用3.3.集成传感器：这种集成传感器是将传感集成传感器：这种集成传感器是将传感器与信号调理电路制成一体器与信号调理电路制成一体特点：简化结构、减小体积特点：简化结构、减小体积4.4.光纤传感器：这种传感器其信号拾取、光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，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。避免了电路系统的电磁干扰。在较大型的系统中使用较多在
11、较大型的系统中使用较多2.1.22.1.2传感器的选用传感器的选用 题外话：与传感器课程的区别与联系题外话：与传感器课程的区别与联系 传感器课程：原理、知识积累、开阔思路传感器课程：原理、知识积累、开阔思路 实际选用时：商品、作用、性价比实际选用时：商品、作用、性价比 如：如：应变片、电容、压电传感器应变片、电容、压电传感器与与压力传感器压力传感器2.1.32.1.3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 信号调理包括：小信号放大、滤波、零点校正、信号调理包括：小信号放大、滤波、零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换、参数
12、变换、抗干扰措施等参数变换、抗干扰措施等前置放大器前置放大器主放大器主放大器抗干扰滤波抗干扰滤波抗混叠滤波抗混叠滤波电容传感器电容传感器运放式电路运放式电路xC0uCuCCuCjCjuxx)/(1)/(10SuCu0传感器传感器 SCr0 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典型信号调理电路组成框图典型信号调理电路组成框图2.1.32.1.3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2.1.32.1.3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 一、前置放大器一、前置放大器 1 1、电路的噪声、电路的噪声 输出噪声输出噪声电路在没有信号输入时
13、，输出端输出一电路在没有信号输入时，输出端输出一定幅度的波动电压。定幅度的波动电压。输入噪声输入噪声把电路输出端测得的噪声有效值把电路输出端测得的噪声有效值V VONON折算折算到该电路的输入端即除以该电路的增益到该电路的输入端即除以该电路的增益K K，得到的电平值，得到的电平值称为该电路的等效输入噪声。称为该电路的等效输入噪声。KVVONIN 等效输入噪声等效输入噪声 2.1.32.1.3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 2 2、前置放大器的作用、前置放大器的作用如果加在某电路输入端的信号幅度小到比该电路如果加在某电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声的等效输
14、入噪声V VININ还要低，那么这个信号就会被电路还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所的噪声所“淹没淹没”。为了不使小信号被电路噪声所淹。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没，就必须在该电路前面加一级放大器-“-“前置放大前置放大器器”，2.1.32.1.3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2200)()(KVKKVVININON 20200)(KVVKKVVININONIN 加入前置放大器后电路总输出噪声为加入前置放大器后电路总输出噪声为总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪声为总输出噪声折算到前置放大器输入端，即总的等效输入噪
15、声为低噪声前置放大所起的作用2.1.32.1.3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 3 3、前置放大器参数的选择：、前置放大器参数的选择：（1 1）选用低噪声运放）选用低噪声运放必须保证放大器本身的等效必须保证放大器本身的等效输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低输入噪声比其后级电路的等效输入噪声低（2 2）放大器增益）放大器增益在保证不使在保证不使A/DA/D转换器发生溢出转换器发生溢出的前提下，前置放大器增益越大越好。由上式看见，的前提下，前置放大器增益越大越好。由上式看见，K K0 0越大，等效输入噪声越低。越大，等效输入噪声越低。2.1.32.1.3信号调理电路的参
16、数设计和选择信号调理电路的参数设计和选择【例【例2 21 1】前置放大器为什么要放在】前置放大器为什么要放在RCRC有源滤有源滤波器的前面？波器的前面？解：解：RCRC滤波器产生的电路噪声比较大。如果把滤波器产生的电路噪声比较大。如果把放大器放在滤波器后面，滤波器的噪声将会被放大器放在滤波器后面，滤波器的噪声将会被放大器放大，使电路输出信噪比降低。我们可放大器放大，使电路输出信噪比降低。我们可以用图以用图2-1-8(a)2-1-8(a)、(b)(b)两种情况进行对比来说两种情况进行对比来说明这一点。明这一点。2.1.3信号调理电路的参数设计和选择图图2-1-8两种调理电路的对比两种调理电路的对
17、比 21202120)()()(KVVKVKVVINININININ 21202021)()(INININININVVKKVKVV 二、滤波器的作用和参数选择二、滤波器的作用和参数选择1.1.隔直电容的作用隔直电容的作用使调理电路的零漂电压不会随被测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。隔直电容信号一起送到采集电路。隔直电容C C与电压跟随器输入与电压跟随器输入电阻电阻RiRi形成的高通滤波器截止频率应很低，甚至不到形成的高通滤波器截止频率应很低，甚至不到1 1赫芝。赫芝。2.2.高通滤波器高通滤波器滤除低频干扰，其截止频率应高于需要滤除低频干扰，其截止频率应高于需要滤除的干扰频
18、率。滤除的干扰频率。3.3.陷波器陷波器抑制交流电干扰。陷波频率应等于交流电干抑制交流电干扰。陷波频率应等于交流电干扰的频率扰的频率50Hz50Hz。4.4.低通滤波器低通滤波器“去混淆去混淆”，即在采样前先滤除高频干，即在采样前先滤除高频干扰，防止高频分量被采样而折迭到信号频段产生扰，防止高频分量被采样而折迭到信号频段产生“混混淆淆”。2.1.32.1.3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图图2-1-9调理电路与采集电路的连接调理电路与采集电路的连接 低通滤波器低通滤波器“去混淆去混淆”，即在采样前先滤除高频干扰，即在采样前先滤除高频干扰，防止高频分量被采样而折迭到信号
19、频段产生防止高频分量被采样而折迭到信号频段产生“混淆混淆”。（1 1）“混淆混淆”产生的原因产生的原因被采样频谱中含有高于折迭频被采样频谱中含有高于折迭频率率f fs s2 2的频率分量的频率分量。（2 2）“混淆混淆”的危害的危害被采样频谱中高于被采样频谱中高于f fs s2 2的频率分的频率分量采样后会沿量采样后会沿f fs s2 2折迭到折迭到(f(fs s-f-fc c)f fs s/2/2频段对信号形成干频段对信号形成干扰。扰。2.1.3信号调理电路的参数设计和选择图图2-1-10 “混淆混淆”的产生与消除的产生与消除（3 3）“混淆混淆”的消除的消除在采样之前先用一个低通滤波在采样
20、之前先用一个低通滤波器把高于器把高于f fs s2 2的频率分量滤掉。该低通滤波器称为的频率分量滤掉。该低通滤波器称为“去混淆滤波器去混淆滤波器”2.1.3信号调理电路的参数设计和选择2.1.32.1.3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CfCTffssh1max)1lg(2lgCBGBS)1lg(2lg6CmS)1lg(2lgCmn 截止频率与采样周期的关系：截止频率与采样周期的关系：(dB/(dB/倍频程倍频程),),（4 4）去混淆滤波器的参数选择）去混淆滤波器的参数选择陡度陡度S S：去混淆巴特沃斯低通滤波器阶数去混淆巴特沃斯低通滤波器阶数最坏情况最坏情况采样时的
21、对称轴采样时的对称轴无用部分不用管无用部分不用管混叠部分混叠部分不能影响信号值不能影响信号值该点的值应低于该点的值应低于A/DA/D的量化电平的量化电平即对滤波器的幅频即对滤波器的幅频特性曲线提出要求特性曲线提出要求【例【例2 23 3】已知某模拟输入通道采用的是】已知某模拟输入通道采用的是1212位位二进制模数转换器、二进制模数转换器、6 6阶去混淆巴特沃斯低通滤阶去混淆巴特沃斯低通滤波器，被测信号最高频率为波器，被测信号最高频率为100Hz100Hz，试计算所需，试计算所需的去混淆巴特沃斯低通滤波器的截止频率和所的去混淆巴特沃斯低通滤波器的截止频率和所需的采样周期。需的采样周期。解：据公式
22、解：据公式(2-1-26)(2-1-26)，6 6阶巴特沃斯低通滤波器阶巴特沃斯低通滤波器的陡度为，据题知，二进制模数转换器的陡度为，据题知，二进制模数转换器m=12m=12位，位，代入公式代入公式(2-1-24)(2-1-24)或或(2-1-27)(2-1-27)计算得，截频系计算得，截频系数数C C应取为应取为5 5。据题知，代入公式。据题知，代入公式(2-1-18)(2-1-18)计计算得，去混淆低通滤波器截止频率也应为算得，去混淆低通滤波器截止频率也应为100Hz100Hz。将将C=5C=5、代入公式、代入公式(2-1-17)(2-1-17)计算得，采样周期计算得，采样周期TSTS应取
23、为应取为2ms2ms。2.1.32.1.3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2.1.42.1.4采集电路的参数设计和选择采集电路的参数设计和选择 集中式采集电路方案的选择集中式采集电路方案的选择 A/DA/D转换器的选择要点转换器的选择要点 采样保持器采样保持器S/HS/H的选择的选择 采集电路的工作时序和最高允许频率采集电路的工作时序和最高允许频率 多路测量通道的串音问题多路测量通道的串音问题 主放大器的设置主放大器的设置 一、集中式采集电路方案的选择一、集中式采集电路方案的选择 四种可供选择的方案2.1.4采集电路的参数设计和选择信号随时间变化信号随道间变化适用的集中
24、式采集电路方案否否(a)直接相连否是(b)加程控增益放大器（PGA）是否(c)加采样保持其（S/H）是是(d)两样都加基本元件：MUX +A/D转换 二、二、A/D转换器的选择要点转换器的选择要点 1、A/D转换位数转换位数m的确定的确定 量化误差量化误差 确定位数的原则：小信号不淹没（分辨力）；大信号不确定位数的原则：小信号不淹没（分辨力）；大信号不溢出（量程）；量化误差应为系统误差的十分之一。溢出（量程）；量化误差应为系统误差的十分之一。具体要求：具体要求：2.1.4采集电路的参数设计和选择minmax2iimVV 121m测量范围要求测量范围要求 测量精度要求测量精度要求 2 2、A/D
25、A/D转换速度的确定转换速度的确定 一般概念：慢速 积分型等 几毫秒几十毫秒 中速 逐次比较型（常用）几微秒100S 快速 电阻网络等 20100nS A/D转换的时间：2.1.4采集电路的参数设计和选择max0/11NCfNCfNTttThSCDAA/D转换器从转换结束到下一次再启动转换所需要的时间。A/D转换器从启动转换到转换结束输出稳定的数字量所需要的时间 采样周期通道数与信号最高频率的关系对对f fmaxmax大的高频大的高频(或高速或高速)测试系统，应该采取以下测试系统，应该采取以下措施：措施：(1)(1)减少通道数减少通道数N N，最好采用分散采集方式，即，最好采用分散采集方式，即
26、N=1N=1。(2)(2)减少截频系数减少截频系数C C，这应增大去混淆低通滤波器陡度。，这应增大去混淆低通滤波器陡度。(3)(3)选用转换时间选用转换时间t tc c短的短的A/DA/D转换器芯片。转换器芯片。(4)(4)将由将由CPUCPU读取数据改为直接存储器存取读取数据改为直接存储器存取(DMA)(DMA)技术，技术，以大大缩短休止时间以大大缩短休止时间t t0 0。2.1.4采集电路的参数设计和选择 3、根据环境条件选择A/D转换芯片的一些环境参数 4、根据计算机接口特征选择A/D转换器的输出状态。2.1.4采集电路的参数设计和选择 三、采样保持器三、采样保持器S/HS/H的选择的选
27、择 采样保持器的主要参数 捕捉时间tACS/H输出电压从原来的保持值过渡到跟踪输入信号Vi值(在确定的精度范围内)所需的时间 孔径时间tAPS/H从发出保持指令开始到模拟开关完全断开所经历的时间。孔径抖动是指多次采样中孔径时间的最大变化量 建立时间ts从发出保持指令开始到S/H输出达到保持终值(在确定的精度范围内)所需时间2.1.4采集电路的参数设计和选择图图2-1-14采样采样/保持器的主要性能参数保持器的主要性能参数 指令指令动作动作 2 2、设置采样保持器的必要性、设置采样保持器的必要性（1 1）不设置采样保持器时，待转换信号允许的最高频率）不设置采样保持器时，待转换信号允许的最高频率很
28、低很低，由下式决定由下式决定 2.1.4采集电路的参数设计和选择Cmtf1max21（2 2）设置采样保持器后，待转换信号允许的最高频率大）设置采样保持器后，待转换信号允许的最高频率大大提高，由下式决定大提高，由下式决定APmtf1max21A/DA/D转换时间通常转换时间通常为几十微秒为几十微秒S/HS/H孔径时间通常孔径时间通常为为1010纳秒纳秒 四、采集电路的工作时序和最高允许频率四、采集电路的工作时序和最高允许频率 分时采样多道数据采集系统及其工作时序分时采样多道数据采集系统及其工作时序 2.1.4采集电路的参数设计和选择通道选定通道选定前一次转前一次转换完成换完成开始采样开始采样采
29、样结束采样结束ts秒转换秒转换采样脉冲保持采样脉冲保持时间时间t tACAC2.1.4采集电路的参数设计和选择)(CSACstttNT)(11maxCSACStttCNCTf系统允许的最小采样周期为：系统允许的最小采样周期为：系统允许的最高信号频率为系统允许的最高信号频率为每次转换的工作周期为：每次转换的工作周期为：CSACtttT 五、多路测量通道的串音问题五、多路测量通道的串音问题 串音的概念：道间串音干扰串音的概念：道间串音干扰 串音产生的原因：串音产生的原因：模拟开关的断开电阻不是无穷大模拟开关的断开电阻不是无穷大 多路开关中存在寄生电容多路开关中存在寄生电容2.1.4采集电路的参数设
30、计和选择2-1-16多路切换系统的等效电路多路切换系统的等效电路 减小串音干扰的措施：减小串音干扰的措施：减小减小RiRi,为此前级应采用电压跟随器；为此前级应采用电压跟随器；选用选用R Ronon极小、极小、R Roffoff极大的开关管；极大的开关管；减少输出端并联的开关数减少输出端并联的开关数N N。若。若N=1N=1，则，则VN=0VN=0 选用寄生电容小的选用寄生电容小的MUXMUX。2.1.4采集电路的参数设计和选择 六、主放大器的设置六、主放大器的设置1 1、主放大器的作用、主放大器的作用将将MUXMUX输出的子样电压放大到接近输出的子样电压放大到接近A/DA/D满量程，使数满量
31、程，使数字转换精度提高字转换精度提高K K倍。倍。2 2、“主放大器主放大器”与与“前置放大器前置放大器”的区别的区别2.1.4采集电路的参数设计和选择 前置放大器前置放大器主放大器主放大器设置的位置设置的位置在每路调理电路的前在每路调理电路的前端，每路各用一个端，每路各用一个在采集电路的在采集电路的MUXMUX之之后，各路共用一个后，各路共用一个放大对象放大对象模拟电信号模拟电信号采样脉冲采样脉冲放大增益放大增益固定不变固定不变浮动可变浮动可变 3 3、主放大器增益、主放大器增益K K的确定的确定既不能使既不能使A/DA/D溢出，又要溢出，又要满足转换精度满足转换精度oo的要求。的要求。4
32、4、主放大器增益改变规则、主放大器增益改变规则通常取取通常取取2 2的整数次幂的整数次幂 2.1.4采集电路的参数设计和选择 设计模拟输入通道的步骤：设计模拟输入通道的步骤：根据一般要求确定结构方案；根据一般要求确定结构方案；根据精度要求分配误差；根据精度要求分配误差；选择元器件选择元器件 一、误差分配一、误差分配 在确定系统的结构方案之后，应根据系统的总精在确定系统的结构方案之后，应根据系统的总精度要求，给各个环节分配误差，以便选择元器件。通度要求，给各个环节分配误差，以便选择元器件。通常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其它常传感器和信号放大电路所占的误差比例最大，其它各环节如采样各
33、环节如采样/保持器和保持器和A/DA/D转换器等误差，可以按选转换器等误差，可以按选择元件精度的一般规则和具体情况而定。择元件精度的一般规则和具体情况而定。选择元件精度的一般规则是：选择元件精度的一般规则是：每一个元件的精度每一个元件的精度指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的指标应该优于系统规定的某一最严格的性能指标的1010倍左右。倍左右。2.1.52.1.5模拟输入通道的误差分配与综合模拟输入通道的误差分配与综合 二、误差综合二、误差综合 初步选定各个元件之后，还要根据各个元件的技初步选定各个元件之后，还要根据各个元件的技术特性和元件之间的相互关系核算实际误差，并且按术特性和元件之
34、间的相互关系核算实际误差，并且按绝对值和的形式或方和根形式综合各类误差，检查总绝对值和的形式或方和根形式综合各类误差，检查总误差是否满足给定的指标。如果不合格，应该分析误误差是否满足给定的指标。如果不合格，应该分析误差，重新选择元件及进行误差的分析综合，直至达到差，重新选择元件及进行误差的分析综合，直至达到要求。要求。2.1.52.1.5模拟输入通道的误差分配与综合模拟输入通道的误差分配与综合【例【例2 24 4】设计一个远距离测量室内温度的输入通道】设计一个远距离测量室内温度的输入通道即数据采集系统。已知满量程为即数据采集系统。已知满量程为100100，共有，共有8 8路信号，路信号，要求系
35、统的总误差为要求系统的总误差为1.0(1.0(即相对误差即相对误差1%)1%)，环境，环境温度为温度为25251515，电源波动，电源波动1%1%。试进行误差分配，。试进行误差分配，选择合适的器件，构成满足精度要求的数据采集系统。选择合适的器件，构成满足精度要求的数据采集系统。解：系统的设计可按以下步骤进行。解：系统的设计可按以下步骤进行。1.电路方案选择电路方案选择 鉴于温度的变化一般很缓慢，故可以选择多通道鉴于温度的变化一般很缓慢，故可以选择多通道共享采样共享采样/保持器和保持器和A/DA/D转换器的通道结构方案，其中转换器的通道结构方案，其中传感器和调理电路即温度测量电路方案如图传感器和
36、调理电路即温度测量电路方案如图2-1-172-1-17所所示。示。2.1.52.1.5模拟输入通道的误差分配与综合模拟输入通道的误差分配与综合图图2-1-17温度传感器及信号放大电路温度传感器及信号放大电路 2 2、温度测量电路的元器件选择、温度测量电路的元器件选择 温度传感器温度传感器AD590KAD590K（由于是远距离测量，且测量（由于是远距离测量，且测量范围不大，故选择电流输出型集成温度传感器）。范围不大，故选择电流输出型集成温度传感器）。高精度集成稳压源高精度集成稳压源AD580LHAD580LH，提供，提供2.5V2.5V基准电压，基准电压，它与它与AD590KAD590K共用一个
37、直流电源共用一个直流电源US(10V)US(10V)。测量放大器测量放大器AD522BAD522B2.1.52.1.5模拟输入通道的误差分配与综合模拟输入通道的误差分配与综合3 3、温度测量电路的工作原理、温度测量电路的工作原理 AD590KAD590K的输出电流与绝对温度成正比（比例系数的输出电流与绝对温度成正比（比例系数即灵敏度为即灵敏度为1A/K1A/K），远传到电阻），远传到电阻R1R1（KK）上产生）上产生的电压的电压UtUt与摄氏温度与摄氏温度t t的关系式为：的关系式为：R2R2、R3R3、W1W1将将AD580LHAD580LH提供的提供的2.5V2.5V基准电压分压形基准电压
38、分压形成偏移电压成偏移电压UbUb。调整电位器。调整电位器W1W1使偏移电压使偏移电压UbUb为为273.2mV273.2mV，则可使放大器则可使放大器AD522BAD522B的差动输入电压的差动输入电压UiUi与摄氏温度与摄氏温度t t成成正比，正比，AD522BAD522B差动放大倍数由第、脚间所接电阻差动放大倍数由第、脚间所接电阻RGRG（由（由2k2k和和W2W2组成）决定组成）决定 2.1.52.1.5模拟输入通道的误差分配与综合模拟输入通道的误差分配与综合mVttAUt)2.273()2.273(10110136图图2-1-17温度传感器及信号放大电路温度传感器及信号放大电路 温度
39、电流变换温度电流变换1 1AA/K/KmVttAUt)2.273()2.273(10110136Us=10V0V基准电压273.2mV输出100*t4 4、误差分配、误差分配 由于传感器和信号放大电路是系统误差的主要部分，由于传感器和信号放大电路是系统误差的主要部分，故将总误差的故将总误差的90%(90%(即即0.90.9的误差的误差)分配至该部分。分配至该部分。该部分的相对误差为该部分的相对误差为0.9%0.9%，数据采集、转换部分和其，数据采集、转换部分和其它环节的相对误差为它环节的相对误差为0.1%0.1%。5 5、误差估算、误差估算（详见教材）（详见教材）2.1.52.1.5模拟输入通
40、道的误差分配与综合模拟输入通道的误差分配与综合2.2模拟输出通道2.2模拟输出通道 微机化测试系统的信号输出通道有：数字信号通道和微机化测试系统的信号输出通道有：数字信号通道和模拟通道两种。模拟通道两种。模拟输出通道的作用：模拟显示模拟输出通道的作用：模拟显示 模拟记录模拟记录 驱动控制机构驱动控制机构 模拟通道的基本组成：模拟通道的基本组成：D/A D/A 保持保持 放大放大 滤波滤波 主要内容：主要内容：基本理论，基本理论，基本结构和特点；基本结构和特点；模拟输出通道组成电路的选用。模拟输出通道组成电路的选用。2.2模拟输出通道 一、零阶保持与平滑滤波一、零阶保持与平滑滤波 从模拟信号转换
41、成数字信号：从模拟信号转换成数字信号：“采样采样”“A/D”A/D”从数字信号恢复出模拟信号：从数字信号恢复出模拟信号：“D/A”D/A”“保持保持”“采样采样”将连续信号离散化。将连续信号离散化。“保持保持”将离散信号连续化：将离散信号连续化：2.2.1模拟输出通道的基本原理图图2-2-1（a）一阶保持）一阶保持 (b)零阶保持零阶保持一阶保持一阶保持不容易用电路实现不容易用电路实现 零阶保持零阶保持容易用电路实现容易用电路实现 图图222 零阶保持的两种实现电路零阶保持的两种实现电路 1 1、零阶保持的实现电路、零阶保持的实现电路 数字保持优于模拟保持，模拟保持成本较低数字保持优于模拟保持
42、，模拟保持成本较低图图2-2-3零阶保持器的输出波形零阶保持器的输出波形 2.2模拟输出通道2.2.1模拟输出通道的基本原理2 2、零阶保持的输出和响应、零阶保持的输出和响应图图2-2-4零阶保持器的冲激响应和频率响应零阶保持器的冲激响应和频率响应 输入：单位冲击输入：单位冲击输出：单位矩形脉冲输出：单位矩形脉冲输出信号的频谱，即系输出信号的频谱，即系统的频率响应统的频率响应 零阶保持器的单位脉冲响应零阶保持器的单位脉冲响应我们知道：单位冲击信号的频谱是一条水平线我们知道：单位冲击信号的频谱是一条水平线，通过观察零阶保持器的单位脉冲响应不难发，通过观察零阶保持器的单位脉冲响应不难发现，零阶保持
43、器是一个滤波器。它完全抑制了现，零阶保持器是一个滤波器。它完全抑制了f fs s=1/T=1/Ts s 的频率成分，部分抑制了各次谐波成的频率成分，部分抑制了各次谐波成分分2.2模拟输出通道2.2.1模拟输出通道的基本原理冲击脉冲序列的输出和频率响应冲击脉冲序列的输出和频率响应 零阶保持器的输入可认为是冲击脉冲序列零阶保持器的输入可认为是冲击脉冲序列)()()(sssnTtnTxtx)()()(1HXXS其输出信号的频谱为：其输出信号的频谱为：)()()()()(XXTHnXTHSSS基频基频各次各次谐波谐波 3 3、平滑滤波器、平滑滤波器 由于各次谐波的存在，零阶保持器的输出波形呈由于各次谐
44、波的存在，零阶保持器的输出波形呈现阶梯状，为平滑其输出的形状，需要一个低通滤波现阶梯状，为平滑其输出的形状，需要一个低通滤波器滤掉各次谐波频率，而保留基带频率。具有这种功器滤掉各次谐波频率，而保留基带频率。具有这种功能的低通滤波器称为平滑滤波器。能的低通滤波器称为平滑滤波器。通常，取平滑滤波器的截止频率等于信号的最高通常，取平滑滤波器的截止频率等于信号的最高频率，且等于保持频率的四分之一。频率，且等于保持频率的四分之一。2.2模拟输出通道2.2.1模拟输出通道的基本原理零阶保持器频率响应和平滑滤波器的作用零阶保持器频率响应和平滑滤波器的作用 2.2模拟输出通道2.2.1模拟输出通道的基本原理二
45、、保持周期的确定二、保持周期的确定1.1.保持周期的意义：保持周期的意义：每次零阶保持的持续时间，即零阶保持器输出的每次零阶保持的持续时间，即零阶保持器输出的阶梯波的台阶宽度阶梯波的台阶宽度 2.2模拟输出通道2.2.1模拟输出通道的基本原理一路保持时间为一路保持时间为t t0 0则则m m路的保持周期为路的保持周期为m m*t t0 02.2.保持周期与采样周期的比例关系保持周期与采样周期的比例关系 模拟信号输出通道中设定的保持周期模拟信号输出通道中设定的保持周期 模拟信号输入通道中设定的采样周期模拟信号输入通道中设定的采样周期 （1 1）若取）若取 ，则，则 经零阶保持和平滑滤经零阶保持和
46、平滑滤波后恢复出来的模拟信号波形与输入通道中被采样的波后恢复出来的模拟信号波形与输入通道中被采样的输入模拟信号波形相同。输入模拟信号波形相同。（2 2）若取）若取 ，则，则 经零阶保持和平滑滤经零阶保持和平滑滤波后恢复出来的模拟信号波形与输入通道中被采样的波后恢复出来的模拟信号波形与输入通道中被采样的输入模拟信号波形相似。输入模拟信号波形相似。常数）(/aTTShhTST1a1a)()(0txtx1a)()(0atxtx2.2模拟输出通道2.2.1模拟输出通道的基本原理2.2模拟输出通道2.2.2模拟输出通道的基本结构2.2.22.2.2模拟输出通道的基本结构模拟输出通道的基本结构图图2 22
47、 26 6 模拟输出通道基本组成模拟输出通道基本组成2.2模拟输出通道2.2.2模拟输出通道的基本结构一、一、数据分配数据分配分时转换分时转换结构结构D/AD/A转换开始时间由寄存器控制转换开始时间由寄存器控制特点：特点：每个通道配置一个输入寄存器和一个每个通道配置一个输入寄存器和一个D/AD/A转换器，转换器，微机将数据微机将数据DijDij分时选通至第分时选通至第i i路输入寄存器，第路输入寄存器，第i i路路D/AD/A立即对立即对DijDij进行数模转换。进行数模转换。缺点：缺点：各通道输出的模拟信号存在时间偏斜，因此不适各通道输出的模拟信号存在时间偏斜，因此不适合于要求多参量同步控制
48、执行机构的系统。合于要求多参量同步控制执行机构的系统。2.2模拟输出通道2.2.2模拟输出通道的基本结构图图2-2-8 数据保持同步转换结构数据保持同步转换结构 2.2模拟输出通道2.2.2模拟输出通道的基本结构二、数据保持同步转换结构二、数据保持同步转换结构2.2模拟输出通道2.2.2模拟输出通道的基本结构特点：特点：每个通道配置两个寄存器每个通道配置两个寄存器R1R1、R2R2和一个和一个D/AD/A转换器，转换器，微机将数据微机将数据DijDij分时选通至第分时选通至第i i路寄存器路寄存器R1R1，然后同时将，然后同时将各路数据各路数据DijDij从从R1R1传送到传送到R2R2，各路
49、，各路D/AD/A同时对同时对DijDij进行数模进行数模转换。转换。优点：优点：各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，因此适合各通道输出的模拟信号不存在时间偏斜，因此适合于要求多参量同步控制执行机构的系统。于要求多参量同步控制执行机构的系统。2.2模拟输出通道2.2.2模拟输出通道的基本结构特点：各个通道共用一个寄存器和一个D/A转换器，各用一个S/H。微机在输出第i路数据给D/A进行D/A转换的同时，也控制第i路S/H进行采样，其他路S/H都处于保持状态。成本低、精度低三、模拟保持分时转换结构三、模拟保持分时转换结构 图图2-2-9 模拟保持分时转换结构模拟保持分时转换结构2.2.32.2.
50、3模拟输出通道组成电路的选用模拟输出通道组成电路的选用一、一、D/AD/A转换器转换器1 1、D/AD/A位数的确定位数的确定取决于输出模拟信号所需要的动取决于输出模拟信号所需要的动态范围。态范围。若要求输出通道不失真再现模拟输入信号，则一若要求输出通道不失真再现模拟输入信号，则一般取般取A/DA/D的位数的位数 若要求输出通道形成动态范围在若要求输出通道形成动态范围在20db20db左右的监视左右的监视波形，则一般取波形，则一般取5-75-7位位 2.2模拟输出通道2.2.3模拟输出通道组成电路的选用2 2、主要结构特性和应用特性的选择、主要结构特性和应用特性的选择数字输入特性：接收数码的码
