第二章输入输出通道及接口技术

第二章输入输出通道及接口技术数据采集系统的组成结构传感器的选择及信号放大电路信号滤波电路A/D转换器及接口技术开关量输入通道模拟量输出通道

开关量输出通道

智能仪器的数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。除数字传感器外，大多数传感器都是将模拟非电量转换为模拟电量，而且这些模拟电量通常不宜直接用数据采集电路进行数字转换，还需进行适当的信号调理。本章将就上述内容展开讨论。2.1数据采集系统的组成结构

一般说来，数据采集系统由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成，如下图所示。传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统

数据采集系统一般需要同时测量多种物理量（多参数测量）或同一种物理量的多个测量点（多点巡回测量）。因此，多路模拟输入通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是否各路共用一个还是每路各用一个A/D，多路模拟输人通道可分为共享A/D采集式和独立A/D采集式两大类型。2.1.1共享A/D采集式共享A/D采集式多路模拟输人通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种，如图所示。（A）多路分时采集分时输入结构（B）多路同步采集分时输入结构2.1.2独立A/D采集式独立采集式的特点是每一路信号一般都有一个S/H和A/D，因而也不再需要模拟多路切换器(MUX),如下图所示。2.1.3分布采集式2.2传感器的选择及信号调理电路

在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理相应的执行电路统称为信号调理电路。典型调理电路的组成框图

前置放大器滤波器至采集电路传感器

在智能仪器数据采集系统中，许多原来依靠硬件实现的信号调理任务都可通过软件来实现，这样就大大简化了数据采集系统中信号输入通道的结构。信号输入通道中的信号调理重点为小信号放大、信号滤波等。随着计算机运算能力的提高以及数字信号处理技术的发展，数据通道中的去噪处理一般通过软件来解决，故本章主要针对传感器和前置放大两部分加以阐述。2.2.1传感器及其选择传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器——系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。

传感器的选择应满足以下主要技术要求：

①具有将被测量转换为方便后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致；②转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整机要求。(一般应优于系统精度的十倍左右)；③能满足被测介质和使用环境的特殊要求。如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。；④能满足用户对可靠性和可维护性的要求。

可供选用的传感器类型

对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，主要应考虑成、相配电路是否简单等因素，尽可能选择性能价格比高的传感器。

因此应根据以上要求，传感器的选用主要从以下几方面进行。

1）类型的选择要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。因为即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑，具体包括：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方式是有线还是非接触测量；传感器的来源是国产、进口还是自行研制；价格能否承受等。2）精度的选择精度是传感器的一个重要的性能指标，精度的选择是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格也越昂贵。因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求即可，不必选得过高，这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量的目的是为了进行定性分析，则选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的传感器；如果测量的目的是为了进行定量分析，则必须获得精确的测量值，因此需选用精度等级能满足要求的传感器3）灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量对应的输出信号的值才比较大，有利于信号的处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，外界噪声也容易混入，影响测量精度。因此，同时要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽量减少从外界引入的干扰信号。

4）频率响应特性的选择传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许的频率范围内保持不失真地测量。实际传感器的响应总有一定的延迟，希望延迟时间越短越好。一般情况下，如果传感器的固有频率高，频带宽，则可测量的信号频率范围就宽。在动态测量中，应保证传感器对被测信号的动态响应特性满足要求，以免产生过大的误差。

5）线性范围的确定

传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。从理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后，首先要看其量程是否满足要求。

但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求的测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看做线性的，这会给测量带来极大的方便。

6）稳定性的选择

传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器稳定性的因素除了传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，必须使传感器有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器的稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。

6）稳定性的选择

传感器使用一段时间后，其性能保持不变的能力称为稳定性。影响传感器稳定性的因素除了传感器本身的结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，必须使传感器有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器的稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。2.2.2信号的前置放器

多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSVON前置放大器的作用

由于电路内部有这样或那样的噪声存在，使得电路在没有信号输入时，输出端仍存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。VON：后级输出噪声（有效值）VIN：后级等效输入噪声VIS：输入信号VIN0：等效输入噪声总输出噪声：总等效输入噪声：

假设不设置前置放大器，输入信号刚好被电路噪声淹没，即VIS=VIN

，加入前置放大器后，为使输入信号VIS不再被电路噪声淹没，即，就必须即：解得：

可见，为使小信号不被后续电路的噪声所淹没，在后续电路前端必须加入放大倍数K0>1的放大器，而且加入的放大器必须是低噪声的，即该放大器本身的等效输入噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。两种调理电路的对比

在信号调理电路中为了减小噪声，去除不需要的信号，提高调理电路的信噪比，一般还需要对信号进行滤波。

由于K＞1,所以，，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。

滤波器后置的等效输入噪声

滤波器前置的等效输入噪声2.2.3信号调理通道中的常用放大器

智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有通用集成运算放大器、仪表放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。1）通用集成运算放大器集成运算放大器一般由偏置电路、差动输入电路、中间放大级、输出级（输出及过载保护）电路组成。输入级：作用是提供与输出端成同相或反相关系的两个输入端。偏置电路：向各级提供稳定的静态工作电流。中间级主要完成电压放大任务。输出级：向负载提供一定的功率,属于功率放大。常用的通用集成运算放大器有：LM741、LM358、LM324、LF356、LF358、LF347、OP07、OP37。（1）主要集成运算放大器技术指标开环增益Av

在标准的电源电压和规定的负载电阻条件下，放大器开环时输出电压增量与输入电压增量之比，定义为开环增益Av：

Av＝ΔVo/ΔVi

或 Av＝20lgΔVo/ΔVi(dB)

一股希望其值越大越好，目前常用的集成电路开环增益一般应大于80dB。

输入失调电压Vos

在室温(25℃)及标准电源电压下，输入电压为零时，为使集成运放的输出电压为零，而在输入端加的补偿电压叫输入失调电压，这个值是越小越好，一般Vos约为0.5～5mV。输入偏置电流IB和输入失调电流Ios

当输出电压为零时,流入放大器两个输入端的电流平均值即为输入偏置电流IB

，这是—项重要指标，一般希望IB越小越好，这样可以减少由十信号源内阻变化而引起输出电压的变化，其值—般为1nA～100uA。输入失调电流则是指在上述情况下二个输入端电流的差值。由于信号源内阻存在，Ios会引入一输入电压，破坏放大器平衡，因此希望Ios也是越小越好。

温度漂移放大器的温漂主要由输入失调电压和输入失调电流引起，输入失调电压温漂是对集成运放电压漂移待性的量度，一般在1～50uA／℃，高质量低温漂运放可到小于0.5uA／℃。输入失调电流温漂是对放大器电流漂移的量度，高质量的运放每度只有几个PA。

最大差模输入电压Vidmax

放大器的反相和同相输入端所能承受的最大电压位。超过这个电压，将可能导致三极管击穿而使运放性能恶化或永久性损坏。

最大共模输入电压Vicmax

超过Vicmax值，将导致运放共模抑制比显著下降时，其值—般是指使运放在作电压跟随器时，使输出电压产生1％跟随误差的共模输入电压值。共模抑制比CMRR

在开环状态下，运放的差模电压增益Avd与共模电压增益Avc之比称共模抑制比:CMRR＝Avd／Avc。它表示运放对共模信号的抑制能力，其值应越大越好，一般在60～130dB。差模输入电阻Rid

运放开环时，二个输入端差模电压的变化量ΔVi与由它所引起的电流变化量ΔIi之比，称为差模输入电阻Rid，其值一肢在几十千欧到几兆欧左右。

开环输出电阻Ro

运放开环时，其输出级输出电阻，用Ro表示。Ro的大小表示了运放的负载驱动能力。上升速率SR

运放在大幅度信号的作用下，输出电压随时间的最大变化率称上升速率或转换速率：SR＝dVo／dt｜rmax(V／us)

一般常用运放速率在0.1～100mV／us，高速运放则可达500一1000V／us。

是运放输出最大不失真正弦电压振幅。实际上限制了运放电路在大信号工作时的最高输出正弦信号的频率。

全功率带宽在正弦电压作用下，如运放接成单位增益，且处于全功率输出状态，这时继续增加正弦电压频率，当输出信号失真达到规定值时对应的正弦频率为全功率带度，用fp表示。（2）基本电路

反向放大器、同向放大器、差动放大器及跟随器。

（3）基本调零电路

2.2.4仪用放大器（测量放大器）仪用放大器的基本结构

仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4=R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时RG一般为外接电阻。

仪用放大器的主要技术指标

1）非线性度

它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。当增益为1时，如果一个12位A/D转换器有0.025%的非线性偏差，当增益为500时，非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转换器变成10位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于0.024%的仪用放大器。

2）温漂

温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(1~50)V/℃变化，这与仪用放大器的增益有关。3）建立时间建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。

4）恢复时间恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。显然，放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。

5）电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一6）共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，则共模抑制比CMRR可用下式计算：

CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但CMRR的计算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随增益的增加而增大。常用的仪用放大器

AD公司的AD521、AD522等。AD521是美国模拟器件公司(AnatosDevkes)开发的第二代测量放大器，具有高输入阻抗，低失调电流、高共模抑制比等特点，其增益可在0.1～1000之间调整，增益的调整不需要精密的外接电阻，各种增益参数已进行了内部补偿，具有输入输出保护功能，有较强的过载能力。其使用温度可在－25～+85℃，一般常用于0～70℃。AD521的主要参数：(1)电源电压为土(5～18)V。(2)小信号带宽：在增益G＝1时,为2MHz以上,在最大增益G＝1000时，可达40kHz，其增益带宽为40MHz。(3)差动输入阻抗Rid＝3×10Ω，共模输入阻抗

Ric＝6×1010Ω。(4)失调电压一段为2mV，最大为3mV，温漂系数典型值为7uV／℃，最大为15uV／℃，偏置电流不超过80nA，输入失调电流最大为20nA。(5)共模抑制比：增益G＝1时为74dB，在最大增益G＝1000时，至少可达110dB。(6)输出电流为25mA。(7)电压漂移最大为2uV／℃AD521典型接线图

使用浮离式传感器的接地回路2.2.5程控增益放大器

程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。

程控放大器原理框图

405l组成的程控增益放大电路

AD521构成的程控增益放大器常用的有AD524、AD624、PGA202、PGA203等。㈠PGA202/2031)PGA202/203的性能数字可编程控制增益：PGA202的增益倍数为1，10，100，1000；PGA203的增益倍数为1，2，4，8。增益误差：G<1000

0.05％～0.15％；G=10000.08％～0.1％，详见表1。非线性失真：G=10000.02％～0.06％。快速建立时间：2μs。快速压摆率：20V/μs。共模抑制比：80～94dB。频率响应：G<10001MHz;G=1000250kHz。电源供电范围：±6～±18V。PGA202/203的增益控制输入端与TTL、CMOS电平兼容

PGA202/203内部结构见下图所示

2.2.6隔离放大器

隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。

由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1）能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2）泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3）共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。常用的有AD202、AD204及GF289等AD202/AD204的主要特点：低功耗：35mW(AD204)线性度：±0.025%非线性度(K级)共模抑制比：130dB带宽：1KHz/5KHz(满功率AD202/AD204)共模隔离电压：±2000VPK1）工作原理

AD202/AD204是模拟器件公司的典型产品，其功能框图如下图所示。从图中看出，该芯片由放大器、调制器、解调器、整流和滤波、电源变换器等组成。工作时，＋15V电源连到电源输入引脚31，使片内(AD202)振荡器工作，从而产生频率为

25kHz的载波信号，通过变压器耦合，经整流和滤波，在隔离输出部分形成电流2mA的±7.5V隔离电压。该电压除供给片内电源外，还可作为外围电路(如传感器、浮地信号调节、前置放大器)的电源。AD204电源是从33引脚用输入时钟提供。在输入电路中，片内独立放大器能够作为AD202/AD204输入信号的缓冲或放大。

放大后的信号经调制器调制后能把该信号变换成载波信号，经变压器送入同步解调器，以致在输出端重现输入信号。由于解调信号要经三阶滤波器滤波，从而使得输出信号中的噪声和纹波达到最小，为后级应用电路提供良好的激励源。(应用AD204时要使用AD246为其供电)。单位增益缓冲器

2）应用电路

增益G>1的前置放大器

GF289集成隔离放大器GF289典型接法

2.3滤波器2.3.1滤波器的分类按滤波器是否使用有源器件(放大器)来分1）无源滤波器：无源滤波器是指用无源器件如电感(L)、电容(c)和电阻(R)组成的滤波电路，如最简单的RC低通滤波器电路。2）有源掳按器：有源滤波器是指利用放大器、电阻和电容等组成的滤波电路。

根据滤波器的选频特性分1）低通滤波器

通频带为0-fC2，fC2-∞为阻带。2）高通滤波器

通频带为fC1-∞，f0-fC1为阻带。3）带通滤波器

通频带为fC1-fC2，其它频率为阻带。4）带阻滤波器

阻带为fC1-fC2，其它频率为通带。2.3.2二阶有源低通滤波器1—1020—11K—10K104—10310—1001—0.110K—100K1000—100100—1K0.1—0.01100K—1M100—101)一般根据截止频率，选取C2的数值，再取C1=C22)R=0.1125/(f0*C2)R1=R2=R，RF=2R,Rf=∞2.3.3二阶有源高通滤波器一般根据截止频率，选取C的数值,取C1=C2=C2.3.4开关电容滤波器

开关电容电路由受时钟脉冲信号控制的模拟开关、电容器和运算放大电路组成。开关电容电路应用MOS工艺，故尺寸小、功耗低，工艺过程简单，易于制成大规模集成电路。开关电容电路应用：滤波器、振荡器、平衡调制器和自适应均衡器等各种模拟信号处理电路之中。基本开关电容单元下图所示为基本开关电容单元电路，当 ；当，它们分别控制电子开关。当S1闭合，S2断开，U1对C充电，充电电荷Q1=CU1；当S1断开，S2闭合，U2对C放电，放电电荷Q2=CU2

。设开关的周期为Tc，节点从左到右传输的总电荷为：

ΔQ=CΔU=C(U1-U2)等效电流:I=ΔQ/Tc=C(U1-U2)/Tc

(2)开关电容滤波电路

下图所示开关电容低通滤波器及其原型电路。电路正常工作的条件是和的频率远大于输入电压Ui的频率

,因而开关电容单元可等效成电阻R，且R=Tc/C1，电路的通带截止频率f0决定于时间常数：

如果时钟脉冲的频率足够高，以至于可以认为在一个时钟周期内两个端口的电压基本不变，则基本开关电容单元就可以等效为电阻，其值为：(2)开关电容滤波电路

下图所示开关电容低通滤波器及其原型电路。电路正常工作的条件是和的频率远大于输入电压Ui的频率

,因而开关电容单元可等效成电阻R，且R=Tc/C1，电路的通带截止频率f0决定于时间常数：

实际开关电容低通滤波器电路

由于是时钟脉冲，频率相当稳定；而且是两个电容的电容量之比，在集成电路制作时易于做到准确和稳定，所以开关电容电路容易实现稳定准确的时间常数，从而使滤波器的截止频率稳定。

MAX29X八阶低通开关电容滤波器

主要特点1)时钟可调转角频率范围:0.1Hz到25KHz(MAX293/294)，0.1Hz到50KHz(MAX297)2)时钟对转角频率比：

100：1(MAX293/294)，50：1(MAX297)；3)不需要另接外部电路（电阻及电容）；4)内部或外部时钟；5)有一个独立的运算放大器可用于其它应用目的;6)可用单+5V电源供电也可用±5V双电源供电；7)8脚DIP或16脚宽SO封装。管脚说明管脚说明：

①CLK时钟输入；②V-双电源：-2.375～-5.5V；单电源：V-=0V；③OPOUT独立运放的输出端；④