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智能仪器仪表开发智能仪器仪表开发中国石油大学胜利学院中国石油大学胜利学院 2009年8月 张明海智能仪器仪表开发智能仪器仪表开发主要内容：第一章 DAS概述第二章 信号调理电路第三章 多路模拟开关第四章 采样/保持器第五章 模数转换器A/D第六章 数模转换器D/A第七章 接口电路设计第八章 常用接口器件第九章 can总线程序设计智能仪器智能仪器=数据采集+MCU+网络技术数据采集的主要内容：一、前言二、DAS的基本概念三、DAS的组成部分四、数据处理五、数据采集系统的应用与发展小结一、前言一、前言随着计算机的发展与普及，社会已进入随着计算机的发展与普及，社会已进入信息时代。作为获取信息重要工具的微机信息时代。作为获取信息重要工具的微机数据采集系统，日益广泛的深入到生产、数据采集系统，日益广泛的深入到生产、科研的各个领域，形成了一种新兴的产业科研的各个领域，形成了一种新兴的产业，它也就自然的成为自动化专业的学生或，它也就自然的成为自动化专业的学生或其他专业的工程技术人员必须掌握的专业其他专业的工程技术人员必须掌握的专业知识。知识。自动化专业的学生与其它电类专业一样，主要自动化专业的学生与其它电类专业一样，主要是分门别类的进行。是分门别类的进行。1、电路与信号系统：讲的是一般电路的分析、电路与信号系统：讲的是一般电路的分析方法与信号及系统的数学描述。方法与信号及系统的数学描述。2、模拟与数字电子技术：着重介绍放大器、模拟与数字电子技术：着重介绍放大器、触发器、震荡器、计数器等各种功能的硬触发器、震荡器、计数器等各种功能的硬 件电路组成。件电路组成。3、程序语言与微机原理：介绍计算机原理与、程序语言与微机原理：介绍计算机原理与编程方法编程方法 4、数字信号与处理电路：则分别介绍软件对、数字信号与处理电路：则分别介绍软件对信号过滤的方法信号过滤的方法.5、传感器与电子测量：介绍检测信号的方法、传感器与电子测量：介绍检测信号的方法与仪器设备。与仪器设备。这些课程的内容都涉及到设计数据采集这些课程的内容都涉及到设计数据采集系统中某些环节的知识。但整个数据采系统中某些环节的知识。但整个数据采集系统的设计需要的是综合运用所有关集系统的设计需要的是综合运用所有关的知识从一门课到一门课的学，到综合的知识从一门课到一门课的学，到综合运用各门课的知识解决实际问题，尚存运用各门课的知识解决实际问题，尚存一定的距离，为此目前数据采集系统这一定的距离，为此目前数据采集系统这门课程，已为很多院校本科生和研究生门课程，已为很多院校本科生和研究生的必修课程。的必修课程。这些课程的内容都涉及到设计数据采集这些课程的内容都涉及到设计数据采集系统中某些环节的知识。但整个数据采系统中某些环节的知识。但整个数据采集系统的设计需要的是综合运用所有关集系统的设计需要的是综合运用所有关的知识，从一门课到一门课的学，到综的知识，从一门课到一门课的学，到综合运用各门课的知识解决实际问题，尚合运用各门课的知识解决实际问题，尚存一定的距离，为此目前数据采集系统存一定的距离，为此目前数据采集系统这门课程，已为很多院校本科生和研究这门课程，已为很多院校本科生和研究生的必修课程。生的必修课程。二、DAS的基本概念随着计算机、微型机及信息技术的高搜发展，数据采集技术、过程控制技术变得越来越重要。为了把需要处理的信息输入给计算机，把计算机处理的结果输出到所需的场所，就需要一系列输入、输出设备来完成信息的调理、采样、A/D、D/A转换、打印、显示等工作。这些输入输出的设备与计算机一起就构成了数据采集系统DAS(data acquisitiong system).1、数据采集:就是将生产过程或控制过程中要检测或监视的信号按一定时间间隔，通过信号处理变成计算机所能接受的数据形式，并存储在计算机的存储器中。2、数据采集系统：处理信息的I/O设备、计算机软硬件的总称。3、数据处理：处理采集数据的过程。如：平滑、滤波、踢出奇异项、卷积频谱分析等。4、过程控制：就是将采集处理后的数据经D/A转换模拟量或直接通过I/O接口或网络对控制对象进行控制。三、三、DAS的组成部分的组成部分数据采集系统的结构随其用途而具有数据采集系统的结构随其用途而具有不同的组成形式。一般的，一个数据不同的组成形式。一般的，一个数据采集系统应包括以下采集系统应包括以下6个组成部分：个组成部分：1、传感器（、传感器（sensor)将非电量（如：压力、温度、流量）将非电量（如：压力、温度、流量）变成电信号。常称为一次仪表，其输变成电信号。常称为一次仪表，其输出一般为模拟量，但也有的输出数字出一般为模拟量，但也有的输出数字量。量。2、信号调理电路 信号调理电路的主要功能包括信号的转换和标准化。（1）对模拟信号而言：mv-v;kv-v；交流直流；R-V等。总之，要进行滤波、衰减、放大、整形等，得到计算机索认识的标准信号（4-20ma;1-5v;-5-+5v;-10-+10v).（2）对数字信号而言包括缓冲、所存、整形等。3、多路模拟开关（mux)作用：使多路被测信号共享一路A/D.当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支和减少电路的复杂程度，一般在信号调理电路后面，家多路模拟切换开关，从而使各路信号共享一路A/D通道。当然这样会影响采样速度，因而对变化很快的被测信号，就需要对每一路单独配置A/D，成本必然提高。实际设计时，可根据具体情况灵活掌握。4、采样保持器（S/H）S/H的基本功能是：获取输入信号并在其后 A/D转换期间是信号保持不变。特别是被测信号是高频信号时，度应该加采样保持电路。5、A/D转换电路（ADC）DAS的核心器件是A/D转换器。因为只有通过它才能将模拟信号变成计算机所能接受的数字量。具体讲，A/D转换部分应包括以下两项功能：（1）将模拟量转换成数字量。（2）能和计算机进行接口。一般采用工控机及打印机、绘图仪等用于将采集处一般采用工控机及打印机、绘图仪等用于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表曲线等）。理后的数据打印或显示出来（报表曲线等）。根据以上分析，我们可以画出一个根据以上分析，我们可以画出一个DAS的一个基的一个基本的组成框图如图本的组成框图如图1.1所示：所示：若计算机的输出还用于控制执行机构以调节过程参数，此时DAS就发展成计算机控制系统。如电磁阀的控制、PID控制，这相当于在DAS的基础上增加了自动调节（负反馈控制），使其成为完整的生产过程自动化系统。四 数据处理1、零点、满度调整 调A/D转换器，使其满足系统要求。2、校准调试 进行系数整定、定标，用于恢复原物理量的量纲及表示形式。例：某线性压力传感器测得下述一组数据压力(kpa):0 10 50 100 200 300 400 500 输出(v):0.0 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 则该压力传感的定标系数为：100 kpa/v。每输出1v电压，传感器需加压100 kpa。有了定标系数，便可将A/D后的数字量变成相应的物理量纲（具体大小）。如采用上述压力传感器，8bit的A/D,满度为5v，单极性。若转换结果为80H，则表示的电压为：128*5/256=2.5v,代表实际压力2.5*100=250kpa.3、消除干扰、消除干扰 平滑、滤波、非线性校正、平滑、滤波、非线性校正、IIR、FIR、数、数字滤波。字滤波。4、数据变换运算、数据变换运算 卷积、滤波、卷积、滤波、PID、频谱分析等。、频谱分析等。5、数据输出、数据输出 制表、显示、打印、绘图、控制。制表、显示、打印、绘图、控制。常用程序设计语言有：常用程序设计语言有：汇编、汇编、basic、c、c+、vb、vc等。等。数字滤波器分为两类IIR和FIR。FIR和IIR的滤波原理都是进行卷积，说白了就是对数字入信号进行某种计算。FIR用处就在于对数字信号进行必要的处理，得到所需的输出信号。IIR滤波器有以下几个特点：1IIR数字滤波器的系统函数可以写成封闭函数的形式。2IIR数字滤波器采用递归型结构，即结构上带有反馈环路。IIR滤波器运算结构通常由延时、乘以系数和相加等基本运算组成，可以组合成直接型、正准型、级联型、并联型四种结构形式，都具有反馈回路。由于运算中的舍入处理，使误差不断累积，有时会产生微弱的寄生振荡。3IIR数字滤波器在设计上可以借助成熟的模拟滤波器的成果，如巴特沃斯、契比雪夫和椭圆滤波器等，有现成的设计数据或图表可查，其设计工作量比较小，对计算工具的要求不高。在设计一个IIR数字滤波器时，我们根据指标先写出模拟滤波器的公式，然后通过一定的变换，将模拟滤波器的公式转换成数字滤波器的公式。4IIR数字滤波器的相位特性不好控制，对相位要求较高时，需加相位校准网络。五、DAS的应用及发展1、应用（1）工业过程控制：实时检测控制、DCS。（2）遥测遥控：航天、航空、火箭。（3）智能仪表测试仪器：微机控制、数显。（4）家用电器、民用电子产品：智能控制、电视、洗衣机、汽车电器等。（5）计算机仿真系统：汽车驾驶培训、钻井仿真培训等都离不开DAS的应用（数据来自现场，输出却不对现场起作用）。2、发展趋势（1）板卡模块化。数据采集板卡、数据采集模块等。（2）高速度：速度越快越好，速度越快越贵。（3）智能化：采集器少配外设即可组成各种DAS系 统。本章小结：第二章第二章 信号调理电路信号调理电路主要内容：主要内容：引言引言 第一节第一节 运算放大器运算放大器 第二节第二节 测量放大器测量放大器 第三第三 节节 低漂移放大器低漂移放大器 第四节第四节 电压比较器电压比较器 小结小结引言 信号调理电路的形式是各种各样的，核心是运信号调理电路的形式是各种各样的，核心是运算放大器。算放大器。在在DAS中大多数传感器输出的信号都需要放大、中大多数传感器输出的信号都需要放大、滤波、整形、电平转换等调理措施，使之具有合适滤波、整形、电平转换等调理措施，使之具有合适的带宽及动态范围以后，方可进行的带宽及动态范围以后，方可进行A/D转换或送往转换或送往数字系统。例如：传感器输出常常是非标准信号，数字系统。例如：传感器输出常常是非标准信号，如：如：mV、uV、，也有标准信号，如：、，也有标准信号，如：4-20mA等，等，但但A/D所需要的是：所需要的是：0-5V、0-10V,-5-+5V,-10-+10V等需要转换。等需要转换。引言运算放大器是信号调理中最重要的部件之一，它可以用于放大、滤波、比较、积分微分、标准信号的产生等。首先，我们介绍一下有关放大器电路的功能及特点。一、基本运放电路1、反相放大器（1）电路如图所示（2）反相放大器的闭环增益（放大倍数）反相放大器的闭环增益（放大倍数）为为 KF=V0/Vi-R1/R2 或 V0=-R1/R2*Vi(3)反相放大器的输入阻抗：反相放大器的输入阻抗：Rin=R2(输入输入阻抗越大对信号源的影响越小）阻抗越大对信号源的影响越小）(4)加加 R=R1/R2的目的：保证运算放大器的目的：保证运算放大器的两个输入端平衡，避免输入电流产生附的两个输入端平衡，避免输入电流产生附加的差动输入电压加的差动输入电压二、运算放大器的特性参数二、运算放大器的特性参数(1)失调在输入为零时，输出通常不为零（理论上为零），称为零点漂移，这是由于运算放大器本身存在的失调所引起的。定义：输入为零，为了使输出为零，在输入端所需加的补偿电压。下面 分析一个运放的失调模型。第二节第二节 测量放大器（仪用放大器）测量放大器（仪用放大器）一、测量放大器的作用、原理和特点二、测量放大器的输入保护技术三、单片测量放大器1、作用 在许多实际应用中，我们需要对信号源的两端进行测量。如电桥的输入：注意！要为偏置电流提供回路，具体应用详见注意！要为偏置电流提供回路，具体应用详见P59 图图 4-7引言引言一、动态校零放大器一、动态校零放大器二、单片自动稳零放大器二、单片自动稳零放大器此课件下载可自行编辑修改，供参考！此课件下载可自行编辑修改，供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！