信号调理器的应用是现代数据采集系统提高测量精度的重要连接

作者：信息来源:电子市场 2006-9-28

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对于数据采集系统来说，必须利用传感器测量环境或结构参数，例如温度或振动。反过来，这些传感器需要在数据采集设备有效并且能精确地测量信号之前进行信号调理。图1所示为信号调理在数据采集设备与传感器之间中的地位示意图。从图1可看出所有数据采集系统的三个重要的组件就是：信号调理(调理信号／传感器)。...

对于数据采集系统来说，必须利用传感器测量环境或结构

数，例如温度或振动。反过来，

些传感器需要在数据采集设备有效并且能精确地测量信号之前进行信号调理。图1所示为信号调理在数据采集设备与传感器之间中的地位示意图。从图1可看出所有数据采集系统的三个重要的组件就

：信号调理(调理信号／传感器)；数据采集设备(将调理的信号数字化)；软件(用来分析，记录，和显示所得到的信号数据)。而其信号调理提供了不同于孤立数据采集设备的独特特性，因为它提高了数据采集系统的性能和测量精度。

1、信号调理是现代数据采集系统的高要求的必需

现代数据采集设备变得越来越复杂，其特点是速度和精度要求越来越高，但数据采集技术仍然相同，即必须连接信号和应用必需的信号调理以对信号数字化及显示数据。特别伴随是对信号调理的需要愈加迫切。虽然插入式DAQ(数据采集设备设备)可专门精确地测量电压信号，但是电压仅仅是许多现代控和测量所要众多I/0类型中的一种。实际上,现代的数据采集系统也必须从那些被检测物理、化学、或机械现象的传感器中测量信号。其中一些的传感器必须具有信号调理来返回任何测量并达返回精确的测量值。

虽然数据采集设备日益变得越来越复杂，但是数据采集的基本技术仍然相同，即必须连接到信号，应用必需的信号调理，对信号数字化，和显示数据。而根本上最重要的组件就是信号调理。为什么这么说呐？当今，绝大部分可测量信号必须使用传感器进行检测，而大部分传感器需要数据采集设备具备有信号调理功才能来精确地读取信号。据此,一个数据采集系统不仅要结合数字化仪和应用软件，还要包含紧密集成的信号调理硬件。值此,先应介绍新型的信号调理硬件。

2、新型信号调理器件特性与应用

2.1传感器调节器和4-20mA收发器

*PGA309是完整的电压输出桥接器传感器调节器，免除了电位计和传感器修整。利用存储在低成本、SOT23-5封装的外部EEPROM中的温度系数来对跨距和失调进行数字校准。提供激励电压线性化、内部/外部温度监控以及内部/外部电压基准(包括电源)的选择。该器件采用可设置的过压/欠压标度限值并具有故障检测电路。图2(a)为PGA309功能方块图。

*4-20mA发送器提供通用型仪表放大器(IA)输入和电流环路输出，使得模拟信号能够在不损失准确度的情况下进行距离传输。这些器件中有很多还包括定量、补偿、传感器激励和线性化电路。XTRl08可为RTD(电阻温度检测器)信号整形提供一条数字控制的模拟信号路径。XTRl08允许通过标准的数字串行接口对传感器和发送器误差进行校准，从而无需采用昂贵的电位计或改变电路参数值。校准设定值可以存储在廉价的EEPROM中，以便于在常规操作过程中进行检索。图2(b)为4-20mA发送器设计解决方案图。

*PGA309的主要特点：电压输出以比例值或绝对值的形式给出；数字校准无电位计，无传感器修整；传感器补偿为跨距和跨距漂移、失调和失调漂移；误差<0.1%的校准后准确度；2.7V至5.5V工作电压；封装型多TSSOP-16。

2.11工业模拟电压/电流驱动器

XTR300是面向工业和过程控制应用的完整输出驱动器。输出可由I/V选择引脚作为电流或电压来选择，而无需采用外部电阻器。为了增加灵活性，采用了分离的驱动器和接收器通道。集成仪表放大器(1NA)可被用于远端电压采样或作为高电压、高阻抗测量通道。在电压输出模式中，提供了输出电流的副本；错误标志为进行故障检测提供了方便。为了增加保护功能，还提供了最大输出电流限值和热停机电路。图3为XTR300功能方块图。

*主要特点：引脚选择I或V输出或输入；用于输出启动/禁用(OE)的引脚选择；由外部电阻器来设定增益或跨导；输出电压摆幅为±16(在VS=±19V的条件下)；输出电流为±24mA(线性范围)；封装型式：5mmX5mmQFN-20。

*应用：可作为工业高电压和低电压信号处理之间的模拟接口PLC-I/O及现场总线I/O。

2.12具有可编程信号调节功能的可编程4-20mA发送器

XTRl08是新一代可编程4-20mA电流环路发送器。其基本功能与TI的新型全模拟型产品相似，但XTRl08具有数字可调节式模拟信号路径，从而改善了准确度并降低了成本。数字校准的运用避免了置换电位计和元件，而且不必采用往往很难进行手动校准的其他成本昂贵的调节方法。

XTRl08虽然专为RTD温度传感器而设计，但也可以与许多其他类型的传感器(包括金属和硅片压力桥接器)一道使用。它整合了输入和激励多路转换器、自动置零可编程增益放大器(PGA)、电流和电压基准、线性电路和电压至电流转换器输出级。图4为XTR108功能方块图。

*主要特点：完整的4-20mA发送器功能；用于中间调节的电压输出引脚；无电位计或手动修整；串行SPI总线接口；用于四线式RTD线路的备用运算放大器；用于给外部电路供电的5V辅助稳压器；封装型式：SSOP—24。

2.13通过一个高速编程引脚在短时间内实现对传感器的补偿

MAXl455是一个能满足汽车厂商各种需要的高度集成的阻性传感器信号处理器。该器件使用新的全模拟信号通道设计，以及增强的16位数字校准，并集成了供查表用的EEPROM，可实现超高精度。MAXl455可以处理从5mV/V至40mV/V的传感器原始输出信号。这一灵活性使用户能够补偿的阻性传感器。更重要的是该器件可用一个数字引脚以38kbps的速度编程，满足大批量生产线的需求。是新型全16位架构可提供放大、校准和温度补偿。图5为MAXl455内部位结构与应用示意图。

2.2高性能信号调理模块

2.21 SCXI高性能信号调理器

SCXI是一个用于基于PC仪器技术应用的信号调理和数据采集系统。一个SCXl系统包括一个屏蔽的机箱，其中容纳了完成各种信号调理功能的信号调理输入和输出模块的组合。可以将许多不同类型的转换器，包括热电偶，直接连接至SCXl模块。SCXl系统可以是一个高性能的USB即插即用数据采集系统。SCXl系统也可以作为一个前端的信号调理系统，用于PCI、PXI、或PCMCIA数据采集设备。其图1的信号调理器为SCXI高性能信号调理模块示意。

2.22便携式模块化信号调理系统

SCC是一种便携式模块化信号调理系统，它包含各种模拟输入和数字I/O信号。利用这种模块化设计，可以选择在每个通道进行调理。SCC提供自定义的连接选择，以匹配传感器或者信号连接类型。SCC较小的体积对于和PCMCIA DAQ Card以及DAQ Pad一起用于便携式应用十分完美，同时也适用于机架安装式或台式应用。

2.23 SC系列具有集成信号调理功能的数据采集

SC系列数据采集设备通过将特定测量的信号调理集成至一个16位的PXl数据采集设备，从而将测量性能进行了扩展。利用信号调理和数据采集功能的紧密结合，SC系列设备以比领先的解决方案(例如SCXI DAQ系统)更低的单通道成本提供了高性能的特定传感器的测量，以用于低通道或中通道数场合。

为此,根据实际并结合上述介绍的新型信号调理器件特性与应用中能分析出提高数据采集系统的精确度和性能所需要的关键的信号调理技术。

4、有哪些关键的信号调理技术？

*放大-放大器通过提高输入信号的幅度来更好的匹配数字化仪的输入电压范围，从而提高了小信号测量的精度和灵敏度，进而提高了测量的分辨率和灵敏度。虽然因为这个原因许多数据采集设备包括了板载放大器，但是许多传感器，例如热电偶，需要更多的放大，而不仅仅是一个数据采集设备单独可以提供的。使用信号调理来放大靠近信号源的信号也减少了测量中的环境噪声影响。

*衰减-衰减降低输入信号的幅度以落入数字化仪输入范围，从而可以利用数据采集系统来测量高电压信号。

*隔离-具有隔离的信号调理设备通过使用转换器、光或电容性耦合技术而不是物理连接来将输入信号传输至测量设备，隔离切断了接地环路。利用隔离技术，可以测量带有较高的共模电压的信号，同时也防止了数据采集系统中昂贵的测量设备发生任何高电压涌流。

*滤波-滤波通过从您的信号中去掉不希望的频率分量来提高您的测量精度。除了从您的测量中去掉噪声，滤波也防止了信号混叠(一种发生在所测量信号的频率高于采样速率一半的时所发生的现象，从而破坏了您的测量)

*激励-许多传感器，例如RTD，应变计，和加速计，需要某种形式的电源来返回一个测量值。激励以电压或电流的形式提供这种电源，因此可以在数据采集系统中使用这些类型的传感器。

*校准-校准通过调整您的数据采集系统来补偿传感器或测量硬件中的不平衡，来提高测量精度。例如，应变测量需要空(或零)以及并联(或增益)校准来保证精确的线性化。

*冷端补偿-热电偶通过两中不同金属间的电压差来测量温度。基于这种概念，在热电偶和数据采集设备连接头(终端)模块之间的连接处产生另一种电压。冷端补偿通过在连接处提供温度来提高温度测量精度，这样然后就可以从读数中减去即可。

*同步采样-当必须在同一时间内测量两个或多个信号，需要同步采样。使用具有跟踪和保持电路的信号调理是一种比每个通道购买一个数字化仪更为节省成本的同步采样解决方案。可能需要同步采样的典型应用包括振动测量和相位差测量。

提高系统精度除了要有关键的信号调理技术还必需要择正确的数据采集系统设备。

5、选择正确的数据采集系统设备考虑因素及应用例举。

现有的数据采集系统设备和选择数量使得最佳合适组件的选择过程变得越来越复杂。但是这个过程是十分关键的，因为所使用的组件的类型对系统的总体性能和精度具有极大的影响。与此相关联的开发和首次测量的时间也会被极大地影响，因此选择正确的数据采集系统设备必不可少.值此将介绍在组件选择过程中必需考虑的因素。

数据采集系统设备的抉择中有多方面因素必需考虑；即信号类型的广度、连接性、扩展性、集成性、软件、隔离、校准、开关、带宽及封装性。值此以扩展性问题为代表迸行分析和例举。

*扩展性-随着的测试的发展和测量要求的改变，必须拥有一个可以提供随应用而扩展和改变的灵活的数据采集系统。

扩展数据采集系统有二种方法：其一、可以不需要对您的信号调理平台进行彻底的改变。通过使用模块化信号调理硬件，仅简单地通过插入另外的模块，就可以快速地增加系统中信号的数量和类型。这一特性保障了数据采集系统的投资，因为可以在几分钟内的时间内扩展了您的通道数量，极大地减少了在您所改动的系统运行之前所花费的时间。这种灵活性反过来降低了所拥有的数据采集系统的总成本；其二是通过选择USB接口技术。值此,仅用一应用方案对其说明。

扩展性问题的举例：用USB采集16位电压测量数据的采集系统。

当今USB成为连接PC的接口是一种最佳选择。所有现代PC上都有USB接口，它提供标准化的连接器，可以为外设提供5V电源，以及最多达100mA的电流。图6(a)中的电路组合了Maxim的一片低功耗16位ADCMAX1168，与一个小型USB接口模块U421，构成一个简单的八通道、16位测量系统见图6(a)所示。MAX1168有八个输入通道、16位分辩率一个SPI(串行外设接口)端口、一个4,096V(内部基准电压、转换速率为200ksps以及一个时钟振荡器。MAX1168工作在5V电压下,可以转换为单个通道、在一个通道上完成多次转换，或者顺序采集扫描多个通道，并在片上存储测量的数据。它是应用USB接口扫描八通道16位分辩率的数据采集系统,并将测量数据传送至主机。

其小型USB接口模块U421提供多至16 I/O线以及一个将某些I/O线用作SPI端口的选项，可选时钟速率62.5 kHz、500 kHz、1 MHZ或2MHz。U421上的硬件可以访问SPI读写设备，器件的通用I/O线可以作为从选择线，应付多种SPI端口设备。一个I/O线用于控制MAX1168的片选输入。当与HID(/机接口设备)一起使用时，U421 USB控制器能够以高达800字节/秒的速度传输数据。USB端口增加了降低噪声的滤波功能，并能为电路提供5V电源。

MAX4230放大器现用四芯版，提供10 MHz带宽，2V/μs转换速率、满摆幅的输入与输出，以及在5V电压或低至2，7V电压下运行的能力。MAX4230的偏置电流典型值为50pA，可以在不影响精度情况下有相当高的输入阻抗。图6(b)为由MAX4230组成缓冲放大器的输入与输出应用连接图。

6、结束语

总体来说，信号调理定义了测量性能并且是任何完整的数据采集系统中的一个重要的组件。而且，精确的传感器测量需要信号调理。为了保护数据采集系统的投资，必须投资于模块化、易扩展的信号调理硬件，它们应该能够接受各种信号类型并提供广泛连接选择，而且同时仍然满足体积和环境限制以及与您的开发软件和数据采集设备紧密结合。

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