第2章 信号调理电路-主讲放大滤波..

二、分散采集式(分布式)
(a) 分布式单机数据采集结构
上位机 通信接口
数据 采集站1
数据 采集站2
数据 采集站3
……
数据 采集站N
… …
… …
… … 模拟信号和数字信号
(b) 网络式数据采集结构
… …
图3.3 分布式数据采集系统的典型结构
第二节 模拟信号调理
在一般测量系统中信号调理的任务
较复杂，除了实现物理信号向电信号的
决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正
确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统
需要什么样的传感器——系统对传感器的技术
要求；其次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，从中挑选合乎要求的性能价格比最高
的传感器。
(一) 对传感器的主要技术要求 1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功 能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。 2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求 而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整 机要求。 3. 能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、质量轻和不耗电或耗电少等。
转换、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
差修正和量程切换等，这些操作统称为
信号调理（Signal Conditioning），相应
的执行电路统称为信号调理电路。
传感 器
前置放 大
低通
陷波
高通
至采集 电路
图3.4 典型调理电路的组成框图
一、传感器的选用
传感器是信号输人通道的第一道环节，也是
• 前置放大器的放大倍数应该多大？
VIS VIN0
前置放大器K0 VIN
后级电路K
VOS VON
图3.7 前置放大器的作用
VIN VON / K
2 2 VON (VIN 0 K 0 K ) (VIN K )
VON VIN 2 2 VIN VIN 0 ( ) K0 K K0 VIN V
，这就是 VIN VIN 由于 K＞1,所以，
说，调理电路中放大器设置在滤波器前
面有利于减少电路的等效输入噪声。
三、信号调理通道中的常用放大器
在智能仪器的信号调理通道中，针
对被放大信号的特点，并结合数据采集 电路的现场要求，目前使用较多的放大
器有仪用放大器、程控增益放大器以及
隔离放大器等。
4. 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
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、半导体PN结、IC温度传感 器、光纤温度传感器等好多种。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、相配电路是否简单等因素进
由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方 便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用 集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。
在实际的设计过程中，可根据模 拟信号调理通道的设计要求，并结合
仪用放大器的以下主要性能指标确定 具体的放大电路。
1. 非线性度
它是指放大器实际输出输入关系曲线
与理想直线的偏差。
2. 温漂
图3.1 数据采集系统的基本组成
实际的数据采集系统往往需要同时 测量多种物理量或同一种物理量的多个 测量点。因此，多路模拟输人通道更具
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 模拟输人通道可分为集中采集式和分散
采集式两大类型。
一、集中采集式
图3.2 集中式数据采集系统的典型结构
计算机
图3.6 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，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。 采用集成传感器可以减轻输人通道的信
号调理任务，简化通道结构。
4. 光纤传感器：这种传感器其信号百度文库取、 变换、传输都是通过光导纤维实现的，
行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。
1. 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、制造一些专 门与A/D相配套的大信号输出传感器。
传感器
小电压 小电流
小信号放大
信号修正与变换
滤波
V/ F
A/ D
微机
传感器
大电压
传感器
大电流
I/V转换
光电耦合
微机
图3.5 大信号输出传感器的使用
避免了电路系统的电磁干扰。
在信号输入通道中采用光纤传感器可以 从根本上解决由现场通过传感器引入的 干扰。
二、运用前置放大器的依据
多数传感器输出信号都比较小，必须
选用前置放大器进行放大。 • 判断传感器信号“大”还是“小”和要
不要进行放大的依据又是什么？
• 放大器为什么要“前置” , 即设置在调理
电路的最前端？
第三章 智能仪器 的数据采集技术
智能仪器的数据采集系统简称DAS
（Data Acquisition System），是指将温
度、压力、流量、位移等模拟量进行采 集、量化转换成数字量后，以便由计算 机进行存储、处理、显示或打印的装置。
第一节 数据采集系统的组成结构
传感器
模拟信号调理
数据采集电路
微机系统
(一) 仪用放大器
图3.9 仪用放大器的基本结构
仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4 ＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：
Af (1 2R1 / RG ) R5 / R4
假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为 1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：
Af (1 2R1 / RG )
2. 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成，也可以是 由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或
模拟电压输入经 V/F转换等.
数字量传感器一般都是输出频率参量，
具有测量精度高、抗干扰能力强、便于
远距离传送等优点。
传感器
频率量 输出 开关量 输出
放大整形
光电隔离
计算机
传感器
整形
光电隔离
2 IN 0
VIN 2 ( ) K0
VIN 0 VIN
1 1 2 K0
图3.8 两种调理电路的对比
VIN
(VIN 0 K ) V
2
2 IN 1
K
V
2 IN 0
VIN1 2 ( ) K
(VIN1 K ) 2 (VIN 0 K ) 2 2 2 VIN VIN 0 VIN1 K