《传感器检测技术及仪表》第13章PPT

第13章智能检测仪表13.1智能仪表的基本组成13.1.1智能仪表的硬件组成13.1.2智能仪表的软件结构13.2测量通道的总体设计13.2.1测量通道的基本组成与类型一、基本组成二、基本类型１、集中采集式多路被测信号分别经各自的传感器和信号调理电路组成的通道分时地进入共用的数据采集电路，依次转换成数字并送入微机。２、分散采集式每一路信号各用一个数据采集电路，采集的数据按一定顺序输入计算机。13.2.2传感器的选用1、传感器应适应于测量对象与测量环境；2、传感器的转换范围（幅度范围、频率范围）与要求的测量范围一致；3、传感器的转换精度一般应为整机总精度（相对误差）的十分之一；4、传感器应满足用户对可靠性和可维护性的要求。13.2.3信号调理电路的参数设计和选择图13-2-2典型调理电路的组成框图一、前置放大器1、电路噪声的概念（1）输出噪声――在没有信号输入时，电路输出端输出的波动电压有效值VON（2）等效输入噪声――电路的输出噪声VON折算到该电路的输入端（除以该电路的增益K）的电平值VIN。电路输入端的信号幅度VIS应大于该电路的等效输入噪声，2、前置放大器的作用——减小等效输入噪声3、对前置放大器的要求：（1）低噪声：（2）放大倍数：在保证A/D不溢出前提下尽可能取大些（3）位置――应放在RC有源滤波器前面图13-2-4去混淆滤波器伯德图二、去混淆滤波器1、“混淆”的定义2、去混淆滤波的位置——在采样开关前面3、对去混淆滤波器的要求:1）截止频率2）滤波器陡度3）电路结构――通常采用n阶巴特沃斯低通滤波器13.2.4采集电路组成模块和方案的选择一、数据采集电路组成模块的选择1、多路模拟开关——集成MUX（1）MUX的功能：采样开关多选一开关（2）减小串音的措施：前面接电压跟随器选好MUX减少信号路数m２、A/D转换器1）位数m的选择取决于转换的模拟电压动态范围L和要求的转换精度δ。2）速度的选择取决于转换的模拟信号的最高频率fmax和A/D转换的信号道数N低速A/D：逐次逼近型，Σ-Δ型中速A/D：双积分型，Σ-Δ型高速A/D：并行比较型，Σ-Δ型3、采样/保持器1）采样/保持器的功能“采样”状态下，电路的输出跟踪输入模拟信号，“保持”状态下，电路输出保持着采样结束时刻的输入信号的瞬时值。2）采样/保持器的设置原则①被测量若是静态或变化缓慢，则A/D转换器前无需加设采样/保持器。②被测量若是变化的，则A/D转换器前必需加设采样/保持器，A/D转换器在采样/保持器的保持阶段内进行和完成A/D转换。二、采集电路组成方案的选择1、集中采集电路的组成方案集中式采集电路组成方案的选择被测信号为静态信号就不需要设置采样/保持器各路信号幅值相同就不需要设置程控增益放大器PGA13-2-8两类测量通道的对比两类测量通道的对比13.2.5测量通道与微机的接口一、A/D与微机接口1、A/D与模拟电路连接：动态信号须接S/H静态信号不接S/H2、A/D与微机连接：A/D与微机联络方式：中断方式查询方式定时方式二、脉冲信号与微机接口图13-2-9脉冲信号与8031单片机的接口13.3量程自动切换与超限自动报警13.3.1量程自动切换一、量程判别方法――与数字式仪表相同1、采用模拟比较或数字比较2、利用A/D转换器的“过量程”和“欠量程”指示信号二、量程的切换方法――通过程序改变程控增益放大器PGA的增益整个测量通道的总增益K（程控增益放大器的增益包括其内）满足以下条件：三、量程自动切换程序流程13.3.2超限自动报警一、超限处理原则：1、连续超上限n次或连续超下限n次，则报警并转手动操作；2、超上限或超下限但未达到连续n次，只执行超限处理：把上次采样值作为本次采样值，将表示采样不正常的标志位FLAG置1，系统并不报警且仍处于自动采样状态。3、既不超上限也不超下限，按正常情况处理：把本次采样值送入存储单元，将表示采样不正常的标志位FLAG置0，二、超限报警处理程序图13-3-213.4标度变换13.4.1线性测量通道的标度变换DDNNDDNNLHLHLiLi)(13.4.2非线性测量通道的标度变换一、非线性通道校正为线性通道后进行标度变换二、利用已知的非线性转换公式进行标度变换三、采用非线性校正软件算法进行标度变换一、仪器校准给仪器输入两个标准的被测量XH=X1NH和XL=X1NL(X1是X的显示单位)，记下对应的A/D转换结果DH和DL，把这两对校准实验数据(NH，DH)，(NL，DL)存在内存中。二、标度变换――从A/D转换结果Di计算出被测量的数值Ni13.5非线性校正软件算法软件算法的基本思想从A/D送入微机的原始测量数据x，计算出与被测量的“真值”y相等或近似的数据z，作为测量结果显示出来。要求：z=y或误差ε=｜z-y｜在允许范围之内。软件算法的数据来源――“标定”实验：在规定的实验条件下，给检测系统逐次加入一个个已知的标准的被测量y1,y2…yn，并记下对应的A/D转换结果x1,x2…xn。这样就获得n对“标定”数据(xi,yi)，(i=1,2…n)。这些“标定”数据就是描述y=f(x)的离散形式。13.5.1查表法一、建表：在存储器中建立标定数据表(xi,yi)，(i=1,2…n)二、查表：根据A/D转换结果xi去访问该存储地址，读出该地址中存储的yi即为被测量的显示值z，或按线性内插公式计算出显示数据z：13.5.2插值法一、插值函数1、定义：满足以下条件的φ(x)称为f(x)的插值函数。第一，φ(x)的表达式比较简单，便于计算机处理。第二，z=φ(x)与y=f(x)有若干个相交点，即满足φ(xk)=f(xk)xk称为插值节点2、求法：设φ(x)为m次多项式从标定数据中，选取m+1个插值点(xk,yk)(k=0,1,2,…m)，求解m+1个方程：逐一确定多项式的系数a0,a1,…am。m=1称为线性插值，m=2称为抛物线插值13.5.2插值法一、线性插值1、端基直线13.5.2插值法一、线性插值1、端基直线2、分段折线13.5.3拟合法插值法要求z=φ(x)与y=f(x)有若干个相交点拟合法要求z=φ(x)与y=f(x)的误差最小。一、最小二乘法设被逼近函数为f(x),逼近函数φ(x),xi为x上的离散点，在最小二乘意义上使误差最小化二、最佳拟合直线13.6温度误差的软件校正法一、零点补偿先把检测到的零漂值存入内存中，在每次的测量中再减去这个零漂值。二、零漂的自动跟踪补偿――用跟踪到的零漂值对被测量的采样值进行修正1、每次测量采样测一次零漂，将其存入内存，用于下次采样值的零漂修正2、对每次采样值作一些比较、处理、判断，得到最新当前漂移值，用以对当前采样值作零漂修正。三、传感器的温度误差修正1、简单的温度误差修正模型yc=y(1+a1Δθ)+a0Δθ2、较精确的温度误差修正模型yc=y(1+a0Δθ+a1Δθ２)+a2Δθ+a3Δθ２13.7微机化仪表实例——智能万用表13.7.1数字万用表集成芯片MAX134MAX134是专配微处理器的数字万用表（DMM）集成芯片。只需配上4位、8位或16位微处理器就可构成智能万用表或其它智能仪表。芯片内部包含A／D转换器和衰减器量程开关、蜂鸣驱动器、电池电量不足检测器、有源滤波器、模拟电源与数字电源等辅助电路。MAX134不能单独使用。在构成智能仪器仪表时，前面应接模拟电路(如基准电压源、AC／DC转换器、分压器、分流器等)，后面则应接微处理器(μP)。MAX134具有完善的数字接口，带BCD输出。配微处理器(μP)后能实现多达20种功能。MAX134采用多重积分式A／D转换，最大计数值通常取±39999(4-3/4位)。测量单极性信号时可提高到79999。图13-7-1MAXl34配8031单片机构成的智能万用表原理框图13.7.2MAX134配单片机构成智能万用表MAXl34和8031单片机的连接方式图13-7-3智能万用表主程序流程图