数据采集与控制系统概论CP课件

数数据据采采集集与与控控制制数数据据采采集集与与控控制制课程章节结构课程章节结构 1-82 2 2 2）数据采集与控制系统）数据采集与控制系统）数据采集与控制系统）数据采集与控制系统 基本概念基本概念基本概念基本概念3 3 3 3）模拟电路模拟电路模拟电路模拟电路 基本理论与设计基本理论与设计基本理论与设计基本理论与设计4 4 4 4）采集与输出采集与输出采集与输出采集与输出 基本理论与设计基本理论与设计基本理论与设计基本理论与设计5 5 5 5）接口电路接口电路接口电路接口电路 基本理论与设计基本理论与设计基本理论与设计基本理论与设计6 6 6 6）系统抗干扰设计系统抗干扰设计系统抗干扰设计系统抗干扰设计7 7 7 7）自动控制自动控制自动控制自动控制 基础知识基础知识基础知识基础知识8 8 8 8）数据采集与控制系统数据采集与控制系统数据采集与控制系统数据采集与控制系统 设计案例设计案例设计案例设计案例1 1 1 1）数据采集与控制系统）数据采集与控制系统）数据采集与控制系统）数据采集与控制系统 概论概论概论概论 数据采集数据采集(DAQ-Data Acquisition)(DAQ-Data Acquisition)，是指从 传感器 和 其它待测设备 等模拟和数字被测单元中自动采集 电量信号 或 非电量,送到 上位机 中进行分析，处理。1.1.基本概念、原理与系统组成基本概念、原理与系统组成 数据采集系统数据采集系统(DAS-Data Acquisition System)(DAS-Data Acquisition System)，是结合基于 计算机 或 其它专用测试平台 的 测量软硬件产品 来 实现灵活的、用户自定义的测量系统。主要由 硬件 和 软件 组成。从 硬件 方面看,数据采集系统 有两种结构形式:l 微型计算机的数据采集系统微型计算机的数据采集系统l 集散型数据采集系统集散型数据采集系统一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论ll 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统 是将是将 PCPC 及及 数据采集卡数据采集卡(模块模块)集成一体，采集卡采集完的数据集成一体，采集卡采集完的数据直接保存在内部硬盘等存储介质中，为非组网模式。直接保存在内部硬盘等存储介质中，为非组网模式。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论NI PXINI PXINI PXINI PXI数采数采数采数采数采一体机数采一体机数采一体机数采一体机便携式数采便携式数采便携式数采便携式数采数采一体机数采一体机数采一体机数采一体机HP HP HP HP 数字万用表数字万用表数字万用表数字万用表数字示波器数字示波器数字示波器数字示波器手持数采手持数采手持数采手持数采ll 微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统微型计算机数据采集系统(系统框图系统框图系统框图系统框图)由由 传感器传感器、模拟多路开关模拟多路开关、程控放大器程控放大器、采样采样/保持器保持器、A/DA/D转转换器换器、计算机计算机 及及 外设外设 等部分组成。等部分组成。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论ll 集散型数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统 由由 若干个数据采集站若干个数据采集站 和和 一台上位机一台上位机 及及 通信线路通信线路 组成。数据采组成。数据采集站集站 可以独立采集模拟和数字信号，数据通过通讯网络可以独立采集模拟和数字信号，数据通过通讯网络(光纤或网络等光纤或网络等)传输到传输到PCPC的硬盘进行保存及处理，为组网模式。的硬盘进行保存及处理，为组网模式。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论PLC采集串口转TCP/IP采集串口转光纤采集PLC采集站现场仪表采集站分厂交换机分厂交换机主采集服务器公网服务器ll 集散型数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统集散型数据采集系统(系统框图系统框图系统框图系统框图)通讯网络的几种形式：有线、无线局域网通讯网络的几种形式：有线、无线局域网(TCP/IP)(TCP/IP)、射频网络电台、射频网络电台、RS485RS485、CANCAN总线、总线、GSMGSM等。等。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论从软件上看，数据采集系统软件包含：l l 设备底层固件程序设备底层固件程序l l 设备驱动程序设备驱动程序l l 上位机应用程序上位机应用程序一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论设备硬件平台设备硬件平台计算机平台计算机平台软件与硬件相互结合，共同实现系统的功能下面简要介绍一下系统的组成下面简要介绍一下系统的组成:1)传感器2)信号调理电路3)多路模拟开关4)采样/保持电路5)AD转换6)计算机及数据输出设备7)反馈控制环节8)数据处理一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)1)1)传感器传感器（SensorSensor）信号提取信号提取(被测量被测量)传输传输(信号变换部分信号变换部分)l测量精度要求测量精度要求(信噪比、线性度等信噪比、线性度等)；l被测量变化范围被测量变化范围(动态范围动态范围)、频率带宽；、频率带宽；l被测对象所处的环境条件被测对象所处的环境条件(温湿度等温湿度等)；l对传感器体积和整个采集系统的成本等的限制；对传感器体积和整个采集系统的成本等的限制；选择传感器的依据：选择传感器的依据：一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)感受被测量的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置，感受被测量的大小并输出相对应的可用输出信号的器件或装置，主要执行检出功能。是采集系统中形式最多样、与被测对象关联最主要执行检出功能。是采集系统中形式最多样、与被测对象关联最密切的部分。密切的部分。2)2)信号调理电路信号调理电路（Signal ConditioningSignal Conditioning）信号调理电路的主要功能包括信号的信号调理电路的主要功能包括信号的 转换转换 和和 标准化标准化。对模拟信号而言：对模拟信号而言：阻抗变换；阻抗变换；信号耦合方式、种类变换；信号耦合方式、种类变换；增益、归一化；增益、归一化；滤波、整流等；滤波、整流等；最终：得到最终：得到 测试系统测试系统 所所认识认识的标准信号（的标准信号（4-20mA4-20mA、1-1-5V5V、5V5V、10V10V）。）。对数字信号而言：缓冲、锁存、整形等。对数字信号而言：缓冲、锁存、整形等。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)3)3)多路模拟开关多路模拟开关（MUXMUX）作用：使多路被测信号共享一路作用：使多路被测信号共享一路A/D,A/D,或控制电阻网络或控制电阻网络 当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支和减轻电路的复当被测量信号的通道比较多时，为了节省开支和减轻电路的复杂程度，一般在信号调理电路后面，加多路模拟切换开关，从而杂程度，一般在信号调理电路后面，加多路模拟切换开关，从而使各路信号共享一路使各路信号共享一路A/DA/D通道。通道。这样做会影响采样速度，因而对于变化很快的被测信号，就需这样做会影响采样速度，因而对于变化很快的被测信号，就需要为每一路单独配置要为每一路单独配置A/DA/D通道，成本必然提高。实际设计时，可根通道，成本必然提高。实际设计时，可根据具体情况灵活掌握。据具体情况灵活掌握。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)4)4)采样保持电路采样保持电路（S/HS/H）作用：作用：S/HS/H的基本功能是获取输入信号并在其后的基本功能是获取输入信号并在其后A/DA/D转换期间使信号保持转换期间使信号保持不变。特别是当被测信号为高频信号时，都应加采样保持电路。不变。特别是当被测信号为高频信号时，都应加采样保持电路。串联型串联型反馈型反馈型电容校正型电容校正型一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)5)5)A/DA/D转换电路转换电路（ADCADC）.DAS DAS的核心器件是的核心器件是 A/DA/D转换器。因为只有通过它才能将模拟量变成转换器。因为只有通过它才能将模拟量变成计算机所能接受的数字量。具体讲，计算机所能接受的数字量。具体讲，A/DA/D转换部分应包括以下两项转换部分应包括以下两项功能：功能：将模拟量将模拟量 离散离散 并并 量化量化 为数字量。为数字量。能与计算机能与计算机(MCU)(MCU)进行接口通讯。进行接口通讯。全并行全并行ADCADC结构结构一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)6)6)计算机及数据输出设备计算机及数据输出设备 一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用于将采集处理后的数据一般采用工控机及打印机、绘图仪等，用于将采集处理后的数据打印或显示出来（报表、曲线等）。属于数据显示记录环节：将被测打印或显示出来（报表、曲线等）。属于数据显示记录环节：将被测量信息变成人感官能接受的形式量信息变成人感官能接受的形式,以完成监视、控制或分析的目的。以完成监视、控制或分析的目的。测量结果可以采用模拟测量结果可以采用模拟/数字显示数字显示,也可以由记录装置进行自动记也可以由记录装置进行自动记录或由打印机将数据打印出来。录或由打印机将数据打印出来。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)7)7)反馈控制环节反馈控制环节 若计算机的输出还用于若计算机的输出还用于 控制执行机构控制执行机构 以调节过程参数，此时以调节过程参数，此时DASDAS就发展成为就发展成为 计算机控制系统。如电磁阀的控制、计算机控制系统。如电磁阀的控制、PIDPID控制，这相当于在控制，这相当于在DASDAS的基础上增加了自动调节的基础上增加了自动调节(负反馈控制负反馈控制)，使其成为完整的生产过程，使其成为完整的生产过程自动化系统。自动化系统。带有反馈控制的带有反馈控制的DASDAS系统一般称为计算机控制系统，基本框图如下：系统一般称为计算机控制系统，基本框图如下：一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)8)8)数据处理数据处理 (1).(1).零点、满度调整零点、满度调整 调整调整A/DA/D转换器数据，使其满足系统要求。转换器数据，使其满足系统要求。(2).(2).校准调试校准调试 进行灵敏度系数调整、定标，用于恢复物理量的量纲及表现形式。进行灵敏度系数调整、定标，用于恢复物理量的量纲及表现形式。例：某线性压力传感器，测得下述一组数据例：某线性压力传感器，测得下述一组数据 压力（压力（KPaKPa）：）：0 10 50 100 200 300 400 5000 10 50 100 200 300 400 500 输出（输出（V V）：0.0 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.00.0 0.1 0.5 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 则则,该压力传感器的定标系数为：该压力传感器的定标系数为：100 KPa/V100 KPa/V。即：每输出。即：每输出1V1V电压，传感器需加电压，传感器需加压压100 KPa100 KPa。有了定标系数，便可以将有了定标系数，便可以将A/DA/D后的数字量变成相应的物理量纲（具体大小）。后的数字量变成相应的物理量纲（具体大小）。如采用上述压力传感器，如采用上述压力传感器，8bit A/D8bit A/D，满度为，满度为5V5V，单极性。若转换结果为，单极性。若转换结果为80H 80H（10000000B10000000B），），2 27 7=128=128。则表示的电压为。则表示的电压为2 27 7/2/28 85=2.5V5=2.5V，代表实际压力为：，代表实际压力为：2.5 V 100 KPa/V=250KPa2.5 V 100 KPa/V=250KPa。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)(3).(3).消除干扰消除干扰 平滑、滤波、非线性校正、平滑、滤波、非线性校正、IIRIIR、FIRFIR数字滤波数字滤波 (4).(4).数据变换运算数据变换运算 相关、卷积、滤波、相关、卷积、滤波、PIDPID、频谱分析等。、频谱分析等。(5).(5).数据输出数据输出 制表、显示、打印、绘图、控制制表、显示、打印、绘图、控制 数据处理的数据处理的 常用程序设计语言有：常用程序设计语言有：汇编、汇编、KeilCKeilC Basic Basic、C C、C+C+、VBVB、VCVC、C#C#等，等，QTQT等等一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(组成组成)2.2.典型数据采集与控制系统典型数据采集与控制系统 1).1).多通道数据采集卡多通道数据采集卡lIEPEIEPE调理调理-可通过软件配置可通过软件配置l10V10V的电压范围的电压范围l45 kHz 45 kHz 无混叠带宽无混叠带宽l2424位分辨率，位分辨率，110dB110dB动态范围动态范围l最高采样速率达最高采样速率达102.4kS/s102.4kS/sl8 8路同步采样模拟输入通道路同步采样模拟输入通道调理电路、模数转换、时钟、逻辑控制、主控单片机、接口芯片、电源、基准、其它调理电路、模数转换、时钟、逻辑控制、主控单片机、接口芯片、电源、基准、其它一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(典型介绍典型介绍)2).2).数字示波器数字示波器l采样率：采样率：500 MS/s500 MS/sl模拟带宽：模拟带宽：25 MHz25 MHzl记录长度：记录长度：2.5k 2.5k 点点l模拟通道：模拟通道：2 2一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(典型介绍典型介绍)模拟通道输入模拟通道输入BNCBNC、幅值档位、通道使能、纵向位置调整、横向位置调整、时间窗口、屏幕按钮、幅值档位、通道使能、纵向位置调整、横向位置调整、时间窗口、屏幕按钮外部触发输入外部触发输入BNCBNC、数据保存、自动设置、运行停止、光标控制、数学计算、数据输出接口、数据保存、自动设置、运行停止、光标控制、数学计算、数据输出接口USBUSB 3).3).数字微分模块数字微分模块 (速度转加速度速度转加速度)加速度信号输出速度信号输入系统供电+12V输出增益调节A=1+R8_3/R8_2，左侧为R8_3，右侧为R8_3数字增益设置数字IO口备用一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(典型介绍典型介绍)3.3.计算机控制系统的分类计算机控制系统的分类按照控制系统的功能可分为五大类：按照控制系统的功能可分为五大类：1 1 1 1）数据采集系统）数据采集系统）数据采集系统）数据采集系统 尽管数据采集系统不属于控制的范畴，但是计算机控制系尽管数据采集系统不属于控制的范畴，但是计算机控制系统总是离不开数据采集，它是了解被控对象的一种必要手段。统总是离不开数据采集，它是了解被控对象的一种必要手段。被测对象S/HAD微型计算机模拟数字12n显示打印报警一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(控制系统分类控制系统分类)2 2 2 2）数字控制系统）数字控制系统）数字控制系统）数字控制系统被控量X0设定值X1控制器执行器被控对象测量部件变换器+_b 闭环控制系统闭环控制系统X0X1控制器D/A被控对象A/D+_数字计算机 数字控制系统数字控制系统执行器一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(控制系统分类控制系统分类)3 3 3 3）监督控制系统（源于工矿部门）监督控制系统（源于工矿部门）监督控制系统（源于工矿部门）监督控制系统（源于工矿部门）监督计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，给出工艺参数监督计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，给出工艺参数的最佳值，作为控制器的给定值，监督控制的效果取决于数学模型的最佳值，作为控制器的给定值，监督控制的效果取决于数学模型的精确程度。离线工作，不参与过程控制。的精确程度。离线工作，不参与过程控制。4 4 4 4）分级控制系统）分级控制系统）分级控制系统）分级控制系统 计算机控制系统不单纯包含控制功能，而且包含了生产管理和计算机控制系统不单纯包含控制功能，而且包含了生产管理和指挥的功能。指挥的功能。5 5 5 5）分布控制系统）分布控制系统）分布控制系统）分布控制系统 以微处理器为核心，实现地理上和功能上分散的控制，通过高以微处理器为核心，实现地理上和功能上分散的控制，通过高速通讯网络将分散信息集中起来，集中监控操作并实行高级复杂规速通讯网络将分散信息集中起来，集中监控操作并实行高级复杂规律的控制。律的控制。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(控制系统分类控制系统分类)分布控制系统举例分布控制系统举例分布控制系统举例分布控制系统举例一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(控制系统分类控制系统分类)4.4.数据采集与控制的发展趋势数据采集与控制的发展趋势1 1 1 1）专家智能化）专家智能化）专家智能化）专家智能化嵌入式计算机嵌入式计算机l 采集系统深程度与采集系统深程度与 微处理机微处理机 相结合，使之不相结合，使之不仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自仅具有检测功能，还具有信息处理、逻辑判断、自我诊断、以及我诊断、以及“思维思维”等人工智能，就称之为系统等人工智能，就称之为系统的智能化。的智能化。借助于半导体借助于半导体 集成化技术，把传感器部分与信集成化技术，把传感器部分与信号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在号预处理电路、输入输出接口、微处理器等制作在同一块芯片同一块芯片 上，即成为大规模集成智能数采模块。上，即成为大规模集成智能数采模块。智能数采模块，是数据采集技术与大规模集成电智能数采模块，是数据采集技术与大规模集成电路路 技术相结合的产物，它的实现将取决于数采技术技术相结合的产物，它的实现将取决于数采技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这数采模与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这数采模块具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产块具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点，是重要的方向之一。和使用方便等优点，是重要的方向之一。传感器传感器 +嵌入式计算机嵌入式计算机 智能传感器智能传感器一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(趋势趋势)2 2 2 2）微型化、大规模集成化）微型化、大规模集成化）微型化、大规模集成化）微型化、大规模集成化 由于计算机技术的发展，辅助设计由于计算机技术的发展，辅助设计(CAD)(CAD)技术和技术和 集成电路技术集成电路技术 迅速迅速发展，微机电系统（发展，微机电系统（MEMS)MEMS)技术技术 应用于传感器等技术，从而引发了采集应用于传感器等技术，从而引发了采集系统微型化、大规模集成化。系统微型化、大规模集成化。一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(趋势趋势)AT89C51AT89C51W77E58W77E58SOC C8051FSOC C8051FARM STM32ARM STM32动圈式麦克风动圈式麦克风电容式传声器电容式传声器MEMS MEMS 数字咪头数字咪头PDMPDM音频解码音频解码3 3 3 3）多机应用）多机应用）多机应用）多机应用 一个数据采集或自动控制系统中，应用的微机不止一台，构成纵向的一个数据采集或自动控制系统中，应用的微机不止一台，构成纵向的多级系统或横向的分布系统。可完成更为复杂、繁多的任务；可分布在不多级系统或横向的分布系统。可完成更为复杂、繁多的任务；可分布在不同地域。同地域。4 4 4 4）无线网络化）无线网络化）无线网络化）无线网络化 随着通讯技术的发展，无线技术随着通讯技术的发展，无线技术的广泛应用，的广泛应用，WLAN/GPRS/GPSWLAN/GPRS/GPS技术也技术也应用到数据采集。在航天技术中，人应用到数据采集。在航天技术中，人们通过卫星把传感器的采集数据发回们通过卫星把传感器的采集数据发回地面，从而了解到太空中的情况。地面，从而了解到太空中的情况。基于基于IEEE 802.3 IEEE 802.3 工业以太网工业以太网网络式振动传感器网络式振动传感器一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(趋势趋势)一一.数据采集与控制系统概论数据采集与控制系统概论(资料资料)1).1).数据采集与控制数据采集与控制 詹宏英，黑龙江科学技术出版社詹宏英，黑龙江科学技术出版社2).2).数据采集与控制技术数据采集与控制技术 唐光荣等，清华大学出版社唐光荣等，清华大学出版社3).3).数据采集与控制系统数据采集与控制系统 赵负图，北京科学技术出版社赵负图，北京科学技术出版社4).4).数据采集系统的设计与实践数据采集系统的设计与实践 周振安等，地震出版社周振安等，地震出版社5.5.参考资料参考资料在校园网中文图书资料在校园网中文图书资料在校园网中文图书资料在校园网中文图书资料 超星超星超星超星 下载电子书下载电子书下载电子书下载电子书1.1.信号信号信号（信号（signalsignal）：）：随随 时间时间 或或 空间空间 变化的物理量。变化的物理量。信号是信息的信号是信息的 载体载体，信息是信号的，信息是信号的 内容内容。依靠信号实现依靠信号实现 电、光、声、力、温度、压力、流量等电、光、声、力、温度、压力、流量等 的传输的传输由于：电信号易于变换、处理和传输，由于：电信号易于变换、处理和传输，非电信号非电信号 电信号电信号。信号分析与处理（信号分析与处理（signal analysis and processingsignal analysis and processing）不考虑信号的具体物理性质，将其抽象为不考虑信号的具体物理性质，将其抽象为 变量之间的函数关系变量之间的函数关系，从数学上加以分析研究，从中得出具有普遍意义的结论。从数学上加以分析研究，从中得出具有普遍意义的结论。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念信信号号1.1 1.1 信号的一般性分类信号的一般性分类二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)n确定性信号确定性信号：能用明确的：能用明确的 数学关系式数学关系式 或或 图像表达图像表达 的信号称为的信号称为确定性信号。确定性信号。确定性信号和非确定性信号确定性信号和非确定性信号二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)mx(t)0 x(t)f f0 0Atk周期信号周期信号(period signal)：依一定的时间间隔周而复始、：依一定的时间间隔周而复始、重复出现；无始无终。重复出现；无始无终。周期周期：满足上式的最小满足上式的最小T 值。值。频率频率(frequency)：周期的倒数，周期的倒数，f=1/T，单位：（，单位：（Hz 赫兹）赫兹）圆频率圆频率/角频率角频率：频率乘以频率乘以2,即即 =2 f=2 /T实际应用中，实际应用中，n 通常取为正整数。通常取为正整数。数学表达：数学表达：T0=2/0=1/f0二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)(a)正弦信号：正弦信号：(b)复杂周期复杂周期信号信号：x(t)=Asin0.5 t+Asin t+Asin2 tx(t)t0tT0Ax(t)00二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)这种频率单一的正弦或余弦信号称为这种频率单一的正弦或余弦信号称为 谐波信号谐波信号。谐波谐波(harmonious)信号信号 常用特征参量：均值、绝对均值、均常用特征参量：均值、绝对均值、均 方差值、均方根值（有效值）和均方值（平均功率）方差值、均方根值（有效值）和均方值（平均功率）描述。描述。一般周期信号一般周期信号（如周期方波、周期三角波等）由多个乃至无（如周期方波、周期三角波等）由多个乃至无穷多个频率成分（频率不同的谐波分量）叠加所组成，叠加穷多个频率成分（频率不同的谐波分量）叠加所组成，叠加后存在公共周期。后存在公共周期。准周期信号准周期信号(quasi-periodic signal)也由多个频率成分叠加而也由多个频率成分叠加而成，但不存在公共周期。成，但不存在公共周期。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)一般一般 非周期信号非周期信号 是在是在有限时间段存在有限时间段存在，或，或随着时间的增随着时间的增加而幅值衰减至零加而幅值衰减至零的信号，又称为的信号，又称为瞬变非周期信号瞬变非周期信号。t例：准周期信号例：准周期信号二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)x(t)ttx(t)瞬变信号瞬变信号：在有限时间段存在，或随时间的增加幅值衰减在有限时间段存在，或随时间的增加幅值衰减至零。至零。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)非确定性信号非确定性信号又称为随机（又称为随机（random）信号，是无法用明确）信号，是无法用明确的数学关系式表达的信号。如：的数学关系式表达的信号。如：加工零件的尺寸加工零件的尺寸机械振动机械振动环境的噪声等环境的噪声等 根据是否满足平稳随机过程的条件，非确定性信号又可以分根据是否满足平稳随机过程的条件，非确定性信号又可以分为：为：平稳随机信号平稳随机信号非平稳随机信号非平稳随机信号 二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)t0 x(t)随机信号：白噪声随机信号：白噪声t0 x(t)随机信号：随机信号：叠加白噪声的正弦信号叠加白噪声的正弦信号非确定性信号。非确定性信号。具有不重复性（在相同条件下，每次观测的结果都不一样）、不具有不重复性（在相同条件下，每次观测的结果都不一样）、不确定性、不可预估性。确定性、不可预估性。采用概率和统计的方法进行描述。采用概率和统计的方法进行描述。l 随机信号随机信号二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)1.2 1.2 连续（连续（continuouscontinuous）信号和离散（）信号和离散（discretediscrete）信号）信号t0连续信号连续信号t0离散信号离散信号连续信号连续信号离散型号离散型号模拟信号模拟信号(信号幅值和独立变量均连续信号幅值和独立变量均连续)一般连续信号一般连续信号(独立变量连续独立变量连续)数字信号数字信号(信号幅值和独立变量均离散信号幅值和独立变量均离散)一般离散信号一般离散信号(独立变量离散独立变量离散)二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)1.3 1.3 能量信号和功率信号能量信号和功率信号 如周期信号、准周期信号、随机信号等。如周期信号、准周期信号、随机信号等。l 信号的瞬时功率：信号的瞬时功率：l信号能量：信号能量：l能量（有限）信号：能量（有限）信号：l 功率（有限）信号功率（有限）信号：信号在有限区间信号在有限区间（t1,t2）上的平均功率上的平均功率：如各类瞬变信号。如各类瞬变信号。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)1.4 1.4 单端信号、差分信号单端信号、差分信号 二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)差分信号差分信号 是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根是一种信号传输的技术，区别于传统的一根信号线一根地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅地线的做法，差分传输在这两根线上都传输信号，这两个信号的振幅相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。相等，相位相反。在这两根线上传输的信号就是差分信号。单端信号单端信号 是相对于差分信号而言的是相对于差分信号而言的,单端输入指信号有一个参考单端输入指信号有一个参考端和一个信号端构成端和一个信号端构成,参考端一般为地端。参考端一般为地端。Signal=(V+)-(V-)Signal=(V+)-(V-)Signal=(V)-(GND)Signal=(V)-(GND)1.5 1.5 双极信号、单极信号双极信号、单极信号 二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号信号)双极信号双极信号 信号可为正值，也可为负值。信号可为正值，也可为负值。-5V-5V5V -10V5V -10V10V10V 单极信号单极信号 通常指信号只为正值或零。通常指信号只为正值或零。0V0V5V 0V5V 0V10V10V+-GND+5VIN+IN-+-5V+5VIN+IN-2 2 信号的传输信号的传输二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)n电信号怎样传输？电信号怎样传输？n流动：流动：通过信号自身的运动，从一处到达另一处通过信号自身的运动，从一处到达另一处n波动：波动：通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处通过第三方不断接替，使信号从一处到达另一处n哪些电信号能够被传输哪些电信号能够被传输n能量型信号：电压、电流、电荷能量型信号：电压、电流、电荷n参数型信号：电阻、电容、电感参数型信号：电阻、电容、电感n电信号传输介质电信号传输介质n流动：有线式传输流动：有线式传输 电缆：可用来传输电荷电缆：可用来传输电荷/电流电流 光缆：可用来传输光光缆：可用来传输光n波动：无线式传输波动：无线式传输 空间：电磁波、无线波空间：电磁波、无线波n电信号传输形式电信号传输形式n模拟式：直接传输。模拟式：直接传输。n数字式：对信号首先编码，然后传输。数字式：对信号首先编码，然后传输。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)n电缆电缆电阻值：电阻值：0.0330.033欧姆欧姆/米；电容值：米；电容值：30pF/30pF/米米工作频带窄、传输速率低、保密性能差工作频带窄、传输速率低、保密性能差n光缆光缆工作频带宽、传输速率高、保密性能好工作频带宽、传输速率高、保密性能好n空间空间工作频带受限、传输距离大、保密性能差工作频带受限、传输距离大、保密性能差二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)因传输引起的信号失真因传输引起的信号失真n分析模型分析模型失真评价eoeirlcrrccll有线传输：电缆有线传输：电缆二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)改善传输线路受外部电磁产生的干扰电流影响改善传输线路受外部电磁产生的干扰电流影响技术技术1 1：改电压传输为电流传输，降低负载阻抗改电压传输为电流传输，降低负载阻抗1374-20mA电流转换电路传输系统用电源传输系统用电源数字式电流表热电偶中央控制室4-20mA的电流环路的电流环路改善技术：改善技术：干扰电流在低阻抗的负载上产生的干扰电势差变小干扰电流在低阻抗的负载上产生的干扰电势差变小电流传输适用于频率较低的测试信号电流传输适用于频率较低的测试信号二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)有线传输：电缆有线传输：电缆改善传输线路受外部电磁产生的干扰电流影响改善传输线路受外部电磁产生的干扰电流影响技术技术2 2：数字信号传输法，减少模拟线路长度：数字信号传输法，减少模拟线路长度改善机制：改善机制：建立在有/无脉冲的机制上。只要能检测出脉冲的有/无，即使脉冲的大小和精确形状受到传输介质的严重损害，也不会影响到数字传输系统的精度。优点：优点：可搭载传输，如电力网、电话网等。放大器A/D转换控制门信号传输译码器编码器D/A转换模拟输入模拟输出编码方式：脉宽频率二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)有线传输：电缆有线传输：电缆传输系统传输系统保密评价：不使光纤发生故障而进入光纤是十分困难的。保密评价：不使光纤发生故障而进入光纤是十分困难的。抗干扰评价：光纤不会受到来自诸如闪电或电源开关的电磁干扰的抗干扰评价：光纤不会受到来自诸如闪电或电源开关的电磁干扰的影响。影响。安全评价：光纤不会产生火花。因此光缆甚至可放在天然气管道中。安全评价：光纤不会产生火花。因此光缆甚至可放在天然气管道中。传输距离：几米至传输距离：几米至3030公里。公里。电/光转换光/电转换光缆传输模/数信号数/模信号二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)有线传输：光缆有线传输：光缆二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)无线传输（调频、调幅）无线传输（调频、调幅）调频：载波瞬时频率随调制信号而变的调制方法。广泛用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路和扫频仪等方面。对调频器的基本要求是调频频移大、调频特性好、寄生调幅小。调频波基本特征是载波的振荡幅度保持不变，振荡频率随调制信号而变。调频（FM）就是高频载波的频率不是一个常数，是随调制信号而在一定范围内变化的调制方式，其幅值则是一个常数。与其对应，调幅就是载频的频率是不变的，其幅值随调制信号而变。解调器调制器载波振荡器交流放大器低通滤波器低频模拟信号载波高频信号载波信号传输低频模拟信号解调高频信号同步解调二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)无线传输（调制无线传输（调制-解调）解调）目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)无线传输（调幅无线传输（调幅-解调过程）解调过程）调幅将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号变化缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号l l幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)电压电压/频率转换频率转换 V-FV-F电源公共端输入电流输入电压基准电压R2R1R1R3电压微调积分器定时基准精密电荷分配器脉冲输出电路电源R1R1原理：积分电容器的充电速度与积分器的输入信号成正比，积分器的输出与一门限电压相比，一旦超出门限，便产生一面积精确已知的脉冲。于是，一固定的电压便产生与其成正比的一输出脉冲系列。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)输入输入(电压电压)与输出与输出(频率频率)成正比成正比失调电压调整滤波电容电流放大器自适应式滤波器精密电荷分配器比较器频率输入参考输入汇流点满刻度调整满刻度微调输出原理：频率电压从比较器输入，电容器将交替地由精密参考电压充电并通过下一级放大器的汇流点放电。每一个充电/放电周期都有固定数量的电荷受到控制。输入频率越高，流入汇流点的平均电流就越大。然后再有电流放大器的反馈电阻完成电流/电压转换。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)频率频率/电压转换电压转换 F-VF-V输入输入(频率频率)与输出与输出(电压电压)成正比成正比信号传输总结信号传输总结n传输的实质是移动、本质是能量传输的实质是移动、本质是能量n流动：电流；波动：频率流动：电流；波动：频率n电信号传输电信号传输n模拟式：有损耗，影响信号精度；模拟式：有损耗，影响信号精度；n数字式：有损耗，但不影响信号精度。数字式：有损耗，但不影响信号精度。n传输介质传输介质n与电磁有关的介质：电缆、空间与电磁有关的介质：电缆、空间n与电磁无关的介质：光缆与电磁无关的介质：光缆n传输调理传输调理n数字调理；数字调理；(AD(AD数字量化数字量化)n频率调理；频率调理；(F-V,V-F(F-V,V-F，调制解调，调制解调)n电光调理。电光调理。(V-I(V-I，电，电-光纤光纤)二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号传输信号传输)调理的目的：调理的目的：便于信号的传输与处理便于信号的传输与处理 1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)3 3 3 3 信号的调理信号的调理信号的调理信号的调理 某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理，提高信号抗干扰能力。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)调理的目的：调理的目的：便于信号的传输与处理便于信号的传输与处理 3 3 3 3 信号的调理信号的调理信号的调理信号的调理虽然传感器可将非电物理量转换为电物理量，但非电压型物理量（电参数）需要进一步调理成电压型物理量，以便检测信号的放大和传输；电阻、电容、运算放大器既是基本的调理器件，又是信号数学运算的基本器件；在大多测量系统中包含由电桥、滤波器、调制与解调器和信号放大器组成的测量电路；二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)信号调理概述信号调理概述信号调理概述信号调理概述 n问题的提出问题的提出n何种形式的电信号能够被读何种形式的电信号能够被读取取n电量型电量型直接输出电能：直接输出电能：电压电压电压电压、电流、电流/电荷电荷n电参数型电参数型改变电路参数：改变电路参数：电阻、电感、电容电阻、电感、电容n解决问题的途径解决问题的途径n将电信号转换成电压信号将电信号转换成电压信号电流电流 电压电压电荷电荷 电压电压电阻电阻 电压电压电感电感 电压电压电容电容 电压电压二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)信号调理概述信号调理概述信号调理概述信号调理概述 nIRIR调理理 电阻、阻、电桥、放大器、放大器nQ/RC/VQ/RC/V调理理电荷、荷、RCRC回路、放大器回路、放大器nQ/VQ/V调理理 放大器放大器信号的调理主要讨论内容信号的调理主要讨论内容信号的调理主要讨论内容信号的调理主要讨论内容二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l电流式传感器的调理电流式传感器的调理u流过电阻产生电压；（流过电阻产生电压；（4-20mA4-20mA）u采用运算放大器获得线性特性；（电流转电压）采用运算放大器获得线性特性；（电流转电压）l电阻式传感器的调理电阻式传感器的调理u恒流源流过电阻产生电压；（恒流源流过电阻产生电压；（ICP/IEPEICP/IEPE传感器）传感器）u运用电桥电路的桥臂失衡获得电压。（应变片）运用电桥电路的桥臂失衡获得电压。（应变片）二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)IRIRIRIR（微动信号驱动）调理（微动信号驱动）调理（微动信号驱动）调理（微动信号驱动）调理n适用的传感器适用的传感器n电阻式传感器电阻式传感器电位计电位计应变应变热电热电n电流式传感器电流式传感器光电传感器光电传感器n电阻式调理所需器件电阻式调理所需器件n恒流源恒流源n电桥电路电桥电路n电流式调理所需器件电流式调理所需器件n电阻电阻n放大器放大器二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)IRIRIRIR（微动信号驱动）调理（微动信号驱动）调理（微动信号驱动）调理（微动信号驱动）调理n电容器收集电荷；（电荷放大器）电容器收集电荷；（电荷放大器）n电荷通过电阻放电，在电阻两端测量电压；（高阻抗前电荷通过电阻放电，在电阻两端测量电压；（高阻抗前置放大器）置放大器）n利用运算放大器的特性，直接获得电压。利用运算放大器的特性，直接获得电压。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)Q/RC/VQ/RC/VQ/RC/VQ/RC/V调理调理调理调理(电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器)n适合的传感器适合的传感器n电荷式传感器电荷式传感器n压电型传感器压电型传感器n采用的调理器件采用的调理器件nRCRC电路电路并联组合并联组合并联组合：输出电荷大、输出电容并联组合：输出电荷大、输出电容大、输出阻抗低、时间常数大大、输出阻抗低、时间常数大串联组合串联组合串联组合：输出电压大、输出电串联组合：输出电压大、输出电容小、输出阻抗高、时间常数小容小、输出阻抗高、时间常数小例：压电传感器例：压电传感器二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)Q/RC/VQ/RC/VQ/RC/VQ/RC/V调理调理调理调理(电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器)RCemeQV压电传感器、电缆、和电压放大器组成的等效电路 总电荷的一部分使电容充电，另一部分经电阻漏损掉，并在电阻上产生压降二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)压电传感器需要与电压放大器相配，不适合测量静态参数；测量低频动态参数时，电压放大器的输入电压与力和频率成正比关系；测量高频动态参数时，电压放大器的输入电压不再随输入参数的频率变化，只随作用力的大小而改变。Q/RC/VQ/RC/VQ/RC/VQ/RC/V调理调理调理调理(电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器电荷式、压电式传感器)被测量经传感器转换后输出的信号一般均较弱，很难直接用于控制或A/D变换，为此在测量电路中常有模拟放大环节。-目前主要依靠由集成运算放大器为基本元件构成具有各种特性的放大器。-此外，通过特定的运放可以解决部分传感器输出的非线性问题。为何要进行信号的放大l l 信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)n电阻、电容、半导体器件等电子元件，是实现信号数学运算的基本器件；n运算放大器的特性，为实现信号运算提供了技术基础；n信号的数学运算均可通过基本器件和运算放大器的组合来实现。放大电路多采用运算放大器，放大器是一种集成电路组成的电子器件，具有输入阻抗高、可靠性高等特点，应用广泛。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l 信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大(运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器)u能用于数学运算的放大器称运算放大器，简称运放。运放是对模拟信号处理的基本元件之一。u集成运放实际上是一个高增益(104107)、高输入阻抗(数千欧至数十兆欧)、低输出阻抗(小于 100)的直流放大器。一般由输入级、中放级和输出级三部分组成。u为便于运放的电路分析，常将运放理想化，称理想运算放大器。亦即将其看成增益天穷、输入阻抗无穷、输出阻抗为零的放大器u 利用理想运放条件分析、设计电路，易掌握电路的基本工作原理。但与实际运放存在误差。（这种误差在一般工程中可以忽略）二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l 信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大(运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器)分类分类放大器放大器直流放大器交流放大器电荷放大器直流电桥特点特点交流电桥低频保留，高频截止高频保留，低频截止直流差分信号交流差分信号高输入阻抗、增益为1二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l 信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大(运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器)l负载效应负载效应 (阻抗匹配阻抗匹配)o测试环节相互之间的影响测试环节相互之间的影响 输入电阻与输出电阻对于组成测量系统的各环节而言尤为重要输入电阻与输出电阻对于组成测量系统的各环节而言尤为重要希望前级输出信号无损失地向后级传送希望前级输出信号无损失地向后级传送 前级输出电阻为零，后级输入电阻理想值为无穷大前级输出电阻为零，后级输入电阻理想值为无穷大各环节之间设置各环节之间设置阻抗变换器阻抗变换器以消除相互影响以消除相互影响输入输入X输出输出Y输出电阻输出电阻输入电阻输入电阻负载负载二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)(1)(1)电压放大器电压放大器反相端输入比例放大器传递函数Zf、Z分别为Rf、R的阻抗-VoZZf+Vi i反相放大器二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l 信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大(运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器)反相放大器的增益若Rf=R,则为 反相跟随器反相跟随器，即V0=-Vi。反相放大器是一种近似比例运算。即放大器的输入电压减少时，输出的电压也随之成一定比例减少 可见,理想运放条件下的反相端输入比例放大器的增益 Ao，完全由运放外电路电阻Rf 和R 决定。实际上，R 还应包括输入信号源 Vi 的内阻。负号表示输出信号V0与输入信号Vi 的相位相反 二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l 信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大信号的运算与放大(运算放大器运算放大器运算放大器运算放大器)电压电压放大器放大器放大器放大器应应用用用用 反馈电阻Rf值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器直流反相端输入比例放大器直流反相端输入比例放大器二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)从减少误差的角度看，同相放大器的应用不如反相放大器广泛，但由其增益特性看，输入电阻R增加时，输出电压会减少。G=1G=1，正相跟随器，正相跟随器-VoVoR RR Rf f+ViVi同相放大器同相放大器的增益同相端输入比例放大器同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)电压电压放大器放大器放大器放大器应应用用用用 交流集成运放电路交流集成运放电路 R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL确定 若只需要放大交流信号，可采用交流电压同相集成运放（图）。其中C1、C2及C3为隔直电容。二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)利用同相或反相放大器，可实现：比例 加法 减法 积分 微分 对数 反对数 等应用运算-V Vo oR RR Rf f+V Vi i放大器交、直流电压放大器应用交、直流电压放大器应用交、直流电压放大器应用交、直流电压放大器应用 二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l比例电路比例电路比例电路比例电路l l加法、减法电路加法、减法电路加法、减法电路加法、减法电路n相加eoRRRRRei1ei3ei4ei2n相减ei1ei2eoRRRR二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l积分和微分运算放大器积分和微分运算放大器积分和微分运算放大器积分和微分运算放大器n积分n微分CReieoRCeieo二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)n对数Reieon反对数eoeiRKT 晶体管共基极电流放大倍数Is 三极管基极-射电极间的反向饱和电流q 电子电荷，对数放大器是利用了二极管的管压降VD 与通过二极管的电流ID 成对数的关系。l l对数和反对数放大器对数和反对数放大器对数和反对数放大器对数和反对数放大器二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)反对数对数对数反对数对数对数对数反对数乘法乘方除法二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l对数和反对数变换电路的应用对数和反对数变换电路的应用对数和反对数变换电路的应用对数和反对数变换电路的应用测量放大器（普通运放、差分放大器、仪表放大器）隔离放大器信号变换电路二二.数采与控制系统基本概念数采与控制系统基本概念(信号调理信号调理)l l工程中常用的放大器工程中常用的放大器工程中常用的