檢測信號的傳輸與采集

1、第2章 檢測信號的傳輸與采集,2.1 檢測信號的傳輸 2.2 檢測信號的數(shù)據(jù)采集 思考與練習題,2.1 檢測信號的傳輸,2.1.1 模擬信號的傳輸方法　　模擬信號的傳輸方法分為模擬信號模擬傳輸和模擬信號數(shù)字傳輸。 　　模擬信號模擬傳輸傳輸?shù)男盘柺悄M信號。 　　在精密測量中，進入測量電路的除了傳感器輸出的測量信號外，往往還有各種噪聲。而傳感器的輸出信號一般又很微弱， 為了便于區(qū)別信號與噪聲，往往給測量信號賦予一定特征，也

2、就是調(diào)制。到達接收方后，接收方再通過解調(diào)方法還原出傳送的模擬信號（不一定需要恢復原信號，只要能將它所反映的量值提取出來即可）。,檢測信號可以采用電流形式，也可以采用電壓形式傳輸。 在機柜或控制室內(nèi)，一般信號傳輸?shù)木嚯x不長，環(huán)境也較好， 信號傳輸多采用電壓形式。在較遠距離傳輸時，考慮到傳送線的電阻在一定的范圍內(nèi)變化對信號電流值的影響較小，并且信號電流流過電阻很容易轉換成相應的信號電壓，因而一般采用電流形式傳送信號。 　　模擬信號數(shù)字傳

3、輸傳輸?shù)男盘柺菙?shù)字信號。,傳感器輸出的信號一般為模擬信號，在以微型計算機為核心組成的數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)中，必須將傳感器輸出的模擬信號通過編碼器對其進行采樣、量化和編碼，將其轉換成數(shù)字信號，再放在數(shù)字信道上傳輸，為此要使用模／數(shù)轉換器。經(jīng)計算機處理后的信號常需反饋給模擬執(zhí)行機構如執(zhí)行電動機等， 需再經(jīng)解碼器解碼還原成模擬信號，因此還需要數(shù)／模轉換器將數(shù)字量轉換成相應的模擬信號。,2.1.2 U／I變換器集成器件,1. 引腳功能XTR1

4、10的引腳排列如圖2-1所示。,圖2-1 XTR110的引腳圖,2. 性能參數(shù)XTR110的主要性能特點如下：采用標準４～20 mA電流傳輸； 輸入／輸出范圍可選擇； 最大非線性誤差為0.005％； 帶有精確的＋10 V參考電壓輸出； 采用獨立電源工作模式， 且電壓范圍很寬（13.5～40 V）； 引腳可編程。,3. 輸入/輸出范圍與引腳連接　　XTR110內(nèi)部結構主要由輸入放大器、U／I轉換器和+10

5、V基準電壓電路等組成。對于不同的輸入電壓和輸出電流，只要對某些引腳進行適當連接就可實現(xiàn)。不同的輸入／輸出范圍時引腳的連接關系如表2-1所示。,表2-1 不同的輸入／輸出范圍時引腳的連接關系,2.1.3 U／I變換器的應用　　XTR110輸入0～10Ｖ、輸出4～20 mＡ時的電路如圖2-2所示。其中RP1為調(diào)零電位器，RP2為調(diào)量程電位器。對于其他輸入電壓與輸出電流范圍，使用時可根據(jù)具體情況改變管腳3、4、5、 9、 10的連接方式

6、。　?。豑R110的輸出電流可用下式表示：,(2-1),圖2-2　XTR110基本應用電路,RSPAN實際上就是內(nèi)部50Ω電阻Ｒ9。為了獲得不同的輸出電流范圍，也可連接相應的外部RSPAN。而外部晶體管則用于傳導輸出信號電流。推薦使用Ｐ溝道MOS晶體管。它的電壓標稱值必須大于或等于最大電源電壓，如果電源電壓＋Ｖcc超過了它的柵極擊穿電壓，晶體管的漏極將被擊穿而失去作用?！　⒖茧妷涸诠苣_12處應精確校準。為保持精度，包括管腳３在內(nèi)的

7、任何負載都應與此點相連。,2.1.4 數(shù)據(jù)通信基礎　　1. 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的相關概念　　1） 誤碼率　　誤碼率的定義是二進制碼元(每個數(shù)字就是一個碼元)被錯傳的概率。這是衡量一個通信系統(tǒng)傳輸可靠性的指標。當所傳輸?shù)臄?shù)字序列趨于無限長時，誤碼率等于被傳錯的二進制碼元數(shù)與所傳碼元總數(shù)之比， 即,2） 傳輸速率　　傳輸速率包括數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制速率兩種， 分別用比特率和波特率來表示。 　　(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率。數(shù)據(jù)傳輸速率是

8、指單位時間內(nèi)傳送二進制代碼的位數(shù)。其單位是比特/秒或位/秒，用比特率表示， 記為bit/s或b/s。計算公式為,式中S——數(shù)據(jù)傳輸速率； T——電脈沖信號(碼元)的寬度或周期； N——電脈沖信號所有可能的狀態(tài)數(shù)，是2的整冪數(shù)。 　 lbN是每個電脈沖信號所表示的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。若電信號所有可能的狀態(tài)數(shù)N=2，即只有“0”和“1”兩種狀態(tài)，則每個電信號只傳送1位二進制數(shù)據(jù)，那么S=1／T。,(2) 調(diào)制速率。調(diào)制速

9、率又稱碼元速率，是信號經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率，表示單位時間內(nèi)傳輸?shù)拇a元個數(shù)，用波特率表示， 以波特(Baud)為單位。,數(shù)據(jù)傳輸速率與調(diào)制速率的關系是：S=B lbN。從上述介紹可知，只有當N=2即二進制調(diào)制時，數(shù)據(jù)傳輸速率和調(diào)制速率才是相等的。在多元調(diào)制時，兩者是不相等的。  信道是通信中傳輸信息的通道，它由相應的發(fā)送信息與接收信息的設備以及與之相連接的傳輸介質(zhì)組成，其連接方式有點對點（點—點）連接和多點連接兩種。,① 點—點連

10、接方式，又稱兩點直通方式，如圖2-3(a)所示。 這種方式是將終端和計算機系統(tǒng)之間用固定的專用線路相連接， 平時并不拆除， 適用于通信量較大的情況。 　?、?多點連接方式，如圖2-3(b)所示。各終端共用一條主線路， 這種方式節(jié)省線路，但要解決各終端同時訪問主機而競爭線路的問題。,圖2-3 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)連接方式,2. 數(shù)據(jù)傳輸方式　　1） 單工、半雙工和全雙工通信 ?。?） 單工通信。如圖2-4(a)所示，單工通信指數(shù)據(jù)

11、總是沿一個固定方向傳送，如從終端發(fā)數(shù)據(jù)給計算機，而不接收從計算機發(fā)來的信息。為了正確發(fā)送數(shù)據(jù)，在接收端收到信息后， 要發(fā)回應答信息通知發(fā)送端，由發(fā)送端根據(jù)應答信息判斷所發(fā)送數(shù)據(jù)是正確接收還是出錯并再做處理。應答信息總是沿與數(shù)據(jù)傳送方向相反的方向傳送。故單工通信所指方向是數(shù)據(jù)傳送方向。,圖2-4 單工、半雙工、 全雙工通信(a) 單工通信； (b) 半雙工通信； (c) 全雙工通信,（2） 半雙工通信。如圖2-4(b)所示，半雙工通信

12、是指數(shù)據(jù)可沿兩個方向傳送，但同一時刻只能沿一個方向傳送。當需要反向傳送數(shù)據(jù)時，需要變換傳輸信道。 　?。?） 全雙工通信。如圖2-4(c)所示，全雙工通信是指數(shù)據(jù)能同時沿相反的兩個方向傳送。 一般實現(xiàn)方法是采用兩個單工信道完成全雙工通信，即四線制。也可采用頻率分割法， 將傳輸信道分成高頻和低頻兩條信道， 這時可采用二線制。,2） 異步傳輸與同步傳輸　　異步傳輸方式又稱起止式同步。它是以字符為單位傳輸數(shù)據(jù)，采用位形式的字符同步信號

13、，發(fā)送器和接收器任一方都不向對方提供時鐘同步信號。在數(shù)據(jù)可以傳送之前，異步傳輸?shù)陌l(fā)送器與接收器雙方不需要協(xié)調(diào)。發(fā)送器可以在任何時刻發(fā)送數(shù)據(jù)，而接收器必須隨時都處于準備接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)。計算機主機與輸入、輸出設備之間一般采用異步傳輸方式，如圖2-5（a）所示。 　　同步傳輸以數(shù)據(jù)幀為單位傳輸數(shù)據(jù)，可采用字符形式或位組合形式的幀同步信號。計算機網(wǎng)絡采用同步傳輸方式時， 常將時鐘同步信號置入數(shù)據(jù)信號幀中，以實現(xiàn)接收器與發(fā)送器的時鐘同步， 如

14、圖2-5（b）所示。,圖2-5 異步傳輸和同步傳輸,3） 串行傳輸與并行傳輸　　數(shù)據(jù)的傳輸分為串行傳輸與并行傳輸。 串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是一位一位在設備間進行傳輸，在發(fā)送站需將并行數(shù)據(jù)位流變成串行數(shù)據(jù)位流，然后發(fā)送到傳輸信道上，而在接收站又要將從傳輸信道接收到的數(shù)據(jù)位流變換成并行數(shù)據(jù)位流。在并行傳輸時，多個位在設備間是同時傳輸?shù)摹?　　串行傳輸?shù)乃俣缺炔⑿袀鬏斠枚?，但費用低，通常傳輸距離較遠的數(shù)字通信系統(tǒng)多采用串行傳輸。而并行傳輸

15、的速度高， 但設備費用也高， 適用于近距離傳輸。,4）多路復用技術 　　在同一條通信線路上，實現(xiàn)同時傳送多路信號的技術叫做多路復用技術。常用的多路復用技術有時分多路復用、 頻分多路復用和波分多路復用。 　　時分多路復用(TDM)是在傳輸時把時間分成小的時間片，每一時間片由復用的一路信號占用，各路信號在微觀上是串行傳送的，在宏觀上是并行傳送的。它廣泛應用于數(shù)字通信中， 計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)也使用TDM技術。,頻分多路復用(FDM)是將

16、多路信號分別調(diào)制到互不交疊的頻段來進行傳輸，各路信號在微觀上是并行傳送的。FDM的缺點是各路信號之間易互相干擾，它多用于模擬通信中。 　　波分多路復用(WDM)是在光纖信道上使用的頻分多路復用的一個變種，它是在光波頻率范圍內(nèi)，把不同波長的光波，按一定間隔排列在一根光纖中傳送，即將光纖可工作的有效波長劃分為多個波段，通過棱柱或光柵將不同的波段合成到一根共享光纖上。 WDM用于光纖通信中。,5） 基帶、頻帶和寬帶傳輸 　　原始電

17、信號所占用的頻率范圍叫基本頻率(簡稱基帶)，這種原始電信號稱為基帶信號?；鶐鬏斁褪菍⒒鶐盘栔苯铀偷骄€路上進行傳輸?shù)膫鬏敺绞?。?shù)字信號的基本頻帶為從0到若干兆赫?；鶐鬏斚到y(tǒng)無需使用調(diào)制解調(diào)器，設備費用低， 適用于短距離的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中。 　　頻帶傳輸是指將基帶信號進行調(diào)制后形成的模擬信號送到線路上進行傳輸?shù)膫鬏敺绞健ｎl帶傳輸在發(fā)送端和接收端都要設置調(diào)制解調(diào)器。頻帶傳輸適合于長距離的數(shù)據(jù)傳輸，而且能夠實現(xiàn)多路復用。,2.1.5 現(xiàn)

18、場總線,1．現(xiàn)場總線的產(chǎn)生　　現(xiàn)場總線是綜合運用微處理器技術、網(wǎng)絡技術、通信技術和自動控制技術的產(chǎn)物。它把微處理器置入現(xiàn)場自控設備， 使設備具有數(shù)字計算和數(shù)字通信能力，這一方面提高了信號的測量、 控制和傳輸精度，同時為豐富控制信息的內(nèi)容、實現(xiàn)其遠程傳送創(chuàng)造了條件。在現(xiàn)場總線的環(huán)境下，借助現(xiàn)場總線網(wǎng)段以及與之有通信連接的其他網(wǎng)段，實現(xiàn)異地遠程自動控制， 如操作遠在數(shù)十萬米之外的電氣開關等?，F(xiàn)場總線設備與傳統(tǒng)自控設備相比，拓寬了信息內(nèi)

19、容，提供了傳統(tǒng)儀表所不能提供的如閥門開關動作次數(shù)、故障診斷等信息，便于操作管理人員更好、更深入地了解生產(chǎn)現(xiàn)場和自控設備的運行狀態(tài),圖2-6 集中控制、 集散控制和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的結構示意圖(a) 集中控制； (b) 集散控制； (c) 現(xiàn)場總線控制,2．現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的實現(xiàn)　　現(xiàn)場總線的基礎是數(shù)字通信，通信就必須有協(xié)議，現(xiàn)場總線的協(xié)議是參照國際標準化組織(ISO)的開放系統(tǒng)互連(OSI)協(xié)議。OSI協(xié)議是為計算機互聯(lián)網(wǎng)而制定的七

20、層參考模型，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，它對任何網(wǎng)絡都是適用的，只要網(wǎng)絡中所要處理的要素是通過共同的路徑進行通信的。目前，各個公司生產(chǎn)的現(xiàn)場總線產(chǎn)品沒有一個統(tǒng)一的協(xié)議標準，但是各公司在制定自己的通信協(xié)議時，都參考了OSI七層協(xié)議標準，且大都采用了其中的第1層、第2層和第7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層，同時考慮現(xiàn)場裝置的控制功能和具體運用增設了第8層即用戶層。,1） 物理層　　物理層定義了信號的編

21、碼與傳送方式、傳送介質(zhì)、接口的電氣及機械特性、信號傳輸速率等?，F(xiàn)場總線有兩種編碼方式： 曼徹斯特編碼（Manchester）和不歸零編碼（NRZ），前者同步性好， 但頻帶利用率低， 后者則剛好相反。Manchester編碼采用基帶傳輸，而NRZ編碼采用頻帶傳輸。其調(diào)制方式主要有CPFSK和COFSK?，F(xiàn)場總線傳輸介質(zhì)主要有有線電纜、光纖和無線介質(zhì)。,2） 數(shù)據(jù)鏈路層　　關于MAC層， 目前有以下三種協(xié)議： 　?。?） 集中式輪詢

22、協(xié)議。其基本原理是網(wǎng)絡中有主站， 主站周期性地輪詢各個節(jié)點，被輪詢的節(jié)點允許與其他節(jié)點通信。 　　（2） 令牌總線協(xié)議。這是一種多主站協(xié)議，主站之間以令牌傳送協(xié)議進行工作，持有令牌的站可以輪詢其他站。 　?。?） 總線仲裁協(xié)議。 其機理類似于多機系統(tǒng)中并行總線的管理機制。,3） 應用層　　應用層可以分為兩個子層。上面子層是應用服務層(FMS層)，它為用戶提供服務；下面子層是現(xiàn)場總線存取層(FAS層)，它實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的連接。

23、 　　應用層的功能是進行現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的傳送及現(xiàn)場總線變量的訪問。它為用戶應用提供接口，定義了如何應用讀、寫、 中斷和操作信息及命令，同時定義了信息、句法(包括請求、執(zhí)行及響應信息)的格式和內(nèi)容。應用層的管理功能在初始化期間初始化網(wǎng)絡，指定標記和地址。同時按計劃配置應用層， 也對網(wǎng)絡進行控制，統(tǒng)計失敗和檢測新加入或退出網(wǎng)絡的裝置。,4） 用戶層 　　用戶層是現(xiàn)場總線標準在OSI模型之外新增加的一層，是使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)開放與可

24、互操作性的關鍵。 　　用戶層定義了從現(xiàn)場裝置中讀、寫信息和向網(wǎng)絡中其他裝置分派信息的方法，即規(guī)定了供用戶組態(tài)構成系統(tǒng)的標準“功能模塊”。事實上，各廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品實現(xiàn)功能塊的程序可能完全不同，但對功能塊特性描述、參數(shù)設定及相互連接的方法是公開統(tǒng)一的。信息在功能塊內(nèi)經(jīng)過處理后輸出，用戶對功能塊的工作就是選擇“設定特征”及“設定參數(shù)”，并將其連接起來。 功能塊除了輸入/輸出信號外，還輸出表征該信號狀態(tài)的信號。,3． 幾種流行的現(xiàn)場總線

25、　　1) CAN(控制器局域網(wǎng)絡) CAN屬于總線型串行通信網(wǎng)絡，最早用于汽車內(nèi)部檢測部件與執(zhí)行部件間的數(shù)據(jù)通信。由于本身的特點，其應用范圍已不再局限于汽車工業(yè)，而向過程控制、機械工業(yè)、紡織機械、 機器人、 數(shù)控機床、醫(yī)療器械、智能建筑等領域發(fā)展。CAN已成為國際標準化組織ISO 11898標準。,2) LONWORKS(局域操作網(wǎng)絡)　　LONWORKS由美國Echelon公司研制，其核心是Neuron(神經(jīng)元)芯片，內(nèi)

26、含3個8位的CPU。第一個CPU為介質(zhì)訪問控制處理器，實現(xiàn)Lon Tank協(xié)議的第1層和第2層；第2個CPU為網(wǎng)絡處理器，實現(xiàn)Lon Tank協(xié)議的第3層至第6層；第3個CPU為應用處理器， 實現(xiàn)Lon Tank協(xié)議的第7層，執(zhí)行用戶編寫的代碼及用戶代碼所調(diào)用的操作系統(tǒng)服務。,3) PROFIBUS(過程現(xiàn)場總線)　　PROFIBUS是德國標準，有幾種改進型，分別用于不同的場合。如PROFIBUS-PA用于過程自動化，通過總線供電，

27、提供本質(zhì)安全型，可用于危險防爆區(qū)域；PROFIBUS-FMS用于一般自動化；PROFIBUS-DP用于加工自動化，適用于分散的外圍設備。 　　4) HART(可尋址遠程傳感器數(shù)據(jù)通路) HART由美國Rosemount公司研制，HART協(xié)議參照ISO／OSI模型的第1、2、7層，即物理層、 數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。,5) FF（基金會現(xiàn)場總線）　　現(xiàn)場總線基金會(FF)是國際公認的惟一不附屬于某企業(yè)的公正非商業(yè)化的國際標準化

28、組織，其宗旨是制定統(tǒng)一的現(xiàn)場總線國際標準，無專利許可要求，可供任何人使用。FF現(xiàn)場總線標準共有4層協(xié)議，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層和用戶層。,,2.2 檢測信號的數(shù)據(jù)采集,2.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成單元　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)簡稱DAS，其種類很多，但其基本構成是相似的。圖2-7所示為一個典型的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。由圖可見，計算機通過標準接口與本身的外部設備連接，如打印機、顯示器等。 再通過測控接口與模擬或數(shù)字輸入通道、模擬或數(shù)字控制通

29、道、 智能儀器儀表等連接起來。因此，一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實際上是一個計算機應用系統(tǒng)，它由軟件和硬件兩大部分組成。其中， 硬件結構主要有傳感器、多路開關及采樣/保持器（S/H）、 濾波器和放大器（IA）、A／D轉換器、計算機及接口電路等。,圖2-7 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成,2.2.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式　　1. 集中采集式  集中采集式又有兩種結構形式：同步型和分時型。 　?。?） 多通道同步型。如圖2-8(a)所示，每個通道都

30、有自己的S／H，并可受同一觸發(fā)信號控制，這樣可以做到在同一時刻內(nèi)將采集信號暫存在各自的保持電容上，以后由計算機指令逐一進行A／D轉換。 這種結構可允許對各通道之間的相互關系(如互相關、互功率譜等)進行分析。,圖2-8 集中采集式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式(a) 多通道同步型； (b) 多通道分時型,2. 分散采集式(分布式)　　分布式如圖2-9(a)所示，無切換開關，這種結構形式通常用于高速系統(tǒng)，允許通道同時進行轉換。它是多個

31、單通道DAS的組合，可以對各通道數(shù)據(jù)描述同時實時給出，具有靈活性強、 高速、高精度的特點。,圖2-9 分布式多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結構形式(a) 分布式單機結構； (b) 網(wǎng)絡式結構,2.2.3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主要構件　　1、多路開關　 1）CD4051：CD4051是一個雙向8通道多路開關，它有3個二進制控制輸入端A、B、C和一個禁止輸入端，并由3位二進制信號來選擇8個通道中的一個通道。當　　為“1”時，通道斷開，禁止模擬量輸

32、入；當　　為“0"，通道接通，允許模擬量輸入。其工作原理如圖2－10所示。,圖2—10 CD4051原理圖,圖中，邏輯電平轉換單元完成CMOS到TTL的電平轉換，因此這種多路開關輸入電平范圍廣，數(shù)字量輸入為3～15 V，模擬量可達15 V。 二進制譯碼器用來對選擇輸入端A、B、C的狀態(tài)進行譯碼，并控制開關電路TG，使某一路開關接通，從而使輸入/輸出通道相連。,2） CD4052　　CD4052為雙向4通道多路開關，其工作

33、原理與CD4051相似， 兩者不同之處在于CD4052只有兩個通道選擇輸入端A、B，這樣可以選擇4種狀態(tài)。譯碼器譯出的每一種狀態(tài)同時控制X、Y兩個開關。因此，這種開關適宜做差動信號輸入的多路開關。 CD4052的工作原理如圖2-11所示。,圖2-11 CD4052原理圖,3） CD4053　　CD4053為三重兩通道多路開關，其原理與CD4052基本相同。不同的是它可以一次接通3個通道，此外它有3個二選一譯碼器， 其工作原理如圖2-

34、12所示。,圖2-12 CD4053原理圖,表2-2 CD4051／CD4052／CD4053的真值表,2． 采樣／保持器　　采樣／保持電路是為了保證在A／D轉換過程中，使模擬信號以較高的精度轉換為數(shù)字信號。由于模擬信號向數(shù)字信號進行轉換需要一定的時間，因此在這段時間里，必須保持采樣點的數(shù)值不變，才能保證轉換的精度， 這就是采樣／保持器的意義所在。 　　采樣／保持器有兩種工作方式：一種是采樣方式；另一種是保持方式。這兩種方式由方

35、式控制端來選擇。在采樣方式中， 采樣／保持器的輸出跟隨模擬輸入電壓；在保持方式中，采樣／保持器的輸出將保持采樣命令發(fā)出時刻的輸入值，直到保持命令撤消(即轉到采樣命令)時為止。 圖2-13所示為采樣／保持過程的示意圖。,圖2-13 采樣/保持器的工作方式(a) 工作方式； (b) 采樣/保持器,1) AD582　　AD582是由高性能運算放大器、低泄漏電阻的模擬開關及一個由結型場效應管組成的輸入放大器等三部分組成。 AD582的

36、引腳及結構原理如圖2-14所示。,圖2—14 AD582的引腳及原理圖,AD582的各引腳功能如下：　+IN、－IN：采樣／保持器模擬輸人信號端。接+IN時，輸出與輸入同相；接－IN時，輸出與輸入反相?！ULL：調(diào)零端。使用時要求外接一個電位器，以調(diào)整第一級差動運算放大器的工作電流?！H：外接保持電容。由用戶選用。　　0UTPUT：采樣／保持器輸出端。由于采樣／保持器的增益為1，所以輸出始終跟蹤輸入(注意相位的變化)。,L

37、ogic IN+、Logic IN－：邏輯控制差動輸入端。Logic IN+相對于Logic IN－的電壓為－6 V～+0.8 V時，AD582處于采樣工作方式；Logic IN+偏置為+2 V～+Vs－3 V之間時，AD582處于保持工作方式?！?Vs、－Vs：電源端。分別為+15 V和－15 V。　　NC：空腳。,AD582的使用特點如下： 　　（1） 采樣時間比較短， 最短可達6 μs。 該時間與所選擇的保持電容的大小有關

38、。 　?。?） 保持電容器C充電電流與保持時的電容漏電流之間的比值可達107。該比值越大，表明保持電壓下降速率越低。 　?。?） 輸入信號電平可達電源電壓±VS， 可適用于12位的A／D轉換器。 　?。?） 使用時要把模擬地與數(shù)字地相互隔開， 以提高抗干擾能力。 　?。?） 可與任何獨立的運算放大器連接， 以控制增益或頻率響應， 并提供反相信號。,2) LF198/LF298/LF398 LF198

39、／LF298／LF398是一種具有采樣速度高、保持電壓下降速率慢及精度高的單片集成采樣／保持器，采用雙極型—結型場效應管工藝。 當邏輯控制信號為高電平時，處于跟隨狀態(tài)；為低電平時處于保持狀態(tài)。 LF198／LF298／LF398的電路結構完全相同，只是某些電氣參數(shù)稍有不同，其結構原理如圖2-15所示。LF198系列采用兩種封裝方式，一種是雙列直插式封裝（見圖2-16(a)），另一種是8腳金屬管殼封裝（見圖2-16(b)）。,圖2-15

40、 LF198/LF298/LF398結構原理圖,圖2-16 LF198/LF298/LF398管腳圖,LF398使用的極限參數(shù)如下：① 電源電壓為±18 V； ② 功率耗散(封裝限制)為500 mW； ③ 工作環(huán)境溫度范圍： LF198／LF198A為－55～+125℃， 　　　　　　　　　　　LF298為－25～+85℃， 　　　　　　　　　　　LF398為0～+150℃； ④ 存儲溫度范圍為－65～+1

41、50℃； ⑤ 輸入電壓為電源電壓； ⑥ 邏輯到邏輯基準的差動電壓為+7 V， －30 V； ⑦ 輸出短路持續(xù)時間不確定； ⑧ 保持電容器短路持續(xù)時間為10 s； ⑨ 引線溫度(焊錫，10 s)為300℃。,圖2-17所示是LF398作為采樣／保持器應用的典型電路。 管腳2是調(diào)零端。將1 kΩ電位器的一個固定端接VCC，另一個固定端通過電阻接地，可調(diào)端接管腳2。固定電阻以其流過0.6 mA為宜選取阻值。不需要直流調(diào)零時

42、，管腳2懸空。,圖2-17 LF398應用典型電路,3. 模/數(shù)（A／D）轉換器　　A／D轉換器是一種將模擬量轉換成數(shù)字量的器件，通常也稱為ADC。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，傳感器的輸出大部分為模擬信號(電壓、電流)，而計算機只能接收數(shù)字量。為此，需要在傳感器與計算機之間進行模／數(shù)轉換，以便將模擬電壓信號轉換成計算機能識別的二進制數(shù)字信號。因此A／D轉換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，它直接關系到測量的準確度、分辨力和轉換速度。,A／D轉換器的

43、類型較多。按其轉換輸出數(shù)據(jù)的方式，可分為并行和串行兩種，其中并行又分為8位、10位、14位和16位等；按其轉換原理可分為逐次逼近式和雙積分式等。 　　并行與串行ADC各有其優(yōu)勢。并行ADC占用較多的數(shù)據(jù)線， 具有輸出速度快的優(yōu)點，在轉換位數(shù)較少時具有很高的性價比。 串行ADC占用的數(shù)據(jù)線少，轉換速度慢，但它也有自身的優(yōu)點： 一是便于信號隔離，只需少數(shù)幾路光電隔離器件就可以實現(xiàn)電氣隔離，在轉換位數(shù)較多的情況下具有較高的性價比；二是其芯

44、片小、引腳少，便于線路板的制作。,A／D轉換器的主要技術特性如下： (1) 分辨力與分辨率。A／D轉換器的分辨率習慣上以輸出二進制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。分辨力為1 LSB (最低有效位數(shù))。 12位A／D轉換器AD574的分辨率為12位，用百分數(shù)表示為,·5G14433雙積分式A／D轉換器的分辨率為3位半。它的滿度字位為1 999，其百分數(shù)表示的分辨率為,A／D轉換器的分辨力(1 LSB)對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總分辨

45、力起著決定性作用。 　 (2) 量化誤差e 在理論上≤±1/2LSB。,(3) 轉換時間。完成一次A／D轉換的時間TC為A／D轉換時間，在這段時間里輸入A／D的模擬電壓數(shù)值應穩(wěn)定不變， 否則就會造成A／D轉換的誤差。通常轉換時間TC比采樣/保持器的孔徑時間TAP大，更比孔徑抖動TAJ大得多，因此若不加采樣保持器，在保證轉換誤差不大于量化誤差e的條件下，A／D轉換器直接轉換輸入信號Vx(t)的最高頻率是很低的，公式(2-

46、2)是轉換時間TC和轉換器的位數(shù)與可采集信號的最高頻率的關系：,（2-2）,例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100μs，fH≤6.3 Hz；12位ADC (AD574)，n=12，Tc=35μs，fH≤1.1 Hz；,例如：8位ADC (080X)，n=8，Tc=100μs，fH≤6.3 Hz；12位ADC (AD574)，n=12，Tc=35μs，fH≤1.1 Hz；　為了對更高頻率的輸入信號進行模一數(shù)轉換，在A／D轉

47、換器前都要加采樣保持器。　(4) 轉換速率是轉換時間Tc的倒數(shù)，如Tc=20 ns，即轉換速率為50MSPS，就是說每秒完成50×100次A／D轉換?！?5) 其他參數(shù)如對電源電壓變化的抑制比(PSRR)、零點和增益溫度系數(shù)、輸入電阻等。　　A／D轉換器除了以上主要技術特性外，作為一個測量系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)，它也有測量環(huán)節(jié)的基本特性(靜態(tài)特性、動態(tài)特性)相對應的技術指標，如零點、非線性誤差(線性度)、量程等，除廠家給出外，

48、用戶可以自行檢驗或標定。,4 .A／D轉換器芯片AD574A簡介　AD574A型快速12位逐次比較式A／D轉換器為美國模擬器件公司產(chǎn)品。一次轉換時間為25μs，轉換速率為40MSPS，分辨率12位，非線性誤差小于±1/2LSB。采用28腳雙立直插式封裝，各引腳功能如圖2-18所示，圖2-19是其管腳圖。,圖2-18 AD574的內(nèi)部結構示意圖,圖2-19 AD574A引腳功能,1) 工作電源與地UL（1腳）——+5 V

49、； VCC(7腳)—— +15 V／+12 V； VEE(11腳)—— －15 V／－12 V； AG(9腳)——模擬公共端； DG(15腳)——數(shù)字公共端。,2) 模擬信號輸入引腳  AD574A可提供四種模擬量量程范圍的輸入：單極性0～+10 V，0～+20 V；雙極性－5～+5 V，－10～+10 V。 　　(1) 單極性輸入： BIPOFF(12腳)——經(jīng)100 Ω電阻接地。 10

50、VIN(13腳)——接量程0～+10 V輸入信號；  20 VIN(14腳)——接量程0～+20 V輸入信號。 　　(2) 雙極性輸入： BIPOFF(12腳)——經(jīng)100 Ω可調(diào)電阻接8腳。 10 VIN(13腳)——接量程－5～+5 V輸入信號；  　20 VIN(14腳)——接量程－10～+10 V輸入信號。,3) 參考電壓源　　芯片內(nèi)參考電壓源可提供基準電壓值為+10.0 V±

51、;1％。  REFOUT(8腳)——片內(nèi)參考電壓源基準電壓輸出端；  REFIN(10腳)——基準電壓值輸入端。 　　說明： 使用片內(nèi)參考電壓源時， 8腳經(jīng)100 Ω可調(diào)電阻接10腳；使用外部參考電壓源時， 10腳接外部參考電壓源。,表2-3 AD574A邏輯控制真值表,7） 工作狀態(tài)指示STS(28腳)——轉換／完成狀態(tài)指示端　　STS=1時表示轉換器正處于轉換狀態(tài)，STS=0時表示A／D轉換完畢。該信號可供微處

52、理器作為中斷或查詢信號，用于轉換結果的讀取以及(經(jīng)反相器)直接作為采樣／保持器的控制信號。,2.2.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的電氣隔離 　　1. 光電耦合隔離　　1) 光電耦合器隔離的原理　　(1) 光電耦合器的輸入端為發(fā)光二極管，輸出端為光敏三極管，輸入端與輸出端之間是通過光傳遞信息的，而且又是在密封條件下進行的， 故不會受到外界光的影響。光電耦合器的結構如圖2-20所示。,圖2-20　光電耦合器的結構,(2) 光電耦合器的輸入阻

53、抗很低，一般為100～1000Ω， 而干擾源的內(nèi)阻一般很大，通常為105～106Ω，根據(jù)分壓原理可知，這時能饋送到光電耦合器輸入端的噪聲自然很小。 　　(3) 由于干擾噪聲源的內(nèi)阻一般很大，盡管它能提供較大幅度的干擾電壓，但能提供的能量很小，即只能形成微弱的電流。而光電耦合器輸入端的發(fā)光二極管，只有當流過的電流超過其閾值時才能發(fā)光，輸出端的光敏三極管只在一定光強下才能工作。因此即使是電壓幅值很高的干擾，由于沒有足夠的能量而不能使發(fā)光

54、二極管發(fā)光， 仍然會被抑制掉。 ,(4) 光電耦合器的輸入端與輸出端之間的寄生電容極小， 一般僅為0.5～2 pF，而絕緣電阻又非常大，通常為1011～1013Ω，因此輸出端的各種干擾噪聲很難反饋到輸入端。 　　由于光電耦合器件的以上優(yōu)點， 使得它在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛應用。,2) 光電耦合器隔離的應用 (1) 用于系統(tǒng)與外界的隔離。 　　在實際應用中，因為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的信號來源于工業(yè)現(xiàn)場，所以需把待采集的信號

55、系統(tǒng)隔離。其做法是在傳感器與數(shù)據(jù)采集電路之間加上一個光電耦合器，如圖2-21所示。,圖2-21 信號與系統(tǒng)的隔離,(2) 用于系統(tǒng)電路之間的隔離。這種方法是在兩個電路之間加入一個光電耦合器，如圖2-22所示。電路Ⅰ的信號向電路Ⅱ是靠光傳遞的，切斷了兩個電路之間電的聯(lián)系，使兩個電路之間的電位差UCM不能形成干擾。 　　電路Ⅰ的信號加到發(fā)光二極管上，使發(fā)光二極管發(fā)光， 它的光強正比于電路Ⅰ輸出的信號電流。這個光被光電三極管接收， 再產(chǎn)生正

56、比于光強的電流輸送到電路Ⅱ。由于光電耦合器的線性范圍比較小， 因此它主要用于傳輸數(shù)字信號。,圖2-22 電路的光電耦合隔離,2. 電磁耦合隔離 　　電磁耦合隔離是在傳感器與采集電路之間加入一個隔離放大器，利用隔離放大器的電磁耦合，將外界的模擬信號與系統(tǒng)進行隔離傳送。圖2-23所示為AD公司生產(chǎn)的隔離放大器AD202的內(nèi)部結構示意圖。AD202是一個典型的變壓器耦合二端隔離放大器，它采用調(diào)幅與解調(diào)技術將直流或交流信號通過變壓器耦合

57、到輸出級。其輸入級內(nèi)置一個獨立的運放作為信號預處理， 可進行緩沖、濾波等功能；輸出級對信號進行解調(diào)、濾波與放大。內(nèi)置的DC/DC變換器可以提供電源給輸入側的運放、調(diào)制器或其他電路。,圖2-23 AD202的內(nèi)部結構示意圖,另外，還有三點隔離的變壓器耦合隔離放大器，如BB公司的3656，可以實現(xiàn)輸入級和輸出級隔離，而且供電電源與放大器隔離，真正實現(xiàn)了信號和電源完全隔離。 　　隔離放大器在采集系統(tǒng)中的應用見圖2-24。由圖可見， 外界的

58、模擬信號由隔離放大器進行隔離放大，然后以高電平低阻抗的特性輸出至多路開關。為抑制市電頻率對系統(tǒng)的影響， 電源部分由變壓器隔離。另外，A/D轉換輸出采取光電隔離后送入計算機總線，以防止模擬通道的干擾饋入計算機；計算機總線的控制信號也經(jīng)光電隔離傳送至多路開關、采樣／保持和A／D轉換芯片。,圖2-24 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的隔離,3. 電容耦合隔離　　電容耦合隔離方法是比較先進的，采用了頻率調(diào)制技術， 通過對輸入電壓數(shù)字編碼和差動電容勢壘耦合，準

59、確地隔離和傳輸模擬信號。圖2-25所示為BB公司生產(chǎn)的電容耦合隔離放大器ISO122的內(nèi)部結構示意圖。該隔離放大器輸入和輸出之間通過2個1 pF的隔離電容進行信號耦合。在調(diào)制端，輸入放大器對輸入電流和一個可切換的電流源之間的差值進行積分。假設VIN為0 V，積分器將以單向的斜率上升直到超過比較器的閾值。內(nèi)部的壓控振蕩器使電流源以500 kHz的頻率切換， 輸出調(diào)制的數(shù)字電平以差動形式加在勢壘電容上，同時外加隔離電壓呈共模形式。輸出端的放

60、大器檢測出來的差動信號作為另一個電流源到積分器A2的切換控制，信號解調(diào)產(chǎn)生一個平均值等于VIN的VOUT，經(jīng)過低通濾波器濾掉余下的載波噪聲之后，就成為隔離放大器的輸出。,圖2-25 ISO122的內(nèi)部結構示意圖,2.2.5 ADμC8XX集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)　　1. ADμC8XX系列產(chǎn)品簡介　　美國AD公司是轉換器領域的領導者。該公司率先研制出了真正意義上的完整的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片(包括數(shù)據(jù)轉換電路、 微控制器、閃速／電擦除存儲器等

61、)——ADμC8XX。這種嶄新的微轉換器采用先進的混合信號處理的IC工藝，顯著地提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能并大幅度地減少了開發(fā)時間和成本。微轉換器系列產(chǎn)品的高性能和高精度轉換技術，能更靈活地對芯片進行編程， 能更方便地處理大量的數(shù)據(jù)采集問題，其低廉的價格更富有競爭力。ADμC8XX系列的典型產(chǎn)品有ADμC812、 ADμC816和ADμC824，可組成單片數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，廣泛應用于工業(yè)控制、家用電器、通信、自動化和軍事領域當中；由于其體積小

62、、功耗低，還可以用于智能傳感器、電池供電系統(tǒng)(如手提電腦、儀器、監(jiān)視器)等。,ADμC812是全集成的高性能的12位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它在單個芯片內(nèi)集成了高性能的自校準多通道ADC、兩個12位DΑC以及可編程的8位(與8051兼容)MCU。其片內(nèi)8 KB的閃速／電擦除(Flash／EE)程序存儲器、640字節(jié)的閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器以及256字節(jié)的數(shù)據(jù)SRAM均由可編程內(nèi)核控制。 　　另外，MCU具有看門狗定時器、電源監(jiān)視器和ADC DM

63、A的功能，為多處理器接口和I／O擴展提供了32條可編程的I／O線、 IZC兼容的SPI和標準UAR2、串行口I／O等。MCU內(nèi)核和模擬轉換器均有正常、空閑和掉電這三種工作模式，有適合于低功率應用的靈活的電源管理方案。在工業(yè)溫度范圍內(nèi)，有3 V和5 V兩種規(guī)格電壓工作器件可供選擇。它有52條引腳，用扁平塑料四方形封裝。,ADμC8１6與ADμC8１2類似。它在單個芯片內(nèi)包含了高精度的雙通道16位Σ-ΔADC溫度傳感器、PGA與89C52M

64、CU兼容的內(nèi)核、閃速存儲RAM以及定時器/計數(shù)器，具有26條可編程的I/O線和12個中斷源(2個優(yōu)先級)。其芯片內(nèi)集成了8 KB的閃速/電擦除程序存儲器、640 B的閃速/電擦除數(shù)據(jù)存儲器和256 B的RAM，而且包括UART、SPI和與I2C兼容的串行接口、多個數(shù)字I/O、看門狗定時器(WDT)、12位電壓輸出DAC、電壓監(jiān)視器(PSM)，以及定時器／計數(shù)器(TIC)等外圍設備。這種集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應用于稱重、便攜式電子儀器及壓力

65、測量等系統(tǒng)中。ADμC824是一款非常靈活的器件， 它集雙路Σ-ΔADC、 溫度傳感器、增益可程控的放大器(PGA)、8位MCU、Flash Memory、 RAM以及定時器／計數(shù)器于一身，并且可以直接接收來自傳感器的微弱信號。,ADμC824利用一個32 kHz晶振驅動片內(nèi)PLL來產(chǎn)生內(nèi)部所需的工作頻率。其輸出數(shù)據(jù)速率隨MCU內(nèi)核工作頻率而變化， 輸出分辨率隨程控增益和輸出數(shù)據(jù)速率的變化而變化。微控制器內(nèi)核與8051指令集兼容。片內(nèi)外

66、圍設備包括一個與SPI和VC兼容的串行端口、多路數(shù)字輸入／輸出端口、看門狗定時器、 電源監(jiān)視器以及時間間隔計數(shù)器。片內(nèi)提供了8 KB閃速／電擦除程序存儲器、640 B閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器和256 B RAM,2. ADμC812的特點　　(1) 模擬I／O： 　8通道，高精度12位AIX；  　片內(nèi)參考溫度系數(shù)40 ppm/℃(ppm=10-6)電壓基準；高速200 kHz；  高速ADC至RAM的DMA控制

67、器；  兩個12位電壓輸出DAC； 　 片內(nèi)溫度傳感器功能。,(2) 存儲器： 　8 KB片內(nèi)閃速／電擦除程序存儲器；  　640 B片內(nèi)閃速／電擦除數(shù)據(jù)存儲器；  　片內(nèi)電荷泵(不需要外部UPP)；  　256 B片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM；  　16 MB外部數(shù)據(jù)地址空間；  64 KB外部程序地址空間。 (3) 與8051兼容的內(nèi)核： 額定工作頻率12 MHz (最大1

68、6 MHz)；  3個16位定時器／計數(shù)器；  32條可編程的I／O線；  高電流驅動能力——端口3；  9個中斷源， 兩個優(yōu)先級。,(4) 電源： 　以3 V或5 V電壓工作；  　正常、 空閑和掉電模式。 （5）片內(nèi)外圍設備： 　 URAT串行I／O；  　 兩線(與I2C兼容)和SPI串行I／O；  　 看門狗定時器；  　　電源監(jiān)視器。,3. ADμC