智能仪器的输入通道及接口技术

智能仪器第三章智能仪器的输入通道及接口技术学习提纲1数据采集系统概述2放大器原理及设计3多路转换器原理及设计4采样保持器原理及设计5A/D转换器原理及接口设计6数字量输入通道

1数据采集系统概述数据采集系统的概念数据采集系统的组成（硬件）信号的放大、滤波、采样保持、模/数转换微机及接口输入通道

1数据采集系统概述构成数据采集系统的方法采用多片单一功能器件和分立元件采用单片数据采集系统芯片采用数据采集卡（及其驱动软件）单通道数据采集系统多通道一般型数据采集系统

1数据采集系统概述

1数据采集系统概述多通道同步型数据采集系统

1数据采集系统概述多通道并行数据采集系统

2放大器原理及设计放大器的作用放大出传感器输出的微弱信号，利于充分利用ADC的满刻度分辨率抑制干扰和噪声，满足响应时间要求放大器选用基本要求高输入阻抗，响应时间快频率响应范围宽高抗共模干扰能力低漂移、低噪声、低输出阻抗运算放大器

2放大器原理及设计基本特征集成在一块硅片上的直接耦合的多级放大电路高电压放大倍数高输入阻抗、低输出阻抗指标参数开环增益、输入阻抗、共模抑制比、失调电压零点漂移（温漂）、带宽、增益带宽积、非线性度

2放大器原理及设计运算放大器典型电路（一）跟随器同相比例电路输入阻抗较高增益不小于1输入、输出同极性有源阻抗变换提高输入阻抗

2放大器原理及设计运算放大器典型电路（二）反相比例电路输入阻抗较低增益可小于1输入输出极性相反差动输入运算电路共模抑制能力强

2放大器原理及设计运算放大器典型电路（三）同相输入的加法电路反相输入的加法电路差动输入的加减法电路常用运算放大器BB公司：OPA340/2340/4340

2放大器原理及设计基本特征两个差动输入端直接与信号源连接，共模抑制能力强外接电阻设置增益高输入阻抗、低输出阻抗仅放大差模信号共模电压范围与共模抑制比仪表放大器

2放大器原理及设计仪表放大器一般结构

2放大器原理及设计仪表放大器内部结构

2放大器原理及设计仪表放大器常用仪表放大器AD公司：AD620/621/624/625BB公司：INA114/118/122/128程控放大器

2放大器原理及设计满足多通道输入信号的宽范围信号电平增益由软件编程设定常用程控放大器BB公司：PGA202/203/204/205/206/207LINEAR公司：LTC6910/6911/6912/6915程控放大器S3S2S1GAIN00000011010201141008101161103211164内部结构增益真值表

2放大器原理及设计

2放大器原理及设计隔离放大器应用背景强电或强电磁干扰等环境，防止损坏测量回路生物医疗仪器，防止漏电流、高电压意外伤害主要作用电气隔离获取信号并放大

2放大器原理及设计隔离放大器原理通过光耦合或磁耦合实现信号的联系组成输入、输出放大器调制、解调器耦合器漂移补偿放大器常用隔离放大器AD公司：AD202/203、AD277、AD284/286BB公司：ISO100系列

2放大器原理及设计隔离放大器

2放大器原理及设计放大器在输入通道中的设置策略多通道数据采集中，每个通道有其前置放大器根据需要，在多路转换器之后设置主放大器多路信号都恒定或变化缓慢，各路幅度差别不大仅在各路设置前置放大器即可多路信号虽恒定或变化缓慢，但各路差别很大需在主通道中设置程控放大器各路信号随时间变化，同一时刻各路幅值差别较大需在主通道中设置瞬时浮点放大器，不易实现

2放大器原理及设计主放大器增益确定策略A/D转换的量化误差（绝对）：第i通道第j次采样电压的量化相对误差：先将采样电压放大G倍，满足转换精度：

2放大器原理及设计主放大器增益G需满足：将q代入上式，得增益G的范围：

3多路转换器原理及设计应用背景智能仪器中往往需要同时或依次采集多路信号模数转换时，可使用公共的ADC分时采样多路转换器原理由多个模拟开关组成，由译码电路实现切换常用多路转换器AD公司：AD7501/7502/7503MAXIM公司：MAX4634、MAX4663

3多路转换器原理及设计内部结构八选一四选一，独立通道

4采样保持器原理及设计应用背景A/D转换需要一定时间，保持采样点的数值不变才能保证转换精度多通道共用ADC时，需要将各通道同一时刻的信号保持住采样保持器定义根据状态控制指令截取输入模拟电压的瞬时值（采样过程），并把该瞬时值保留一段需要的时间（保持过程）的功能单元

4采样保持器原理及设计采样保持器在输入通道中的设置原则信号的最大变化率：假设峰值正好达到ADC的满量程，ADC的位数为N，则ADC最低有效位数LSB代表的量化电平为：若ADC的转换时间为，为保证1LSB的转换精度，则在转换时间内，信号最大变化量不应超过，即：

4采样保持器原理及设计由此，推出待转换信号的最高频率为：例：一个12bit的ADC，若，用它来直接转换一个正弦信号并要求精度优于1LSB，则信号频率不能超过1.5Hz。故：除直流信号及变化非常缓慢的信号，否则其模数转换都得加采样保持器。不过，采样保持器从采样到保持也需要一定的时间，即：孔径时间，由此也会限制信号频率。采样保持器的孔径时间远小于ADC的转换时间，因此由采样保持器限定的信号频率远高于ADC的限制。

4采样保持器原理及设计内部组成由输入放大器、模拟开关、保持电容和输出放大器组成工作原理采样期和保持期

4采样保持器原理及设计非理想状态及参数断开时间（保持建立时间）捕捉时间泄露趋势（下降速率）馈送影响电荷转移影响（保持阶跃）常用采样保持器Philips公司：LF198/298/398AD公司：AD582/583保持电容的选择三因素：捕捉时间、下降速率、保持阶跃

5A/D转换器原理及接口设计功能完成模拟信号到数字信号的转换ADC的集成化发展程控放大器多路转换器采样保持器三态输出锁存器多种输出接口驱动器

5A/D转换器原理及接口设计ADC的主要技术指标*程福德分辨率ADC所能分辨的输入模拟量的最小变化量，体现在对输入变化的敏感程度，分辨率越高，对输入量微小变化的反应越灵敏。分辨率常用数字量的位数表示，分辨率为8位，表示它可以对满刻度的1/28的变化量做出反应。对于N位的ADC，分辨率为：1/2N满刻度。转换时间ADC完成一次转换所需要的时间。与分辨率有关，分辨率越高，转换时间越长。

5A/D转换器原理及接口设计量化误差量化误差：分辨率有限引起，小于1LSB，不可消除。

5A/D转换器原理及接口设计精度绝对精度：数字码对应的实际模拟电压与其理想电压存在差值，且并非常数，将该差值的最大值定为绝对精度。由偏移误差、增益误差、线性误差组成。相对精度：将上述最大偏差表示为满刻度模拟电压的百分数，或用二进制表示相对应的数字量。偏移误差：使ADC输出最低位为1，施加到模拟输入端的实际电压与理论值1/2（0.5LSB对应电压）之差。增益误差：ADC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，以模拟输入满量程的百分比表示。（非）线性误差：积分线性误差和微分线性误差

5A/D转换器原理及接口设计与单片机接口的考虑电源要求单片机一般在+5V、+3.3V电压下工作逻辑兼容性TTL兼容、CMOS兼容定时参数控制信号的脉宽、建立时间及保持时间等外围硬件是否需要增加译码器、锁存器等数据格式串行还是并行？8位、12位、14位、16位？

5A/D转换器原理及接口设计ADC的选择位数选择根据转换电压范围确定ADC位数设模拟输入电压最大值Vmax、最小值Vmin，A/D前置放大器增益G，N位ADC满量程为E，则应满足：故，在最大最小值情况下：则，动态范围：

5A/D转换器原理及接口设计若，已知动态范围为L，则确定ADC位数N：根据转换精度要求确定ADC位数数据采集系统的总误差是由各部分的分项误差的综合，故，选取元器件精度的一般规则：每个元器件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。例：系统总误差为0.1%，则构成系统的MUX、SHA、ADC的误差都应小于0.01%ADC的量化误差为±1/2LSB，即满刻度的1/2N+1，若系统精度指标为δ，则按下式估算ADC所需的位数：例：系统误差δ不大于0.1%，则需采用N=13位的ADC。

5A/D转换器原理及接口设计速率选择转换速率即单位时间内所能完成的转换次数，倒数为转换周期，记为TA/D。一个采样周期内完成N个通道A/D转换，则：若信号最高频率为，则抗混叠滤波器的截止频率：由于（C为截频系数，一般C>2），则高频测试系统应采取的措施

5A/D转换器原理及接口设计逐次逼近型ADC及其接口设计内部组成工作原理主要特点转换速度快、分辨率较高、抗干扰能力较强

5A/D转换器原理及接口设计AD7492分辨率：12bit工作电压：2.7~5.25V转换速率：1.25MSPS转换时间：680ns内置参考电压：2.5V并行接口输出低功耗引脚说明

5A/D转换器原理及接口设计采样时序接口设计

5A/D转换器原理及接口设计程序设计

CSRDBITP3.0CONVBITP3.1BUSYBITP3.2L8BTEQU40HH4BTEQU41HORG0000HLJMPMAINORG0100HMAIN:CLREA;禁止所有中断

CLREX0;禁止外部中断0

5A/D转换器原理及接口设计

SETBIT0;下降沿有效

CLRIE0;清除中断标志位

CLRCSRD;ADC使能

CLRCONV;开启一次A/D转换JUDG:JNBIE0，JUDG;循环判断A/D转换完否