第3章 智能仪器的输入输出通道

1、第第3 3章章 智能仪器的智能仪器的输入输出通道输入输出通道第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道主要内容主要内容 信号输入输出通道是智能仪器的重要组成部信号输入输出通道是智能仪器的重要组成部分，本章阐述模拟量输入输出通道功能部件分，本章阐述模拟量输入输出通道功能部件（测量放大器、（测量放大器、ADCADC、DACDAC、S/HS/H、MUXMUX等）等）的结构、性能及其与微机的接口原理；的结构、性能及其与微机的接口原理； 集成集成数据采集系统及高速数据缓存技术；数据采集系统及高速数据缓存技术； 开关量开关量输入输出通道信号调理及开关量输出信号的输入输出通道信号调理及开关量输

2、出信号的驱动方法。驱动方法。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.1模拟量输入通道模拟量输入通道 工程中的被测量多数为由传感器转换的模工程中的被测量多数为由传感器转换的模拟量，而智能仪器中微处理器处理的是数字拟量，而智能仪器中微处理器处理的是数字量，因此，应把被测模拟信号经过放大、滤量，因此，应把被测模拟信号经过放大、滤波、采样波、采样/保持、保持、A/D转换之后，输入微处理转换之后，输入微处理器进行处理。实现这些功能的电路称为模拟器进行处理。实现这些功能的电路称为模拟量输入通道。量输入通道。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.1.1模拟量输入通道

3、的结构模拟量输入通道的结构 模拟量输入通道有多种形式，按照被采集模拟量输入通道有多种形式，按照被采集信号路数的不同，分为单通道模拟量输入通信号路数的不同，分为单通道模拟量输入通道和多通道模拟量输入通道。道和多通道模拟量输入通道。 单通道模拟量输入通道的基本结构如图单通道模拟量输入通道的基本结构如图3-1所示。由信号调理电路（放大器、滤波器所示。由信号调理电路（放大器、滤波器等）、采样等）、采样/保持器（保持器（S/H）及）及A/D转换器等组转换器等组成。成。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-1 单通道模拟量输入通道单通道模拟量输入通道第第3章章 智能仪器的输入输出

4、通道智能仪器的输入输出通道 多通道模拟量输入通道按照对多路信多通道模拟量输入通道按照对多路信号采集的同步性及速度的不同，分为多号采集的同步性及速度的不同，分为多通道一般型，多通道同步型，多通道并通道一般型，多通道同步型，多通道并行，如图行，如图3-2所示。所示。图图3-2(a) 多通道一般型数据采集系统多通道一般型数据采集系统 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-2(b) 多通道同步型数据采集系统多通道同步型数据采集系统第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-2 多通道模拟量输入通道多通道模拟量输入通道图图3-2(c) 多通道并行数据采集系统

5、多通道并行数据采集系统第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 多通道一般型结构它的优点是多路信号多通道一般型结构它的优点是多路信号共用一个共用一个S/H和和ADC电路，电路结构简单、电路，电路结构简单、成本低。成本低。 缺点是由于多路信号是分时进行采集和缺点是由于多路信号是分时进行采集和A/D转换的，因此，采集速度低。对于要求转换的，因此，采集速度低。对于要求多路信号严格同步采集的系统是不适用的。多路信号严格同步采集的系统是不适用的。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 多通道同步型结构中，由于各通道有多通道同步型结构中，由于各通道有独立的独立的S/H电路

6、，因此，可以实现同步采电路，因此，可以实现同步采集分时集分时A/D转换。这种结构的缺点是由于转换。这种结构的缺点是由于多路信号的多路信号的A/D转换仍然是分时进行的，转换仍然是分时进行的，工作速度仍然较低。工作速度仍然较低。 多通道并行结构中，每一通道有独立多通道并行结构中，每一通道有独立的的S/H、ADC电路，可以实现同步采集和电路，可以实现同步采集和高速采集。高速采集。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 模拟量输入通道的放大器、滤波器、多路模拟量输入通道的放大器、滤波器、多路模拟开关、模拟开关、S/H、ADC，在实际系统中并非，在实际系统中并非都需要。例如，如果输入信

7、号电平较高，就都需要。例如，如果输入信号电平较高，就可以省去放大器；可以省去放大器； 如果输入信号的变化速率如果输入信号的变化速率比比ADC转换速率低得多，就不必使用转换速率低得多，就不必使用S/H。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.23.2测量放大器与程控增益放大器测量放大器与程控增益放大器 智能仪器对物理量进行测量时，首先需要将智能仪器对物理量进行测量时，首先需要将物理量经过传感器转换为电信号。一般传感物理量经过传感器转换为电信号。一般传感器输出信号很微弱，不能直接进行器输出信号很微弱，不能直接进行A/DA/D转换，转换，需要经过放大器放大到需要经过放大器放大到A

8、/DA/D转换器要求的幅转换器要求的幅度。由于通用运算放大器一般都具有毫伏级度。由于通用运算放大器一般都具有毫伏级的失调电压及数微伏的失调电压及数微伏/的温度漂移，因此，的温度漂移，因此，它不能用于对微弱信号的放大。它不能用于对微弱信号的放大。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 特别是当传感器工作环境较恶劣时，其特别是当传感器工作环境较恶劣时，其输出两条线上经常会产生较大的干扰信输出两条线上经常会产生较大的干扰信号，有时是完全相同的干扰，即共模干号，有时是完全相同的干扰，即共模干扰，而通用运算放大器抑制共模干扰能扰，而通用运算放大器抑制共模干扰能力有限，在这种情况下很难满

9、足要求。力有限，在这种情况下很难满足要求。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.2.13.2.1测量放大器原理测量放大器原理 测量放大器又称仪用放大器，是一种具有精测量放大器又称仪用放大器，是一种具有精密差动电压增益的器件。由于其具有高共模密差动电压增益的器件。由于其具有高共模抑制比、高稳定增益、高输入阻抗、低输出抑制比、高稳定增益、高输入阻抗、低输出阻抗、低温漂、低失调电压等优点，因此，阻抗、低温漂、低失调电压等优点，因此，非常适合于对微弱信号的放大，以及有较大非常适合于对微弱信号的放大，以及有较大共模干扰的场合。共模干扰的场合。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪

10、器的输入输出通道 测量放大器的原理电路如图测量放大器的原理电路如图3-13-1所示，所示，它是一个由三个放大器组成的两级电路，它是一个由三个放大器组成的两级电路，第一级由两个对称的同相放大器组成，第一级由两个对称的同相放大器组成，第二级为差动放大器。为了提高电路的第二级为差动放大器。为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，电抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，电路采用上、下对称结构，即取路采用上、下对称结构，即取R R1 1=R=R2 2、R R3 3=R=R4 4、R R5 5=R=R6 6。电路闭环增益分析，有。电路闭环增益分析，有第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道

11、图3-1 测量放大器原理电路第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道Uo1=Ui1+IgR1 （3-1）Uo2=Ui2-IgR2 （3-2） （3-3）由上述3式得g2i1 igRUUI第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 （3-4） （3-5） （3-6） （3-7）2i1 io2o1UUUUg1gg212i1 i2o1ou1RR21RRRRUUUUA655oo2o14633RRRUU 1UR +RRR（）35o12oRRUU）（352o1oou2RRUUUA第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道电路总增益电路总增益 （3-8）v 显然改

12、变显然改变R g的值，可以改变的值，可以改变Au的大的大小在集成测量放大器中，小在集成测量放大器中，R g为外接电阻。为外接电阻。35g1u21uuRR)R2R(1AAA第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.2.23.2.2测量放大器的使用测量放大器的使用1. 1. 差动输入端的连接方法差动输入端的连接方法 测量放大器不论是三运放结构还是单片集成电测量放大器不论是三运放结构还是单片集成电路，它的两个输入端都是有偏置电流的，使用时要路，它的两个输入端都是有偏置电流的，使用时要注意为偏置电流提供回路。如果没有回路，则这些注意为偏置电流提供回路。如果没有回路，则这些电流将对分布

13、电容充电，造成输出电压不可控制的电流将对分布电容充电，造成输出电压不可控制的漂移或饱和。因此，对于浮置的信号源，如变压器漂移或饱和。因此，对于浮置的信号源，如变压器耦合、热电偶以及交流电容耦合信号源，必须对测耦合、热电偶以及交流电容耦合信号源，必须对测量放大器每个输入端构成到电源地的直流通路，连量放大器每个输入端构成到电源地的直流通路，连接方法如图接方法如图3-2所示。所示。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-2 测量放大器输入端连接方法第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道2. 增加防护端增加防护端 在实际应用中，为了防止空间电磁干扰，在实际应用中

14、，为了防止空间电磁干扰，信号源往往通过电缆与测量放大器连接。如信号源往往通过电缆与测量放大器连接。如果电缆的屏蔽层接地，则对交流共模干扰果电缆的屏蔽层接地，则对交流共模干扰U cm就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽层之间存在分布电容线与屏蔽层之间存在分布电容C1、C2，如图，如图3-3所示。分布电容所示。分布电容C1、C2与传输线电阻与传输线电阻Ri1、Ri2分别构成的两个低通滤波器的时间常数分别构成的两个低通滤波器的时间常数Ri1C1、Ri2C2不可能完全相等。不可能完全相等。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 这样就使共模

15、信号通过两低通滤波器后这样就使共模信号通过两低通滤波器后产生不同的衰减，使共模干扰变成差模干产生不同的衰减，使共模干扰变成差模干扰，进而产生测量误差。为此，在测量放扰，进而产生测量误差。为此，在测量放大器中增加两个等值电阻大器中增加两个等值电阻R R7 7，如图，如图3-43-4所所示，并将两个示，并将两个R R7 7的中点引出，称为防护端，的中点引出，称为防护端，经过跟随器后接至电缆的屏蔽层。由于经过跟随器后接至电缆的屏蔽层。由于U U0101=U=U0202=U=U cm cm，因此防护端的电位为共，因此防护端的电位为共模电压模电压U U cm cm，屏蔽层的电位也就为，屏蔽层的电位也就为

16、U U cmcm，这样这样C C1 1、C C2 2上没有共模电压降，有效地清上没有共模电压降，有效地清除了它们对共模干扰的影响。除了它们对共模干扰的影响。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-3 3-3 电缆屏蔽层接地的影响电缆屏蔽层接地的影响第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-4 3-4 抑制交流共模干扰方法示意图抑制交流共模干扰方法示意图第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3. 增加敏感端增加敏感端S，参考端，参考端R 测量放大器通常设有敏感（测量放大器通常设有敏感（sense）端和）端和参考（参考（referen

17、ce）端，一般情况下，）端，一般情况下，R端接电端接电源地，源地，S端接输出端，如图端接输出端，如图3-4所示。在测量所示。在测量放大器接远距离负载时，由于输出端与负载放大器接远距离负载时，由于输出端与负载连线上会产生明显的压降，导致负载上的压连线上会产生明显的压降，导致负载上的压降减少，如果将降减少，如果将S端与负载端相连，可以消除端与负载端相连，可以消除这一影响。这一影响。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 在后接跟随器时，也要将在后接跟随器时，也要将S S端与负载端端与负载端相连，以减少跟随器漂移的影响，如图相连，以减少跟随器漂移的影响，如图3-53-5所示。所示。

18、R R端用于对输出电平进行偏移，端用于对输出电平进行偏移，产生偏移的参考电压产生偏移的参考电压V V r r应经跟随器接到应经跟随器接到R R端，以隔离参考源内阻，防止其破坏测端，以隔离参考源内阻，防止其破坏测量放大器末级电阻的上、下对称性而导量放大器末级电阻的上、下对称性而导致共模抑制比降低。致共模抑制比降低。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-5 3-5 敏感端及参考端的连接方法敏感端及参考端的连接方法第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.2.3程控增益放大器程控增益放大器 在智能仪器中输入信号的变化幅度在不同的场在智能仪器中输入信号的变化

19、幅度在不同的场合可能有不同的值，可以从微伏级到伏级。而合可能有不同的值，可以从微伏级到伏级。而A/D转换器（转换器（ADC）的输入满刻度值是确定的，例如）的输入满刻度值是确定的，例如5V或或10V，如果直接将被测信号电压作为，如果直接将被测信号电压作为ADC的的输入，就会造成输入，就会造成ADC的精度没有充分利用，或造成的精度没有充分利用，或造成被测信号销顶，出现较大的测量误差。因此，必须被测信号销顶，出现较大的测量误差。因此，必须根据被测信号的幅度改变放大器的增益，使放大器根据被测信号的幅度改变放大器的增益，使放大器的输出与的输出与ADC输入满刻度值相匹配。智能仪器中通输入满刻度值相匹配。智

20、能仪器中通常使用程控增益放大器（常使用程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier，PGA）实现这一功能。）实现这一功能。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道1. 1.基本程控增益放大器基本程控增益放大器 基本程控增益放大器由运放及模拟开关控基本程控增益放大器由运放及模拟开关控制的电阻网络组成，模拟开关的地址由硬件制的电阻网络组成，模拟开关的地址由硬件电路或微机控制。基本程控增益放大器分为电路或微机控制。基本程控增益放大器分为反相程控增益放大器和同相程控增益放大器。反相程控增益放大器和同相程控增益放大器。图图3-9所示的是一个反相程控增益放大器实例

21、所示的是一个反相程控增益放大器实例电路，模拟开关为一个选模拟开关电路，模拟开关为一个选模拟开关CD4051。CD4051某一路（如第某一路（如第j路，路，j=0，1，7）接通时电路增益为）接通时电路增益为 jOji1G RUUR第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-9 反向程控增益放大器第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 电路的特点是结构简单，输入电阻不随电路的特点是结构简单，输入电阻不随增益的变化而变化。缺点是模拟开关的增益的变化而变化。缺点是模拟开关的导通电阻及其漂移会影响增益的精度。导通电阻及其漂移会影响增益的精度。 上述电路是在运放的反馈电

22、路中接入电上述电路是在运放的反馈电路中接入电阻网络，通过改变反馈电阻值来改变增阻网络，通过改变反馈电阻值来改变增益。也可以使反馈支路为固定电阻，而益。也可以使反馈支路为固定电阻，而将输入电阻将输入电阻R R1 1改变为电阻网络，同样可改变为电阻网络，同样可以得到不同的增益，但这种情况下增益以得到不同的增益，但这种情况下增益表达式是式（表达式是式（3-93-9）的倒数。）的倒数。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 图图3-10所示为同相程控增益放大器的所示为同相程控增益放大器的实例电路。信号从同相端输入，电阻网实例电路。信号从同相端输入，电阻网络接在运放反相端与输出端之间，

23、当络接在运放反相端与输出端之间，当CD4051的的Io端接通时，电路是一个跟随端接通时，电路是一个跟随器，当器，当CD4051的其他端（如第的其他端（如第j端）接通端）接通时，电路增益为时，电路增益为 （3-10） Njkk710iojRRRRUUG第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-10 同相程控增益放大器第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道2.2.应用测量放大器实现的程控增益放大器应用测量放大器实现的程控增益放大器 基本程控增益放大器测量精度较低，对基本程控增益放大器测量精度较低，对于精度要求较高的场合，可以通过多路模拟于精度要求较高的场合，可

24、以通过多路模拟开关切换测量放大器的增益电阻，实现增益开关切换测量放大器的增益电阻，实现增益的控制。图的控制。图3-11是用单片集成测量放大器是用单片集成测量放大器AD521实现的一种程控增益放大器。由实现的一种程控增益放大器。由AD521、锁存器及模拟开关控制的电阻网络、锁存器及模拟开关控制的电阻网络等组成。等组成。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-11 应用测量放大器实现的程控增益放大器第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.集成程控增益放大器集成程控增益放大器 目前，市场上已有集成程控增益放大器芯目前，市场上已有集成程控增益放大器芯片提供，如

25、片提供，如AD公司生产的公司生产的LH0084芯片。芯片。LH0084的原理电路如图的原理电路如图3-12所示，由可变增所示，由可变增益电压跟随输入级（益电压跟随输入级（A1、A2）及差动输出级）及差动输出级（A3）组成。输入级包括匹配的高速场效应）组成。输入级包括匹配的高速场效应管（管（FET）运放）运放A1和和A2、高稳定度温度补偿、高稳定度温度补偿电阻网络及开关网络组成。其中开关网络由电阻网络及开关网络组成。其中开关网络由译码译码驱动器及双四通道模拟开关组成。驱动器及双四通道模拟开关组成。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-12 LH0084程控放大器原理图第第

26、3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 对应控制数码对应控制数码D1D0的一组取值（如的一组取值（如01），有一组模拟开关（），有一组模拟开关（S2、S2）接通，）接通，运放运放A1、A2有一个相同的反馈电阻。改有一个相同的反馈电阻。改变变D1D0的取值，则改变了的取值，则改变了A1、A2的反馈的反馈电阻，使第一级具有不同的增益。该电电阻，使第一级具有不同的增益。该电路还可以通过改变输出端的接线方法来路还可以通过改变输出端的接线方法来改变第二级改变第二级A3的增益，当输出端（的增益，当输出端（10脚）脚）分别与分别与6、7、8脚相连，脚相连，13、12、11脚分脚分别接地时，第二

27、级别接地时，第二级A3的增益分别为的增益分别为1、4、10。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道LH0084的总增益为的总增益为 增益大小与控制数码增益大小与控制数码D1D0及输出级引脚连及输出级引脚连接的关系见表接的关系见表3-1。 )2()1(12)()(12)()(uuoiiiiouAAUUUUUUUUUUA第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.3 3.3 多路模拟开关多路模拟开关 模拟开关分为两类：模拟开关分为两类： 第一类是机械触点式开关，第一类是机械触点式开关，包括干簧继电器、水银继电

28、器和机械振子继电器。包括干簧继电器、水银继电器和机械振子继电器。这类开关具有接通电阻小这类开关具有接通电阻小(10150)、断开电阻大、断开电阻大(1012)、驱动部分和开关元件隔开等优点，但开关、驱动部分和开关元件隔开等优点，但开关速度慢（速度慢（200500次次/s）；）； 第二类是电子式开关，包第二类是电子式开关，包括晶体管、场效应管、光电耦合元件以及集成电路括晶体管、场效应管、光电耦合元件以及集成电路开关等。这类开关的特点是速度快、体积小但导通开关等。这类开关的特点是速度快、体积小但导通电阻大。电阻大。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 常用的常用的CMOSCMO

29、S多路开关有：多路开关有： CD4051CD4051（双向单（双向单8 8选选1 1）、）、CD4052CD4052（双向双（双向双4 4选选1 1）、）、CD4067CD4067（双向单（双向单1616选选1 1）、）、AD7501AD7501（单向单选）、（单向单选）、AD7502AD7502（单向双（单向双4 4选选1 1）、）、AD7506AD7506（单向单（单向单1616选选1 1）。）。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.3.13.3.1模拟多路开关的功能模拟多路开关的功能 v 对来自这些传感器的模拟信号进行模数对来自这些传感器的模拟信号进行模数转换时，常

30、常使用公共的转换时，常常使用公共的ADC，即采用分时，即采用分时方式占用方式占用ADC，也就是利用模拟多路开关轮，也就是利用模拟多路开关轮流切换每个被采集的传感器信号与流切换每个被采集的传感器信号与ADC的通的通路。路。 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.3.2 模拟多路开关的配置模拟多路开关的配置 v 单端式单端式：此种方式应用在所有输入信号相：此种方式应用在所有输入信号相对于系统模拟公共地测量上，而且信号电平对于系统模拟公共地测量上，而且信号电平显著大于出现在系统中的共模电压显著大于出现在系统中的共模电压V VCMCM。此。此时，测量放大器的共模抑制能力尚未发挥，

31、时，测量放大器的共模抑制能力尚未发挥，但系统可以得到最多的通道数。但系统可以得到最多的通道数。 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道（a） 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道v 模拟多路开关模拟多路开关MUXMUX的的差动配置差动配置 ：此种方式此种方式应用在应用在n n个输入信号有各自独立的参考电位，个输入信号有各自独立的参考电位，或者是应用在信号长线传输引起严重的共模或者是应用在信号长线传输引起严重的共模干扰时。这种配置可以充分发挥测量放大器干扰时。这种配置可以充分发挥测量放大器共模抑制的能力，用以采集低电平信号，但共模抑制的能力，用以采集低电平信

32、号，但通道数减半。通道数减半。 3.3.2 3.3.2 模拟多路开关的配置模拟多路开关的配置 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道（b） 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道v 模拟多路开关模拟多路开关MUX的的伪差动配置伪差动配置 ：它可：它可保证系统的共模抑制能力，而无需减少一半保证系统的共模抑制能力，而无需减少一半通道数。这种方式仅适用于所有输入信号均通道数。这种方式仅适用于所有输入信号均参考一个公共电位的系统，而且各信号源均参考一个公共电位的系统，而且各信号源均置于同样的噪声环境。置于同样的噪声环境。3.3.2 3.3.2 模拟多路开关的配置模拟

33、多路开关的配置 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道（c）图图3-12 模拟多路开关的配置模拟多路开关的配置第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.3.3器件实例器件实例 v AD7501、AD7503、AD7502为美国为美国AD公司公司CMOS电路，它们有电路，它们有8个输入端和个输入端和1个公个公共输出端。共输出端。 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-13 AD7501（AD7503）、）、AD7502的功能框图的功能框图第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道表表3-3 通道选择真值表通道选择真值表第

34、第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.3.3 器件实例器件实例 v AD7506是集成是集成CMOS电路电路16通道的模拟通道的模拟多路开关。多路开关。AD7507与与AD7506基本相同，但基本相同，但AD7507为双路为双路8通道，适于差分输入的情况。通道，适于差分输入的情况。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-14 AD7506及及AD7507框图框图第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道表表3-4 通道选择真值表通道选择真值表第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.3.4多级使用多级使用 v 下图为模

35、拟多路开关多级使用例子。第下图为模拟多路开关多级使用例子。第一级由一级由4个个16通道的通道的AMUX16组成，第二级由组成，第二级由1个个4通道的通道的AMUX4组成。组成。图图3-15 多级使用多级使用 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 图图3-15中共有中共有63个截止通道，若每个通道的个截止通道，若每个通道的CT为为5pF，共计，共计635315（pF）。图）。图3-16中中AMUX16只有只有16个通道，其中一个通道导通，因此个通道，其中一个通道导通，因此截止通道对导通通道的电容负载为截止通道对导通通道的电容负载为 15575（pF）。可见）。可见两级多路模拟

36、开关电路的电容负载两级多路模拟开关电路的电容负载降低了降低了。这里第二级起一个缓冲器的作用，负载电。这里第二级起一个缓冲器的作用，负载电容的降低有利于开关速度的提高。容的降低有利于开关速度的提高。 (1) 降低了截止通道的负载影响降低了截止通道的负载影响 图图3-16 单级单级多路模拟开关多路模拟开关 第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道(2) 提高了开关速度及效率提高了开关速度及效率 如图所示，第一级由开关速度较低的电路构成。第如图所示，第一级由开关速度较低的电路构成。第二级由开关速度较高的电路构成。设第一级的相邻二级由开关速度较高的电路构成。设第一级的相邻2个个通道的通

37、道的tON及及tOFF是重叠的，是重叠的，tONtOFF2 ，而第二级，而第二级的的tON tOFF 20ns。 ss第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道(2) 提高了开关速度及效率提高了开关速度及效率 若若AMUX16组成单级多路通道开关，组成单级多路通道开关，tsample=4 ，tdiff=2 ，则，则E=67%。组成两级多路通道开关时，。组成两级多路通道开关时，若若AMUX2的的tdiff=20ns，则，则E=99.5%。可见，多级多。可见，多级多路通道开关的效率取决于第二级的效率。路通道开关的效率取决于第二级的效率。ss多路模拟开关的效率多路模拟开关的效率E为：为

38、：samlpediffsampletE100%tt s第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道(3)降低了通道串扰降低了通道串扰 s 图图3-20给出了图给出了图3-17中某一个截止通道的等中某一个截止通道的等效电路。效电路。CT1、RDSON1、Rg1、CA1为第一级的等效为第一级的等效参数；参数；CT2、RDSON2、CA2为第二级的等效参数。为第二级的等效参数。 由于截止通道的输入信号由于截止通道的输入信号Vi要经过两级耦合要经过两级耦合电路传到输出端，因此比起一级耦合电路通道串电路传到输出端，因此比起一级耦合电路通道串扰要小。扰要小。 第第3章章 智能仪器的输入输出通道

39、智能仪器的输入输出通道图图3-20 截止通道的等效电路截止通道的等效电路第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道2. 2. 采样采样/ /保持（保持（S/HS/H）电路）电路 采样采样/ /保持电路的作用是在某个规定的时刻接保持电路的作用是在某个规定的时刻接收输入电压并在输出端保持该电压值，直至下次收输入电压并在输出端保持该电压值，直至下次采样为止。采样为止。 采样采样/ /保持电路的原理图如图保持电路的原理图如图3-323-32所示。包括所示。包括输入、输出缓冲放大器输入、输出缓冲放大器A A1 1、A A2 2，保持电容，保持电容C C，模拟，模拟开关开关S S，驱动器等。

40、其工作过程为，在采样阶段，驱动器等。其工作过程为，在采样阶段，驱动器使开关驱动器使开关S S闭合，保持电容闭合，保持电容C C迅速充电达到输迅速充电达到输入电压入电压V Vi i的幅度，并对的幅度，并对ViVi进行跟踪。在保持阶段，进行跟踪。在保持阶段，驱动器使开关驱动器使开关S S断开，由于保持电容断开，由于保持电容C C的漏电流极的漏电流极小，其上的电压基本保持不变，所以，输出电压小，其上的电压基本保持不变，所以，输出电压也保持不变，输出保持了采样结束前的输入电压也保持不变，输出保持了采样结束前的输入电压幅值。幅值。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-32 采样/

41、保持电路原理图第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图3-33 采样/保持电路工作波形第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道采样/保持器的主要性能参数：（1） 捕获时间t AC 捕获时间t AC指从采样命令发出至输出电压按照一定的误差（捕获误差）逼近输入值所需要的时间。它与保持电容的电容值、放大器的响应时间及输入信号的变化幅度等有关。一般，采样保持器在0.01%捕获误差下的捕获时间为30ns15s。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道（2） 孔径时间t AP 孔径时间t AP指从保持命令发出到开关S完全断开的一段时间，孔径时间一般为102

42、0ns。在孔径时间内输出仍跟踪输入信号的变化。由于孔径时间的存在，使保持命令发出的输出值与孔径时间结束时的输出值产生一个误差，称为孔径误差。 如果采样保持器具有恒定的孔径时间，可以采取措施消除其影响，把保持命令比预定时刻提前t AP时间发出，则电路的实际输出值就是预定时刻的输入值。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 （3） 孔径抖动时间t AJ 孔径抖动也称孔径不确定度。由于开关的截止时间在连续多次切换时存在某种涨落现象，以及电路中各种因素的影响，使t AP存在一定的不确定性，这种现象称为孔径抖动。孔径抖动时间t AJ等于多次采样中，孔径时间t AP的最大值与最小值之差。

43、t AJ约为2%10%tAP。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道（4） 保持建立时间t HS 保持建立时间指孔径时间之后，输出按照一定的误差（保持建立误差）达到稳定所需的时间，一般t HS约为1s左右。为了测量方便，有人把t AP包括在t HS之内。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 （5） 保持电压下降率 在保持阶段，由于保持电容漏电流及其他杂散漏电流的存在，使保持电压出现了下降。下降速率为0.11V/s。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 （6） 馈通误差 在保持模式下，由于跨接在开关两端的分布电容及其他因素的影响，使输出随

44、输入变化出现微小变化，这种现象称为馈通，所产生的误差称为馈通误差。 对于一个单通道的数据采集系统而言，其最小的采样周期T smin应为t AC、t AP、t HS及ADC转换时间t C之和。一般t AP很小可以忽略，因此T smin =t AC+t HS+t C （3-15）第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道数据采集系统的最大采集速率为f smax=1/Tsmin（3-16）对于N通道数据采集系统，如果多路模拟开关每次的转换时间为t max，则其最大采集速率为第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 （3-17） 应用采样保持器后，ADC输入信号的频率得到

45、提高，分析如下： 为了保证ADC的转换精度（如转换误差为1/2LSB），在转换时间内，输入信号的变化量不应超过1/2LSB，设输入信号为正弦信号，即 Vi=V msinit （3-18）)tttt (N1fCHSACmaxsmax第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道则应有 （3-19）式中： tC为ADC的转换时间； VFS为ADC的输入满量程值； n为ADC的位数。将式（3-18）代入式（3-19）得nFSCmaxi2V21t)dtdV(第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 （3-20） 若V m=VFS，则 （3-21） 例如ADC0809，n=8，

46、t C=100s，则有fi3.1Hz。 可见，如果不用采样/保持器，ADC在保证转换精度的条件下，可以直接转换的输入信号频率很低。Cm2nFSitV2VfC2nit21f第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 使用采样保持器后，ADC在保持命令到来后进行转换。由于在保持模式下，S/H仅在孔径时间t AP内，输出仍跟踪输入信号变化，因此只要在t AP内输入信号的变化量不超过1/2LSB，就能够保证ADC的转换精度。所以将式（3-21）中的t C换为t AP，就可以得到输入信号的最高频率 （3-22） 由于t APVVR R时，输出低电平。时，输出低电平。vDSDS1 1DSDS

47、4 4： 多路选通脉冲输出端。当多路选通脉冲输出端。当DSDS1 1DSDS4 4分时顺序输出正脉冲时，分时顺序输出正脉冲时，Q Q3 3Q Q0 0分时输出转换分时输出转换结果的千、百、十、个位结果的千、百、十、个位BCDBCD码。每个选通脉码。每个选通脉冲的宽度为冲的宽度为1818个时钟周期，相邻两个脉冲的间个时钟周期，相邻两个脉冲的间隔为隔为2 2个时钟周期。个时钟周期。OR第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道vQ Q3 3Q Q0 0： 转换结果输出端。采用转换结果输出端。采用BCDBCD码输出，码输出，Q Q0 0为最低位。在为最低位。在DSDS2 2、DSDS3

48、 3、DSDS4 4选通期间分时输选通期间分时输出三个完整的出三个完整的BCDBCD码，分别代表百位、十位、码，分别代表百位、十位、个位的信息，但在个位的信息，但在DSDS1 1选通期间，输出端选通期间，输出端Q Q3 3Q Q0 0除表示千位信息外，还有超欠量程及极性标志除表示千位信息外，还有超欠量程及极性标志信号，具体规定为：信号，具体规定为： Q Q3 3表示千位数，低表示表示千位数，低表示千位为千位为1 1，高表示千位为，高表示千位为0 0； Q Q2 2表示被测电压表示被测电压的极性，高表示正极性，低表示负极性；的极性，高表示正极性，低表示负极性； Q Q0 0为超欠量程标志，高表示

49、超或欠量程，其中为超欠量程标志，高表示超或欠量程，其中Q Q3 3低时为超量程，低时为超量程，Q Q3 3高时为欠量程。高时为欠量程。 MC14433MC14433的输出时序如下图所示。的输出时序如下图所示。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 MC14433 MC14433输出时序图输出时序图第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道2. MC144332. MC14433与与80C5180C51单片机的接口单片机的接口 MC14433 MC14433与与80C5180C51的接口电路如图的接口电路如图3-243-24所所示。转换器的输出端连至示。转换器的输

50、出端连至80C5180C51的的P0P0口。转换口。转换器的器的EOCEOC信号反相后，作为中断请求信号信号反相后，作为中断请求信号INT1INT1。EOCEOC与与DUDU端相连，使每次转换结果的端相连，使每次转换结果的BCDBCD码按码按照选通信号照选通信号DSDS1 1DSDS4 4的顺序输出。设外部中的顺序输出。设外部中断为边沿触发方式，转换结果存储在断为边沿触发方式，转换结果存储在20H20H、21H21H中，存储格式如下：中，存储格式如下：第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-38 MC144333-38 MC14433与与80C5180C51的接口的接口

51、第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道实现实现A/D转换的程序如下：转换的程序如下：主程序：主程序：MAIN: SETB IT1 ；置外部中断；置外部中断1为边沿触发方式为边沿触发方式 SETB EA SETB EX1 ；开放；开放CPU中断，外部中断中断，外部中断1允许允许第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道； 中断服务程序中断服务程序AINT:MOV A，P1 JNB ACC.4，PINT1 ;等待等待DS1选通信号选通信号 JNB ACC.0，PER ;若超、欠量程，转若超、欠量程，转AER JNB ACC.2，PL1 ;若极性为正，转若极性为正，转

52、PL1 SETB 07H ;极性为负，极性为负，20H单元单元D7置置1第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 AJMP PL2PL1:CLR 07H ;极性为正，极性为正，20H单元单元D7置置0PL2:JB ACC.3，PL3 ;千位为零转千位为零转PL3 SETB 04H ;千位为千位为1，20H单元单元D4置置1 AJMP PL4PL3:CLR 04H ;千位为千位为0，20H单元单元D4置置0第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道PL4:MOV A，P0 JNB ACC.5，PL4 ;等待等待DS2选通信号选通信号 MOV R0，#20H XCHD

53、 A，R0 ;百位数送百位数送20H低四位低四位PL5:MOV A，P1 JNB ACC.6，PL5 ;等待等待DS3选通信号选通信号第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 SWAP A ;高低四位交换高低四位交换 INC R0 MOV R0，A ;十位数送十位数送21H的高的高4位位PL6:MOV A，P1 JNB ACC.7，PL6 ;等待等待DS4选通信号选通信号 XCHD A，R0 ;个位数送个位数送21H的低的低4位位第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 RETI PER:SETB 10H ;置超欠量程标志置超欠量程标志 RETI第第3章章 智能

54、仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道3.5.4-3.5.4-型型ADCADC及其与微机的接口及其与微机的接口 近年来，近年来，-型型ADCADC以其分辨率高、线以其分辨率高、线性度好、成本低等特点，得到越来越广泛的性度好、成本低等特点，得到越来越广泛的应用，特别是在既有模拟又有数字信号处理应用，特别是在既有模拟又有数字信号处理场合更是如此。场合更是如此。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道1. -型型ADC的原理的原理 -型型ADC首先以很低的采样分辨率（首先以很低的采样分辨率（1位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，位）和很高的采样速率将模拟信号数字化，通过使用过采样

55、、噪声整形和数字滤波等方通过使用过采样、噪声整形和数字滤波等方法增加有效分辨率，然后对法增加有效分辨率，然后对A/D转换器输出转换器输出进行采样抽取处理以降低有效采样速率，实进行采样抽取处理以降低有效采样速率，实现现A/D转换。转换。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道（1 1） 过采样过采样 ADC是一种数字输出与模拟输入成正比是一种数字输出与模拟输入成正比的电路。一个理想的的电路。一个理想的ADC，第一位的变迁发，第一位的变迁发生在生在1/2LSB的模拟电压上，以后每隔的模拟电压上，以后每隔1LSB都都发生一次变迁，直至距离满刻度的发生一次变迁，直至距离满刻度的 LSB

56、。由于由于ADC模拟量输入可以是任何值，但数字模拟量输入可以是任何值，但数字量输出是量化的，所以实际的模拟输入与数量输出是量化的，所以实际的模拟输入与数字输出之间存在字输出之间存在1/2LSB的量化误差。在交的量化误差。在交流采样中，这种量化误差会产生量化噪声。流采样中，这种量化误差会产生量化噪声。211第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 如果对理想如果对理想ADC加一个恒定直流电压，那么加一个恒定直流电压，那么多次采样得到的数字输出值总是相同的，而且分多次采样得到的数字输出值总是相同的，而且分辨率受量化误差的限制。如果在这个直流信号上辨率受量化误差的限制。如果在这个直流

57、信号上叠加一个交流信号，并用比交流信号频率高得多叠加一个交流信号，并用比交流信号频率高得多的采样频率进行采样，得到的数字输出值将是变的采样频率进行采样，得到的数字输出值将是变化的，用这些采样结果的平均值表示化的，用这些采样结果的平均值表示ADC转换结转换结果，能得到比用同样果，能得到比用同样ADC高得多的采样分辨率，高得多的采样分辨率，这种方法称作过采样这种方法称作过采样(over sampling)。如果模拟。如果模拟输入电压本身就是交流信号，则不必另叠加一个输入电压本身就是交流信号，则不必另叠加一个交流信号，采用过采样方法（采样频率远高于输交流信号，采用过采样方法（采样频率远高于输入信号频

58、率）也同样可提高入信号频率）也同样可提高ADC的分辨率。的分辨率。第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 由信号采样理论可知，若输入信号的由信号采样理论可知，若输入信号的最小幅度大于量化器的量化阶梯最小幅度大于量化器的量化阶梯q，并且，并且输入信号的幅度随机分布，则量化噪声输入信号的幅度随机分布，则量化噪声的总功率为一常数，的总功率为一常数， ，均匀地分，均匀地分布在布在0fs/2（f s为采样频率）的频带范围，为采样频率）的频带范围，噪声功率谱密度为噪声功率谱密度为 。提高采样频。提高采样频率率f s，可以降低量化噪声功率谱密度，提，可以降低量化噪声功率谱密度，提高了信噪比

59、。图高了信噪比。图3-39所示为以所示为以f s及及kf s进进行采样时的量化噪声分布示意图。行采样时的量化噪声分布示意图。1222qqs2Nf6q)f (P第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道图图3-39 不同采样频率时的量化噪声分布不同采样频率时的量化噪声分布第第3章章 智能仪器的输入输出通道智能仪器的输入输出通道 如果采样量化后接一个低通滤波器，滤除如果采样量化后接一个低通滤波器，滤除基带外的高频量化噪声，则由于采样频率提高基带外的高频量化噪声，则由于采样频率提高后基带内的量化噪声功率减小，使得输出的信后基带内的量化噪声功率减小，使得输出的信噪比增加，等效于提高了量化

60、精度或采样分辨噪比增加，等效于提高了量化精度或采样分辨率。由信号采样理论可知，通过普通的过采样率。由信号采样理论可知，通过普通的过采样技术欲使采样分辨率提高技术欲使采样分辨率提高N位，必须进行位，必须进行k=22N倍过采样。由于实际条件的限制，不能无限制倍过采样。由于实际条件的限制，不能无限制地增加采样频率。为此，考虑对量化噪声的频地增加采样频率。为此，考虑对量化噪声的频谱进行整形，使得大部分噪声位于谱进行整形，使得大部分噪声位于fs/2至至kfs/2之之间，仅仅一小部分留在直流至间，仅仅一小部分留在直流至f s内，过采样内，过采样-调制正好能解决这一问题。调制正好能解决这一问题。第第3章章