测控系统原理及设计21_输入

1、传感器调理电路采集电路微机 在测控系统中，一台微机往往要同时测量在测控系统中，一台微机往往要同时测量几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是几个被测量，因而测控系统的输入通道常常是多路的。多路的。按照各路输入通道是共用一个采集通按照各路输入通道是共用一个采集通道还是每个通道各用一个，输入通道可分为道还是每个通道各用一个，输入通道可分为集集中采集式中采集式和和分散采集式分散采集式。模拟多路切换开关A/D转换器采样/保持器控制逻辑微机传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路采集电路采集电路电路简单，成本低，电路简单，成本低，但不能获得各路信号但不能获得各路信号同一时刻的值，适于同一时刻的值，适于

2、中、低速采样系统中。中、低速采样系统中。模拟多路切换开关A/D转换器采样/保持器控制逻辑微机传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路采样/保持器采样/保持器采样/保持器采集电路采集电路电路较复杂，时间偏电路较复杂，时间偏斜误差小于分时采样斜误差小于分时采样系统。适于中、低速系统。适于中、低速采样系统中。采样系统中。传感器调理电路传感器调理电路传感器调理电路采样/保持器采样/保持器采样/保持器 A/D转换器 A/D转换器 A/D转换器控制逻辑计算机采集电路采集电路电路较复杂，成本较电路较复杂，成本较高。适于对速度要求高。适于对速度要求较高的采样系统中。较高的采样系统中。传感器小信号放大修正与变

3、换微机传感器V/F光电耦合微机传感器I/V滤波A/D小电压小电流大电压大电流 传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出3 3）. . 集成传感器：集成传感器：集成传感器是将传集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输人通道器。采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务，简化通道结构。的信号调理任务，简化通道结构。 4 4）. . 光纤传感器：光纤传感器：这种

4、传感器其信号拾这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。本上解决由现场通过传感器引入的干扰。 前置放大低通陷波高通至采集电路传感器信号硬件完成，信号调理电路的重点硬件完成，信号调理电路的重点软件完成软件完成典型信号调理电路的组成前置放大器Ko后级电路KVISVIN0VINV0SV0N 在无输入信号时，电路的输出为噪声。设电路的放在无输入信号时，电路的输出为噪声。设电路的放大倍数为大

5、倍数为K K，则噪声折算到输入端即为等效输入噪声则噪声折算到输入端即为等效输入噪声V VININ电路噪声等效电路噪声信号输出信号输入VONVIN=K22()()000VVONINVVININK KK 若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹若没有前置放大器时信号刚好被噪声淹没（没（ VIS=VIN ），为使输入信号不被噪声），为使输入信号不被噪声淹没，应淹没，应VISVIN，即即VI NVIN22()00VINVVININK解得：解得：11020VVININK10K即前置电路必须是放大器VINI放大器 K滤波器 1VIN0V0NVIN0滤波器 1放大器 KVINIV0N22()(1)01221()0

6、VKVVINININVVININKK22221001()()INININININV KV KVVVK 放大器前置时，电放大器前置时，电路的等效输入噪声为：路的等效输入噪声为： 放大器后置时，电路放大器后置时，电路的等效输入噪声为：的等效输入噪声为：1K ININVV放大器前置有放大器前置有利于减少噪声！利于减少噪声！0142 210.085INVV10.085INVV29INVV30INVV47INVV5177INVV120,80,320K 2351KKK042K 142 图中五个部件的噪声可以视做采集电路内部五个不相关的噪声源，它们本身的等效输入噪声分别为：、(可忽略不计)、五个部件的放大倍

7、数分别为：（三档）； 22222234511411114ONININININININVVVVVVVK KKKKK K因数字地震仪的等效输入噪声反映地震仪接收最弱信号的能力，而在接收最弱信号时浮点放大器取最大增益，故应取计算等效输入噪声。将五个部件的本身的等效输入噪声值、（三档）和代入上式计算得总等效输入噪声： 1442K 120,80,320K 前置放大器增益地震仪的等效输入噪声200.5880 0.166320 0.092 放大器放大器(Amplifier)是信号调理电路中的重要元件，是信号调理电路中的重要元件，合理选择使用放大器是系统设计的关键。智能仪器常合理选择使用放大器是系统设计的关键

8、。智能仪器常工作于恶劣环境中，要求放大电路兼有高输入阻抗、工作于恶劣环境中，要求放大电路兼有高输入阻抗、高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、测量放高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、测量放大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器。大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器。 在通用测量仪器中，为了适应不同的工作条件，在通用测量仪器中，为了适应不同的工作条件，在整个测量范围内获得合适的分辨率，提高测量精度，在整个测量范围内获得合适的分辨率，提高测量精度，常采用可变增益放大器。智能仪器含有微处理器，用常采用可变增益放大器。智能仪器含有微处理器，用仪器内置的程序控制放大器的增益称为程控增益

9、放大仪器内置的程序控制放大器的增益称为程控增益放大器（器（Programmable-Gain Amplifer），简称程控放），简称程控放大器大器( PGA ）。）。下 页上 页返 回放大器放大器l分类分类（1）程控反相放大器）程控反相放大器 由理想运放条件，有由理想运放条件，有 1fii1fii1fii10RRvvkfi2.4 反相放大电路反相放大电路 下 页上 页返 回 2.5 反相程控放大电路反相程控放大电路 如图如图2.5所示，虚线框为模拟开关，模拟开关的闭合所示，虚线框为模拟开关，模拟开关的闭合位置受控制信号位置受控制信号C1、C2的控制，反馈电阻又随开关位的控制，反馈电阻又随开关位

10、置而变，从而实现放大器的增益由程序控制。当放大置而变，从而实现放大器的增益由程序控制。当放大倍数小于倍数小于1时，程控反相放大器构成程控衰减器。时，程控反相放大器构成程控衰减器。 下 页上 页返 回(2)程控同相放大器程控同相放大器 2.6 同相放大电路同相放大电路 图图2.6为一般同相放大器的基本原理，类似的可为一般同相放大器的基本原理，类似的可导出同相放大器的增益导出同相放大器的增益 。 改变改变Rf或或R1，同样可改变放大器的增益，但同相，同样可改变放大器的增益，但同相放大器只能构成增益放大器，不能构成衰减放大器。放大器只能构成增益放大器，不能构成衰减放大器。11RRkf下 页上 页返

11、回 2.7 程控同相放大电路程控同相放大电路 下图下图2.7为利用为利用8选选1集成模拟开关集成模拟开关CD4051构成程构成程控同相放大器的原理电路，图中，控同相放大器的原理电路，图中，C、B、A为通道选为通道选择输入端，其状态由程序（择输入端，其状态由程序（D2、D1、D0的状态）控的状态）控制，制，C、B、A不同的编码组合决定开关与哪一通道接不同的编码组合决定开关与哪一通道接通，从而选择通，从而选择R0R7之间的某个电阻接入电路。实之间的某个电阻接入电路。实现程控增益的功能。现程控增益的功能。下 页上 页返 回3集成程控放大器集成程控放大器 集成程控放大器种类繁多，如单端输入的集成程控放

12、大器种类繁多，如单端输入的PGA103 PGA100；差分输入的；差分输入的PGA204、PGA205等。本节介等。本节介绍绍BURRBROWN公司的公司的PGA202/203程控放大器，程控放大器，它应用灵活方便，又无需外围芯片，而且它应用灵活方便，又无需外围芯片，而且PGA202与与PGA203级联使用可组成从级联使用可组成从18000倍的倍的16种程控增益。种程控增益。（1）性能特点）性能特点数字可编程控制增益：数字可编程控制增益：PGA202的增益倍数为的增益倍数为 1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为的增益倍数为1，2，4，8 返 回下 页上 页增益误差：增益误差：G

13、10000.050.15， G=1000 0.080.1； 非线性失真：非线性失真：G=1000 0.020.06。 快速建立时间：快速建立时间：2s。 快速压摆率：快速压摆率：20V/s 共模抑制比：共模抑制比：8094dB。 频率响应：频率响应：G1000 1MHz；G=1000 250kHz。 电源供电范围：电源供电范围：618V。 下 页上 页返 回（2）内部结构）内部结构 GA202/203采用双列直插封装，根据使用温度范采用双列直插封装，根据使用温度范围的不同，分为陶瓷封装围的不同，分为陶瓷封装(2585)和塑料封和塑料封装装(070)两种。引脚排列和内部结构如图两种。引脚排列和内

14、部结构如图2.8所示：所示： 图2.8 PGA202/203引脚排列和内部结构图下 页上 页返 回 其中，其中，A0、A1为增益数字选择输入端，与为增益数字选择输入端，与TTL、CMOS电平兼容，可以和任何单片机的电平兼容，可以和任何单片机的I/O口直接相口直接相连，其增益选择及增益误差见表连，其增益选择及增益误差见表2.1。 表表2.1增益选择及误差增益选择及误差 除表中提供的几种增益外，除表中提供的几种增益外，PGA202/203外接如外接如图图2.9所示的缓冲器及衰减电阻，改变电阻所示的缓冲器及衰减电阻，改变电阻R1与与R2的比值，可获得更多不同的增益，增益与电阻的关的比值，可获得更多不

15、同的增益，增益与电阻的关系为系为12RR1 增益图图2.9 改变外接电阻改变外接电阻获得可变增益图获得可变增益图 下 页上 页返 回（3）PGA202基本用法基本用法 PGA202不需任何外部调整元件就能可靠工作。不需任何外部调整元件就能可靠工作。但为了保证效果更好，在正、负电源端分别连接一个但为了保证效果更好，在正、负电源端分别连接一个1F的旁路钽电容到模拟地，且尽可能靠近放大器的的旁路钽电容到模拟地，且尽可能靠近放大器的电源引脚，如图电源引脚，如图2.10所示，由于所示，由于11脚、脚、4脚上的连线脚上的连线电阻都会引起增益误差，因此电阻都会引起增益误差，因此11、4脚连线应尽可能脚连线应

16、尽可能短。短。图图2.10 PGA202的基本用法的基本用法 下 页上 页返 回 PGA202/203与比较器、二进制加减计数器连接与比较器、二进制加减计数器连接可构成自动增益控制电路，如图可构成自动增益控制电路，如图2.11所示。所示。 图图2.11 利用利用PGA202自动增益控制电路自动增益控制电路 下 页上 页返 回 将将PGA202和和PGA203两片级联，如图两片级联，如图2.12所示，所示，A3、A2、A1、A0组合可有组合可有16种状态，可在种状态，可在18000范围内选择范围内选择16种增益种增益 。图图2.12 PGA202/203级级联电路联电路下 页上 页返 回4.仪用

17、放大器仪用放大器 在智能仪器中，常常需要精确放大带有一定共模在智能仪器中，常常需要精确放大带有一定共模干扰的微弱的差模信号，要求放大电路输入阻抗和共干扰的微弱的差模信号，要求放大电路输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好。这种用来放大传感模抑制比高、误差小、稳定性好。这种用来放大传感器输出的微弱电压或电流信号的放大电路称为仪用放器输出的微弱电压或电流信号的放大电路称为仪用放大电路（测量放大电路）。大电路（测量放大电路）。1 1仪用放大器原理仪用放大器原理 仪用放大器仪用放大器(Instrumentation Amplifier)由由3个个运算放大器组成，它由三个通用运算放大器构成，运算放大器

18、组成，它由三个通用运算放大器构成，第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差第一级为两个对称的同相放大器，第二级是一个差动放大器。动放大器。如下图如下图2.13所示所示下 页上 页返 回图图2.13 仪用放大器原理仪用放大器原理仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4=R6，R5=R7。可以推导出仪用放大器的闭环增益为由上图得到运放的放大倍数, 35G12i1 i0RR)RR21 (VVVG上 页返 回下 页 将前述的可编程增益放大器将前述的可编程增益放大器PGA202/203的输入端的输入端接上运放（如接上运放（如OPA27）及电阻网络，可组成低噪声的）及电阻网络，可组成低噪声的差分仪用

19、放大器，如图差分仪用放大器，如图2.14所示。图中使用所示。图中使用PGA203由于电阻网络的存在，所得到的放大倍数分别是由于电阻网络的存在，所得到的放大倍数分别是100、200、400、800，即在原，即在原PGA203增益的基础上增加增益的基础上增加了了100倍。适当改变倍。适当改变200的电阻，还可得到其他放大的电阻，还可得到其他放大倍数。倍数。图图2.14由由OPA27及及PGA203构成的构成的可变增益仪用放大器可变增益仪用放大器下 页返 回上 页2 .集成仪用放大器集成仪用放大器集成仪用放大器有美国集成仪用放大器有美国Analog Device 公司的公司的522、 AD512、A

20、D620、AD623 、AD8221，BB公司的公司的INA114、118；MAXIM公司的公司的MAX4195、4196、4197等。其中，等。其中，INA114是一种通用仪用放大器，尺是一种通用仪用放大器，尺寸小、精度高、价格低。主要性能如下：寸小、精度高、价格低。主要性能如下：失调电压低（失调电压低（50V）漂移小（漂移小（0.25V/）输入偏置电流低（输入偏置电流低（2nA）共模抑制比高（共模抑制比高（G=1000时时115dB）下 页返 回上 页工作温度工作温度 -40+125静态电流小（静态电流小（3mA）内部输入保护能够长期耐受内部输入保护能够长期耐受40V电压电压工作电压范围宽

21、工作电压范围宽 （2.25V18V），可），可 使用电池（组）或使用电池（组）或5V单电源供电系统，单电源供电系统， 只需一个外部电阻就可以设置只需一个外部电阻就可以设置1至至10000之之 间的任意增益值间的任意增益值 INA114的内部结构如图的内部结构如图2.16所示，基本连接所示，基本连接方法如下图方法如下图2.17所示。所示。下 页返 回上 页图图2.16 INA114内部结构图内部结构图图图2.17 INA114的基本连接方法的基本连接方法下 页上 页返 回内部设有过压保护电路，采用内部设有过压保护电路，采用A1A1、A2A2及及A3A3三个运放三个运放组合结构。图组合结构。图11

22、11（b)b)为其基本接法。增益为其基本接法。增益A A通过外通过外接电阻接电阻R RG G来调控，并由式确定。来调控，并由式确定。INA115INA115的电路结构、的电路结构、基本接法与基本接法与INA114INA114基本相同。基本相同。在靠近电源引脚处连在靠近电源引脚处连接的去耦合电容主要用于噪声或高阻电源场合，其接的去耦合电容主要用于噪声或高阻电源场合，其输出输出 其中其中G为增益为增益GRKG501“50k”是两个内部反馈电阻之和，这两个电阻为金是两个内部反馈电阻之和，这两个电阻为金属膜电阻，已用激光调整到精确的值。增益的精确度属膜电阻，已用激光调整到精确的值。增益的精确度和漂移额

23、定值中包含了这两个电阻的精确度和温度系和漂移额定值中包含了这两个电阻的精确度和温度系数；为外部电阻，其稳定性和温漂也对增益有影响。数；为外部电阻，其稳定性和温漂也对增益有影响。从（式从（式2-7）可见，增益越高，需要的阻值越低，所）可见，增益越高，需要的阻值越低，所以接线电阻也很重要，线路上增加的插座会使增益误以接线电阻也很重要，线路上增加的插座会使增益误差额外地增加，并且很可能是不稳定的误差。差额外地增加，并且很可能是不稳定的误差。返 回上 页下 页)(0VVGV5. 隔离放大器隔离放大器 隔离放大器隔离放大器(Isolation Amplifier)输出端和输输出端和输入端各自具有不同的电

24、位参考点、即输入端和输出入端各自具有不同的电位参考点、即输入端和输出端没有直接的电耦合，而是通过光、变压器或电容端没有直接的电耦合，而是通过光、变压器或电容等耦合元件耦合。输入端和输出端的绝缘电压一般等耦合元件耦合。输入端和输出端的绝缘电压一般达达1000V以上，绝缘电阻达数十以上，绝缘电阻达数十。因此输入端。因此输入端的干扰不会直接到达输出端，多路通道使用隔离放的干扰不会直接到达输出端，多路通道使用隔离放大器时相互之间不会影响。当仪器工作环境噪声较大器时相互之间不会影响。当仪器工作环境噪声较大而信号较小时，采用隔离放大器可保护电子仪器大而信号较小时，采用隔离放大器可保护电子仪器设备和人身安全

25、，提高共模抑制比，获得较精确的设备和人身安全，提高共模抑制比，获得较精确的测量结果。测量结果。返 回上 页下 页隔离放大器的符号如图隔离放大器的符号如图2.18所示所示 图图2.18 隔离放大器的符号隔离放大器的符号按耦合器件的不同，可分为按耦合器件的不同，可分为光电耦合、变压器耦光电耦合、变压器耦合和电容耦合合和电容耦合三种。三种。 1、光电耦合隔离放大器、光电耦合隔离放大器 光电耦合隔离放大器以光为耦合媒介，输入与光电耦合隔离放大器以光为耦合媒介，输入与输出在电气上完全隔离，通过光信号的传递实现电输出在电气上完全隔离，通过光信号的传递实现电信号的传递。信号的传递。 返 回上 页下 页图图2

26、.19为光电隔离放大器基本原理，输入级激励发为光电隔离放大器基本原理，输入级激励发光管，由光电管将光信号耦合到输出级，实现信号光管，由光电管将光信号耦合到输出级，实现信号的传输，保证了输入和输出间的电气隔离。其输入、的传输，保证了输入和输出间的电气隔离。其输入、输出级之间不能有电的连接，即前、后级不能共用输出级之间不能有电的连接，即前、后级不能共用电源和地线。电源和地线。图图2.19 光电隔离放大光电隔离放大器基本原理器基本原理返 回上 页下 页 采用光电耦合原理的隔离放大器有采用光电耦合原理的隔离放大器有BURR-BROWN公公司（以下简称司（以下简称BB公司）的公司）的ISO100、ISO

27、130、3650、3652、惠普公司、惠普公司(HP)的的HCPL7800/7800A/7800B等。等。为简化电路、节省空间、降低成本、提高性能，有一为简化电路、节省空间、降低成本、提高性能，有一些隔离放大器提供了内置些隔离放大器提供了内置DC/DC变换器，给使用者提变换器，给使用者提供更大的灵活性，如供更大的灵活性，如BB公司的公司的 IS0212、ISO213、Analog Devices公司公司(以下简称以下简称AD公司公司)的的AD202，AD204、AD210、AD215等。本节介绍等。本节介绍BB公司生产公司生产的光电隔离放大器的光电隔离放大器3650，其电路原理如下图，其电路原

28、理如下图2.20所示所示 返 回上 页下 页图图2.20 光电隔离放大器光电隔离放大器3650的电路原理图的电路原理图 理想运算放大器理想运算放大器A1和光电二极管、发光二极管构成和光电二极管、发光二极管构成负反馈回路，用于减小非线性和时间温度的不稳定负反馈回路，用于减小非线性和时间温度的不稳定性。由理想运放特性知；性。由理想运放特性知；VD1、VD3分别为输入端分别为输入端和输出端的两个性能匹配的光电二极管，它们从发和输出端的两个性能匹配的光电二极管，它们从发光二极管光二极管 返 回上 页下 页VD2接收到的光量相等，即，接收到的光量相等，即， 有，有， 则则 2112iigii2Rvii输

29、出回路中，放大器输出回路中，放大器A2与内置电阻与内置电阻 （ ）构）构成成I/V转换电路，有转换电路，有 iGkkGkkoutvRRRRvRiRiv123可见，输出与输入成线性关系。只要可见，输出与输入成线性关系。只要CR1、 CR3一一致性得到保证，信号的耦合就不会受光电器件的影响。致性得到保证，信号的耦合就不会受光电器件的影响。kR M1Rk返 回上 页下 页2、变压器耦合隔离放大器、变压器耦合隔离放大器 变压器耦合隔离放大器的输入部分和输出部分采变压器耦合隔离放大器的输入部分和输出部分采用变压器耦合，信息传送通过磁路实现。典型的隔离用变压器耦合，信息传送通过磁路实现。典型的隔离放大器原

30、理如图放大器原理如图2.21所示所示 图图2.21隔离放大器原理图隔离放大器原理图返 回上 页下 页 输入级将传感器送来的信号滤波和放大，并调制成输入级将传感器送来的信号滤波和放大，并调制成交交 流信号，通过隔离变压器耦合到输出级；输出级流信号，通过隔离变压器耦合到输出级；输出级把把 交流信号解调成直流信号，再经滤波和放大，输出交流信号解调成直流信号，再经滤波和放大，输出直流电压。放大器的两个输入端浮空，能够有效地直流电压。放大器的两个输入端浮空，能够有效地 起起测量放大器的作用。测量放大器的作用。 变压器耦合的隔离放大器有变压器耦合的隔离放大器有BB公司的公司的ISO212、3656，AD公

31、司的公司的AD202、AD204、AD210、AD215等。其中等。其中AD202/AD204是一种微型封装的精密隔离是一种微型封装的精密隔离放大器，具有精度高、功耗低、共模性能好、体积小放大器，具有精度高、功耗低、共模性能好、体积小和价格低等特点。和价格低等特点。返 回上 页下 页AD202功能框图如图功能框图如图2.22所示，芯片由放大器、调所示，芯片由放大器、调制器、解调器、整流和滤波、电源变换器等组成。制器、解调器、整流和滤波、电源变换器等组成。 图图2.22 AD202内部结构图内部结构图返 回上 页下 页表表2.2 AD202引脚功能引脚功能返 回上 页下 页3、电容耦合隔离放大器

32、、电容耦合隔离放大器 采用电容耦合的隔离放大器如采用电容耦合的隔离放大器如BB公司的公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122等。其中，等。其中，1SO122采用常规的双采用常规的双列式封装，价格便宜、使用方便。主要技术指标如下：列式封装，价格便宜、使用方便。主要技术指标如下：额定隔离电压额定隔离电压1500V（交流（交流60Hz连续）连续） 隔离阻抗隔离阻抗输入电压范围输入电压范围12. 5V输入电阻输入电阻200kpF2/1014输出电源范围输出电源范围12. 5V返 回上 页下 页 ISO122的原理框图如图的原理

33、框图如图2.23所示。输入和输所示。输入和输出电路对称，由基本积分电路（分别由出电路对称，由基本积分电路（分别由A1、A2组组成）、检测放大器、滞回比较器及电流开关成）、检测放大器、滞回比较器及电流开关K1、K2组成。输入和输出部分通过两个匹配的组成。输入和输出部分通过两个匹配的1pF电容电容耦合形成模拟信号的电气隔离。耦合形成模拟信号的电气隔离。 图图2.23 ISO122的原理框图的原理框图返 回上 页下 页 当检测放大器控制开关当检测放大器控制开关K1接通时，恒流源电流流接通时，恒流源电流流入入A1反相输入端节点，恒流源电流流出该节点。使反相输入端节点，恒流源电流流出该节点。使通过通过1

34、50pF积分电容的电流为积分电容的电流为 1000200kv10002000200kvININ 当检测放大器当检测放大器A3控制开关控制开关K1断开时，电流不流断开时，电流不流入入A1反相输入端节点，只有电流流出该节点，积分反相输入端节点，只有电流流出该节点，积分电流为电流为A100200kvIN（式（式2-8） （式（式2-9） 由（式由（式2-8）和（式）和（式2-9）可知，当）可知，当 时，积分时，积分器器A1 对（或对（或 ）电流积分，输出）电流积分，输出 （ 或）恒或）恒流对流对150pF电容充电所形成的线性斜坡电压信号，当电容充电所形成的线性斜坡电压信号，当信号达到滞回比较器的阈值

35、电压时信号达到滞回比较器的阈值电压时 ，滞回比较器输，滞回比较器输出出 0vINA100A100A100A100上 页下 页返 回滞回比较器输出翻转，通过两个匹配的滞回比较器输出翻转，通过两个匹配的1pF电容耦合电容耦合至检测放大器至检测放大器A3输入端，输入端，A3输出控制电流开关输出控制电流开关K1断断（或通），从而将送入积分器（或通），从而将送入积分器A1的电流由的电流由 改变改变为为 （或由（或由 改变为改变为 ）。重复上述过程。）。重复上述过程。A1将将输出对称的三角波，滞回比较器输出对称的三角波，滞回比较器(振荡频率由内部振振荡频率由内部振荡器控制为荡器控制为500kHz)和检测放

36、大器输出占空比为和检测放大器输出占空比为0.5的对称方波，使电流开关的通、断时间完全相等。的对称方波，使电流开关的通、断时间完全相等。A100A100A100A100当当 时，除去恒流外，还有与时，除去恒流外，还有与 成比例的电流注成比例的电流注入积分电容，入积分电容，A1输出波形的上升和下降速率不同，使输出波形的上升和下降速率不同，使滞回比较器输出波形的占空比不再为滞回比较器输出波形的占空比不再为0.5，电流开关的，电流开关的通、断时间相应变化。这时，比较器输出的是占空比通、断时间相应变化。这时，比较器输出的是占空比与输入信号的大小和极性成比例的脉冲调宽信号，即与输入信号的大小和极性成比例的

37、脉冲调宽信号，即将输入模拟量调制成脉冲调宽的数字信号。将输入模拟量调制成脉冲调宽的数字信号。 0vININv下 页上 页返 回调理电路+采集电路电压跟随器隔直电容A12LifR C 隔直电容与电压跟随器的等效电阻组成隔直电容与电压跟随器的等效电阻组成一个高通滤波器，其截止频率为：一个高通滤波器，其截止频率为： 测控系统中根据需要还可能设置其他的滤波测控系统中根据需要还可能设置其他的滤波器，此时电路的截止频率由所有的滤波电路决定器，此时电路的截止频率由所有的滤波电路决定。(1）“混淆”产生的原因被采样频谱中含有高于折迭频率fs2的频率分量 (2）“混淆”的危害被采样频谱中高于fs2的频率分量采样

38、后会沿fs2折迭到(fs-fc)fs/2频段对信号形成干扰。（3）“混淆”的消除在采样之前先用一个低通滤波器把高于fs2的频率分量滤掉。该低通滤波器称为“去混淆滤波器”被测信号随时间变化被测信号随道间变化适用的集中式采集电路方案否否(a)否是(b)是否(c)是是(d) 模拟多路开关模拟多路开关(Analog switches)也称多路转换也称多路转换器器(Multiplexer)，主要用于信号的切换，是输入通道，主要用于信号的切换，是输入通道的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模的重要元件之一。当系统中有多个变化较为缓慢的模拟量输入时，常常利用模拟多路开关将各路模拟量分拟量输入时，常常

39、利用模拟多路开关将各路模拟量分时与放大器、时与放大器、AD转换器等接通，利用一片转换器等接通，利用一片AD转转换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件换器可完成多个模拟输入信号的依次转换，提高硬件电路的利用率，节省成本。电路的利用率，节省成本。 l分类分类为机械触点式和集成模拟电子开关为机械触点式和集成模拟电子开关 下 页上 页返 回一、模拟多路开关一、模拟多路开关（一）、模拟多路开关的性能（一）、模拟多路开关的性能指标指标1、通道数量。、通道数量。集成模拟开关通常包括多个通道，通集成模拟开关通常包括多个通道，通道数量对传输信号的精度和开关切换速率有直接的道数量对传输信号的精度和开关切换

40、速率有直接的影响，通道数量越多，寄生电容和泄漏电流越大影响，通道数量越多，寄生电容和泄漏电流越大。2、泄漏电流。、泄漏电流。指开关断开时流过模拟开关的电流。一指开关断开时流过模拟开关的电流。一个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于个理想的开关要求导通时电阻为零，断开时电阻趋于无限大，漏电流为零。但由于实际开关断开时电阻不无限大，漏电流为零。但由于实际开关断开时电阻不为无限大，导致泄漏电流不为零。一般希望泄漏电流为无限大，导致泄漏电流不为零。一般希望泄漏电流越小越好。越小越好。3、导通电阻。、导通电阻。指开关闭合时的电阻。导通电阻会损指开关闭合时的电阻。导通电阻会损失信号，使精度降低，尤

41、其是当开关串联的负载为低失信号，使精度降低，尤其是当开关串联的负载为低阻抗时损失会更大。因此，导通电阻的一致性越好，阻抗时损失会更大。因此，导通电阻的一致性越好，系统在采集各路信号时由开关引起的误差越小。系统在采集各路信号时由开关引起的误差越小。下 页上 页返 回4、开关速度。、开关速度。指开关接通或断开的速度。对于频率指开关接通或断开的速度。对于频率 较高的信号，要求模拟开关的切换速度快，同时还应较高的信号，要求模拟开关的切换速度快，同时还应考虑与后级采样保持器、考虑与后级采样保持器、A/D转换器的速度相适应，转换器的速度相适应，从而以最优的性能价格比选择器件。从而以最优的性能价格比选择器件

42、。 除上述指标外除上述指标外，芯片的电源电压范围也是一个重芯片的电源电压范围也是一个重要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关要参数，它与开关的导通电阻和切换速度等有直接关系。电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。系。电源电压越高，切换速度越快，导通电阻越小。反之，导通电阻越大。反之，导通电阻越大。 （二）集成模拟多路开关（二）集成模拟多路开关 目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如目前已有多种型号的集成模拟多路开关，如CD4051（双向、（双向、8路）、路）、CD4052（单向、差动（单向、差动4路）、路）、AD7501（单向、（单向、8路）、路）、AD7506（单向、（单向、16

43、路）等。它们功能路）等。它们功能 相似，仅在某些参数和性能指标上有所差异。相似，仅在某些参数和性能指标上有所差异。 下 页上 页返 回1、八通道单向模拟多路开关、八通道单向模拟多路开关AD7501AD7501是一种是一种8路输入、一路输出的路输入、一路输出的CMOS集成芯集成芯片，导通电阻为片，导通电阻为170300，漏电流为，漏电流为0.22nA，导通截止时间典型值为导通截止时间典型值为0.8s，其内部结构和引脚如，其内部结构和引脚如图图2.25所示所示 图图2.25 AD7501内部结构和引脚图内部结构和引脚图下 页上 页返 回 为通道选择输入端，其状态的组合决定为通道选择输入端，其状态的

44、组合决定输出端输出端OUT与八路模拟输入信号与八路模拟输入信号S1S8中的哪一路中的哪一路接通，真值表见表接通，真值表见表2.3。 表表2.3 AD7501真值表真值表210A A A下 页上 页返 回2、八通道双向模拟多路开关、八通道双向模拟多路开关CD4051 CD4051为为8 通道单刀结构形式，允许双向使用，通道单刀结构形式，允许双向使用，可用于多到一的切换输出，也可用于一到多的切换输可用于多到一的切换输出，也可用于一到多的切换输出，其内部结构如图出，其内部结构如图2.26所示。所示。图图2.26 CD4051内部结构及引脚图内部结构及引脚图下 页上 页返 回输入状态接通通道INHCB

45、A0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通表表2.4 CD4051真值表真值表下 页上 页返 回 其中其中VEE是负电源端，用于电平移位。当是负电源端，用于电平移位。当VSS=0V时，使得在单组电源供电条件下工作的时，使得在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所电路所提供的数字信号能直接控制开关，切换幅度在提供的数字信号能直接控制开关，切换幅度在VEE到到VDD之间的模拟信号，最大峰之间的模拟信号，最大峰峰值达峰值达15V。典型电。典型电平移位连接方法如图平移位连接方法如图2.27所示所示 图图2.27 典型电平

46、移位连接图典型电平移位连接图下 页上 页返 回3、双四路模拟开关、双四路模拟开关CD4052 CD4052相当于一个双刀四掷开关，内部结构和相当于一个双刀四掷开关，内部结构和引脚功能如图引脚功能如图2.28所示。所示。 图图2.28 CD4052内部结构及引脚图内部结构及引脚图 下 页上 页返 回输入状态接通通道INHBA000“0”X、“0”Y001“1”X、“1”Y010“2”X、“2”Y011“3”X、“3”Y1均不接通表表2.5 CD4052真值表真值表下 页上 页返 回（三）模拟开关的通道扩展（三）模拟开关的通道扩展 实际使用中，有时输入模拟信号数量较多，一片模实际使用中，有时输入模

47、拟信号数量较多，一片模拟开关不够用，需要使用多个集成模拟开关进行通道拟开关不够用，需要使用多个集成模拟开关进行通道扩展，以满足使用要求。图扩展，以满足使用要求。图2.29为利用两片为利用两片CD4051将将8路开关扩展成路开关扩展成16路开关的原理图。路开关的原理图。 图图2.29 模拟开关通道扩展连接图模拟开关通道扩展连接图下 页上 页返 回 （一）采样保持器原理（一）采样保持器原理采样是对模拟信号周期性的抽取样值，使模拟采样是对模拟信号周期性的抽取样值，使模拟信号变成时间上离散的脉冲串，采样值的大小信号变成时间上离散的脉冲串，采样值的大小取决于采样时间内输入模拟信号的大小。取决于采样时间内

48、输入模拟信号的大小。采样定义：采样定义：下 页上 页返 回 二、采二、采 样样 保保 持持 器器1.1.采样采样- -保持电路工作过程保持电路工作过程当当VLVL为高电平（为高电平（VL=1VL=1）时：）时： 开关开关S S导通，输入模拟信号导通，输入模拟信号ViVi对保持电容对保持电容CHCH充电充电, ,当当VL=1VL=1的持续时间的持续时间twtw远远大于电容远远大于电容CHCH的充电时间常数时，在的充电时间常数时，在twtw时时间内间内,CH,CH上的电压上的电压VcVc跟随输入电压跟随输入电压ViVi的变化，使输出电压的变化，使输出电压Vo=Vc=ViVo=Vc=Vi，这段时间为

49、采样时间。，这段时间为采样时间。当当VLVL为低电平（为低电平（VL=0VL=0）时：）时： 开关开关S S断开，由于运算放大器的输入阻抗很高，存断开，由于运算放大器的输入阻抗很高，存 储在上储在上CHCH的电荷不会泄露，的电荷不会泄露，CHCH上的电压上的电压VcVc保持不变，保持不变， 使输出电压使输出电压VoVo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时能保持采样结束瞬时的电压值，这段时 间为保持时间。间为保持时间。当VL为低电平（VL=0）时： 开关S断开，由于运算放大器的输入阻抗很高，存储在上CH的电荷不会泄露，CH上的电压Vc保持不变,使输出电压Vo能保持采样结束瞬时的电压值，这段时间为保

50、持时间。采样和保持电路输出随输入变化波形采样和保持电路输出随输入变化波形采样保持器是一种用逻辑电平控制其工作状态的器件，它具有两个稳定的工作状态：(1)跟踪状态。在此期间它尽可能快地接收模拟输入信号，并精确地跟踪模拟输入信号的变化，一直到接到保持指令为止。(2)保持状态。对接收到保持指令前一瞬间的模拟输入信号进行保持。m ax1.212mmCtqfUft有 ：1max12fmtAP2、设置采样保持器的必要性 （1）不设置采样保持器时，待转换信号允许的最高频率很低，由下式决定 （2）设置采样保持器后，待转换信号允许的最高频率大大提高，由下式决定 结论：若被转换信号是直流电压或变化极其缓慢，可以不

51、在ADC前加设S/H。否则，就要在ADC前加设S/H。S/H把采样幅值保持下来，ADC在S/H保持期间把保持的采样幅值转换成相应的数码 2,1LSBmfU余弦信号最大变化率为保证的转换精度下 页上 页返 回将采样保持电路的元器件集成在一片芯片将采样保持电路的元器件集成在一片芯片上可构成集成采样保持器上可构成集成采样保持器(Sample and (Sample and Holder)Holder)。集成采样保持器种类很多，常用的集成芯集成采样保持器种类很多，常用的集成芯片有片有LF198/298/398LF198/298/398、AD582AD582等。其中等。其中LF198/298/398LF

52、198/298/398这三种芯片工作原理相这三种芯片工作原理相同，仅参数有所差异。同，仅参数有所差异。（二）（二） 集成采样保持器集成采样保持器LF398LF398内部结构内部结构两个运算放大器，接成单位增益的电压跟随器，两个运算放大器，接成单位增益的电压跟随器，S S是模拟开关，是模拟开关，是比较器，当逻辑控制端是比较器，当逻辑控制端ININ（+ +）为）为“1”1”时时S S闭合，输出跟随输闭合，输出跟随输入变化，处于采样状态；当入变化，处于采样状态；当ININ（+ +）为）为“0”0”时，时，S S断开，输出不断开，输出不随输入而变化，呈保持状态。随输入而变化，呈保持状态。LF398LF

53、398的典型连接方法的典型连接方法2 2脚接脚接1k1k电阻，用于调节漂移电压；电阻，用于调节漂移电压；7 7脚接地，脚接地，8 8脚接控制信号。脚接控制信号。当控制信号大于当控制信号大于1.4V1.4V时，时，LF398LF398处于采样状态；处于采样状态；当控制信号为低电平时，处于保持状态。当控制信号为低电平时，处于保持状态。6脚外接保持电容保持电容可选用漏电流小的聚苯乙烯电容、云母电容或聚四氟乙烯电容，其数值直接影响采样时间及保持精度。增加保持电容CH的容量可提高精度，但会使采样时间加长。当精度要求不高（1%）而速度要求较高时，CH可小至100pF。当精度要求高（0.01%），如与12位

54、A/D相配合时，为减小下降误差和干扰，应取CH1000pF。下 页上 页返 回（三）（三） 采样保持器主要性能指标采样保持器主要性能指标当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，采当采样保持器从保持状态转到跟踪状态时，采样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输样保持器的输出从保持状态的值变到当前的输入值所需的时间。如图入值所需的时间。如图2.342.34所示。所示。捕捉时间捕捉时间tAC（Acquisition Time）保持指令发出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时保持指令发出瞬间到模拟开关有效切断所经历的时间。是由模拟开关从闭合到完全断开需要一定的时间。是由模拟开关从闭合到完全断开需要一定的时间

55、，当接到保持指令时，采样间，当接到保持指令时，采样/ /保持器的输出并不保持器的输出并不保持在指令发出瞬时的输入值上，而会跟着输入变保持在指令发出瞬时的输入值上，而会跟着输入变化一段时间。化一段时间。 孔径时间孔径时间tAP（Aperture Time）下 页上 页返 回孔径时间的变化范围，即孔径时间不是恒定的，而孔径时间的变化范围，即孔径时间不是恒定的，而是在一定范围内随机变化的。开关断开时，是在一定范围内随机变化的。开关断开时，C CH H上的上的值不稳定，在值不稳定，在t tAPAP后，输出还有一段波动，经过一段后，输出还有一段波动，经过一段稳定时间（稳定时间（t tSTST）后才保持稳

56、定。为了量化的准确，）后才保持稳定。为了量化的准确，应在发出保持指令后延迟一段时间（延迟时间应应在发出保持指令后延迟一段时间（延迟时间应稳定时间），再启动稳定时间），再启动A ADD转换。转换。孔径不定时间孔径不定时间tAP（Aperture Jitter）孔径误差孔径误差采样保持器实际保持的输出值与理想输出值之差采样保持器实际保持的输出值与理想输出值之差下 页上 页返 回在保持状态下，由于保持电容器上电荷在保持状态下，由于保持电容器上电荷的泄漏而使保持电压下降，在集成芯片的泄漏而使保持电压下降，在集成芯片中，通常用泄漏电流来表示；也可用电中，通常用泄漏电流来表示；也可用电压下降率来表示，保持

57、电压的下降率计压下降率来表示，保持电压的下降率计算公式为：算公式为：)S/V(CItVHS保持电压下降率保持电压下降率下 页上 页返 回 采样保持器性能指标采样保持器性能指标 Hz780102521t21f6212c2nx.* AP2nxt21f KHz87538105021t21f12212AP2nx.* A/D转换器常用以下几项技术指标来评转换器常用以下几项技术指标来评价其质量水平。价其质量水平。 (1) 分辨率分辨率 ADC的分辨率定义为的分辨率定义为ADC所能分辨的输所能分辨的输入模拟量的最小变化量。入模拟量的最小变化量。8 8位的分辨率为位的分辨率为 (2) 转换时间转换时间 A/D

58、转换器完成一次转换所需的时间定义转换器完成一次转换所需的时间定义为为A/D转换时间。转换时间。 8128510.190.221LSBv (3) 精度精度 绝对精度绝对精度 绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入电压的差值。电压的差值。 绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误差以及噪声等组成。差以及噪声等组成。 相对精度相对精度相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字相对精度定义为在整个转换范围内，任一数字输出码所对应的模拟输入实际值与理想值

59、之差输出码所对应的模拟输入实际值与理想值之差与模拟满量程值之比。与模拟满量程值之比。 偏移误差。偏移误差。ADC的偏移误差定义为使的偏移误差定义为使ADC的输出最低位的输出最低位为为1，施加到，施加到ADC模拟输入端的实际电压与理模拟输入端的实际电压与理论值论值1/2(Vr2n)(即即0.5LSB所对应的电压值所对应的电压值)之之差（又称为偏移电压）。差（又称为偏移电压）。 增益误差增益误差增益误差是指增益误差是指ADC输出达到满量程时，实际模输出达到满量程时，实际模拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输拟输入与理想模拟输入之间的差值，以模拟输入满量程的百分数表示。入满量程的百分数表示。 线

60、性度误差线性度误差ADC的线性度误差包括积分线性度误差和微分的线性度误差包括积分线性度误差和微分线性度误差两种。线性度误差两种。a积分线性度误差积分线性度误差积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均积分线性度误差定义为偏移误差和增益误差均已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程已调零后的实际传输特性与通过零点和满量程点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性点的直线之间的最大偏离值，有时也称为线性度误差。度误差。 b微分线性度误差微分线性度误差积分线性度误差是从总体上来看积分线性度误差是从总体上来看ADC的数的数字输出，表明其误差最大值。但是，在很字输出，表明其误差最大值。但是，在很多情况下往往