模拟输入通道设计(修订1)

1、模拟输入通道设计成继勋2008年12月2010年07月技术要求分析技术要求分析 主要技术参数主要技术参数输入范围（测量范围）与量程输入范围（测量范围）与量程最大允许误差（基本误差限）最大允许误差（基本误差限）分辨率分辨率 动态特性：频带宽度，响应速度（建立时间）动态特性：频带宽度，响应速度（建立时间） 温度漂移温度漂移 时间漂移（稳定性）时间漂移（稳定性） 其它技术性能其它技术性能 过范围保护过范围保护 功耗功耗 可靠性可靠性 可制造性（生产调试简单等）可制造性（生产调试简单等） 性能性能/价格比价格比 输入通道的构成输入通道的构成 输入电路（信号转换、滤波等）输入电路（信号转换、滤波等） 放

2、大器放大器 ADC或或V/F电路电路 隔离电路（可选）隔离电路（可选） 参考电源参考电源 自校准电路（可选）自校准电路（可选） 过量程保护（可和静电保护结合）过量程保护（可和静电保护结合）输入通道元器件的选型输入通道元器件的选型 几种构成方案几种构成方案 模拟开关（选）模拟开关（选）+运放运放+ADC（或（或VFC）+ P+REF 模拟开关（选）模拟开关（选）+仪放仪放+ADC（或（或VFC）+ P+REF 模拟开关（选）模拟开关（选）+仪放仪放+ P with ADC+REF 信号调理信号调理ADC（模拟前端）（模拟前端）+ P信号调理信号调理ADC如如AD77xx、CS1160/80等（带

3、等（带自校准）自校准） 微转换器微转换器:集成了集成了PGA、ADC、DAC、REF等等如如ADI的的ADuC8xx系列、系列、ADuC7xxx系列、系列、TI的的MSC12xx系列、系列、Silicon Laboratories公公司的司的C8051F0 xx/1xx、C8051F35x等系列。等系列。输入通道元器件的选型输入通道元器件的选型 隔离方案隔离方案 脉冲调制脉冲调制+变压器变压器 线性光耦线性光耦 隔离放大器隔离放大器 串行串行ADC+光耦或磁耦光耦或磁耦 VFC +光耦或磁耦光耦或磁耦 推荐方案推荐方案 不需隔离时，采用微转换器方案不需隔离时，采用微转换器方案 或信号调理或信号

4、调理ADC（模拟前端）（模拟前端）+ P方案方案 需隔离时，采用信号调理需隔离时，采用信号调理ADC（模拟前端）（模拟前端）+ P方案方案 或模拟开关（选）或模拟开关（选）+仪放仪放+ADC（或（或VFC）+ P+REF方案方案 需低功耗时，可采用信号调理需低功耗时，可采用信号调理ADC（模拟前端）（模拟前端）+ 低功耗低功耗 P方案方案* 高集成度可提高抗干扰能力、可靠性等指标，要考虑性价比，高集成度可提高抗干扰能力、可靠性等指标，要考虑性价比，不要光考虑成本不要光考虑成本输入通道元器件的选型输入通道元器件的选型 运算放大器选型 电源：双电源，单电源，电源电压电源：双电源，单电源，电源电压

5、双极性输入信号要用双电源；用单电源时要采用地电平移动措施。 双电源运放使用单电源时，输入小信号时严重非线性。 失调电压失调电压Vos，VmV级，无调零电路（建议不用）且无软件调零时，要根据误差要求来选择。 输入偏置电流输入偏置电流Iib，pAnA级，输入端电阻不对称，有大的信号源内阻或前面有大的滤波电阻、且无调零电路或软件调零时，要根据误差要求来核算。 失调电流失调电流Ios，pAnA级，有大的信号源内阻或前面有大的滤波电阻、且无调零电路或软件调零时，要根据误差要求来核算。 失调电压温漂失调电压温漂Vos/T，nVV级/，要根据仪表的误差和温漂要求来选择。 失调电流温漂失调电流温漂Ios/T，

6、pA级 / ，一般能满足要求，但有大的信号源内阻或前面有大的滤波电阻时要核算。 大信号电压增益大信号电压增益Avo，2010000V/mV(86140dB)，当要求单级放大器有的电压放大倍数时，要选高增益的，否则非线性增大。输入通道元器件的选型输入通道元器件的选型 运算放大器选型 CMRR，60130dB，输入端有高的共模电压且变化较大时要注意。 电源电压抑制比电源电压抑制比PSRR，60130dB，高精度应用时要核算 增益带宽积或单位增益带宽增益带宽积或单位增益带宽GBW（GWP），通用运放为1 数十MHz。 输出电压摆率输出电压摆率SR，通用运放为0.3数十V/S， SR 与GBW相关 放

7、大交流信号或快变信号时要估算通频带。 输入电阻输入电阻，数百K 数十M(结型场效应管输入型达1012)，相关参数有输入偏置电流。一般都能满足需要。前面有大的信号源内阻(包括模拟开关等)或前面有大的滤波电阻时注意核算。 电压噪声密度，电流噪声密度电压噪声密度，电流噪声密度。小信号应用时要考察。 静态电流（电源电流），静态电流（电源电流），1A几mA。低功耗应用时注意。 * 小信号高精度应用时，几乎所有参数都要关注！小信号高精度应用时，几乎所有参数都要关注！例：例：LM258/358,TL081,LF411,LF442/4,OP07/27, TLE2141/2（高电压）（高电压）,AD8603/7

8、/9(低漂低电流低漂低电流)， AD8638/9、 AD8571/2/4（零漂移运放）（零漂移运放）例例(失调和温漂失调和温漂)：LM358VosM=7mV；IosM=50nAVos/T=7V/Ios/T=10pA /IibM=500nA设设R1+Rs=200K，R2=100K，R3=10K折算到输入端的最大输出零点折算到输入端的最大输出零点7mV+500nA200K=7mV+10mV=17mV 当当(R1+Rs)=R2/R3时，折算到输入端时，折算到输入端的最大输出零点的最大输出零点7mV+50nA200K=7mV+1mV=8mV040温漂温漂V=7V40+10pA200K40 =28V+2

9、V=30V显然不适合做显然不适合做V放大器，如热电势放放大器，如热电势放大器。大器。 VIN R3 R2 R1 C1 VO RS 输入通道元器件的选型输入通道元器件的选型 ADC选型选型 转换速率转换速率 （有效）分辨率（有效）分辨率 非线性误差（精度）非线性误差（精度） 接口类型接口类型 是否内部参考电压是否内部参考电压 电源电压，电流电源电压，电流 有放大器的有放大器的ADC有增益倍数及与运放相关的参数有增益倍数及与运放相关的参数例：例：TLC1514，TLV1504，MAX1240/1,AD7705，AD7714、 AD8638/9 AD7190、ADS1246/7/8等等输入通道元器件

10、的选型输入通道元器件的选型 参考电源选型参考电源选型 参考电压，和输入电压相关，一般参考电压，和输入电压相关，一般ADC转换的输入电压上线等于转换的输入电压上线等于参考电压，应留参考电压，应留110%的余量（采用的余量（采用VFC的除外）。的除外）。 降低参考电压可以提高分辨率，也降低了输入电压范围。放大器降低参考电压可以提高分辨率，也降低了输入电压范围。放大器增益不够时，可适当降低参考电压。但参考电压太低时，噪声影增益不够时，可适当降低参考电压。但参考电压太低时，噪声影响增大（数据不稳，滤波会有所改善）响增大（数据不稳，滤波会有所改善） 精度（容差），精度（容差），0.03%2% 需要外部标

11、定（校准）的仪表不必考虑；无外部标定的仪表按精需要外部标定（校准）的仪表不必考虑；无外部标定的仪表按精度要求考虑。度要求考虑。 温漂（和时漂），温漂（和时漂），1150ppm/。应满足仪表的温度影响系数的。应满足仪表的温度影响系数的要求。要求。 静态电流静态电流 负载能力（负载调整率），是否有灌电流能力负载能力（负载调整率），是否有灌电流能力 不隔离输入的测温电桥可采用桥压（普通稳压电源）分压后做参不隔离输入的测温电桥可采用桥压（普通稳压电源）分压后做参考源（可相互补偿）考源（可相互补偿）例：例：LM285/385,MC1403(A),MC1404,REF32xx,ADR5041,ADR03,

12、AD780,LM399等等模拟开关的选型模拟开关的选型 通道结构：通道结构：SPST，SPDT，DPDT，4选选1，8选选1等等 电源电压范围电源电压范围 通态电阻：数通态电阻：数1K 漏电流，通道隔离度漏电流，通道隔离度 频率响应（开关时间），低频应用时不必考虑频率响应（开关时间），低频应用时不必考虑 是否静电保护（输入保护）是否静电保护（输入保护） 例：例：CD4051/2/3,M74HC4051/2/3,DG301307,MAX4051/2/3,MAX45xx注意：通道输入电压超过电源电压注意：通道输入电压超过电源电压0.5V（+或或-）时，通道之）时，通道之间漏电增大，超过间漏电增大，

13、超过0.7V即可能永久损坏。单电源供电时不即可能永久损坏。单电源供电时不能输入双向信号。能输入双向信号。 使用使用CD4051/2/3,M74HC4051/2/3,DG301307 等系等系列必须加输入嵌位二极管。列必须加输入嵌位二极管。MAX4051/2/3,MAX45xx 等有等有内部嵌位。内部嵌位。 不平衡电桥不平衡电桥 采用不平衡电桥的目的采用不平衡电桥的目的 平衡（抵消）输入参数的不变分量以提高分辨率平衡（抵消）输入参数的不变分量以提高分辨率 例：测温电桥，例：测温电桥，Pt100从从0100的电阻值为的电阻值为100138.5,用用10位位ADC， 不用电桥时：不用电桥时：0.13

14、5/LSB(0.35 /LSB); 用电桥时用电桥时: 0.0376/LSB(0.096 /LSB) 改变输入信号的零点改变输入信号的零点 引入参比元件补偿测量电源电压以及环境因素（温度、引入参比元件补偿测量电源电压以及环境因素（温度、湿度、成分、风速等）变化对测量结果的影响）湿度、成分、风速等）变化对测量结果的影响） 例：应变电桥、载体催化元件、光敏二极管、红外吸例：应变电桥、载体催化元件、光敏二极管、红外吸收式成分分析仪器收式成分分析仪器 非线性补偿（差动电桥）非线性补偿（差动电桥） 例：应变电桥例：应变电桥不平衡电桥的工作特性不平衡电桥的工作特性1 单臂电桥：具有单臂电桥：具有1个测量元

15、件的电桥个测量元件的电桥 设设R1为输入元件为输入元件R1R1+R 注意，这里可以注意，这里可以1.1 电桥灵敏度电桥灵敏度 R1 E R2 R4 R3 UO ) 1 (114331211433211ERRRERRRRRRERRRRRRRRUo)2(11) 1 (433121成为为桥臂比，令CoCVEDUVERRRDRRRR，也可以不相等2143RRRR)4()11)(1 ()1 (0)3()11)(1 ()1 (202DDEDDEKDDDEDDEddUKO时，初始灵敏度令EKRRDdDdKo41, 10max210此时即度条件为，可求得最大初始灵敏令)5(11COlVEDU)6(1DUUUO

16、lOOll1.2 非线性非线性 当（当（2）式中分母）式中分母为为0时，输出时，输出-输入为线性关系输入为线性关系由（由（2）和（）和（5）式去掉不变分量）式去掉不变分量Vc，得，得 OlOUU和定义非线性系数定义非线性系数1.3 单臂电桥非线性的改善单臂电桥非线性的改善 1) 增大桥臂比增大桥臂比D（为保证一定的灵敏度，可能要提高桥压）（为保证一定的灵敏度，可能要提高桥压） 2）恒流源供电（要考虑恒流源本身的误差）恒流源供电（要考虑恒流源本身的误差） 事实上，恒流源供电时，完全线性事实上，恒流源供电时，完全线性UO=IR1 ，完全线性，完全线性3）有处理器的仪表用折线法查表补偿）有处理器的仪

17、表用折线法查表补偿4）解析线性化方法）解析线性化方法 解传输方程解传输方程xOCxxORUVERRRU求得由22 差动电桥差动电桥 被测元件处于相邻两臂，且其被测参数变化大小相等、方向相反的电桥。被测元件处于相邻两臂，且其被测参数变化大小相等、方向相反的电桥。 半差动电桥：两个被测元件臂半差动电桥：两个被测元件臂 全差动电桥：全差动电桥：4个被测元件臂个被测元件臂 2.1 半差动电桥的工作特性半差动电桥的工作特性DDDRRRRRRRRRREURRRRRRRRRRRRRRRREUOO221111211111342314333321111)11)(1 (2,)7(则设热电阻线性化也可用这种方法热电

18、阻线性化也可用这种方法)11()1 ()10(211)9()11)(1 (2)8()11)(1 (2220max02DUUUEKDDDEKDDDEKOlOOll非线性系数时初始灵敏度灵敏度2.1 全差动电桥的工作特性全差动电桥的工作特性0,43214321443333221111非线性系数为为常数即得由EKEUEURRRRRRRRRRRRRRRRRRRREUOOO3 比较比较灵敏度灵敏度非线性非线性单臂电单臂电桥桥半差动半差动电桥电桥全差动全差动电桥电桥Dl1DDDEK2)11)(1 (222)1 (DlEK )11)(1 (DDDEK0lEKo41maxEKo21max电桥的三线接法电桥的三线接法 R1 E R3 R4 R2 UO r r r )()11)(1 (1,)()11)(1 (1)()11)(1 (1,)()(33114231443322114433221112423124343342212112433211RRRRDDURRrRRRRRRRRRRDDURdRRdRRdRRdRDDdUDRRRRRRRRdRRdRRRRdRRdRRdUERRRRRRUoOOOO为固定电阻（常数）、包括接线电阻、这里或者令电