《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。
“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PGA
13-2-8 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：
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。
动态信号须接S/H 静态信号不接S/H
2、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
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
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
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：
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。
二、超限报警处理程序
图13-3-2
13.4 标度变换
13.4.1 线性测量通道的标度变换 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Ni
２、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
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、求法：
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。
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，
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 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：
2）滤波器陡度
图 13-2-4 去混淆滤波器伯德图
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m
N N N N (D D ) D D
H H i L i L L
L
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
13.5 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。
13.7.2 MAX134配单片机构成智能万用表
图13-7-1 MAXl34配8031单片机构成的智能万用表原理框图
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
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)+a0Δθ 2、较精确的温度误差修正模型 y c=y(1+a0Δθ+a1Δθ２)+a2Δθ+a3Δθ２
13.7 微机化仪表实例——智能万用表
13.7.1 数字万用表集成芯片MAX134
MAX134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。