现代检测技术与系统胡向东电子课件第11章节.ppt

尚辅网 / 第11章　检测系统设计 学习导航 知识单元与知识点 检测系统的组成（数据采集系统、输入输出通道、检测系统的软件）； 检测系统的基本设计方法（系统需求分析、系统总体设计、采样速率的确定、标度变换、硬件设计、软件设计、系统的集成与维护）。 能力点 了解检测系统的组成； 把握检测系统的基本设计方法； 会分析典型的检测系统。 重难点 重点：检测系统的基本设计方法。 难点：A/D转换器的选择、标度变换。 学习要求 了解检测系统的组成； 掌握检测系统的基本设计方法（包括传感器的选型、微处理器及A/D转换器的选择、采样速率的确定、标度变换的方法）； 会设计简易的检测系统。 检测系统是集成了传感器、计算机、总线等技术，具有实现信号检测、传输、处理、显示与记录等功能，能够完成复杂的、多变量检测任务的信息采集处理系统 现代检测系统一般具有自动化、智能化、网络化、综合化等特征 现代检测系统的各项检测任务大多是在计算机控制下自动完成的，检测系统通常具有测试速度快、测试准确度高、测试功能多、测试结果表现形式丰富，能够实现自检、自校和自诊断，操作简单方便等特点 11.1 检测系统的组成 检测系统由硬件、软件两大部分组成。硬件主要包括传感器、数据采集系统、微处理器、输入输出接口等 数据采集系统的组成 前置放大器 前置放大器的主要作用是将传感器输出的微弱信号放大到系统所要求的电平 信号电平太低，如果直接进行滤波、采样保持和通道切换将会带来较大的误差，故必须先经前置放大器放大到较高的电平再作滤波、采样等处理，以提高系统的准确度和抗干扰能力 目前，已有许多高性能的专用前置放大器芯片出现，如 AD521、AD522等，它们比普通运算放大器性能优良、体积小、结构简单、成本低弱信号放大到系统所要求的电平。 采样/保持器 由于A/D转换需要一定的转换时间，在此期间输入信号电压如有变化，则会产生较大的误差，因此，在A/D转换器之前需接入采样／保持器。在通道切换前，使其处于采样状态，在切换后的A/D转换周期内使其处于保持状态，以保证在 A/D转换期间输入到 A/D的信号不变 采样／保持器由模拟开关、保持电容和控制电路等组成 A1和A2为同相跟随器，其输入阻抗和输出阻抗分别趋于无穷大和0。模拟开关S接通时，信号对保持电容迅速充电达到输入电压Vi的幅值，充电电压Vc同时对Vi进行跟踪（采样阶段） 模拟开关断开时，理想状态下电容器上的电压Vc保持不变，并通过A2送到A/D进行模数转换，保证在转换期间输入电压稳定不变（保持阶段） 多路开关 多路开关是数据采集系统的主要部件之一，其作用是切换各路输入信号，完成由多路输入到一路输出的转换 多路开关的技术指标要求导通电阻越小越好（小于100欧），断开电阻越大越好（109欧）；对其导通或断开的切换时间要求与被传输信号的变化速率相适应，一般在1us左右；各输入通道之间要有良好的隔离，防止互相串扰 多路开关的分类 机械触点式和半导体集成式（电子式） 机械触点式（常用舌簧继电器）：结构简单、导通阻抗小、断开阻抗高、工作寿命长，但切换速度慢，适合大电流、高电压、低速高精度数据采集 半导体集成式：体积小、寿命长、切换速度快、耗电小、易控制，但导通电阻大，输入电压电流容量有限，适用于小电流、低电压、高速切换场合 单向和双向 单向：信号按一个方向流动，做多路开关或反多路开关 双向：信号可两个方向流动，可同时做多路开关和反多路开关 按模拟输入通道可分为4路、8路、16路等。 多路开关的选用 在模拟信号电平较低时，应选用低电压型多路开关，并注意在电路中采用严格的抗干扰措施。 在数据采集速率高、切换路数多的情况下，宜选用集成多路开关，并尽量选用单片多路开关，以保证各路通道参数一致。 在信号变化慢且要求传输精度高的场合，如利用铂电阻测量缓变温度场，可选用机械触点式开关。 在进行高精度采样系统设计时，应特别注意多路开关的传输精度，特别是开关漂移特性。 数据采集系统的结构形式 采用分时转换，各路被测信号共用一个采样/保持器和一个A/D转换器 在某一时刻，多路开关只能选择一路输入信号，把它接入采样/保持器的输入端。采样完成后A/D转换器开始转换。在转换期间，多路开关将下一路信号接到采样/保持器的输入端。系统这样不断重复操作，实现对多路信号的数据采集。 基本型结构形式简单，适用于信号变化速率不高、对采样信号不要求同步的场合。 基本型 数据采集系统的结构形式 每一路通道都有一个采样/保持器，可以在同一个指令控制下对各路信号同时进行采样，得到各路信号在同一时刻的瞬时值。 多路开关分时地将各路采样/保持器接到A/D转换器上进行模数转换。这些同步采样的数据有助于描述各路信号的相位关系。 各路信号仍然串