第二章：数据采集系统设计

二、运用前置放大器的依据
当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。 当传感器输出信号比较小，必须选用前置放大器进行放大。 • 放大器为什么要“前置 ”, 即设置在调理电路的最前端 放大器为什么要“前置” ？ • 前置放大器的放大倍数应该多大？ 前置放大器的放大倍数应该多大？
1 电路的噪声
(1) 0.1 V量程。V8、V6导通，放大电路被接成电压负反馈 放大器， 其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为
21.6 + 9 + 1 Af = = 31.6 1 U omax = 0.1× 31.6 = 31.6V
100 kΩ S 1. Hi Lo 100 kΩ V10 21.6 kΩ V7
大信号输出传感器的使用
2. 数字式传感器
采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R 采用频率敏感效应器件构成，也可以由敏感参数R、L、C构成 的振荡器， V/F转换等 转换等。 的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。 具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。
输出噪声:电路在没有信号输入时， 输出噪声 电路在没有信号输入时，输出端输出一定幅 电路在没有信号输入时 度的波动电压。 度的波动电压。 输入噪声:把电路输出端测得的噪声有效值VON折算到 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 该电路的输入端即除以该电路的增益K， 该电路的输入端即除以该电路的增益 ，得到的电平值称为 等效输入噪声V 该电路的等效输入噪声 该电路的等效输入噪声 IN
由上述计算可见，送入A/D转换器的输入规范电压为 0～ 3.16 V，同时， 由于电路被接成串联负反馈形式并且采用自举 电源，因此0.1 V、 1 V和10 V三挡量程的输入电阻高达10 000 M 。10 V和1000 V挡量程由于接入衰减器，输入阻抗降为10 M 。 当V5 、V6和V8导通，继电器开关S吸合时，电路组态为自 测试状态。此时放大器的输出应为-3.12 V。仪器在自诊断时测 量该电压，并与存储的数值相比较。若两者之差在6%以内，即 认为放大器工作正常； 否则视为故障， 必须排除。
(二) 选用什么类型传感器
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，例如测 量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、 量温度的传感器就有： 热电偶、 热电阻、 热敏电阻 、 半导 体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。 PN结 IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。 温度传感器 在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下， 在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下， 应侧重考虑成本低、相配电路是否简单、 应侧重考虑成本低 、 相配电路是否简单、 可靠性等因素进 行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。 行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
网络式数据采集结构
集中采集式 电路共同点 电路不同点
分散采集式
都由传感器、调理电路、采集电路 三部分组成 无MUX, 有MUX, N路共用一个S/H N路各用一个S/H 和A/D 和A/D
T 对A/D转换时间的 ≥τ T≥ N 要求 适用场合 适用于信号路数N 适用于信号路数N 不太多或中、低 多或高速测试系 速测试系统 统
多路分时采集分时输入结构
2. 集中式数据采集系统的典型结构之二
多路同步采集分时输入结构
分时采集型 电路共同点 电路不同点
同步采集型
N路传感器、调理电路共用一组采集 电路（MUX、S/H、A/D） MUX前不接S/H MUX前接N个S/H N个采样/保持器 同时采样，不存 在采样时偏 严格要求同步采 集的场合
VIN = VON / K
2 放大器噪声分析
总的等效输出噪声： 总的等效输出噪声：
′ V ON =
(V IN 0 K 0 K ) + (V IN K )
2
2
总的等效输入噪声： 总的等效输入噪声：
Hale Waihona Puke ′ V ON ′ V IN = = K 0K
V
2 IN 0
V IN 2 + ( ) K0
假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没， 假定不设前放时，输入信号被电路噪声淹没，即：VIS＜VIN， 加入前放后，希望 就必须使V' 加入前放后，希望VIS>V'IN，就必须使 IN<VIN，
′ 由于 K＞1,所以， IN < VIN ，调理电路中放大器设置在滤波器 1,所以， 所以 V 前面有利于减少电路的等效输入噪声。 前面有利于减少电路的等效输入噪声。
(一) 传感器的主要技术要求
将被测量→转换后续电路可用电量： 将被测量→转换后续电路可用电量： 后续电路可用电量 1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 1.转换范围：与被测量实际变化范围相一致。 转换范围 2.转换精度： 2.转换精度：符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传 转换精度 感器的精度指标； 感器的精度指标； 3.转换速度（带宽）：符合整机要求； 3.转换速度（带宽）：符合整机要求； 转换速度 ）：符合整机要求 4.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、 4.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高 被测介质和使用环境的特殊要求 防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、 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； 耗电或耗电少等； 5.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 5.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
频率量及开关量输出传感器的使用
3. 集成传感器
集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如， 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如， 将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体， 将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体， 构成集成压力传感器。 构成集成压力传感器。 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务， 采用集成传感器可以减轻输入通道的信号调理任务，简 化通道结构。 化通道结构。
1.大信号输出传感器（ 1.大信号输出传感器（可省去小信号放大环节 ） 大信号输出传感器
为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、 为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一 A/D输入要求相适应 些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。 些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。 A/D相配套的大信号输出传感器
第二章 智能仪器的数据采集技术
数据采集系统的组成结构 模拟信号调理 传统A/D转换器及接口技术 传统A/D转换器及接口技术 A/D Σ-∆型ADC原理与接口技术 ADC原理与接口技术 数据采集系统设计及举例 数据采集系统的误差分析
数据采集系统简称（ 数据采集系统简称（Data Acquisition System）DAS ）
4. 光纤传感器
这种传感器其信号拾取、变换、 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，避免了电路系统的电磁干扰。 实现的，避免了电路系统的电磁干扰。 光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的 干扰。 干扰。
(三) 传感器量程的自动转换
输入电路的核心是由输入衰减器和放大器组成的量程标 定电路，如下页图所示。S为继电器开关，控制100∶1衰减 器是否接入。V5 ～V10 是场效应管模拟开关，控制放大器不 同的增益。继电器开关S、V5～V10在微机发出的控制信号的 控制下，形成不同的通、断组合，构成0.1V、1V、10 V、 100 V和1000 V五个量程以及自动测试状态。
多路模拟输入通道数据采集系统
同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。 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两大类型: 一个，多路模拟输入通道可分为两大类型:
◆集中式采集 ◆分布式采集
一、多路模拟信号集中采集式 1. 集中式数据采集系统的典型结构之一
1
S 1. △
2
9.9 MΩ
＋ －
∞ V9
V8 Uo
V6
9 kΩ
147 kΩ ＋15 V
V5
1 kΩ
量程标定电路原理
(2) 1V量程。V8、V10导通，此时放大电路被接成串联负 反馈放大器，其放大倍数Af及最大输出电压Uomax分别为
21.6 + 9 + 1 Af = = 31.6 9 +1 U omax = 1× 31.6 = 3.16V
τ
第二节 模拟信号调理
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 传感器输出的电信号很微弱， 直接输送到显示、记录或分析仪器中去， 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声， 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声 要去掉噪声，提高信噪比。 要去掉噪声，提高信噪比。
传感 器
前置 放大
滤 波
程控 放大
滤 波
采集 电路
典型模拟调理电路的组成框图
一、传感器的选用
传感器是信号输入通道的第一环节， 传感器是信号输入通道的第一环节 ， 也是决定整个测 试系统性能的关键环节之一。 试系统性能的关键环节之一。 正确选用传感器 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。 明确所设计的测控系统对传感器的技术要求。 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器。 自行设计
相邻两路信号采 MUX对N路信号依 集时偏(N为信号 次采样，相邻两 路数T为采样周期) 路采样时偏T/N 适用场合 不严格要求同步 采集的场合