电工电子学课件第7章测量和数据采集系统

第7章上页下页返回7.1.1常用电工测量仪表的分类7.1电量测量7.1.2测量误差和仪表准确度7.1.3电流、电压和功率的测量7.1.1常用电工测量仪表的分类直读式仪表能直接指示被测量的大小，又分为模拟式仪表和数字式仪表。第7章上页下页电工测量仪表按测量方法分为直读式和比较式仪表。比较式仪表（例如直流电桥、直流电位差计、交流电桥）是将被测量和已知的标准量进行比较，从而确定被测量的数值。返回上页下页第7章几种常见的测量仪表指针式万用表数字式万用表钳型电流表兆欧表返回1工作环境等级分A、B、C三组，其中A组（温度0℃+40℃,相对湿度80%以下）不在面板上标出；B——温度-20℃~+50℃，相对湿度85%以下；C——温度-40℃~+60℃，相对湿度98%以下。符号意义符号意义-直流仪表2或2kV绝缘强度实验电压2kV~交流仪表⊥或↑仪表直立放置_~交直流仪表︹或→仪表水平放置1.5或1.5准确度等级1.5级BC工作环境等级1第7章上页下页表7.1.1电工测量仪表上的几种符号及其意义返回第7章上页下页在用电工测量仪表进行测量时，仪表的读数和被测量的实际值之间总要存在一定的误差。误差的表示方法主要有绝对误差和相对误差：绝对误差是指仪表的指示值Ax与被测量实际值A0之间的差值，即△A=Ax-A07.1.2测量误差和仪表准确度γ=△AA0×100%相对误差是指绝对误差△A与被测量的实际值A0之间的差值，即返回第7章上页下页目前我国直读式电工测量仪表的准确度分为如表7.1.2所示五个等级。仪表的准确度是按仪表的最大相对额定误差来分级的，即：△Am相对额定误差：γm=Am×100%5.0表7.1.2各级仪表的最大基本误差仪表的准确度等级基本误差%0.1±0.10.2±0.20.5±0.51.0±1.01.5±1.52.5±2.5±5.0返回7.1.3电流、电压和功率的测量1.电流和电压的测量测量直流电流常用磁电式电流表测量直流电压常用磁电式电压表第7章上页下页圆柱型铁心FF磁电式仪表的结构示意返回第7章上页下页测量交流电流常用电磁式电流表，测量交流电压常用电磁电压表。电磁式仪表常采用推斥式结构。可动铁片固定铁片固定线圈电磁式仪表结构示意返回上页下页返回第7章2.功率的测量功率的测量常采用功率计直接测量。目前常用的是电动式功率计，它是电动式仪表的一种。固定线圈固定线圈可动线圈FF电动式仪表结构示意i2ii1**+-u功率计接线负载第7章上页下页返回7.2.1非电量电测法*7.2非电量电测法和数据采集系统的组成7.2.2数据采集系统的组成非电量电测法示意图上页下页第7章返回传感器非电量信号信号处理A/D转换模拟显示数字显示计算机7.2.1非电量电测法上页下页第7章返回7.2.2数据采集系统的组成传感器1模拟信号1滤波放大1S/H1传感器2模拟信号2滤波放大2S/H2A/D微机系统多路转换开关传感器n模拟信号3滤波放大nS/Hn数据采集系统的组成示意图第7章上页下页返回7.3.1有源滤波电路*7.3有源滤波器和测量放大电路7.3.2测量放大电路第7章上页下页返回7.3.1有源滤波电路RCRf一阶低通有源滤波电路R1ui负反馈网络同相输入比例放大电路1.低通有源滤波电路RC滤波环节上页下页第7章返回UO.=(1+RfR1)R-jωC1-jωC1Ui.=(1+RfR1)1+jωRCUi.=Af1+jωωcUi.=Af1+jωωc1√1+(ωωc)2=Af–arctanωωcH(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）幅频特性相频特性第7章上页下页返回H(jω)√1+(ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）幅频特性相频特性ω)(0ωω0-4π-2π0.707Af0ωωcH(jω)2.高通滤波电路RCRfR1uiUO.=(1+RfR1)R+jωC1Ui.RR+jωC1Ui.R=Af1-jωUi.=Afωc第7章上页下页返回=Af1-jωωc1H(jω)=Ui.UO.H(jω)√1+(ωωc)2=Af–arctan（ωωc（）ω=）第7章上页下页返回幅频特性相频特性0.707Af0ωωcH(jω)ω)(0ωωc4π2π第7章上页下页返回7.3.2测量放大电路输入电阻高、躁声低、稳定性好、精度及可靠性高、共模抑制比大、线性度好、失调小、并有一定的抗干扰能力。测量放大电路的作用将传感器送来的微弱信号进行放大，再送到后面电路去处理。对测量放大电路的要求第7章上页下页返回ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2用集成运放组成的测量放大电路差分放大电路同相输入同相输入iP第7章上页下页返回ui1uoR1ui2R1RPR2R2R3R3A1A2A3uo1uo2iPuo2–uo1=（R1+RPR1+）iP–=（1+2R1RP）（ui2ui1）uo=R3R2uo2–uo1（）–（1+2R1RP）（ui2ui1）=R3R2=ui1ui2–Aduo=R3R2（1+2R1RP）iP=ui1ui2–RP第7章上页下页返回7.4.1模拟开关*7.4模拟开关和采样-保持电路7.4.2采样-保持（S/H）电路第7章上页下页返回7.4.1模拟开关模拟开关用于传输模拟信号，它主要由控制电路和开关电路两部分组成。主要介绍由CMOS传输门构成的模拟开关和集成多路模拟开关。构成方式：双极型晶体管电路MOS场效应晶体管第7章上页下页返回UiUoCPCPUDDT1T2CPUoUiCPTGCMOS传输门电路图形符号模拟开关UoUiTG1DDUiUo第7章上页下页返回CC4051模拟开关CBA30UDD123456781615141312111091246COMMON75INHUEEUSSCC4051ABCINH电平转换电路译码电路12345670输出COMMON第7章上页下页返回7.4.2采样-保持（S/H）电路uoA2CuiA1uc（t）（t）（t）输入缓冲放大器模拟开关输出缓冲放大器保持电容第7章上页下页返回采样-保持电路波形图采样采样采样保持保持uiucuo（t）（t）（t）000ttt第7章上页下页返回7.5.1T型电阻网络D/A转换器7.5数/模(D/A)转换器7.5.2集成D/A转换器举例概述上页下页第7章返回传感器非电量信号信号处理A/D转换模拟显示数字显示计算机概述D/A转换执行机构非电量电测系统上页下页第7章返回D/A转换器的作用是将输入的数字信号转换成模拟量。7.5.1T型电阻网络D/A转换器实际上就是“译码”装置，它将输入数字的每一位二进制代码按权的大小转换为相应的模拟量。D/A的组成框图上页下页第7章返回电子开关电阻网络输入寄存器基准电压求和放大模拟量输出数字量输入T型电阻网络D/A转换器T型电阻网络D/A转换器梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于R。S为电子开关。当D=0时S接地；当D=1时S接“地”（虚地）。并行数字输入上页下页第7章模拟信号输出RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_返回基准电源电子开关T型电阻网络求和放大器RRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIUO－＋△8＋ABCDIo1Io2_++当D=0时S接地；当D=1时S接“地”（虚地），T型电阻网络的等效电路即不论模拟开关接到左边还是右边，电阻2R一端总是零电位。其等效电路如图：第7章上页下页RRUREFII=UREFR梯形电阻网络A、B、C、D任意一点，其右边的电阻网络等效电阻均等于R。返回I=UREFR上页下页第7章RRR2R2R2R2RI0I1I2I3UREFIABCDI0I1I2I3343222III2432222III1421222III0410222III2RRRR2R2R2R2R2RI0I1I2I3S0S1S2S3D0D1D2D3UREFIRfUO－＋△8＋ABCDIo1Io2++_Io1=I3I2I1I0+++=（D323+D222+D12124I+D020）UO=–RfI01=–（D323+D222+D12124RfI+D020）UO=–(D323+D222+D121+D020)UREFRf24RUO=–(Dn-12n-1+Dn-22n-2+…+D121+D020)UREFRf2nR返回上页下页第7章D/A的主要技术参数是指最小输出电压（对应的输入二进制数为1）与最大输出电压(对应的输入二进制数的所有位全为1)之比。例如十位数模转换器的分辨率为：分辨率=1/（2n-1）表示实际输出的电压值与理想的输出电压值之间的差别。从数码输入到模拟电压稳定输出间的时间称为转换速度。1210-1≈0.001※分辨率:※转换精度：※转换速度：返回CC7520外部引脚图Iout1、Iout2：电流输出端RF：反馈信号输入端UDD：电源输入端，5~10VGND：接地端UREF：基准电源，–10V~+10V上页下页第7章CC7520D/A转换器CC7520是10位CMOS电流开关型D/A转换器，其结构简单，通用性好。片内只含倒T型电阻网络、电子开关和反馈电阻RF，应用时外部要接参考电压源和运算放大器。引脚功能D9~D0：数字信号输入端Iout1Iout2GNDD9D8D7D6D5D4D3D2D1D0UDDUREFRF123456781615141312111097.5.2集成D/A转换器举例返回上页下页第7章CC7520D/A转换器应用电路12341615141312CC7520……D0D1D9UREFUDD++_U0UO=–(D929+D828+…+D121+D020)UREF210返回程控三角波/方波发生器……D8D7D0++_U01123416151413CC752056D9_++UREF+15VU02A1A2UO2UO1第7章上页下页返回1kR1R2CDZ10k20k第7章上页下页返回7.6.1逐次逼近型A/D转换器7.6模/数(A/D)转换器*7.6.2双积分型A/D转换器概述上页下页第7章返回A/D转换器的作用是将输入的模拟电压数字化。●●●●●●●●●●●●直接转换器：主要分为两大类：间接转换器：逐次逼近型、并联比较型等单积分型、双积分型等概述：7.6.1逐次逼近型A/D转换器顺序砝码重量比较判断砝码去留18g8g13g留128g+4g12g13g留138g+4g+2g14g13g去048g+4g+1g13g=13g留1逐次逼近的基本思想：类似于用天平称物上页下页第7章返回结果表示逐次逼近型A/D转换器原理框图上页下页第7章返回电压比较器输出数字量模拟信号输入参考电压逐次逼近寄存器D/A转换器节拍脉冲发生器输出寄存器CP四位D/A转换器1DQCDQCDQCDQC+C4C3C2C1C0SDJKRDCQ0SDJKRDCQ1SDJKRDCQ2SDJKRDCQ3+Ui=5.52V比较器节拍脉冲发生器•••••••••••••时钟脉冲数码寄存器d3d2d1d0••••••上页下页第7章返回逐次比较寄存器U0U+U+JKU0=(d323+d222+d121+d020)24URCC0C2C1C3C401000UR=8VU0=4V10000010111011U0=5VU0=6V01U0=5.5V四位逐次逼近型A/D转换器D/A脉冲发生器反相器顺序d3d2d1d0UA/V比较该位1的去留110004UAUI110026UAUI101035UAUI101145.5UA≈UI留去留留UA逼近UI的波形四位逐次逼近型ADC的转换过程UA逼近U1的波形上页下页第7章5.52O512346UA/V2341脉冲顺序返回集成A/D芯片ADC0801外引脚图ADC0801各管脚功能：上页下页第7章UIN(+)、UIN(-)：模拟量输入端D0~D7：八位数字信号输出端UCC：电源端，UCC=5VDGND：数字地端AGND：模拟地