智能儀器原理及應用

1、主講：陳北辰,智能儀器原理及應用,課程簡介,課程性質(zhì)：考試課課程安排：理論課（32學時） 獨立實驗課（12學時）考核方式：平時成績（20%）+期末考試成績（80%）考試內(nèi)容：以教材及課件中內(nèi)容為主，適當增加相關知識的考查。,第一章 概述,儀器儀表是信息獲取的手段、是認識世界的工具，是一個系統(tǒng)或裝置。它的最基本作用是延伸擴展補充或代替人的聽覺、視覺、觸覺等器官的功能。 智能儀器是微機

2、技術、電子技術與信息技術相結(jié)合的產(chǎn)物，隨著新技術、新器件應用領域的擴大，智能儀器已經(jīng)成為現(xiàn)代儀器儀表發(fā)展的主流。 智能儀器的特征是數(shù)字化、自動化、智能化。,甚高溫量熱計（SETARAM）,智能終端,激光測距儀,第一節(jié) 儀器儀表概述,按儀器測量物理量不同可劃分為如下八種計量儀器： (1) 幾何量計量儀器 (2) 熱工量計量儀器 (3) 機械量計量儀器 (4) 時間頻率計量儀器 (5) 電磁計量儀器 (6) 無線電參數(shù)測

3、量儀器 (7) 光學與聲學參數(shù)測量儀器 (8) 電離輻射計量儀器,超聲波測距儀,紅外測溫儀,熱敏電阻、熱電偶,示波器,儀器儀表的發(fā)展過程,1、第一代儀器儀表（模擬式儀器儀表） 磁電式模擬儀器儀表 ：伏特表、安培表、功率表和測溫表等。 電子式模擬儀器 ：記錄儀、電子示波器、信號發(fā)生器等。2、第二代儀器儀表（數(shù)字式儀器儀表） 數(shù)字式儀器儀表 ：數(shù)字電壓表、數(shù)字電流表、數(shù)字頻率計和記憶示波器等。3、第三代儀器

4、儀表（智能儀器儀表） 內(nèi)含微處理器的第三代儀器儀表，智能儀器儀表。,三代萬用表比較,4、第四代儀器儀表（虛擬儀器儀表和網(wǎng)絡化儀器儀表）（1）虛擬儀器儀表 這一類儀器是以通過計算機為基礎，加上特定的硬件接口設備和為實現(xiàn)特定功能而編制的軟件而形成的一種新型儀器。（2）網(wǎng)絡化儀器儀表（隨著internet的出現(xiàn)形成的）,虛擬儀器儀表,網(wǎng)絡化儀表,第二節(jié) 智能儀器的分類、基本結(jié)構與特點,智能儀器的細致分類,（1

5、）聰敏儀器類是以電子、傳感、測量技術為基礎 （2）初級智能儀器除應用了電子、傳感、測量技術外，主要特點是應用了計算機及信號處理技術，更嚴格些講，應包括測量數(shù)學。 （3）模型化儀器是在初級智能儀器基礎上又應用了建模技術和方法，它是以建模的數(shù)學方法及系統(tǒng)辨識技術作為支持的。 （4）高級智能儀器是智能儀器的最高級類別。人工智能的應用是這類儀器的顯著特征。這類儀器可能是自主測量儀器(Autonomous Measuremen

6、t Machine)。,智能儀器的組成,微機內(nèi)嵌式,農(nóng)藥殘留毒素快速檢測儀,空氣現(xiàn)場甲醛、氨快速檢測儀,甲醛快速檢測儀,微機擴展式,普通臺式PCI,工控機PCI,筆記本PCI,智能儀器的主要特點,1．測量過程的軟件控制 簡化了硬件結(jié)構，縮小了體積及功耗，提高了可靠性，增加了靈活性，而且使儀器的自動化程度更高。這就是人們常說的“以軟件代硬件”的效果。 隨著微型計算機時鐘頻率的大幅度提高，與全硬件實時控制的差距越來越小。,

7、2．數(shù)據(jù)處理 主要體現(xiàn)在誤差剔除、精度補償、函數(shù)運算、對在線信號實時采集、存儲、顯示和分析、數(shù)值濾波、時域分析、頻域分析。在生物醫(yī)療、語音分析、模式識別和故障診斷等方面都有廣泛的應用。一臺智能儀器也是信號分析儀器。3．多功能化 智能儀器的測量過程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理功能一機多用的多功能化易于實現(xiàn)，從而多功能化成為這類儀器的又一特點。,智能化電能表,可測量有功功率和無功功率、視在功率、電能、頻率、各相電壓、電流、

8、功率因數(shù),智能流量計,體積流量、質(zhì)量流量、密度、打印輸出、歷史記錄、信號遠傳、參數(shù)設定、報警、本地控制,智能儀器的研制步驟,第三節(jié) 推動智能儀器發(fā)展的主要技術,一、傳感器技術 傳感器技術經(jīng)歷了聾啞傳感器(Dumb Sensor)、智能傳感器(Smart Sensor)、網(wǎng)絡化傳感器(Networked Sensor)的發(fā)展歷程。二、A/D等新器件的發(fā)展將顯著增強儀器的功能與測 量范圍 A/D器件不但在向高

9、速發(fā)展，還在向低功耗、高分辨率、高性能的方向發(fā)展。,單片機和DSP的廣泛應用,MCS-51系列單片機是單片機的主流機型，技術性能及開發(fā)手段都較成熟，并且在我國應用較普遍，因而MCS-51系列單片機在一般的智能儀器設計中得到了廣泛應用。 比較常見的單片機有以下幾種，其它廠家也推出了各自的產(chǎn)品。Intel系列內(nèi)核的單片機芯片8031、8032、80C31； 基于51內(nèi)核其他單片機 89C51 (ATMEL)、89C2051

10、 (ATMEL)、C8051FXXX (CYGNAL)；PIC系列單片機；ARM系列處理器等。,單片機的發(fā)展過程,1、機器周期所含振蕩器周期數(shù)的改變2、集成了大容量的片上Flash存儲器，集成密度高并實現(xiàn)了ISP(在系統(tǒng)燒錄程序)和IAP(在應用燒錄程序)。 3、采用了數(shù)字—模擬混合集成技術，將A/D、D/A、鎖相環(huán)以及USB、CAN總線接口等都集成到單片機中等技術的應用。,數(shù)字處理芯片DSP,在智能儀器的設計中經(jīng)常遇到下列計

11、算問題: a .數(shù)值濾波 b .快速傅立葉變換FFT c .相關 d .卷積分 e .數(shù)字音視頻信號轉(zhuǎn)換、存儲和處理典型產(chǎn)品: TI公司的TMS320（32位處理器）,嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)（SOC）,嵌入式系統(tǒng)則是指把微處理器、單片機(微控制器)、DSP芯片等作為“控制與處理部件”，嵌入到應用系統(tǒng)中。 SOC的核心思想就是要把整個應用電子系統(tǒng)(除無法集成的電路)全部集成在一個芯片中，避

12、免了大量PCB板的設計及板級調(diào)試工作； SOC是以功能IP (Intellectual Property)為基礎的系統(tǒng)固件和電路綜合技術。,ASIC、FPGA/CPLD技術的應用,ASIC（專用集成電路）Application Specific Integrated Circuits FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）Field Programmable Gates ArrayCPLD（復雜可編程邏輯器件）Co

13、mplex Programmable Logic Device,專用集成電路ASIC,概念：相對于使用專用芯片如CPU、存儲器、通訊接 口、邏輯門電路等去搭建特定系統(tǒng)來完成設計任務，采用專用芯片的思想是把待解決的具體問題設計到芯片級。根據(jù)任務的不同對硬件環(huán) 節(jié)進行取舍選擇。設計過程： 提出原理圖 制作晶元

14、 流片條件：要有較大批量；設計費用逐步降低。,LabView等圖形化軟件技術,概念：個人計算機+數(shù)據(jù)采集+軟件=虛擬儀器例如：可以把CRT當作儀表顯示窗口,可做示波器、臺式萬用表、心電圖儀、頻譜分析儀、掃描儀、邏輯分析儀等等。,網(wǎng)絡與通信技術,智能儀器要上網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)傳輸、遠程控制與故障診斷等；構建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)，將分散的各種不同測試設備掛接在網(wǎng)絡上，通過網(wǎng)絡實現(xiàn)資源、信息共享，協(xié)調(diào)工作，共同完成大型復雜系統(tǒng)的測試任務。

15、 構建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)需考慮以下幾個方面的問題： ① 系統(tǒng)要具有開放性和互操作性； ② 系統(tǒng)的實時性和時間的確定性； ③ 系統(tǒng)的成本盡可能低，通用性好； ④ 基本功能單元必須是智能化的，帶有本地微處理 器和存儲器，具有網(wǎng)絡化接口。,第一章 課后習題,1-4 簡述推動智能儀器發(fā)展的主要技術。1-6 智能儀器有哪幾種結(jié)構形式？對其作簡

16、要描述。1-8 為什么說嵌入式系統(tǒng)和片上系統(tǒng)（SOC）將智能儀器的設計提升到一個新階段？,第二章 數(shù)據(jù)采集技術,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)概念 簡稱DAS (Data Acquisition System)，是指將溫度、壓力、流量、位移等模擬量進行采集、量化轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后，以便由計算機進行存儲、處理、顯示或打印的裝置。,第一節(jié) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的組成結(jié)構,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工作方式通常分為兩種,多路模擬輸入通道的類型按

17、照系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集電路是各路共用一個還是每路各用一個分為兩種,集中采集式（集中式）,集中式多路模擬輸入通道的典型結(jié)構有分時采集型和同步采集型按采樣保持電路及A/D轉(zhuǎn)換電路是各路共用還是各路均有劃分,分時采集型模擬量輸入通道,多路信號共同使用一個S/H和A/D電路，簡化了電路結(jié)構，降低了成本。對信號的采集產(chǎn)生了時間偏斜誤差。對于多數(shù)中速和低速測試系統(tǒng)。,同步采集型模擬量輸入通道,各通道有各自的采樣保持器，可消除分時結(jié)構的時間偏斜誤差，

18、 能滿足同步采集的要求，又比較簡單。被測信號路數(shù)多的情況，同步采得的信號在保持器中有一些泄漏，使信號有所衰減，由于各路信號保持時間不同，致使各個保持信號的衰減量不同，不能獲得真正的同步輸入。,分散采集式（分布式）,分散采集式特點 每一路信號一般都有一個S／H和A／D，因而也不再需要模擬多路切換器MUX。 分散采集工作過程 每一個S／H和A／D只對本路模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換即數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或

19、隨機地輸入計算機。 分散式采集系統(tǒng)分類 根據(jù)系統(tǒng)中計算機控制結(jié)構的差異可以分為分布式單機采集系統(tǒng)和網(wǎng)絡式采集系統(tǒng)，如圖2-3a、b所示。,分布式單機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),工作過程 分布式單機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由單CPU單元實現(xiàn)無相差并行數(shù)據(jù)采集控制。特點 實時響應性好，能夠滿足中、小規(guī)模并行數(shù)據(jù)采集的要求。 在稍大規(guī)模的應用場合，對計算機系統(tǒng)的硬件要求較高。,網(wǎng)絡式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),由若干個“數(shù)據(jù)采集站”

20、和一臺上位機及通信線路成組。,第二節(jié) 模擬信號調(diào)理,信號調(diào)理概念： 在傳統(tǒng)的儀器中，信號調(diào)理的任務較復雜，除了實現(xiàn)物理信號向電信號的轉(zhuǎn)換、小信號的放大、濾波外，還有諸如零點校正、線性化處理、溫度補償、誤差修正和量程切換等，這些操作統(tǒng)稱為信號調(diào)理(Signal Conditioning)，相應的執(zhí)行電路統(tǒng)稱為信號調(diào)理電路。,典型的信號調(diào)理電路組成框圖如下圖所示,對傳感器的主要技術要求（選擇傳感器的依據(jù)）具有將被測量轉(zhuǎn)換為后續(xù)

21、電路可用電量的功能，轉(zhuǎn)換范圍與被測量實際變化范圍相一致。轉(zhuǎn)換精度符合整個測試系統(tǒng)根據(jù)總精度要求而分配給傳感器的精度指標(一般應優(yōu)于系統(tǒng)精度的10倍左右)，轉(zhuǎn)換速度應符合整機要求。能滿足被測介質(zhì)和使用環(huán)境的特殊要求，如耐高溫、耐高壓、防腐、抗振、防爆、抗電磁干擾、體積小、質(zhì)量輕和不耗電或耗電少等。能滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。,傳感器的選用,新型傳感器,大信號輸出傳感器 為了與A／D轉(zhuǎn)換的輸入要求相適應，把放大電

22、路與傳感器做成一體，使傳感器能直接輸出0-5V、0-10V或4-20mA的信號。,數(shù)字式傳感器,數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏感效應器件構成，數(shù)字量傳感器一般都是輸出頻率參量，具有測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優(yōu)點。,其他新型傳感器,集成傳感器,傳感器+信號調(diào)理電路,光纖傳感器,無電磁干擾，避免現(xiàn)場引入干擾,運用前置放大器的依據(jù),1、電路內(nèi)部的噪聲源存在 電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅度波動電壓，這就是電路的輸

23、出噪聲。把電路輸出端測得的噪聲有效值折算為該電路的等效輸入噪聲，即,如輸入信號的幅度VIS≤VIN，則有用信號會為電路等效噪聲所“淹沒”。所以需要在此電路前對VIS進行有效的放大，使VIS≥VIN，最好VIS>>VIN。,注：圖中前置放大器噪聲與后級電路噪聲不相關,圖中電路總輸出噪聲為：,總輸出噪聲折算到前置放大器輸入端，即總的等效輸入噪聲為,A 無前置放大器，輸入信號剛好被電路噪聲淹沒，則有VIS=VINB 加入前置放大

24、器，輸入信號VIS不再被電路噪聲所淹沒，即需 要VIS>VIN’，就必須使VIN’<VIN,即,解得,為使小信號不被電路噪聲所淹沒，在電路前端加入的電路必須是放大器，即K0>1，且必須是低噪聲的，即該放大器本身的等效輸入噪聲必須比其后級電路的等效輸入噪聲低。因此，調(diào)理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。,1、RC有源濾波器引入的噪聲 電阻元件是電路噪聲的主要根源，因此RC濾波器產(chǎn)生的電路噪聲比較大。,（a

25、）,（b）,由于 K＞1,所以， ，調(diào)理電路中放大器設置在濾波器前面有利于減少電路的等效輸入噪聲。,信號調(diào)理通道中的常用放大器,(一) 儀用放大器,儀用放大器上下對稱，即圖中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。則放大器閉環(huán)增益為：假設R4=R5，即第二級運算放大器增益為1，則可以推出儀用放大器閉環(huán)增益為：由上式可知，通過調(diào)節(jié)電阻RG，可以很方便地改變儀用放大器的閉環(huán)增益。當采用集成儀用放大器時，RG一般為外接電阻。

26、,實際設計儀用放大電路過程中，重點考慮以下主要性能指標： 1. 非線性度 2. 溫漂 3. 建立時間 4. 恢復時間 5. 電源引起的失調(diào) 6. 共模抑制比,(二) 程控增益放大器,反饋電阻網(wǎng)絡 : 通過改變反饋系數(shù),改變放大器閉環(huán)增益電阻網(wǎng)絡形式 : T、反T、權電阻…,放大器電路設計,（1）理想放大器,理想狀態(tài)下輸入阻抗

27、=∞輸出阻抗=0開環(huán)增益=∞ 無漂移 無失調(diào) 虛地,同相放大器,增益： A=Vo/Vi=1+Rf/R1特點： 輸入阻抗較高 放大器增益不小于1 輸入、輸出信號同極性,反向放大器,增益： A=Vo/Vi=-Rf/R1 V

28、a=Vb=0 I=Vi/R1 Vo=-I*Rf=-Rf*Vi/R1,特點： 輸入阻抗較低 放大器增益可小于1（可做衰減器） 輸入、輸出信號極性相反,差動放大器,增益： A=(V2-V1)*Rf/R1(R1= Rq’, Rf = Rf ’)特點： 對地懸浮輸入信號運算共模抑制能力強,儀用放大器,增益：A=(V2-V1)(1+2R1/Rw)*(Rf/R1),反向器,輸出：Vo=-Vi（R1=R2）,電壓跟隨

29、器,電壓跟隨器可用做有源阻抗變換,降低信號在輸入阻抗上的損失,作用：提高輸入阻抗,絕對值電路,對光電轉(zhuǎn)換類傳感器,經(jīng)常需要把有極性信號轉(zhuǎn)換成為無極性的單邊信號,輸入、出關系:Vo=|Vi|,運算放大器主要指標,失調(diào)電壓 輸入為0,輸出不為0 的最小值零點漂移 主要是溫漂, μv/℃共模抑制比 CMRR= 20log(Ad/Ac)db功率消耗 毫瓦帶寬

30、 上限頻率Hz非線性度 %開環(huán)增益 n(如100)輸入阻抗 MΩ,(1) 非線性度。非線性度是指放大器的實際輸出-輸入關系曲線與理想直線的偏差。在選擇儀用放大器時，一定要選擇非線性偏差盡量小的儀用放大器。 (2) 溫漂。溫漂是指儀用放大器的輸出電壓隨溫度變化而變化的程度。通常儀用放大器的輸出電壓會隨溫度的變化而發(fā)生(1-50)μV／℃變化，這與儀用放大

31、器的增益有關。例如，一個溫漂為2μV／℃的儀用放大器，當其增益為1000時，儀用放大器的輸出電壓產(chǎn)生約20mV的變化。這個數(shù)字相當于l2位A／D轉(zhuǎn)換器在滿量程為10V的8個LSB值。所以在選擇儀用放大器時，要根據(jù)所選A／D轉(zhuǎn)換器的絕對精度盡量選擇溫漂小的儀用放大器。 (3) 建立時間。建立時間是指從階躍信號驅(qū)動瞬間至儀用放大器輸出電壓達到并保持在給定誤差范圍內(nèi)所需的時間。,(4) 恢復時間。恢復時間是指放大器撤除驅(qū)動信號瞬間至放

32、大器由飽和狀態(tài)恢復到最終值所需的時間。顯然，放大器的建立時間和恢復時間直接影響數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率。 (5) 電源引起的失調(diào)。電源引起的失調(diào)是指電源電壓每變化1％，引起放大器的漂移電壓值。儀用放大器一般用作數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前置放大器，對于共電源系統(tǒng)，該指標則是設計系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的主要依據(jù)之一。 (6) 共模抑制比。放大器的差模電壓增益與共模電壓增益之比叫共模抑制比。 國產(chǎn)放大器的共模抑制比在60～120dB之間。,

33、運算放大器供電方法,雙電源對稱供電 ±5V~ ±15V,雙電源非對稱供電,單電源供電: V=5-30V,運算放大器種類和常用芯片,（1）放大器數(shù)量分: 單運放、 雙運放、 4運放 例如： μA741 LM358 LM324（2）按功能特點分: 普通運放如: Μa741、LM351、LM324 低飄

34、移運放：OP07、OP37、AD111 儀用放大器：AD620、AD623、INA111 斬波自穩(wěn)零運放：AD7650 音頻放大器：AD386、LM2822 視頻放大器：AD818 集成放大器：AD521,使用放大器需注意問題,（1） 供電制度（2） 輸出飽和問題（3） 泄放回路（4） 前級的

35、箝位保護（5） 測量放大器的參數(shù)對稱性及調(diào)整（6） 周邊電阻參數(shù)的選取(除比值外還考慮功耗)（7） 多級放大器的增益分配(高共模抑制者增益大)（8） 設計PCB板時注意屏蔽和設置去耦電容,實例,將0-200mV的電壓信號放大到0-5V 解:要求放大倍數(shù)為25倍,設計圖如下:,設計 1.250V 基準電壓源 題目說明:在儀表系統(tǒng)中常需要各種等級的電壓源,可利用放大器自行制備.見下圖:,量程自動轉(zhuǎn)換及零點遷移,1、程

36、控放大器(可變增益放大器) 用途: A. 寬范圍參數(shù)測量時自動換擋 B. 信號幅值低時不損失分辨率 方法: 將與增益有關的電阻支路設計成可選擇的電阻網(wǎng)絡(通常利用反饋電阻改變實現(xiàn)),串聯(lián)電阻網(wǎng)絡,增益線性變化,輸入電阻的R-2R T型電阻網(wǎng)絡,推導過程如下：∑If=(C3*2-1+C2*2-2+C1*2-3+C0*2-4)*Vi/R=[ C3 C2 C1 C0 ]*Vi / (R*24)式

37、中C3 C2 C1 C0 表示二進制數(shù)據(jù)排列又因為I=-V0/Rf 所以整理可得:增益A=V0/Vi=-(Rf)*[C3 C2 C1 C0 ]/(R*24)若Rf=R,最大衰減比為1:16若C3 C2 C1 C0 =0000,則放大器輸出為0,集成儀用放大器實例,BURR-BROWN 公司的INA111(高速FET輸入儀用放大器),性能:高速 Ts=4μs（G=100，0.01%）低失調(diào)電壓 500

38、 μv（max）低溫度漂移 5μv/ ℃高共模抑制比 106db（min）輸入電壓范圍 -0.7V -- +15V輸入電流 10pA輸入阻抗 1012Ω供電范圍 ±18V,內(nèi)部結(jié)構,典型應用方式,應用示例,輸入保護,前置濾波器用法（低通）,如果濾波電容C1、C2不匹配會導致共模信號轉(zhuǎn)化成差模信號，影響共模抑制比。反之會提高共模抑制能力。,前置濾波器用法（高通）,壓控電流源

39、,可編程增益放大器PGA103,性能參數(shù)： 增益范圍 1,10,100 低增益誤差 ±0.05%（max，G=10) 低溫漂 2μv/ ℃ 低靜態(tài)電流 2.6mA 低功耗 CMOS/TTL電平兼容(控制信號),增益變化真值表,典型應用,程控增益,增益擴展,高輸入范圍,程控可編程儀用放大器PGA202（203）,數(shù)字可編程增益控制 PGA202

40、 G= 1，10，100，1000 PGA203 G= 1，2，4，8快速 Ts=2µs（0.01%）低非線性誤差 0.012%（max）高共模抑制比 80dB（min）低功耗,內(nèi)部結(jié)構,濾波器,增益擴展,可變增益差動輸入/出放大器,零點遷移,問題的引出:用PN結(jié)進行

41、溫度測量。PN結(jié)的溫度-信號特性為 -2mV/℃,且 Vi(T=0)= 700mV。特性曲線如下:,分析:為什么要進行零點遷移 （1）如果要測量的溫度范圍為0-100℃,則由PN結(jié)特性可知信號范圍是:500mV-700mV.動態(tài)范圍是200mV。（2）這個信號幅度需要進行放大,但由于起點不是0,所以放大后的信號中有無效部分。（3）這樣的結(jié)果是:后續(xù)電路的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)中只有一小部分有意義,白白浪費了A/D轉(zhuǎn)換的分辨率。（4）降低

42、了測量的速率。（5）系統(tǒng)校零不方便。,用差動放大器電路來進行零點遷移,半導體點溫計AD590的設計,特性： 電流輸出型，輸出特性1µA/K 供電范圍 4V - 30V 正向耐壓 44V 反向耐壓 20V 測溫范圍 -55 - 150℃ 精度 ±0.3℃ 分為I，J，K，L，M五檔，M最好,使用AD590測量室溫,AD581 是高精度集成穩(wěn)壓器，

43、輸入電壓最大為40V，輸出10V。圖中最終使輸出對應1攝氏度1個毫伏。,溫差測量電路,零點遷移電路設計如下圖,可測量環(huán)境溫度,可作為熱電偶的冷端溫度補償,隔離放大器,隔離放大器主要用于要求共模抑制比高的模擬信號的傳輸過程中，例如輸入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號是微弱的模擬信號，而測試現(xiàn)場的干擾比較大，對信號的傳遞精度要求又高，這時可以考慮在模擬信號進入系統(tǒng)之前用隔離放大器進行隔離，以保證系統(tǒng)的可靠性。在有強電或強電磁干擾等環(huán)境中，為了防止電網(wǎng)電壓

44、等對測量回路的損壞，其信號輸入通道常采用隔離技術；在生物醫(yī)療儀器上，為防止漏電流、高電壓等對人體的意外傷害，也常采用隔離放大技術，以確?；颊甙踩淮送?，在許多其他場合也常需要采用隔離放大技術。能完成這種任務，具有這種功能的放大器稱為隔離放大器。,儀用放大器使用技巧,電源旁路、解耦和穩(wěn)定性問題,通常，旁路電容器（典型值為 0.1 μF）連接在 每個 IC 的電源引腳和地之間。盡管通常情況適合， 但是這在實際應用中可能無效或甚至產(chǎn)生比根本沒

45、 有旁路電容器更壞的瞬態(tài)電壓。 因此考慮電路中的 電流在何處產(chǎn)生，從何處返回和通過什么路徑返回 是很重要的問題。一旦確定，應當在地周圍和其它 信號路徑周圍旁路這些電流。,像運算放大器一樣，大多數(shù)單片儀表放 大器都有其以電源的一端或兩端為參考端的積分器 并且應當相對輸出參考端解耦。這意味著對于每顆 芯片在每個電源引腳與儀表放大器的參考端在 PCB 上的連接點之間應連接一個旁路電容器，如下圖 所示。,輸入接地返回的重要性,當使用儀表放大器

46、電路時出現(xiàn)的一個最常見的 應用問題是缺乏為儀表放大器的輸入偏置電流提供 一個 DC 返回路徑。這通常發(fā)生在當儀表放大器的 輸入是容性耦合時。下圖示出這樣一個電路。這 里，輸入偏置電流快速對電容器 C1 和 C2 充電直到 儀表放大器的輸出“極端”，達到電源電壓或地電位。,解決上述問題的方法是在每個輸入端和地之間 添加一個高阻值電阻器（R1，R2），如下圖所示。 輸入偏置電流現(xiàn)在可以自由流入地并且不會像以前那樣產(chǎn)生大輸入失調(diào)。,阻容元件匹

47、配,由于,R1 和R2 之間的任何不匹配都將引起輸入失調(diào)不平 衡（IB1－IB2），產(chǎn)生輸入失調(diào)電壓誤差。,規(guī)則是保持IBR < 10 mV,輸入保護,AD623、AD620系類等儀用放大器等內(nèi)部自帶有輸入電流保護電路，典型值為AD620系列為6mA，AD623為10mA。也可采用外接二極管進行保護。,但大多數(shù)普通二極管（肖特基二極管， 硅二極管等）都具有很高的泄漏電流，從而會在儀 表放大器的輸出端產(chǎn)生很大的失調(diào)誤差；這種漏電

48、流與溫度呈指數(shù)關系增加。這樣勢必導致在采用具 有高阻抗源的儀表放大器的應用中取消外部二極管 的使用。雖然現(xiàn)在有了漏電流降低很多的特殊二極管， 但是通常很難找到而且也很貴。對于絕大多數(shù)應用， 限流電阻器是唯一能夠?qū)τ?ESD （瞬間過載）和較長時間輸入 瞬態(tài)過載提供充分保護的方案。,減低儀用放大器的RFI（射頻干擾）,考慮信號傳輸線路長并且信號強度低的情況,即使最好的儀表放大器在20 kHz以上的頻率條件下事實上沒有CMR能力。很強的R

49、F信號首先被儀表放大器的輸入級整流，然后表現(xiàn)為DC失調(diào)誤差。一旦被整流，其輸出端的低通濾波怎么也不能去除這個誤差。如果RFI是斷續(xù)性的，這會導致無法檢測的測量誤差,最實用解決方案是通過使用一個差分低通濾波器在儀表放大器前提供RF衰減濾波器。該濾波器需要完成三項工作： 盡可能多地從輸入端去除RF能量 保持每個輸入端和地之間的AC信號平衡 在測量帶寬內(nèi)保持足夠高的輸入阻抗以避免降低對輸入信號源的帶載能力。,AD62

50、0系列儀表放大器的RFI抑制電路,采用圖中所示的元件值，該電路的－3 dB 帶寬大約為 400 Hz；通過將電阻器 R1 和 R2 的 電阻值減至 2.2 kΩ，帶寬可增加到 760 Hz。應當注 意，不要輕易地增加帶寬。它要求前面所述的儀表 放大器電路驅(qū)動一個較低阻抗的負載，從而導致輸 入過載保護能力會有些降低。,AD623 儀表放大器的 RFI 濾波器,使用圖示的元件值，該濾波器的帶寬大 約為 400 Hz。在增益為 100 的條件

51、下，1 V p-p 輸入 信號的 RTI 最大 DC 失調(diào)電壓小于 1 μV。在相同增 益條件下，該電路的 RF 信號抑制能力優(yōu)于 74 dB。,單電源數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),電橋電路用一個＋5 V電源激勵。 因此，電橋滿度輸出電壓（±10 mV）有一個 2.5 V 的共模電壓。AD623 去掉這個共模電壓成分并且把 輸入信號放大了 100 倍（RG = 1.02 kΩ）。這導致輸 出信號為±1 V。 為了防止該信號

52、進入 AD623 的接地端，REF 引腳的電壓至少必須升高到 1 V。 在本例中，ADC AD7776 的 2 V 參考電壓用于把 AD623 的輸出電壓 偏置到 2 V±1 V。這正符合該 ADC 的輸入范圍。,傳感器接口的應用,儀表放大器很久以來一直在傳感器應用中用作 前置放大器。高質(zhì)量傳感器通常提供一個高線性度 輸出，但是其信號幅度非常低并且具有高輸出阻抗 的特性。這就要求使用一個高增益緩沖器或前置放 大器，并且

53、要求它們自身任何可辨別的噪聲不會對 被放大的信號有影響。另外，典型傳感器的高輸出 阻抗可能要求儀表放大器具有低輸入偏置電流。,醫(yī)用心電圖儀的應用,心電圖儀（EKG）是一種富有挑戰(zhàn)性的真實世 界應用，因為一個 5 mV的小信號必須從存在遠大于 60 Hz噪聲和很大的DC共模失調(diào)電壓變化的環(huán)境中 提取出來。下圖 為典型EKG監(jiān)測電路框圖。選 擇適當?shù)碾娙萜鰿X的值以保持右腿驅(qū)動環(huán)的穩(wěn)定 性。,盡管可以有更多的輸出，這里僅顯示了來自病 人的三

54、個輸出。輸出緩沖放大器應該為低噪聲、低 輸入偏置電流的 FET 運算放大器，因為病人傳感器 通常具有很高的阻抗所以信號幅度可能相當?shù)汀?4mA - 20mA單電源接收器,4 mA～20 mA 傳感器的信號是單端的。 只需要一只簡單的分流電阻器以便 把電流轉(zhuǎn)換成電壓加到 ADC 的高阻抗模擬輸入端。 然而，回路（到傳感器）中的任何線路電阻都會增 加與電流相關的失調(diào)誤差。因此，必須差分地檢測 該電流。 例中，一只 24.9Ω 的分流

55、電阻器在 AD627 的輸入端產(chǎn)生介于 100 mV（對應 4 mA輸入） 與 500 mV（對應 20 mA 輸入）之間的最大差分輸 入電壓。在不存在增益電阻器的情況下，AD627 把 該 500 mV 輸入電壓放大 5 倍達到 2.5 V，即 ADC 的滿度輸入電壓,單電源熱電偶放大器,J 型熱 電偶的一端接地。在－200℃到＋200℃溫度范圍內(nèi)， J 型熱電偶提供的電壓范圍為－7.890 mV～＋10.777 mV。,將AD627

56、 的增益設置為 100（RG = 2.1 kΩ）并 且將AD627 的 REF引腳的電壓接成 2 V，致使 AD627 對地輸出電壓范圍為 1.110 V～3.077 V。,第二節(jié) A/D轉(zhuǎn)換器及接口技術,一、概述 A/D轉(zhuǎn)換器(也稱“ADC”)是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的器件，這個模擬量泛指電壓、電阻、電流、時間等參量，但一般情況下，模擬量是指電壓而言的。在數(shù)字系統(tǒng)中，數(shù)字量是離散的，一般用一個稱為量子Q的基本單位來度量。一個n位的

57、二進制數(shù)，共有N=2n個離散值，定義Q=輸入滿量程/N A/D轉(zhuǎn)換的過程就是計算輸入模擬量中有多少個Q，并使用2n個離散量中最接近的值去表示模擬量的大小,量化特性及量化誤差,量化過程的輸出特性曲線呈階梯狀，每個臺階的寬度稱為量化帶。理想情況下，量化帶等于一個量子Q。輸入模擬量的幅度在nQ與(n+1)Q之間時，輸出都以 nQ表示。 顯然，這是以有限的量化值代替無限數(shù)目的模擬量的過程，因此，必然存在量化誤差。 由右圖所示，量化誤差的

58、絕對值|ε|于一個量子Q。,量化特性及量化誤差,通常把圖a的特性調(diào)整左移(1/2)Q，如圖c所示。其相應的量化誤差下降為-(1/2)Q<ε<+(1/2)Q，如圖d所示。,A/D的理論傳輸特性和量化誤差,對于輸入到ADC的每一個模擬量Vi，ADC總是為它找出一個2n個Vn中最接近Vi的那個Vn并輸出與Vn相對應的數(shù)字量Bn±(1/2)Q稱為量化帶，其中心值為Vn,理想傳輸函數(shù)由下面兩式定義：,理論傳輸特性和量化誤差,

59、由圖可見每個臺階寬度為Q，其中心點對應著不同Vn電壓值。中心點都在一條直線上，n越大，ADC的傳輸特性越接近這條直線。量化誤差隨模擬電壓增長變化的關系如圖b，n越大，量化誤差越小,A/D轉(zhuǎn)換器技術指標,1、分辨率 ADC所能分辨的輸入模擬量的最小變化量。其值用輸入滿量程的百分數(shù)表示，或用ADC的位數(shù)來表示。分辨率一般為輸入滿量程的1/2n，此變化量稱為1LSB，即一個量化因子Q。2、轉(zhuǎn)換時間 A/D轉(zhuǎn)換器完成一次

60、轉(zhuǎn)換所需的時間定義為A/D轉(zhuǎn)換時間。與ADC所采用的技術有關。 高速（并行比較式） 幾微秒 — 幾十微秒 中、低速（積分式） 幾十毫秒 -- 幾百毫秒 與ADC分辨率有關，分辨率越高轉(zhuǎn)換時間越長。,轉(zhuǎn)換時間的表示方式,A. 每次轉(zhuǎn)換所需要的時間 ADC0809 一次轉(zhuǎn)換需要時間為125 μs AD574 一次轉(zhuǎn)換需要時間為12 μsB. 每秒鐘

61、可轉(zhuǎn)換的次數(shù) MC14433 每秒鐘轉(zhuǎn)換4-10次 AD9220 12位,10MHz采樣頻率(每秒10M次)C. 對于V/F型,給出脈沖上限頻率 LM331 Fmax=100K AD654 Fmax=500K,精度,(1) 絕對精度 絕對精度定義為對應于產(chǎn)生一個給定的輸出數(shù)字碼，理想模擬輸入電壓與實際模擬輸入電壓的差值。 (2)

62、相對精度 相對精度定義為在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任一數(shù)字輸出碼所對應的模擬輸入實際值與理想值之差與模擬滿量程值之比。,精度,(3) 偏移誤差 （與溫度有關） ADC的偏移誤差定義為使ADC的輸出最低位為1，施加到ADC模擬輸入端的實際電壓與理論值1/2(Vr/2n)(即0.5 LSB所對應的電壓值)之差(又稱為偏移電壓)。 (4) 增益誤差 （與溫度有關） 增益誤差是指ADC輸出達到滿量程

63、時，實際模擬輸入與理想模擬輸入之間的差值，以模擬輸入滿量程的百分數(shù)表示。 (5) 線性度誤差 包括積分線性度誤差和微分線性度誤差兩種。,定義：偏移誤差和增益誤差調(diào)零后的實際傳輸特性與通過零點和滿量程點的直線之間的最大偏離值，有時也稱為線性度誤差。 右圖示出了這種誤差。該誤差一般以一個量子的分數(shù)表示，通常它不大于0.5 LSB。,積分線性度誤差,微分線性度誤差,它定義為ADC傳輸特性臺階的寬度(實際的量子值)與理想

64、量子值之間的誤差，也就是兩個相鄰碼間的模擬輸入量的差值對于Vr/2n的偏離值。,微分線性度誤差就是說明相鄰狀態(tài)間的變化的技術參數(shù)。,失 碼,當ADC的微分線性度誤差小于1LSB時，不會產(chǎn)生失碼現(xiàn)象；當微分線性度誤差大于1LSB時，產(chǎn)生失碼。 例如，當ADC的傳輸特性如左圖所示時，011碼被丟失。,有些數(shù)字碼不可能在AD的輸出端出現(xiàn)，即被丟失了。,常見ADC轉(zhuǎn)換原理,比較型ADC（ADC0809,AD574,ADC1210）,積

65、分型ADC（MC14433,ICL7135）,利用積分電容的充放電計時來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換,在第一節(jié)拍，積分器輸出電壓VO對時間的變化關系為,當待轉(zhuǎn)換信號Vi看成恒定值時,到第一節(jié)拍結(jié)束時，積分器輸出電壓ＶO1為,即VO1與Vi成正比,第二節(jié)拍期間積分器輸出電壓與時間的關系為,在第二節(jié)拍期間，由于比較器輸出始終為高，因此，門電路始終開啟，計數(shù)器從0開始繼續(xù)計數(shù)。當t=T2時，VO=0，比較器輸出變低，門電路關閉，計數(shù)器停止計數(shù)。,即T2=Vi2n

66、TC／Vr,在T2期間計數(shù)器的計數(shù)值N=T2／Tc,V/F型ADC,根據(jù)器件輸出頻率與輸入電壓成正比的原理來工作,在預定時間內(nèi)對 Fout 脈沖進行計數(shù)； 改變定時時間可改變分辨率定時時間應該選擇為工頻周期20ms的整數(shù)倍； 采樣不確定性為1LSB,常見AD轉(zhuǎn)換器特性比較,AD574A簡介,特性： 1、逐次逼近式ADC 2、8位、16位微處理器總線接口 3、無失碼（因溫度變化） 4

67、、較寬溫度范圍內(nèi)保持線性 AD574AJ、K、L 0 – 70℃ AD574AS、T、U -55 – 125℃ 5、最大轉(zhuǎn)換時間35µs 6、低增益誤差 AD574L 10 ppm/℃ AD574U

68、 12.5 ppm/℃ 7、供電范圍 VLogic 5V ， VCC 15V/12V ， VEE -15V/-12V 8、輸入范圍 單端方式 0 – 10V ，0 – 20V 雙端方式 ±5V ，±10V,各型號特性對比,AD574A輸入模擬量的單極性輸入和雙極性輸入的連接線路,注： 1、電阻RP1用于調(diào)整