電氣測試系統(tǒng)ch21課件

第二章

輸入輸出通道1第二章

輸入輸出通道1測控系統(tǒng)通常具有輸入和輸出通道，輸入通道又可分為模擬量、數(shù)字量輸入通道；相應的，輸出通道也可以分成模擬量、數(shù)字量輸出通道。不同通道具有不同通道性能，完成不同動作：電氣測試系統(tǒng)原理2測控系統(tǒng)通常具有輸入和輸出通道，輸入通道電氣測試系統(tǒng)

主要內容

2.1模擬輸入通道

2.2模擬輸出通道

2.3開關量輸入/輸出通道

2.4單元電路的級聯(lián)設計電氣測試系統(tǒng)原理3主要內容電氣測試系統(tǒng)原理32.1模擬輸入通道電氣測試系統(tǒng)原理4電氣測試系統(tǒng)原理4主要內容一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構

二、傳感器的選用

三、信號調理電路的參數(shù)設計和選擇

四、數(shù)據(jù)采集電路的參數(shù)設計和選擇

五、模擬輸入通道的誤差分配與綜合

電氣測試系統(tǒng)原理5主要內容電氣測試系統(tǒng)原理5一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構

模擬輸入通道是測控系統(tǒng)中被測對象與計算機之間的聯(lián)系通道。輸入通道應包含有以下兩大環(huán)節(jié)：

a、傳感器電路：將被測各非電物理量轉換為可用的電信號；

b、數(shù)據(jù)采集電路：將模擬電信號轉換為數(shù)字電信號。電氣測試系統(tǒng)原理6一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構模擬輸入通道是測說明除數(shù)字傳感器外，大多數(shù)傳感器都是將模擬非電量轉換為模擬電量；

這些模擬電量通常不宜直接用數(shù)據(jù)采集電路進行數(shù)字轉換，還需進行適當?shù)男盘栒{理。電氣測試系統(tǒng)原理7說明除數(shù)字傳感器外，大多數(shù)傳感器都是將模擬非電氣測試模擬輸入通道的組成模擬輸入通道由傳感器電路、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成，如下圖：

實際測控系統(tǒng)往往需同時測量多種物理量（多參數(shù)測量）或同一種物理量的多個測量點（多點巡回測量），多路模擬輸入通道更具有普遍性。(例)電氣測試系統(tǒng)原理8模擬輸入通道的組成模擬輸入通道由傳感器電路、信號調理分類

標準：按照系統(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。多路模擬輸入通道可分為集中采集式(簡稱集中式)和分散采集式(簡稱分布式)兩大類型。電氣測試系統(tǒng)原理9分類電氣測試系統(tǒng)原理91、集中采集式(集中式)

集中采集式多路模擬輸入通道的典型結構包括分時采集型和同步采集型兩種，下圖為多路分時采集分時輸入的典型電路：

電氣測試系統(tǒng)原理101、集中采集式(集中式)集中采集式多路模擬輸入通道的多路分時采集分時輸入電路的特點多路信號共同使用一個S／H(采樣/保持)和A／D轉換電路，簡化電路結構，降低成本；

對信號的采集由模擬多路切換器即多路轉換開關分時切換、輪流選通，因而相鄰兩路信號在時間上是依次被采集的，不能獲得同一時刻的數(shù)據(jù)；

電氣測試系統(tǒng)原理11多路分時采集分時輸入電路的特點多路信號共同使用一個S／H(采分時采集會產(chǎn)生采樣的時間偏斜誤差。盡管時間偏斜很短，對于要求多路信號嚴格同步采集測試的系統(tǒng)是不適用的；

廣泛應用于多數(shù)中速及低速測量系統(tǒng)。

電氣測試系統(tǒng)原理12分時采集會產(chǎn)生采樣的時間偏斜誤差。盡管時間偏斜很短，對于要求多路同步采集分時輸入電路的結構電氣測試系統(tǒng)原理13多路同步采集分時輸入電路的結構電氣測試系統(tǒng)原理13同步采集型分時輸入電路的特點：在多路轉換開關前，給每路信號通路各加一個采樣／保持器，使多路信號采樣在同一時刻進行，即同步采樣(為該結構的最大特點)。

各自的保持電路保持采樣信號幅值，多路轉換開關分時切換進入公用的S／H和A／D電路，將保持的采樣幅值轉換成數(shù)據(jù)輸入主機(分時轉換)。消除分時采集型結構的時間偏斜誤差，同時也能滿足同步采集要求，電路又比較簡單。

電氣測試系統(tǒng)原理14同步采集型分時輸入電路的特點：在多路轉換開關前，給每路信號通電路不足：被測信號路數(shù)較多時，同步采樣得到的信號在保持器中保持時間加長；電路不足：保持器總有一些泄漏(負載電阻不為無窮大)，保持的信號有所衰減，且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。不能獲得嚴格意義上的同步輸入。

電氣測試系統(tǒng)原理15電路不足：被測信號路數(shù)較多時，同步采樣得到的信號在保持器中保2、分散采集式(分布式)特點：每路輸入信號都有一個S／H和A／D轉換電路，不再需要模擬多路切換器MUX。每一個S／H和A／D只對本路模擬信號進行數(shù)字轉換即數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或隨機地輸入計算機。電氣測試系統(tǒng)原理162、分散采集式(分布式)特點：電氣測試系統(tǒng)原理16分散采集式結構圖電氣測試系統(tǒng)原理17分散采集式結構圖電氣測試系統(tǒng)原理17分散采集式電路的結構特點信號被同時采集(采樣開關受控后同時動作)，采集的數(shù)據(jù)隨后被送至ADC進行A/D轉換。對于A/D轉換得到的數(shù)字量，處理器會控制ADC進行分時的送出，并為處理器讀取。(即在信號輸出時，可由ADC受控并分時輸出數(shù)字量)。該電路保存的是經(jīng)過ADC轉換好的數(shù)字信號，不會發(fā)生信號的丟失。電氣測試系統(tǒng)原理18分散采集式電路的結構特點信號被同時采集(采樣開關受控后同時動電路較為復雜，每路都需要A/D轉換器，成本較高。當精度要求較高，轉換路數(shù)較多時，A/D轉換器帶來成本增加必須要考慮。

適用于對轉換精度要求較高的場合，并且對各類信號數(shù)據(jù)同步性要求較高的場合。被采樣的信號為各種類型不同的信號時，這種電路也用得較為常見。電氣測試系統(tǒng)原理19電路較為復雜，每路都需要A/D轉換器，成本較高。當精度要求較電路結構的異同點及各自的適用范圍

1、分時采集分時輸入

2、同步采集分時輸入

3、分布式采集例電氣測試系統(tǒng)原理20電路結構的異同點及各自的適用范圍電氣測試系統(tǒng)原理20分時采集，分時輸入電路同步采集，分時輸入電路分布式采集電路電氣測試系統(tǒng)原理21分時采集，同步采集，分布式采集電路電氣測試系統(tǒng)原理21數(shù)據(jù)采集電路：在上圖中所示的三種結構的信號采集電路中，通常包括有：模擬多路切換開關、采樣保持器、A／D轉換器。這幾部分電路的作用就是將傳感器輸出的模擬電信號轉換為數(shù)字電信號，因此這部分電路被稱之為“數(shù)據(jù)采集電路”。電氣測試系統(tǒng)原理22數(shù)據(jù)采集電路：電氣測試系統(tǒng)原理22模擬輸入通道的組成：傳感器電路調理電路(對信號進行采集前的預處理)

數(shù)據(jù)采集電路信號調理電路的組成：

下面我們分別研究這三部分的選擇和設計原則。電氣測試系統(tǒng)原理23模擬輸入通道的組成：電氣測試系統(tǒng)原理23二、傳感器的選用傳感器選用時面臨的問題：測控系統(tǒng)中傳感器的作用(精度、變換信號等方面)傳感器技術的發(fā)展測控系統(tǒng)中傳感器選擇的多樣性

(例)電氣測試系統(tǒng)原理24二、傳感器的選用傳感器選用時面臨的問題：電氣測試系統(tǒng)原理24正確選用傳感器的原則

1）明確所設計的測量系統(tǒng)需什么樣的傳感器，即系統(tǒng)對傳感器的技術要求；來確定傳感器的類型及指標要求。(說明)

2）了解哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比，挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。

(說明)

電氣測試系統(tǒng)原理25正確選用傳感器的原則1）明確所設計的測量系統(tǒng)需什么樣1、傳感器的主要技術要求：(1)具有將被測量轉換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉換范圍與被測量實際變化范圍(變化幅度范圍、變化頻率范圍)相一致。

(2)轉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)精度的十倍左右)，轉換速度應符合整個系統(tǒng)要求。(說明)

(3)滿足被測介質和使用環(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、質量輕和不耗電或耗電少等。

(4)滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。

電氣測試系統(tǒng)原理261、傳感器的主要技術要求：(1)具有將被測量轉換為后2、傳感器類型可用于同一被測量的不同類型的傳感器具有不同的特點和不同價格。在滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側重考慮成本低、相配電路是否簡單等因素進行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。

例：溫度傳感器的種類：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器

不同類型的溫度傳感器在測量時所獲的測量精度、測量范圍等有所不同，選用時要考慮性價比。電氣測試系統(tǒng)原理272、傳感器類型可用于同一被測量的不同類型的傳感器具有近年傳感器技術有了較大發(fā)展，精度等都有較大提高，對測控系統(tǒng)有較大影響的傳感器類型：

(1)大信號輸出傳感器

(2)數(shù)字式傳感器

(3)集成傳感器

(4)光纖傳感器電氣測試系統(tǒng)原理28近年傳感器技術有了較大發(fā)展，精度等都有較電氣測試系統(tǒng)(1)大信號輸出傳感器針對小信號輸出，把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器直接輸出0-5V、0-10V或0-2.5V的信號電壓，把傳感器與相應變送電路做成一體，構成輸出4-20mA直流標準信號變送器。輸入通道盡可能選用大信號傳感器或變送器，省去小信號放大環(huán)節(jié)：

電氣測試系統(tǒng)原理29(1)大信號輸出傳感器針對小信號輸出，把放大電路與傳(2)

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，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V／F轉換等。

數(shù)字傳感器具有如下明顯的特點：輸出為頻率參量，測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優(yōu)點。采用數(shù)字量傳感器時，傳感器輸出如果滿足TTL電平標準，則可直接與微處理器進行接口。

(例，數(shù)字溫度傳感器)電氣測試系統(tǒng)原理30(2)

數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏如果傳感器輸出不是TTL電平，則須經(jīng)電平轉換或放大整形。一般進入單片機的I/O口或擴展I/O口時還要通過光電耦合隔離，如下圖所示：

電氣測試系統(tǒng)原理31如果傳感器輸出不是TTL電平，則須經(jīng)電平轉換或放大整形。一般數(shù)字式傳感器的適用范圍：

非快速測量中。

原因：經(jīng)過額外的參數(shù)變化電路，所以一般響應較慢電氣測試系統(tǒng)原理32數(shù)字式傳感器的適用范圍：電氣測試系統(tǒng)原理32(3)

集成傳感器

將傳感器與信號調理電路做成一體。如將應變片、應變電橋、線性化處理電路、電橋放大電路等做成一體，構成集成壓力傳感器。集成傳感器可減輕輸入通道的信號調理任務，簡化通道結構。(例)(4)

光纖傳感器

信號拾取、變換、傳輸通過光纖實現(xiàn)，避免電路系統(tǒng)的電磁干擾。信號輸入通道中采用光纖傳感器從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。

電氣測試系統(tǒng)原理33(3)

集成傳感器電氣測試系統(tǒng)原理33(5)合成傳感器電路

除前述各傳感器外，目前市售各種測量儀表，這些測量儀表內部傳感器及其測量電路配置較完善，一般都有大信號輸出端，有的還有BCD碼輸出。售價遠高于一個傳感器的價格，故在小型測試系統(tǒng)中較少采用，較大型的系統(tǒng)中使用較多。

電氣測試系統(tǒng)原理34(5)合成傳感器電路電氣測試系統(tǒng)原理34特殊條件下傳感器的選用對一些特殊的測量需要或特殊的工作環(huán)境，目前還沒有現(xiàn)成的傳感器可供選用。解決方法如下：提出用戶要求，找傳感器廠家訂做，但是批量小的價格一般都很昂貴。

從現(xiàn)有傳感器定型產(chǎn)品中選擇一種作為基礎，在該傳感器前面設計一種敏感器或(和)在該傳感器后面設計一種轉換器，從而組合成滿足特定測量需要的特制傳感器。例：電氣測試系統(tǒng)原理35特殊條件下傳感器的選用對一些特殊的測量需要或特殊的工三、信號調理電路的參數(shù)設計和選擇所謂信號調理，就是在信號采樣的預處理，在一般的測量系統(tǒng)中，信號調理的任務比較復雜，信號調理應包含如下的具體內容：小信號放大、濾波(現(xiàn)場信號通常為小信號，且包含噪聲信號)

零點校正(零點偏移)

線性化處理溫度補償誤差修正和量程切換電氣測試系統(tǒng)原理36三、信號調理電路的參數(shù)設計和選擇所謂信號調理，就是在實現(xiàn)一般而言，信號調理過程應設計專門的硬件電路來完成，這些硬件電路統(tǒng)稱為信號調理電路。

測控系統(tǒng)中，部分的調理電路功能可由軟件來完成，簡化電路設計。電氣測試系統(tǒng)原理37實現(xiàn)一般而言，信號調理過程應設計專門的硬件電電氣測試信號調理的重點對于信號輸入通道，信號調理重點為：

小信號放大信號濾波頻率信號的放大整形。典型的信號調理電路組成如下圖所示：電氣測試系統(tǒng)原理38信號調理的重點對于信號輸入通道，信號調理重點為：電氣1、前置放大器是否采用前置放大器考慮以下幾個問題：

(1)如何判斷傳感器的輸出信號“大”還是“小”；

(2)要不要對傳感器的輸出信號進行放大；

(3)放大的依據(jù)是什么；

(4)放大器為什么要“前置”即設置在調理電路的最前端，能不能接在濾波器的后面；

(5)前置放大器的放大倍數(shù)應該為多大；

電氣測試系統(tǒng)原理391、前置放大器是否采用前置放大器考慮以下幾個問題：電前置放大器的作用：1）對傳感器信號進行適當放大，以滿足后續(xù)電路對信號強度的要求。簡單電路中直接就可以將信號放大到ADC的量程范圍內；

2）抗干擾的需要。電氣測試系統(tǒng)原理40前置放大器的作用：1）對傳感器信號進行適當放大，以前置放大器的作用一般而言，由于電路內部各種噪聲源的存在，電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅度的波動電壓，這就是電路的輸出噪聲。如下圖

電氣測試系統(tǒng)原理41前置放大器的作用一般而言，由于電路內部各種噪聲源的存電路輸出端測得的噪聲有效值VON，折算到輸入端（除以該電路的增益K），得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲VIN，即

VIN＝VON／K

如果加在該電路輸入端的信號幅度VIS小到比該電路的等效輸入噪聲還要低，那么這個信號就會被電路的噪聲所“淹沒”。(一般的傳感器輸出信號都是微弱的電信號)電氣測試系統(tǒng)原理42電路輸出端測得的噪聲有效值VON，折算到輸入電氣測試系提高有用信號的輸出，抑制噪聲信號，使得信號不被噪聲淹沒，這在前置放大器選擇時就顯得尤為重要。電氣測試系統(tǒng)原理43提高有用信號的輸出，抑制噪聲信號，使得信電氣測試系統(tǒng)為了不使小信號被電路噪聲所淹沒，就必須在該電路前面加一級放大器，如下圖所示：

電氣測試系統(tǒng)原理44為了不使小信號被電路噪聲所淹沒，就必須在電氣測試系統(tǒng)結論1：為使小信號輸入不被電路的噪聲所淹沒，在電路前端加入的電路必須是放大器，即K0>1；放大器必須是低噪聲，即放大器本身等效輸入噪聲必須比后級電路的等效輸入噪聲低；調理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。

電氣測試系統(tǒng)原理45結論1：為使小信號輸入不被電路的噪聲所淹沒，在電電氣放大器在濾波器后及濾波器在放大器后的兩種不同調理電路的比較電氣測試系統(tǒng)原理46放大器在濾波器后及濾波器在放大器后的兩種電氣測試系統(tǒng)結論2：調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。電路等效輸入噪聲決定電路所能輸入的最小信號電平。因此減少電路的等效輸入噪聲實質上提高電路接收弱信號的能力。前置放大器的設置，滿足了對電路噪聲抑制，同時，只要選擇合適的放大倍數(shù)，也滿足了電路對小信號放大的要求。電氣測試系統(tǒng)原理47結論2：調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2、濾波器濾波器的功能及分類：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器電氣測試系統(tǒng)原理482、濾波器濾波器的功能及分類：電氣測試系統(tǒng)原理48測控系統(tǒng)中的濾波器

為使調理電路的零漂電壓不隨被測信號一起送到采集電路，通常在調理電路與采集電路之間接入隔直電容C和電壓跟隨器A，如下圖所示：

隔直流電容C與電壓跟隨器A的輸入電阻Ri構成RC高通濾波器，其截止頻率為：電氣測試系統(tǒng)原理49測控系統(tǒng)中的濾波器為使調理電路的零漂電壓不隨被測信號一調理電路中濾波器類型的選擇濾波器設置的前提濾波器的參數(shù)設計

(截止頻率、衰減幅度)電氣測試系統(tǒng)原理50調理電路中濾波器類型的選擇電氣測試系統(tǒng)原理50（1）奈奎斯特采樣定理采樣引起的失真必須被消除，為消除采樣中可能會存在的折疊失真，必須滿足以下條件：

a、被采樣信號為帶限信號，即它的最高頻率為有限值，即：

b、采樣頻率大于被采樣信號最高頻率兩倍，即采樣周期T滿足條件：電氣測試系統(tǒng)原理51（1）奈奎斯特采樣定理采樣引起的失真必須被消除，為消只要在滿足上述兩個條件的情況下進行采樣，理論上就可從采樣信號中無失真地恢復出原被采樣信號。這個結論就是著名的奈奎斯特采樣定理。

電氣測試系統(tǒng)原理52只要在滿足上述兩個條件的情況下進行采樣，電氣測試系統(tǒng)（2）低通有源濾波器的設計①一階低通濾波器功能：低于截止頻率的低頻信號通過，衰減高頻信號分量，通帶為，為截止頻率。

RC網(wǎng)絡構成的一階低通濾波器的I/O關系如下：復域關系為：為輸入信號頻率濾波器的的截止頻率為：電氣測試系統(tǒng)原理53（2）低通有源濾波器的設計①一階低通濾波器電氣測試系統(tǒng)原理5信號通過該濾波器時，幅值衰減如下：相應得到圖中同相端輸入的有源一階低通濾波器的增益衰減關系如下：低通截止頻率：信號頻率時，可無衰減通過濾器。

電氣測試系統(tǒng)原理54信號通過該濾波器時，幅值衰減如下：電氣測試系統(tǒng)原理54幾點說明

Ⅰ)無源低通濾波器結構簡單，帶負載能力差。對于直流信號，負載開路時，信號將無衰減的輸出；但外電路有負載時，信號將會被衰減。上述電路中，如R=20K，當負載電阻為RL=5K，對通過的直流信號，將會被衰減80%；如果輸入的是交流信號，衰減將會更大。

不能直接多級級聯(lián)來獲得更好的頻率響應。電氣測試系統(tǒng)原理55幾點說明Ⅰ)無源低通濾波器結構簡單，帶負載能力差。電氣

Ⅱ)有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接進行級聯(lián)，不需進行阻抗匹配。同時，有源濾波器電路還可進行增益調整，通過調節(jié)橋臂電阻，可補償電路中的增益衰減。電路對直流信號及低頻信號幾乎無增益衰減。

Ⅲ)相對無源濾波器，有源濾波器有著無可替代的優(yōu)勢，在大部分場合，都采用有源濾波器。

電氣測試系統(tǒng)原理56Ⅱ)有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸電氣測試系②二階低通濾波器濾波器階數(shù)不同對性能有著影響，下圖為二階有限增益的低通濾波器的原理圖。一般的，電路中通常?。?/p>

電氣測試系統(tǒng)原理57②二階低通濾波器濾波器階數(shù)不同對性能有著影響，下圖為幅頻特性:傳遞函數(shù)為：增益為：濾波器的低通截止頻率為：

電氣測試系統(tǒng)原理58幅頻特性:電氣測試系統(tǒng)原理58說明

Ⅰ、這種二階低通濾波器中，放大倍數(shù)H0不能任意指定，當，濾波器電路不穩(wěn)定。

Ⅱ、電路中元件離散性少，電路參數(shù)調整方便。不過由于電路中通過引進了正反饋，所以整個電路的增益大小受到一定的限制。電氣測試系統(tǒng)原理59說明Ⅰ、這種二階低通濾波器中，放大倍數(shù)H0不能任電氣測③伯特瓦茲低通濾波器設計濾波器輸入輸出關系為：是放大倍數(shù)，為伯特瓦茲多項式。伯特瓦茲低通濾波器的設計中，要求伯特瓦茲多項式的幅值滿足下式：

n為濾波器階數(shù)，為截止頻率，為信號頻率。電氣測試系統(tǒng)原理60③伯特瓦茲低通濾波器設計濾波器輸入輸出關系為：電氣測令截止頻率，得到歸一化的伯特瓦茲多項式：電氣測試系統(tǒng)原理61令截止頻率，得到歸一化的伯特瓦一階伯特瓦茲低通濾波器的傳遞函數(shù)為：二階伯特瓦茲低通濾波器的傳遞函數(shù)為：對前述濾波器，令，對照上表，當滿足時，該二階低通濾波器就是一個二階伯特瓦茲低通濾波器。伯特瓦茲低通濾波器的截止頻率為：電氣測試系統(tǒng)原理62一階伯特瓦茲低通濾波器的傳遞函數(shù)為：電氣測試系統(tǒng)原理62將一階濾波器和二階濾波器級聯(lián)后可得到奇階的伯特瓦茲低通濾波器，將二階濾波器級聯(lián)后可得到偶階的伯特瓦茲低通濾波器。

例：設計截止頻率為1KHz的4階伯特瓦茲低通濾波器

電氣測試系統(tǒng)原理63將一階濾波器和二階濾波器級聯(lián)后可得到奇階電氣測試系統(tǒng)參數(shù)的選取

濾波器為4階，n=4，對第一級濾波器，得到其放大倍數(shù)為：第二級濾波器，放大倍數(shù)為：因此可得：對于放大倍數(shù)，有下式成立：取

電氣測試系統(tǒng)原理64參數(shù)的選取濾波器為4階，n=4，對第一級濾波器，得到可得：為滿足頻率要求，根據(jù)下式進行求解：由于電容分檔較粗，首先進行電容選擇，?。簞t可以得到：實際使用時，取:電氣測試系統(tǒng)原理65可得：電氣測試系統(tǒng)原理65例：設計截止頻率為5KHz的三階低通濾波器電氣測試系統(tǒng)原理66例：設計截止頻率為5KHz的三階低通濾波器電氣測試系統(tǒng)原理6伯特瓦茲低通濾波器的特點

Ⅰ、伯特瓦茲低通濾波器在通頻帶內具有最大的平坦度，階數(shù)越高，平坦度越好。在截止頻率處，所有的伯特瓦茲低通濾波器都有-3dB的增益衰減。

Ⅱ、伯特瓦茲低通濾波器的階數(shù)越高，在通頻帶內愈平坦，且對高頻噪聲的抑制能力也越強。

電氣測試系統(tǒng)原理67伯特瓦茲低通濾波器的特點Ⅰ、伯特瓦茲低通濾波器在通頻帶

Ⅲ）濾波器階數(shù)n越高，幅頻特性陡度越大，對減少混淆誤差越有利。但是應看到，濾波器階數(shù)越高，使得濾波器設計中，節(jié)數(shù)越多，帶來成本的上升，而且信號通過濾波器時產(chǎn)生的延時也越長。

Ⅳ）閉環(huán)系統(tǒng)中，這種延時受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制(延時時間受限于系統(tǒng)的要求)，因而濾波器的階數(shù)不宜太高。

電氣測試系統(tǒng)原理68Ⅲ）濾波器階數(shù)n越高，幅頻特性陡度越大，電氣測試系四、數(shù)據(jù)采集電路的參數(shù)設計和選擇數(shù)據(jù)采集電路的設計中，需解決以下問題：

(一)A/D轉換器的選擇

(二)采樣保持器S／H的選擇

(三)采集電路的工作時序和最高允許頻率

(四)多路測量通道的串音問題

(五)主放大器的設置電氣測試系統(tǒng)原理69四、數(shù)據(jù)采集電路的參數(shù)設計和選擇數(shù)據(jù)采集電路數(shù)據(jù)采集電路的設計：數(shù)據(jù)采集電路是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化的電路，其核心器件是各種類型的A/D轉換器。對于集中采集式的測量通道，A/D轉換器前面都設置模擬多路開關MUX，以便從多路模擬信號中選取一路進行A／D轉換。一般而言，根據(jù)被采樣信號的變化速率，常用的數(shù)據(jù)采集電路有以下三種，如下圖所示：電氣測試系統(tǒng)原理70數(shù)據(jù)采集電路的設計：數(shù)據(jù)采集電路是實現(xiàn)模擬信號數(shù)字化1、若被測模擬信號為恒定或慢變信號，則可以直接進行A／D轉換，如下圖所示：2、如被測模擬信號為動態(tài)信號(快速變化信號)，那就必須在模擬開關MUX與A/D轉換器之間設置采樣保持器S/H，如下圖所示：電氣測試系統(tǒng)原理711、若被測模擬信號為恒定或慢變信號，則可以直接進行A／D轉換3、如各路模擬信號幅度互不相同或者模擬信號幅度隨時間變化很大，就必須在采樣保持器S／H與模擬開關MUX之間設置放大電路作為主放大器，

電氣測試系統(tǒng)原理723、如各路模擬信號幅度互不相同或者模擬信號幅度隨時間變化很大(一)A/D轉換器的選擇要點

A/D轉換器是數(shù)據(jù)采集電路的核心部件，正確選用A／D轉換器是提高數(shù)據(jù)采集電路性價比的關鍵，A/D轉換器的指標較多，在選用時應主要考慮以下幾點：

1、A/D轉換器的位數(shù)確定

2、A/D轉換器的轉換速度

3、A/D轉換器的輸出狀態(tài)

4、A/D轉換器的使用環(huán)境電氣測試系統(tǒng)原理73(一)A/D轉換器的選擇要點A/D轉換器是數(shù)1、A/D轉換器位數(shù)的確定ADC位數(shù)不僅決定采集電路所能轉換的模擬電壓動態(tài)范圍，液影響采集電路的轉換精度。

A/D轉換器的位數(shù)主要由以下兩個指標來決定：

1）數(shù)據(jù)采集電路電壓轉換范圍

2）轉換精度對選用的A/D轉換器，在對信號進行轉換時，應滿足以下兩個條件：

1）小信號不被量化噪聲所淹沒

2）大信號不使A/D轉換器溢出電氣測試系統(tǒng)原理741、A/D轉換器位數(shù)的確定ADC位數(shù)不僅決定采集電路對上述問題，設模擬輸入電壓最大值和最小值分別為Vmax和Vmin，ADC前的放大器增益為K，m位ADC的滿量程輸入電壓為E，應滿足以下兩式：小信號不被量化噪聲淹沒大信號不使A/D溢出注：器件的選擇由精度要求來決定

電氣測試系統(tǒng)原理75對上述問題，設模擬輸入電壓最大值和最小值電氣測試系統(tǒng)原模擬開關MUX、采樣保持器S／H、ADC組成的數(shù)據(jù)采集電路的總誤差是這三個組成部分的分項誤差的綜合值，則選擇元件精度的一般規(guī)則是：每個元件的精度指標應優(yōu)于系統(tǒng)精度的十倍左右。

(上述結論由誤差理論得出)電氣測試系統(tǒng)原理76模擬開關MUX、采樣保持器S／H、ADC組成的數(shù)電氣2、A/D轉換速度的確定

A/D轉換器從開始轉換到轉換結束并輸出穩(wěn)定的數(shù)字量，需要一定的時間，這段時間就是A/D轉換器的轉換時間，對于采用不同原理實現(xiàn)的A/D轉換器，其轉換時間有著較大的區(qū)別。

1）對積分型、電荷平衡型和跟蹤比較型ADC轉換速度較慢，轉換時間從幾十ms到幾ms不等。這類A/D轉換器一般適用于對溫度、壓力、流量等緩變參數(shù)的檢測和控制。

電氣測試系統(tǒng)原理772、A/D轉換速度的確定A/D轉換器從開始轉換到轉換

2）逐次比較型的A/D轉換器的轉換時間可從幾微秒到100微秒左右，屬中速的A/D轉換器，在工業(yè)生產(chǎn)中用得較多。

3）采用雙極型或CMOS式工藝制成的全并行型、串并行型和電壓轉移函數(shù)型的A/D轉換器屬高速A/D轉換器。轉換時間僅20-100ns左右。高速A/D轉換器適用于雷達、數(shù)字通訊、實時光譜分析、實時瞬態(tài)記錄、視頻數(shù)字轉換系統(tǒng)等。電氣測試系統(tǒng)原理782）逐次比較型的A/D轉換器的轉換時間可從幾電氣測試A/D轉換過程的時間A/D轉換過程所需的時間包括以下兩部分：

1）A/D轉換器的轉換時間tC2）兩次A/D轉換的時間間隔(休止時間t0)。包括ADC內部電路的恢復時間，CPU讀取A/D轉換結果及再次發(fā)出啟動A/D轉換的指令的時間。

微處理器需幾ms到幾十ms才能完成ADC轉換以外工作，如讀數(shù)據(jù)、再啟動、存數(shù)據(jù)、循環(huán)記數(shù)等。

ADC的轉換速率(單位時間內能完成的轉換次數(shù))應由轉換時間tC和休止時間t0二者共同決定：電氣測試系統(tǒng)原理79A/D轉換過程的時間A/D轉換過程所需的時間包括以下兩部分：轉換周期TA/D的定義：數(shù)據(jù)采集電路中轉換周期定義：TA/D=t0+tc

對一個通道數(shù)為N的模擬輸入通道，完成一次采樣的時間為：

TS=N·TA/D

對單路測量系統(tǒng)或分散測量系統(tǒng)，則N＝l。

當信號頻率為fh(最高頻率為fmax)，由采樣定理可得：

電氣測試系統(tǒng)原理80轉換周期TA/D的定義：數(shù)據(jù)采集電路中轉換周期定義：A/D轉換器的轉換時間為：對信號頻率fmax較大的高頻(高速)測量系統(tǒng)，為提高系統(tǒng)的響應速率，應該采取以下措施：

1）減少通道數(shù)N，設計分散采集結構，即N＝12）減小截頻系數(shù)C，增大低通濾波器陡度；

3）選用轉換時間短的A/D轉換器(中高速ADC)；

4）由CPU讀取數(shù)據(jù)改為直接存儲器存取(DMA)技術，以大大縮短休止時間。

電氣測試系統(tǒng)原理81A/D轉換器的轉換時間為：電氣測試系統(tǒng)原理813、A/D轉換器的輸出狀態(tài)根據(jù)計算機接口特征，選擇合適的ADC的輸出狀態(tài)簡化ADC與微處理器的接口電路設計。

1）ADC的輸出狀態(tài)：并行或串行

(串行輸出便于遠距離傳輸)；

2）ADC的輸出數(shù)字形式：二進制碼或BCD碼

(BCD碼輸出便于十進制數(shù)字顯示)3）時鐘選用：外部、內部時鐘或不用時鐘；

4）轉換結束時有無轉換結束狀態(tài)信號；

5）有無三態(tài)輸出緩沖器；

6）與TTL、CMOS及ECL電路的兼容性等。電氣測試系統(tǒng)原理823、A/D轉換器的輸出狀態(tài)根據(jù)計算機接口特征，選擇合4、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D如工作溫度、功耗、可靠性等級等性能參數(shù)，要根據(jù)環(huán)境條件來選擇A/D轉換器的芯片。

電氣測試系統(tǒng)原理834、根據(jù)環(huán)境條件選擇A/D如工作溫度、功耗、可靠性等(二)采樣保持器S／H的選擇對模擬信號A/D轉換時，當輸入信號頻率較高，由于A/D轉換時間(孔徑時間)的存在會造成較大的轉換誤差，為防止出現(xiàn)這種誤差，必須在A／D開始轉換時將信號保持住，A／D轉換結束后又能跟隨輸入信號的變化，使輸入信號處于采樣狀態(tài)，這種電路稱為采樣/保持電路。電氣測試系統(tǒng)原理84(二)采樣保持器S／H的選擇對模擬信號A/D轉換時(三)采集電路的工作時序和最高允許頻率一般而言，常見的數(shù)據(jù)采集電路包括：

模擬多路開關MUX、采樣保持器S/H和A/D轉換器電氣測試系統(tǒng)原理85(三)采集電路的工作時序和最高允許頻率一般而言，常見數(shù)據(jù)采集電路的工作時序1）對于模擬多路開關MUX，一個采樣周期TS內，依次接通N道模擬信號，通道地址信號為高電平表示某道信號被接通，低電平表示所有信號被斷開。2）采樣指令脈寬稍窄于通道地址指令脈寬，保持指令脈寬要大于A/D轉換時間，即在整個A/D轉換期間，都應進行信號保持。

3）右圖中的EOC為A/D狀態(tài)信號，高電平表示正在轉換，低電平表示轉換結束可讀取轉換數(shù)據(jù)。

電氣測試系統(tǒng)原理86數(shù)據(jù)采集電路的工作時序1）對于模擬多路開關MUX，一個采樣周系統(tǒng)的最小采樣周期由于采樣指令脈寬應大于S/H的捕捉時間TAC，而A／D轉換啟動時間應在S/H的保持建立時間結束之后，又由于A/D轉換所需時間為TC

，因此每個通道轉換所需時間即S/H和A/D的工作周期T為；若采樣周期為TS，模擬采樣通道數(shù)為N，則T＝TS/N，則可得系統(tǒng)的最小采樣周期為：電氣測試系統(tǒng)原理87系統(tǒng)的最小采樣周期由于采樣指令脈寬應大于S/H的捕捉信號最高允許頻率

系統(tǒng)所能轉換的模擬信號的最高允許頻率為：與下式由理論計算出的最高信號頻率：比較后可知信號最高允許頻率由前式?jīng)Q定。電氣測試系統(tǒng)原理88信號最高允許頻率系統(tǒng)所能轉換的模擬信號的最高允許頻(四)、多路測量時通道的串音問題1、串音多通道數(shù)字測量系統(tǒng)中，模擬多路開關MUX常被用做多選一開關或多路采樣開關。每當某一指定通道的開關接通時，其它各道開關全都是關斷的。

理想情況下，負載上只應出現(xiàn)被接通的那個通道的信號，被關斷的各路信號不應出現(xiàn)在負載上。實際情況并非如此，其它被關斷的信號也會出現(xiàn)在負載上，對本來是惟一被接通的信號形成干擾，這種干擾稱為通道間串音干擾，簡稱串音。

電氣測試系統(tǒng)原理89(四)、多路測量時通道的串音問題1、串音電氣測試系統(tǒng)原理892、通道間串音干擾產(chǎn)生的原因通道間串音干擾的產(chǎn)生主要是由于模擬開關的斷開電阻Roff不是無窮大和多路模擬開關中存在寄生電容的緣故。如下圖為第一道開關接通，其余(N-1)道開關均關斷時的情況電氣測試系統(tǒng)原理902、通道間串音干擾產(chǎn)生的原因通道間串音干擾的產(chǎn)生主要泄漏電壓簡化后，可以得到由于N-1個通道的關斷電阻不為無窮大而得到的在負載上的泄漏電壓為：電氣測試系統(tǒng)原理91泄漏電壓簡化后，可以得到由于N-1個通道的關斷電阻不3、減小串音干擾的方式為減小串音干擾，可以采取如下措施：

1）減小輸入電阻，前級電路采用電壓跟隨器；

2）選用導通電阻RON極小、關斷電阻Roff極大的開關管；

3）減少輸出端并聯(lián)開關數(shù)N；若N＝1，則VN＝0。

4）選用寄生電容小的多路模擬開關MUX：電氣測試系統(tǒng)原理923、減小串音干擾的方式為減小串音干擾，可以采取如下措施：電氣高頻串音干擾當切換多路高頻信號時，截止通道的高頻信號還會通過通道間寄生電容C和開關源、漏極間的寄生電容(開關電容)CDS在負載端也會產(chǎn)生泄漏電壓：

寄生電容Cx和開關電容CDS的數(shù)值越大，信號頻率越高，泄漏電壓就越大，串音干擾也就越嚴重。為減小串音應選用寄生電容小的多路模擬開關MUX。

電氣測試系統(tǒng)原理93高頻串音干擾當切換多路高頻信號時，截止通道的高頻信號(五)主放大器的設置一般而言，測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電路采用如下圖所示的結構：這種結構中，為了使采樣后數(shù)據(jù)盡量符合ADC的量程，在模擬開關MUX與采樣保持器S/H之間通常設置了一級放大電路，為與調理電路中的前置放大器相區(qū)別，稱采集電路中的放大器為“主放大器”。

電氣測試系統(tǒng)原理94(五)主放大器的設置一般而言，測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集電1、主放大器的功能：由于測控系統(tǒng)中，微處理器接受的為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)采集電路的任務是將經(jīng)過調理電路處理過的模擬信號數(shù)字化，采集電路中的主放大器也是為此而設置的。2、主放大器設置前提：不能使A/D溢出，滿足轉換精度的要求

電氣測試系統(tǒng)原理951、主放大器的功能：電氣測試系統(tǒng)原理95假設模擬多路切換器輸出的第i道信號的第j次采樣電壓為Vij，采樣電壓的量化相對誤差便為：

采樣電壓越小，相對誤差越大，轉換精度越低，為避免弱信號采樣電壓在A/D轉換時達不到要求的轉換精度，必須放大K倍后再進行A/D轉換，這樣量化精度便可提高K倍，滿足轉換精度的要求，電氣測試系統(tǒng)原理96假設模擬多路切換器輸出的第i道信號的第j次電氣測試系由上式可見，K越大，放大后的A/D轉換相對誤差越小，精度越高，但K也不能太大，以致產(chǎn)生A／D溢出。因此，主放大器的增益K應滿足兩個條件：既不能使A/D溢出，又要滿足轉換精度的要求，即：電氣測試系統(tǒng)原理97由上式可見，K越大，放大后的A/D轉換相對誤電氣測試對于滿量程輸入電壓為E，滿量程輸出數(shù)字量為DFS的ADC可以得到所需的主放大器增益K為：電氣測試系統(tǒng)原理98對于滿量程輸入電壓為E，滿量程輸出數(shù)字量為電氣測試系3、主放大器選擇的類型

1)如果被測物理量的多路模擬信號都是恒定或變化緩慢的信號，且各路信號的幅度也相差不大，也就是Vij隨i和j的變化都不大，那就沒有必要在采集電路中設置主放大器，只要使各路信號調理電路中的前置放大器增益滿足上式即可。

2)如果被測量的多路模擬信號都是恒定或變化緩慢的信號，但是各路信號的幅度相差很大，也就是說Vij不隨j變化，但隨i變化很大，那就應在采集電路中設置程控增益放大器作為主放大器。

電氣測試系統(tǒng)原理993、主放大器選擇的類型1)如果被測物理量的多路模擬程控增益放大器的特點每當多路開關MUX在對第i道信號采樣時，放大器就采預先按上式選定的第i道的增益Ki進行放大。電氣測試系統(tǒng)原理100程控增益放大器的特點電氣測試系統(tǒng)原理100五、模擬輸入通道的誤差分配與綜合對一個模擬輸入通道的設計，一般首先給定精度要求、工作溫度、通道數(shù)目和信號特征等條件，然后根據(jù)條件，初步確定通道的結構方案和選擇元器件。由于系統(tǒng)精度是給定的，因此系統(tǒng)的設計總是圍繞如何提高精度進行。

電氣測試系統(tǒng)原理101五、模擬輸入通道的誤差分配與綜合對一個模擬輸入通道的一個通道總是由多個環(huán)節(jié)構成，因此系統(tǒng)對精度的要求就已經(jīng)具體到各個環(huán)節(jié)，根據(jù)系統(tǒng)對精度(誤差)的要求，就涉及到各個環(huán)節(jié)的誤差分配的問題，也就是如何由系統(tǒng)的誤差來決定各個環(huán)節(jié)所允許的誤差，以保證最終所設計的系統(tǒng)滿足給定的精度要求。

根據(jù)誤差理論來具體實現(xiàn)，不過對于具體實現(xiàn)時，各環(huán)節(jié)應該還應根據(jù)作用來分配誤差。電氣測試系統(tǒng)原理102一個通道總是由多個環(huán)節(jié)構成，因此系統(tǒng)對精電氣測試系統(tǒng)分配規(guī)則如下：1）確定通道的結構方案2）由通道的總精度要求，給各環(huán)節(jié)分配誤差，以便選擇元器件。通常傳感器和信號放大電路所占的誤差比例最大，采樣／保持器和A／D轉換器等誤差可按選擇元件精度的一般規(guī)則和具體情況而定。電氣測試系統(tǒng)原理103分配規(guī)則如下：1）確定通道的結構方案電氣測試系統(tǒng)原理13）選擇元件精度的一般規(guī)則：每個元件的精度指標應該優(yōu)于系統(tǒng)規(guī)定的某一最嚴格的性能指標的10倍左右。要構成一個要求0.1％級精度性能的模擬輸入通道，所選擇的A/D轉換器、采樣/保持器和模擬多路開關組件的精度都應該不大于0.01％。

4）初步選定元件后，根據(jù)元件技術特性和元件間相互關系核算實際誤差，按絕對值和形式或方和根形式綜合各類誤差，檢查總誤差是否滿足給定的指標。如不合格，應該分析誤差，重新選擇元件及進行誤差分析綜合，直至達到要求。電氣測試系統(tǒng)原理1043）選擇元件精度的一般規(guī)則：電氣測試系統(tǒng)原理104小結電氣測試系統(tǒng)原理105小結電氣測試系統(tǒng)原理105第二章

輸入輸出通道106第二章

輸入輸出通道1測控系統(tǒng)通常具有輸入和輸出通道，輸入通道又可分為模擬量、數(shù)字量輸入通道；相應的，輸出通道也可以分成模擬量、數(shù)字量輸出通道。不同通道具有不同通道性能，完成不同動作：電氣測試系統(tǒng)原理107測控系統(tǒng)通常具有輸入和輸出通道，輸入通道電氣測試系統(tǒng)

主要內容

2.1模擬輸入通道

2.2模擬輸出通道

2.3開關量輸入/輸出通道

2.4單元電路的級聯(lián)設計電氣測試系統(tǒng)原理108主要內容電氣測試系統(tǒng)原理32.1模擬輸入通道電氣測試系統(tǒng)原理109電氣測試系統(tǒng)原理4主要內容一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構

二、傳感器的選用

三、信號調理電路的參數(shù)設計和選擇

四、數(shù)據(jù)采集電路的參數(shù)設計和選擇

五、模擬輸入通道的誤差分配與綜合

電氣測試系統(tǒng)原理110主要內容電氣測試系統(tǒng)原理5一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構

模擬輸入通道是測控系統(tǒng)中被測對象與計算機之間的聯(lián)系通道。輸入通道應包含有以下兩大環(huán)節(jié)：

a、傳感器電路：將被測各非電物理量轉換為可用的電信號；

b、數(shù)據(jù)采集電路：將模擬電信號轉換為數(shù)字電信號。電氣測試系統(tǒng)原理111一、模擬輸入通道的基本類型與組成結構模擬輸入通道是測說明除數(shù)字傳感器外，大多數(shù)傳感器都是將模擬非電量轉換為模擬電量；

這些模擬電量通常不宜直接用數(shù)據(jù)采集電路進行數(shù)字轉換，還需進行適當?shù)男盘栒{理。電氣測試系統(tǒng)原理112說明除數(shù)字傳感器外，大多數(shù)傳感器都是將模擬非電氣測試模擬輸入通道的組成模擬輸入通道由傳感器電路、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集電路三部分組成，如下圖：

實際測控系統(tǒng)往往需同時測量多種物理量（多參數(shù)測量）或同一種物理量的多個測量點（多點巡回測量），多路模擬輸入通道更具有普遍性。(例)電氣測試系統(tǒng)原理113模擬輸入通道的組成模擬輸入通道由傳感器電路、信號調理分類

標準：按照系統(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。多路模擬輸入通道可分為集中采集式(簡稱集中式)和分散采集式(簡稱分布式)兩大類型。電氣測試系統(tǒng)原理114分類電氣測試系統(tǒng)原理91、集中采集式(集中式)

集中采集式多路模擬輸入通道的典型結構包括分時采集型和同步采集型兩種，下圖為多路分時采集分時輸入的典型電路：

電氣測試系統(tǒng)原理1151、集中采集式(集中式)集中采集式多路模擬輸入通道的多路分時采集分時輸入電路的特點多路信號共同使用一個S／H(采樣/保持)和A／D轉換電路，簡化電路結構，降低成本；

對信號的采集由模擬多路切換器即多路轉換開關分時切換、輪流選通，因而相鄰兩路信號在時間上是依次被采集的，不能獲得同一時刻的數(shù)據(jù)；

電氣測試系統(tǒng)原理116多路分時采集分時輸入電路的特點多路信號共同使用一個S／H(采分時采集會產(chǎn)生采樣的時間偏斜誤差。盡管時間偏斜很短，對于要求多路信號嚴格同步采集測試的系統(tǒng)是不適用的；

廣泛應用于多數(shù)中速及低速測量系統(tǒng)。

電氣測試系統(tǒng)原理117分時采集會產(chǎn)生采樣的時間偏斜誤差。盡管時間偏斜很短，對于要求多路同步采集分時輸入電路的結構電氣測試系統(tǒng)原理118多路同步采集分時輸入電路的結構電氣測試系統(tǒng)原理13同步采集型分時輸入電路的特點：在多路轉換開關前，給每路信號通路各加一個采樣／保持器，使多路信號采樣在同一時刻進行，即同步采樣(為該結構的最大特點)。

各自的保持電路保持采樣信號幅值，多路轉換開關分時切換進入公用的S／H和A／D電路，將保持的采樣幅值轉換成數(shù)據(jù)輸入主機(分時轉換)。消除分時采集型結構的時間偏斜誤差，同時也能滿足同步采集要求，電路又比較簡單。

電氣測試系統(tǒng)原理119同步采集型分時輸入電路的特點：在多路轉換開關前，給每路信號通電路不足：被測信號路數(shù)較多時，同步采樣得到的信號在保持器中保持時間加長；電路不足：保持器總有一些泄漏(負載電阻不為無窮大)，保持的信號有所衰減，且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。不能獲得嚴格意義上的同步輸入。

電氣測試系統(tǒng)原理120電路不足：被測信號路數(shù)較多時，同步采樣得到的信號在保持器中保2、分散采集式(分布式)特點：每路輸入信號都有一個S／H和A／D轉換電路，不再需要模擬多路切換器MUX。每一個S／H和A／D只對本路模擬信號進行數(shù)字轉換即數(shù)據(jù)采集，采集的數(shù)據(jù)按一定順序或隨機地輸入計算機。電氣測試系統(tǒng)原理1212、分散采集式(分布式)特點：電氣測試系統(tǒng)原理16分散采集式結構圖電氣測試系統(tǒng)原理122分散采集式結構圖電氣測試系統(tǒng)原理17分散采集式電路的結構特點信號被同時采集(采樣開關受控后同時動作)，采集的數(shù)據(jù)隨后被送至ADC進行A/D轉換。對于A/D轉換得到的數(shù)字量，處理器會控制ADC進行分時的送出，并為處理器讀取。(即在信號輸出時，可由ADC受控并分時輸出數(shù)字量)。該電路保存的是經(jīng)過ADC轉換好的數(shù)字信號，不會發(fā)生信號的丟失。電氣測試系統(tǒng)原理123分散采集式電路的結構特點信號被同時采集(采樣開關受控后同時動電路較為復雜，每路都需要A/D轉換器，成本較高。當精度要求較高，轉換路數(shù)較多時，A/D轉換器帶來成本增加必須要考慮。

適用于對轉換精度要求較高的場合，并且對各類信號數(shù)據(jù)同步性要求較高的場合。被采樣的信號為各種類型不同的信號時，這種電路也用得較為常見。電氣測試系統(tǒng)原理124電路較為復雜，每路都需要A/D轉換器，成本較高。當精度要求較電路結構的異同點及各自的適用范圍

1、分時采集分時輸入

2、同步采集分時輸入

3、分布式采集例電氣測試系統(tǒng)原理125電路結構的異同點及各自的適用范圍電氣測試系統(tǒng)原理20分時采集，分時輸入電路同步采集，分時輸入電路分布式采集電路電氣測試系統(tǒng)原理126分時采集，同步采集，分布式采集電路電氣測試系統(tǒng)原理21數(shù)據(jù)采集電路：在上圖中所示的三種結構的信號采集電路中，通常包括有：模擬多路切換開關、采樣保持器、A／D轉換器。這幾部分電路的作用就是將傳感器輸出的模擬電信號轉換為數(shù)字電信號，因此這部分電路被稱之為“數(shù)據(jù)采集電路”。電氣測試系統(tǒng)原理127數(shù)據(jù)采集電路：電氣測試系統(tǒng)原理22模擬輸入通道的組成：傳感器電路調理電路(對信號進行采集前的預處理)

數(shù)據(jù)采集電路信號調理電路的組成：

下面我們分別研究這三部分的選擇和設計原則。電氣測試系統(tǒng)原理128模擬輸入通道的組成：電氣測試系統(tǒng)原理23二、傳感器的選用傳感器選用時面臨的問題：測控系統(tǒng)中傳感器的作用(精度、變換信號等方面)傳感器技術的發(fā)展測控系統(tǒng)中傳感器選擇的多樣性

(例)電氣測試系統(tǒng)原理129二、傳感器的選用傳感器選用時面臨的問題：電氣測試系統(tǒng)原理24正確選用傳感器的原則

1）明確所設計的測量系統(tǒng)需什么樣的傳感器，即系統(tǒng)對傳感器的技術要求；來確定傳感器的類型及指標要求。(說明)

2）了解哪些可供選擇的傳感器，把同類產(chǎn)品的指標和價格進行對比，挑選合乎要求的性能價格比最高的傳感器。

(說明)

電氣測試系統(tǒng)原理130正確選用傳感器的原則1）明確所設計的測量系統(tǒng)需什么樣1、傳感器的主要技術要求：(1)具有將被測量轉換為后續(xù)電路可用電量的功能，轉換范圍與被測量實際變化范圍(變化幅度范圍、變化頻率范圍)相一致。

(2)轉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)精度的十倍左右)，轉換速度應符合整個系統(tǒng)要求。(說明)

(3)滿足被測介質和使用環(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、質量輕和不耗電或耗電少等。

(4)滿足用戶對可靠性和可維護性的要求。

電氣測試系統(tǒng)原理1311、傳感器的主要技術要求：(1)具有將被測量轉換為后2、傳感器類型可用于同一被測量的不同類型的傳感器具有不同的特點和不同價格。在滿足測量范圍、精度、速度、使用條件等情況下，應側重考慮成本低、相配電路是否簡單等因素進行取舍，盡可能選擇性能價格比高的傳感器。

例：溫度傳感器的種類：熱電偶、熱電阻、熱敏電阻、半導體PN結、IC溫度傳感器、光纖溫度傳感器

不同類型的溫度傳感器在測量時所獲的測量精度、測量范圍等有所不同，選用時要考慮性價比。電氣測試系統(tǒng)原理1322、傳感器類型可用于同一被測量的不同類型的傳感器具有近年傳感器技術有了較大發(fā)展，精度等都有較大提高，對測控系統(tǒng)有較大影響的傳感器類型：

(1)大信號輸出傳感器

(2)數(shù)字式傳感器

(3)集成傳感器

(4)光纖傳感器電氣測試系統(tǒng)原理133近年傳感器技術有了較大發(fā)展，精度等都有較電氣測試系統(tǒng)(1)大信號輸出傳感器針對小信號輸出，把放大電路與傳感器做成一體，使傳感器直接輸出0-5V、0-10V或0-2.5V的信號電壓，把傳感器與相應變送電路做成一體，構成輸出4-20mA直流標準信號變送器。輸入通道盡可能選用大信號傳感器或變送器，省去小信號放大環(huán)節(jié)：

電氣測試系統(tǒng)原理134(1)大信號輸出傳感器針對小信號輸出，把放大電路與傳(2)

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，也可以是由敏感參數(shù)R、L、C構成的振蕩器，或模擬電壓輸入經(jīng)V／F轉換等。

數(shù)字傳感器具有如下明顯的特點：輸出為頻率參量，測量精度高、抗干擾能力強、便于遠距離傳送等優(yōu)點。采用數(shù)字量傳感器時，傳感器輸出如果滿足TTL電平標準，則可直接與微處理器進行接口。

(例，數(shù)字溫度傳感器)電氣測試系統(tǒng)原理135(2)

數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器一般是采用頻率敏如果傳感器輸出不是TTL電平，則須經(jīng)電平轉換或放大整形。一般進入單片機的I/O口或擴展I/O口時還要通過光電耦合隔離，如下圖所示：

電氣測試系統(tǒng)原理136如果傳感器輸出不是TTL電平，則須經(jīng)電平轉換或放大整形。一般數(shù)字式傳感器的適用范圍：

非快速測量中。

原因：經(jīng)過額外的參數(shù)變化電路，所以一般響應較慢電氣測試系統(tǒng)原理137數(shù)字式傳感器的適用范圍：電氣測試系統(tǒng)原理32(3)

集成傳感器

將傳感器與信號調理電路做成一體。如將應變片、應變電橋、線性化處理電路、電橋放大電路等做成一體，構成集成壓力傳感器。集成傳感器可減輕輸入通道的信號調理任務，簡化通道結構。(例)(4)

光纖傳感器

信號拾取、變換、傳輸通過光纖實現(xiàn)，避免電路系統(tǒng)的電磁干擾。信號輸入通道中采用光纖傳感器從根本上解決由現(xiàn)場通過傳感器引入的干擾。

電氣測試系統(tǒng)原理138(3)

集成傳感器電氣測試系統(tǒng)原理33(5)合成傳感器電路

除前述各傳感器外，目前市售各種測量儀表，這些測量儀表內部傳感器及其測量電路配置較完善，一般都有大信號輸出端，有的還有BCD碼輸出。售價遠高于一個傳感器的價格，故在小型測試系統(tǒng)中較少采用，較大型的系統(tǒng)中使用較多。

電氣測試系統(tǒng)原理139(5)合成傳感器電路電氣測試系統(tǒng)原理34特殊條件下傳感器的選用對一些特殊的測量需要或特殊的工作環(huán)境，目前還沒有現(xiàn)成的傳感器可供選用。解決方法如下：提出用戶要求，找傳感器廠家訂做，但是批量小的價格一般都很昂貴。

從現(xiàn)有傳感器定型產(chǎn)品中選擇一種作為基礎，在該傳感器前面設計一種敏感器或(和)在該傳感器后面設計一種轉換器，從而組合成滿足特定測量需要的特制傳感器。例：電氣測試系統(tǒng)原理140特殊條件下傳感器的選用對一些特殊的測量需要或特殊的工三、信號調理電路的參數(shù)設計和選擇所謂信號調理，就是在信號采樣的預處理，在一般的測量系統(tǒng)中，信號調理的任務比較復雜，信號調理應包含如下的具體內容：小信號放大、濾波(現(xiàn)場信號通常為小信號，且包含噪聲信號)

零點校正(零點偏移)

線性化處理溫度補償誤差修正和量程切換電氣測試系統(tǒng)原理141三、信號調理電路的參數(shù)設計和選擇所謂信號調理，就是在實現(xiàn)一般而言，信號調理過程應設計專門的硬件電路來完成，這些硬件電路統(tǒng)稱為信號調理電路。

測控系統(tǒng)中，部分的調理電路功能可由軟件來完成，簡化電路設計。電氣測試系統(tǒng)原理142實現(xiàn)一般而言，信號調理過程應設計專門的硬件電電氣測試信號調理的重點對于信號輸入通道，信號調理重點為：

小信號放大信號濾波頻率信號的放大整形。典型的信號調理電路組成如下圖所示：電氣測試系統(tǒng)原理143信號調理的重點對于信號輸入通道，信號調理重點為：電氣1、前置放大器是否采用前置放大器考慮以下幾個問題：

(1)如何判斷傳感器的輸出信號“大”還是“小”；

(2)要不要對傳感器的輸出信號進行放大；

(3)放大的依據(jù)是什么；

(4)放大器為什么要“前置”即設置在調理電路的最前端，能不能接在濾波器的后面；

(5)前置放大器的放大倍數(shù)應該為多大；

電氣測試系統(tǒng)原理1441、前置放大器是否采用前置放大器考慮以下幾個問題：電前置放大器的作用：1）對傳感器信號進行適當放大，以滿足后續(xù)電路對信號強度的要求。簡單電路中直接就可以將信號放大到ADC的量程范圍內；

2）抗干擾的需要。電氣測試系統(tǒng)原理145前置放大器的作用：1）對傳感器信號進行適當放大，以前置放大器的作用一般而言，由于電路內部各種噪聲源的存在，電路在沒有信號輸入時，輸出端仍存在一定幅度的波動電壓，這就是電路的輸出噪聲。如下圖

電氣測試系統(tǒng)原理146前置放大器的作用一般而言，由于電路內部各種噪聲源的存電路輸出端測得的噪聲有效值VON，折算到輸入端（除以該電路的增益K），得到的電平值稱為該電路的等效輸入噪聲VIN，即

VIN＝VON／K

如果加在該電路輸入端的信號幅度VIS小到比該電路的等效輸入噪聲還要低，那么這個信號就會被電路的噪聲所“淹沒”。(一般的傳感器輸出信號都是微弱的電信號)電氣測試系統(tǒng)原理147電路輸出端測得的噪聲有效值VON，折算到輸入電氣測試系提高有用信號的輸出，抑制噪聲信號，使得信號不被噪聲淹沒，這在前置放大器選擇時就顯得尤為重要。電氣測試系統(tǒng)原理148提高有用信號的輸出，抑制噪聲信號，使得信電氣測試系統(tǒng)為了不使小信號被電路噪聲所淹沒，就必須在該電路前面加一級放大器，如下圖所示：

電氣測試系統(tǒng)原理149為了不使小信號被電路噪聲所淹沒，就必須在電氣測試系統(tǒng)結論1：為使小信號輸入不被電路的噪聲所淹沒，在電路前端加入的電路必須是放大器，即K0>1；放大器必須是低噪聲，即放大器本身等效輸入噪聲必須比后級電路的等效輸入噪聲低；調理電路前端電路必須是低噪聲前置放大器。

電氣測試系統(tǒng)原理150結論1：為使小信號輸入不被電路的噪聲所淹沒，在電電氣放大器在濾波器后及濾波器在放大器后的兩種不同調理電路的比較電氣測試系統(tǒng)原理151放大器在濾波器后及濾波器在放大器后的兩種電氣測試系統(tǒng)結論2：調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。電路等效輸入噪聲決定電路所能輸入的最小信號電平。因此減少電路的等效輸入噪聲實質上提高電路接收弱信號的能力。前置放大器的設置，滿足了對電路噪聲抑制，同時，只要選擇合適的放大倍數(shù)，也滿足了電路對小信號放大的要求。電氣測試系統(tǒng)原理152結論2：調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2、濾波器濾波器的功能及分類：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器電氣測試系統(tǒng)原理1532、濾波器濾波器的功能及分類：電氣測試系統(tǒng)原理48測控系統(tǒng)中的濾波器

為使調理電路的零漂電壓不隨被測信號一起送到采集電路，通常在調理電路與采集電路之間接入隔直電容C和電壓跟隨器A，如下圖所示：

隔直流電容C與電壓跟隨器A的輸入電阻Ri構成RC高通濾波器，其截止頻率為：電氣測試系統(tǒng)原理154測控系統(tǒng)中的濾波器為使調理電路的零漂電壓不隨被測信號一調理電路中濾波器類型的選擇濾波器設置的前提濾波器的參數(shù)設計

(截止頻率、衰減幅度)電氣測試系統(tǒng)原理155調理電路中濾波器類型的選擇電氣測試系統(tǒng)原理50（1）奈奎斯特采樣定理采樣引起的失真必須被消除，為消除采樣中可能會存在的折疊失真，必須滿足以下條件：

a、被采樣信號為帶限信號，即它的最高頻率為有限值，即：

b、采樣頻率大于被采樣信號最高頻率兩倍，即采樣周期T滿足條件：電氣測試系統(tǒng)原理156（1）奈奎斯特采樣定理采樣引起的失真必須被消除，為消只要在滿足上述兩個條件的情況下進行采樣，理論上就可從采樣信號中無失真地恢復出原被采樣信號。這個結論就是著名的奈奎斯特采樣定理。

電氣測試系統(tǒng)原理157只要在滿足上述兩個條件的情況下進行采樣，電氣測試系統(tǒng)（2）低通有源濾波器的設計①一階低通濾波器功能：低于截止頻率的低頻信號通過，衰減高頻信號分量，通帶為，為截止頻率。

RC網(wǎng)絡構成的一階低通濾波器的I/O關系如下：復域關系為：為輸入信號頻率濾波器的的截止頻率為：電氣測試系統(tǒng)原理158（2）低通有源濾波器的設計①一階低通濾波器電氣測試系統(tǒng)原理5信號通過該濾波器時，幅值衰減如下：相應得到圖中同相端輸入的有源一階低通濾波器的增益衰減關系如下：低通截止頻率：信號頻率時，可無衰減通過濾器。

電氣測試系統(tǒng)原理159信號通過該濾波器時，幅值衰減如下：電氣測試系統(tǒng)原理54幾點說明

Ⅰ)無源低通濾波器結構簡單，帶負載能力差。對于直流信號，負載開路時，信號將無衰減的輸出；但外電路有負載時，信號將會被衰減。上述電路中，如R=20K，當負載電阻為RL=5K，對通過的直流信號，將會被衰減80%；如果輸入的是交流信號，衰減將會更大。

不能直接多級級聯(lián)來獲得更好的頻率響應。電氣測試系統(tǒng)原理160幾點說明Ⅰ)無源低通濾波器結構簡單，帶負載能力差。電氣

Ⅱ)有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸出阻抗，可直接進行級聯(lián)，不需進行阻抗匹配。同時，有源濾波器電路還可進行增益調整，通過調節(jié)橋臂電阻，可補償電路中的增益衰減。電路對直流信號及低頻信號幾乎無增益衰減。

Ⅲ)相對無源濾波器，有源濾波器有著無可替代的優(yōu)勢，在大部分場合，都采用有源濾波器。

電氣測試系統(tǒng)原理161Ⅱ)有源濾波器有著極高的輸入阻抗和極低的輸電氣測試系②二階低通濾波器濾波器階數(shù)不同對性能