[工学]测控技术与系统2_输入输出.ppt

测控技术与系统第二章 输入/输出通道技术 第二章 测控系统的输入/输出通道 本章内容： 模拟输入通道 模拟输出通道 开关量输入/输出通道 单元电路的级联设计 第一节 模拟输入通道 模拟输入通道是指被测量与微机之间的通道，它一般由以下部分组成： 一、输入通道的分类 集中采集式之分时采集结构： 集中采集式之多路同步采集结构： 分散式采集结构 二、传感器的选用 传感器是信号输入通道的第一道环节，也是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传感器——系统对传感器的技术要求；其次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。 对传感器的主要技术要求 输出为电量； 符合整机对传感器精度（通常为系统精度的十倍）和速度的要求； 满足被测介质和使用环境的要求（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）； 满足可靠性和可维护性的要求。 传感器的选用将影响输入通道的具体组成。 下面是传感器输出为模拟量时的输入通道。 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，因此，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。 传感器输出为频率量或开关量时的输入通道。 三、信号调理电路的参数设计和选择 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。 信号调理的内容： 小信号放大 滤波 零点校正 线性化 温度补偿 误差修正 量程切换 1. 前置放大器 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是什么？ 放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？ 前置放大器的放大倍数应该多大？ 放大器前置的原因1：使输入的小信号不被电路噪声所淹没。 总输出噪声折算到前置放大器输入端为： 放大器前置的原因2：防止滤波器的噪声被放大器放大。 信号调理通道中常用的放大器 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。 2. 滤波器 为隔离电路的零点漂移，通常用隔直电容的方法，如图所示。 滤波器截止频率fh和斜率S的确定 消除采样引起的信号失真的条件 被采样信号的最高频率必须为有限值 采样频率要大于被采样信号最高频率的两倍 采样引起的信号失真是由于被采样频谱中含有高于fs/2的频率分量，因此滤波器的目的是要滤除掉这部分频率分量，或限制这部分频率分量的幅值，使其很微弱。 滤波器截止频率fh和斜率S的确定 四、采集电路的参数设计和选择 采集电路的关键部分是A/D 转换器。 模拟多路开关（模拟多路选择器）和采样保持器S/H视具体测控问题决定是否需要。若被测信号恒定或变化缓慢，就不需要S/H. 如多路模拟信号共用一个A/D 转换器，且各模拟信号的幅值差异较大，就必须在信号进入A/D 转换器前设置程控增益放大器。 1. A/D转换器的选择 选择A/D转换器时需要考虑 A/D转换器的位数 A/D转换的速度 A/D转换器工作的环境（温度、功耗、可靠性） A/D转换的输出（串行、并行），与选用的计算机和系统的整体设计有关。 量化特性及量化误差 A/D转换器位数的确定 设：模拟输入的最大值：Vimax 模拟输入的最小值： Vimin 前置放大器的增益：kg m位A/D转换器的满量程：E 能转换的最小模拟量： 由前面两式可得： 也可以根据数据采集系统的误差要求来确定A/D转换器的位数，通常A/D转换器的精度应是系统的十倍左右。 A/D转换速度的确定 不同原理的A/D转换器的A/D转换时间是不一样的，积分型、电荷平衡型和跟踪比较型的A/D转换器较慢，逐次比较型较快。 A/D的时间由两部分组成，转换时间tc和恢复时间to，即： 设待转换的模拟信号的最高频率为： 2 采样保持器S/H的选择 1）采样/保持器S/H的参数 3. 采集电路的工作时序和最高允许频率 由前面电路可知，完成一个通道的转换所需时