1、第4章 微机测控系统的入口输入通道 第4章 微机测控系统的入口输入通道 4.1 概述概述4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道4.2 开关量输入通道开关量输入通道4.3 单元电路的级联单元电路的级联思考题与习题思考题与习题第4章 微机测控系统的入口输入通道 4.1 输入通道概述输入通道概述 1.1.数据采集系统的功能数据采集系统的功能数据采集系统的功能取决于工业现场的要求及计算机的处理功能。但基本的数据采集系统应具有以下功能：(1)时钟功能，即确定数据采样周期，同时也能为系统提供时间基准；(2)将现场检测传感器送来的模拟电信号按一定的次序巡回地采样，进行A/D转换并存储数据，即完成数据的采集；(
2、3)对数字量按预定算法进行处理；(4)显示和打印输出；(5)被测参数越限时进行报警。第4章 微机测控系统的入口输入通道 2.2.设计数据采集系统所涉及的主要问题设计数据采集系统所涉及的主要问题(1)分辨率和精度：决定了数据采集系统对A/D转换器、传感器和其他装置的精度、分辨率的要求。(2)模拟量输入通道的数量：是采用单通道结构还是多通道结构，它决定了系统的结构方案。多通道结构又可分为多路单通道并联结构与采用多路开关对各路模拟输入信号进行切换、共用一个A/D转换器的结构。第4章 微机测控系统的入口输入通道(3)采样频率：是数据采集系统设计的核心问题。由于采样得到的数字信号是被采样的模拟信号在某个
3、特定时刻的转换结果，是一种在时间和幅值上都离散的信号，其离散程度取决于采样频率，因此，采样频率的选择将直接影响采集数据的精确度。采样频率可按采样定理来选取，以保证能完全恢复出原始信号。有关采样定理的详细内容将在后面作详细介绍。(4)数据处理的要求：一个微机测控系统性能的好坏，主要取决于它的速度和精度。特别是工业生产过程中的数据采集，往往要求在保证精度的条件下，应具有在线实时多路处理功能。第4章 微机测控系统的入口输入通道 3.3.数据采集系统中的信息类型数据采集系统中的信息类型数据采集系统所传送的信息可分为四种基本类型，分别是数字量、模拟量、开关量和脉冲量。第4章 微机测控系统的入口输入通道
4、4.4.数据采集系统输入通道的结构类型数据采集系统输入通道的结构类型输入通道是将被测对象信息传送到计算机中的数据通路，其结构形式取决于被测对象的环境、输出信号的类型、数量、大小等。根据传感器输出信号的大小、类型，输入通道的结构类型如表4-1所示。第4章 微机测控系统的入口输入通道 表表4-1 输入通道的结构类型输入通道的结构类型 第4章 微机测控系统的入口输入通道 4.2 模拟量输入通道模拟量输入通道 4.1.1 4.1.1 模拟量输入通道的基本组成与类型模拟量输入通道的基本组成与类型1.1.模拟量输入通道的作用及组成模拟量输入通道的作用及组成模拟量输入通道是微机测控系统中被测对象与微机之间的
5、联系通道。因为微机只能接收数字信号，而被测对象常常是一些非电量，所以输入通道的作用是：将被测非电量转换为电信号；将转换后的电信号经滤波、放大、隔离、变换以及线性化处理后得到适合A/D转换的电压信号，即信号调理；将处理后的电压信号经A/D转换器转换为数字信号。由模拟量输入通道的作用可知，模拟量输入通道一般由传感器、信号调理电路、数据采集电路三部分组成。第4章 微机测控系统的入口输入通道 2.2.模拟量输入通道的常见类型及其结构模拟量输入通道的常见类型及其结构实际的微机测控系统往往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点测量（多点巡回测量）。因此，多路模拟量输入通道更具有普遍性。按
6、照系统中各路共用一个还是每路各用一个数据采集电路，多路模拟量输入通道可分为集中采集式（简称集中式）和分散采集式（简称分布式）两大类型。1）集中采集式（集中式）集中采集式多路模拟量输入通道的典型结构有分时采集型和同步采集型两种，分别如图41（a）和4-1（b）所示。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-1 集中采集式多种模拟量输入通道的结构（a）分时采集型；（b）同步采集型 第4章 微机测控系统的入口输入通道 2）分散采集式（分布式）分散采集式多路模拟量输入通道的特点是每一路信号都有一个S/H和A/D，因而不再需要模拟多路切换器。每一个S/H和A/D只对本路模拟信号进行转换，即数据采集，其结
7、构如图4-2所示。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-2 分散采集式多路模拟量输入通道的结构 第4章 微机测控系统的入口输入通道 4.1.2 4.1.2 模拟量输入信号的处理模拟量输入信号的处理 在微机测控系统中，为了保证A/D转换的精度，模拟信号在施加到A/D转换器之前，首先要进行适当的处理。模拟信号的处理比较复杂，除了小信号放大、滤波、变换外，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，这些操作又称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路称为信号调理电路。在测控系统中，模拟量输入信号主要有传感器输出的信号和变送器输出的信号两类。第4章 微
8、机测控系统的入口输入通道 传感器输出的信号包括：(1)电压信号：一般为mV或V信号。(2)电阻信号：单位为，如热电阻（RTD）信号，通过电桥转换成mV信号。(3)电流信号：一般为mA或A信号。以上这些信号往往不能直接送入A/D转换器，因为信号的幅值太小，需通过放大器放大后，变换成标准电压信号（如05 V，15 V，010 V，-5+5 V等），再经滤波送往A/D转换器或V/F(电压/频率)变换器进行采样。第4章 微机测控系统的入口输入通道 变送器输出的信号包括：(1)电流信号：一般为010 mA（01.5 k负载）或420 mA（0500 负载）。(2)电压信号：一般为0 5V或15 V信号。
9、这类信号一般不需要放大处理。若是电压信号，经滤波后，就可送往A/D转换器或V/F变换器进行采样；若是电流信号，应通过I/V（电流/电压）变换器，将电流信号转换成标准电压信号，再经滤波后送入A/D转换器或V/F（电压/频率）变换器进行采样。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-3 典型的信号调理电路结构 第4章 微机测控系统的入口输入通道 1.1.放大器放大器在测控系统设计中，需根据被测对象选择合适的传感器，以完成非物理量到电量的转换，而经传感器转换后的电压量或电流量，往往信号幅度很小，很难直接进行模/数转换。因此，需对这些模拟电信号进行放大处理。那么判断传感器信号是“大”还是“小”和要不要
10、进行放大的依据又是什么呢？放大器为什么要“前置”即设置在调理电路的最前端？能不能接在滤波器的后面呢？前置放大器的放大倍数应该多大为好呢？这些问题都是测控系统总体设计需要考虑的问题。第4章 微机测控系统的入口输入通道 1）前置放大器（1）设置前置放大器的理论依据。由于电路内部有这样或那样的噪声源存在，使得电路在没有信号输入时，其输出端仍然存在一定幅度的波动电压，这就是电路的输出噪声。如果加在该电路输入端的信号幅度小到比该电路的等效输入噪声还要低，那么这个信号就会被电路的噪声所“淹没”。为使小信号不被电路噪声所淹没，在电路前端必须加入低噪声前置放大器。前置放大器的增益大于1，且放大器本身的等效输入
11、噪声必须比其后级电路的等效输入噪声低。第4章 微机测控系统的入口输入通道（2）前置放大器在信号调理电路中的位置。为了减小体积，调理电路中的滤波器，大多采用RC无源滤波器。由于电阻是电路噪声的主要根源，因此，RC滤波器产生的电路噪声比较大。如果把放大器放在滤波器后面，滤波器的噪声将会被放大器放大，使电路输出信噪比降低。所以，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。（3）放大器的类型。通常，用于前置放大的放大器有通用型运算放大器、高精度运算放大器、斩波稳零运算放大器和高输入阻抗运算放大器。第4章 微机测控系统的入口输入通道(1)通用型运算放大器：如美国Fairchild公司的
12、A741（兼容产品有MOTOROLA公司的MC1741）、LM124系列等。前者具有差模电压和共模电压范围宽、增益高、不需外加补偿、功耗较低、负载能力强等特点，因此应用范围较广；后者是一种单片高增益四运算放大器，可在较宽电压范围内的单电源或双电源下工作，其电源电流很小且与电源电压无关，四个运放一致性好，也不需外加补偿，输出电平与数字电路兼容。第4章 微机测控系统的入口输入通道(2)高精度运算放大器：如OP07（兼容产品有OP27/37）、OPA27/37等。OP07的输入失调电压为10 V，温度漂移为200 nV/，偏置电流为700 pA，转换速率为300 MV/s，消耗电流为2.5 mA，电
13、源电压为22 V，输入电压为22 V，可用于热电偶和热电阻的信号放大。OPA27/37是一种超低噪声、高精度单片运算放大器，是精密运放OP27/37的改进型产品。第4章 微机测控系统的入口输入通道(3)斩波稳零运算放大器：如ICL7650等。斩波稳零运算放大器是采用先进的CMOS工艺制成的大规模模拟集成电路，其特点是超低失调和超低漂移，高增益、高输入阻抗。与其他运放不同，这种运放由一时钟控制，分节拍工作，前一节拍将输入失调采集并存储于电容中，后一节拍采样和放大信号，并将此刻的失调相抵消，所以电路总的失调和漂移极小，性能极为优越、稳定。(4)高输入阻抗运算放大器：如CA3140、TL082/08
14、4、LF347等。第4章 微机测控系统的入口输入通道 2）程控增益放大器在多通道或多参数数据采集系统中，为了简化线路，降低成本，通常采用多个通道或多个参数共用一个测量放大器的方法来实现。然而，由于各检测点所采用的传感器往往不同，致使送入测量放大器的信号电平也不同，可从微伏到伏，变化范围很宽。但它们都需要调整为A/D转换器输入所要求的标准电压，这就需要测量放大器的增益可调，即采用可编程增益放大器PGA（Programmable Gain Amplifier）。另外，在有些数据采集系统或测量仪表中，往往需要量程自动切换功能，这类系统或仪表也广泛采用可编程增益放大器来实现。第4章 微机测控系统的入口
15、输入通道（1）可编程增益放大器的原理结构图如图4-4所示，它是测量放大器电路的扩展，增加了增益模拟开关和驱动电路。增益选择开关S1S1、S2S2、S3S3 成对动作，每一时刻仅有一对开关闭合。当改变数字量输入编码，就可改变闭合的开关号，选择不同的反馈电阻，达到改变放大器增益的目的。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-4 可编程增益放大器的原理结构图第4章 微机测控系统的入口输入通道（2）常用的可编程增益放大器有AD526、AD625、PGA100、PGA102、PGA202/203、LH0084等。下面介绍PGA102数字式可编程放大器。PGA102是一种独立、高速、高精度的数字式可编程
16、设置增益的放大器，由COMS/TTL电平来选择增益为1、10或100，其内部结构及引脚排列如图4-5所示。每种增益均有独立的输入端，通过一个多路开关进行选择，如表4-2所示。改变引脚1、引脚2的电平，即可选择VIN1、VIN2或VIN3。由于三种输入的反馈电阻不同，从而可得到不同的增益。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-5 PGA102的内部结构及引脚排列 第4章 微机测控系统的入口输入通道 表表4-2 PGA102增益选择表增益选择表第4章 微机测控系统的入口输入通道 3）放大器的选用原则目前市场上集成运放品种繁多，为便于选用，下面对其选用方法作一简要介绍。(1)如果没有特殊要求，一
17、般可选用通用型运放，因为这类器件直流性能较好，种类较多，价格也比较低。(2)如果被放大信号输出阻抗很大，则可选用高输入阻抗的运算放大器组成放大电路。(3)如果系统对放大电路要求低噪声、低漂移、高精度，则可选用高精度、低漂移的低噪声集成运放，如毫伏级或更微弱信号的检测。第4章 微机测控系统的入口输入通道(4)对于视频信号放大、高速采样/保持等场合，则需选用高速宽带集成运放。(5)对需低功耗的使用场合，可选用低功耗运放；对需高压输入/输出的使用场合，可选用高压运放；对需控制增益的场合，可选用程控运放；对其他如宽范围压控振荡、伺服放大和驱动、DC/DC变换等场合，可选用跨导型、电流型等对应的集成运放
18、。(6)放大器的放大倍数应能保证进入A/D转换器的信号满量程达到均一化。第4章 微机测控系统的入口输入通道 2.I/V2.I/V变换器变换器在微机测控系统的设计中，为增加系统的可靠性，加快研制速度，实现系统功能的模块化，经常选用电动组合单元或变送器作为测量单元，其输出一般均为420 mA（或010 mA）的标准电流信号。对此，一般都需要进行I/V变换，将420 mA（或010 mA）的直流电流信号转换成05 V（或010 V）的电压信号，再送往A/D进行采样。目前常用的I/V变换电路有两种，一种是利用电阻网络进行I/V变换，另一种是利用专用集成电路（如RCV420）组成I/V变换电路。下面仅介
19、绍常用的电阻网络I/V电路的应用。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-6是一种无源I/V变换电路，图中R2为精密电阻。对于010 mA的输入信号，可取R1100，R2500，其输出电压为05 V。对于420 mA的输入信号，可取R1100，R2250，其输出电压为15 V。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-6 无源I/V变换电路 第4章 微机测控系统的入口输入通道 3.3.滤波器滤波器模拟量输入信号中，常常混杂有干扰信号，应该通过滤波尽可能滤除输入信号中的噪声。滤波的方法有软件滤波和硬件滤波之分，软件滤波将在10.3节中介绍。硬件滤波按能通过的频率范围分，有低通滤波器（LPF）、
20、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）和带阻滤波器（BEF）等类型；按滤波器电路中是否带有有源器件可分为无源滤波器与有源滤波器两种。第4章 微机测控系统的入口输入通道 在模拟量输入通道的信号调理电路中，滤波器的选择需根据输入信号和干扰源的频谱进行选择。若要消除低频干扰，就需设置高通滤波器，其截止频率应高于需要滤除的干扰频率；若要消除高频干扰，就需设置低通滤波器，其截止频率应低于需要滤除的干扰频率；若消除某一频带以外的干扰，就需设置带通滤波器，一般用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成；若要阻止某个频带范围内的干扰及噪声信号通过，可采用带阻滤波器（陷波器），一般用一个低通滤波器和一个高通滤
21、波器并联而成。第4章 微机测控系统的入口输入通道 4.1.3 4.1.3 模拟量输入信号的采集模拟量输入信号的采集1.1.信号采集电路的作用和基本形式信号采集电路的作用和基本形式信号采集电路的作用就是实现模拟量信号的数字化，以便于计算机（或微处理器）进行加工处理，其组成核心是S/H和A/D。由于任何一种A/D转换器都需要有一定时间来完成量化及编码操作，因此，在转换过程中，模拟量不能发生变化，否则，将直接影响转换精度，S/H就是为实现这一功能而设置的。但是，当输入模拟量信号的变化速率较慢时，也可省去S/H。关于信号采集电路的基本组成形式已在4.1.1中描述过，此处不再赘述。但在工程实际中需要注意
22、的是：若被测模拟信号为恒定或变化缓慢的大信号，则可以直接进行A/D转换；若被测模拟信号为动态瞬变信号，则必须在多路转换开关与A/D之间设置S/H；若被测模拟信号幅度互不相同或者模拟信号幅度随时间变化很大，就必须在S/H与多路转换开关之间设置程控增益放大器PGA等作为主放大器。第4章 微机测控系统的入口输入通道 2.2.采样和采样定理采样和采样定理1）采样过程利用计算机（或微处理器）进行测量或控制，只能每隔一定时间进行一次测量或控制循环。在每次循环中，首先输入信息，即将模拟信号加到A/D转换器上，转换成数字信号后输入计算机（或微处理器），然后执行数据处理或控制程序，计算测量结果或控制量，最后输出
23、。计算机（或微处理器）不断重复这个循环。很显然，计算机（或微处理器）只能每隔一定时间间隔T逐点采入模拟信号的瞬时值，这个过程就是数据采集，也叫采样，时间间隔T称为采样周期。第4章 微机测控系统的入口输入通道 采样过程是由采样开关（采样/保持器的一部分）实现的，如图4-7所示。采样开关每隔一定时间间隔T闭合一次，于是原来在时间上连续的模拟信号f（t）就变成了时间上离散的脉冲序列f*（t）。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-7 信号的采样过程 第4章 微机测控系统的入口输入通道 2）采样定理由采样过程不难理解，采样周期T越短，采样信号f*（t）就越接近连续信号f（t）的变化规律。反之，T越
24、长，f*（t）就可能反映不了f（t）的变化规律。为使采样信号f*（t）能够反映连续信号f（t）的变化规律，采样频率s（2/T2f）至少应该是f（t）频谱中最高频率max的两倍，即 s2max 这就是著名的采样定理，即香农定理。第4章 微机测控系统的入口输入通道 3）采样周期的选择原则香农定理给出了采样频率的下限，即采样周期的上限，在这个范围内，采样周期越小，就越接近连续控制，实际上常取s（510）max。然而，用理论计算来确定采样周期，存在一定的困难。因此，一般根据表4-3的经验数据选择，然后在运行试验时进行修正。第4章 微机测控系统的入口输入通道 表表4-3 常见对象采样周期的经验数据常见对
25、象采样周期的经验数据第4章 微机测控系统的入口输入通道 3.3.模拟信号采集电路的常用器件模拟信号采集电路的常用器件1）多路模拟开关（MUX）在微机测控系统中，经常需要进行多路或多参数的采集和控制，如果每一路都单独采用各自的输入回路，即每一路都采用放大、采样/保持、A/D等环节，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大，同时由于模拟器件、阻容元件参数特性的不一致，对系统的校准也带来很大困难；另外，对于像128路这类多路巡检情况，每路单独采用一个回路几乎是不可能的。因此，除特殊情况下采用多路独立的回路外，通常采用公共的采样/保持及A/D转换电路，而要实现这种设计，往往需要采用多路模拟开关。
26、第4章 微机测控系统的入口输入通道（1）多路模拟开关的参数。多路模拟开关的作用是实现信号切换，即将各路被测模拟量按某种方式（顺序采样方式或随机采样方式），分时地输入到公用放大器或采样/保持器或A/D转换器上。其主要参数如下：通道数量：对传输被测信号的精度和切换速度有直接的影响。因为通道数目越多，寄生电容和泄漏电流通常也越大，尤其是在使用集成模拟开关时，尽管只有其中一路导通，但由于其他模拟开关只是处于高阻状态，仍存在泄漏电流对导通的那一路产生影响。通道越多，泄漏电流越大，通道间的干扰也越多。第4章 微机测控系统的入口输入通道 泄漏电流：如果信号源内阻很大，传输的又是电流量，就要考虑多路模拟开关的
27、泄漏电流，一般希望泄漏电流越小越好。切换速度：对于需传输快速变化信号的场合，就要求高切换速度的多路开关。当然，并不是切换速度越高越好，还要考虑其后所接采样/保持器和A/D转换器的速度，从而以最优的性能价格比来选取多路模拟开关的切换速度。第4章 微机测控系统的入口输入通道 开关电阻：理想状态的多路开关其导通电阻为零，断开电阻为无穷大，但实际的多路开关无法达到这个要求，因此在使用时需考虑其开关电阻。如果与多路开关相串联的负载为低阻抗，则应选择导通电阻足够低的多路模拟开关。第4章 微机测控系统的入口输入通道（2）常用多路模拟开关。多路模拟开关的产品种类很多，下面仅介绍实际工程中最常用的几种多路模拟开
28、关的主要功能，有关其引脚图和使用要求请查阅相关手册或产品说明书。CD4051：为单端8通道低价格多路模拟开关，既可实现1变8，也可实现8选1，属于双向开关。其输入与TTL、CMOS电平兼容，通道的选择由输入的地址编码决定。AD7501：是单片集成的CMOS 8选1多路模拟开关，输入与TTL、CMOS电平兼容，通道的选择由输入的地址编码决定。与AD7501性能参数相同的还有AD7503，只是它的选通电平为低电平有效。第4章 微机测控系统的入口输入通道 MAX354：是MAXIM公司生产的8选1多路模拟开关。它的最大接通电阻为350，具有超压关断功能，低输入漏电流，最大为0.5 nA，输入与TTL
29、、CMOS电平兼容，通道的选择由输入的地址编码决定。美国ADI公司的ADG508F与该芯片完全兼容。AD7506：为单端16通道多路模拟开关，可实现16选1 CD4052：为低成本差动4通道多路模拟开关，可实现4选1，输入信号应为双端差动形式。第4章 微机测控系统的入口输入通道 MAX355：是MAXIM公司生产的差动4通道多路模拟开关，可实现4选1，输入信号应为双端差动形式。AD7502：是差动4通道多路模拟开关，可实现4选1，输入信号应为双端差动形式。CD4066：为低成本4通道多路模拟开关，可实现4选1，其特点是每个通道均可单独控制。第4章 微机测控系统的入口输入通道（3）多路模拟开关的
30、选用。在选用多路模拟开关时，需要考虑许多因素，如需要多少路；是单端型还是差动型；开关电阻多大；控制电平多高。另外，还需考虑开关速度及开关间互扰等诸多方面：对于传输信号电平较低的场合，可选用低压型多路模拟开关，这时必须在电路中有严格的抗干扰措施。对于要求传输精度高而信号变化慢的场合，如利用铂电阻测量缓变温度场，就可选用机械触点式开关。在输入通道较多的场合，应考虑体积问题。第4章 微机测控系统的入口输入通道 在切换速度要求高、路数多的情况下，尽可能根据通道数量选取单片即可完成的多路模拟开关，因为在这种情况下每路的特性参数可基本一致。在使用多片组合时，也宜选用同一型号的芯片，以尽可能使每个通道的特性
31、一致。在多路模拟开关的速度选择方面，要考虑到其后级采样/保持电路和A/D转换电路的速度，只要略大于它们的速度即可，不必一味追求高速。第4章 微机测控系统的入口输入通道 在使用高精度采样/保持电路和A/D转换电路进行精密数据采集和测量时，需考虑多路模拟开关的传输精度问题，尤其要注意多路模拟开关的漂移特性。因为如果性能稳定，即使开关导通电阻较大，也可采取补偿措施来消除影响。但如果阻值和泄漏电流等漂移很大，将对测量精度产生很大影响。第4章 微机测控系统的入口输入通道 2）采样/保持器（S/H）（1）采样/保持器的工作原理。S/H主要由模拟开关、保持电容C和缓冲放大器组成，如图4-8所示。S/H有采样
32、和保持两种工作状态。当控制信号为低电平时（采样状态），开关S闭合，输入信号通过电阻向电容充电，要求充电时间越短越好，以使电容电压迅速达到输入电压值，即VOUT跟随输入信号的变化。当控制信号为高电平时（保持状态），开关S断开，VOUT的值等于电容C上的电压值，要求电容维持稳定电压的时间越长越好。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-8 采样/保持器的工作原理 第4章 微机测控系统的入口输入通道 S/H的主要参数有捕捉时间、孔径时间和输出电压衰减率。捕捉时间（获得时间）：是指给出采样指令后，输入信号到满量程并稳定在终值误差带（0.050.2）内变化和滞留的最小时间。孔径时间：是指保持指令给出后
33、到采样开关真正断开所需要的时间。输出电压衰减率：是指保持阶段由各种泄漏电压所引起的放电速度。第4章 微机测控系统的入口输入通道（2）采样/保持器的选用原则。A/D转换器把模拟量转换成数字量需要一定的转换时间，在这个转换时间内，被转换的模拟量应基本维持不变，否则转换精度没有保证，甚至根本失去了转换的意义，所以S/H的选用与A/D转换器的转换时间密切相关。若A/D转换器的转换时间为tC，为保证转换精度，在转换时间tC内，被转化信号的最大变化量不应超过1 LSB。根据A/D转换器最低有效位LSB的电平量化关系，可得转换信号允许的最高频率为 1Cmax21ntf（4-2)式中，tC为A/D转换器的转换
34、时间；n为A/D转换器的位数。第4章 微机测控系统的入口输入通道 例如一个12位A/D转换器，tC=25 s，用它来直接转换一个正弦信号并要求精度优于1 LSB，则信号频率不能超过1.5 Hz。由此可见，除了直流或变化极其缓慢的信号可以用A/D转换器直接进行转换外，凡是频率不低于由式（4-2）所确定的被转换信号，都必须设置S/H把采样幅值保持下来，以便A/D转换器在S/H保持期间把保持的采样值转换成相应的数码。第4章 微机测控系统的入口输入通道（3）常用的采样/保持器。随着大规模集成电路的发展，已经生产出各种各样的采样/保持器，如用于一般目的的有AD582、AD583、AD585、LF198/
35、298/398等；用于高速的有THS0025、THS-0060、THC-0300、THC-1500等；用于高分辨率的有SHA1144、ADC1130等。为了使用方便，有的采样/保持器内部还设有保持电容，如AD389。集成采样/保持器的优点是：采样速度快，精度高，一般在22.5 s即可达到0.010.003的精度；下降速度低，如AD585、AD348为0.5 mV/ms，AD389为0.1 V/ms。正因为集成采样/保持器具有上述优点，因而得到了广泛的应用。下面以LF198/298/398为例，介绍S/H的工作原理及应用。第4章 微机测控系统的入口输入通道 LF198/298/398是由双极型绝
36、缘栅场效应管构成的S/H电路，具有采样速度高、保持电压下降速度慢、精度高等优点。其采样时间小于6s；输入电阻为1010；保持电容为1F时，其下降速度为5 mV/min。其供电电源可以从5 V到18 V，并可与TTL、PMOS和CMOS兼容。其组成原理图如图4-9所示。第4章 微机测控系统的入口输入通道 图4-9 LF198/298/398的组成原理图 第4章 微机测控系统的入口输入通道 LF398的应用电路如图4-10所示。图4-10 LF398的应用电路 第4章 微机测控系统的入口输入通道 只要改变逻辑输入端IN+上输入的电平信号，即可控制采样/保持器的工作状态。当IN+1时，为采样状态，此
37、时输出跟随输入变化；当IN+0时，为保持状态，此时输出保持不变。保持电容CH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。CH的数值直接影响采样时间及保持精度，为了提高精度，就需要增加保持电容CH的容量，但CH增大时又会使其采样时间加长。因此，当精度要求不高（1%）而速度要求较高时，CH可小至100 pF。当精度要求高（0.01%）时，应取CH1000 pF。当CH400 pF时，采样时间tAC与CH有经验公式 40HACCt式中，CH为保持电容容量，单位为F；tAC为采样时间，单位为秒。第4章 微机测控系统的入口输入通道 3）A/D转换器及其接口技术（1）A/D转换器的类型。A/D
38、转换器有多种分类方法。按转换方法分，有计数比较式、双积分式、逐次逼近式及和-差（-）式等。计数比较式A/D转换器的结构简单、价格便宜，但转换速度慢，目前很少采用。逐次逼近式A/D转换器很好地兼顾了速度和精度，所以在16位以下的A/D转换器中得到了广泛应用。其优点是精度较高，转换速度较快（从几s到100s左右），而且转换时间都是固定的，因而特别适合于微机数据采集系统和控制系统的模拟量输入通道，是测控系统中使用最多的一种。第4章 微机测控系统的入口输入通道 但此类A/D转换器的抗干扰能力不强，当输入信号变化率较高时，会产生较大的线性误差。双积分式A/D转换器的优点是消除干扰和电源噪声的能力强，精度
39、高；缺点是转换速度慢（从几十毫秒到几毫秒不等）。因此，在信号变化缓慢、模拟量输入速率要求较低、转换精度要求较高、现场干扰较严重的情况下，一般采用这种转换方式的A/D转换器。和-差（-）转换技术主要用于16位以上的A/D转换器中。按输出形式分，有串行和并行两种。按输出数字量的位数分，有8位、10位、12位、16位、24位等。第4章 微机测控系统的入口输入通道（2）A/D转换器的技术指标。A/D转换器的主要技术指标及含义如下：转换时间：是指从启动A/D转换器开始到获得相应数字编码所需要的总时间，即完成一次A/D转换所需要的时间。分辨率：是指A/D转换器的输出量变化“1”时，对应的输入模拟电压的变化
40、量。分辨率通常用数字量的位数来表示，如8位、10位、12位、16位等。若分辨率为8位，则表示它可以对满量程的1/28=1/256的输入电压变化量作出反映。所以 满量程分辨率n21式中，n为A/D转换器的位数。第4章 微机测控系统的入口输入通道 精度:是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，通常用数字量的位数作为度量单位，如精度为最低位LSB的1/2位，即1/2LSB。应注意，精度和分辨率是两个不同的概念，前者是转换结果与实际值的差值，而后者是能对转换结果发生影响的最小输入量。因此，即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性不良等原因而并不具有很高的精度。第4章 微机测控系统的入口输入通道 精度:
41、是指转换后所得结果相对于实际值的准确度，通常用数字量的位数作为度量单位，如精度为最低位LSB的1/2位，即1/2LSB。应注意，精度和分辨率是两个不同的概念，前者是转换结果与实际值的差值，而后者是能对转换结果发生影响的最小输入量。因此，即使分辨率很高，也可能由于温度漂移、线性不良等原因而并不具有很高的精度。第4章 微机测控系统的入口输入通道 量程:是指所能转换的模拟电压的范围，如2.5 V、5 V、10 V等。电源灵敏度：是指当A/D转换器供电电源的电压变化时，其输出结果的变化程度。这种变化的实际作用相当于A/D转换器的输入量发生了变化，会产生误差。对基准电源的要求：基准电源的精度直接影响A/
42、D转换器转换结果的精度，因此，在选择A/D转换器时应考虑是否需要外加精密参考电源。第4章 微机测控系统的入口输入通道（3）A/D转换器的选择原则。A/D转换器的选择应主要从以下几个方面考虑：A/D转换器位数的确定。A/D转换器的位数不仅决定采集电路所能转换的模拟电压动态的范围，也在很大程度上影响采集电路的转换精度。因此，应根据对采集电路转换范围与转换精度两方面的要求，选择A/D转换器的位数。若需要转换成有效数码（除0以外）的模拟输入电压最大值为UI,max、最小值为UI,min，A/D前放大器增益为kg，n位A/D满量程为E，则应使 第4章 微机测控系统的入口输入通道 ngEkU2min,I（
43、小信号不被量化噪声淹没）EkUgmax,I（大信号不使A/D溢出）所以，须 nUU2min,Imax,I（4-4）通常称量程范围上限与下限之比的分贝数为动态范围，即 min,Imax,I1lg20UUL（4-5）第4章 微机测控系统的入口输入通道 若已知被测模拟电压动态范围为LI，则可按下式确定A/D位数n，即 61Ln （4-6）由于模拟输入通道的总误差是包括传感器精度、信号调理电路精度和A/D转换器的精度等的一个综合精度。在设计时，应将综合精度在各个环节上进行分配，以确定对A/D转换器的精度要求，使所选A/D转换器的位数（分辨率）能满足输入模拟电压的动态范围，即小信号不被量化噪声淹没、大信
44、号不使A/D溢出。第4章 微机测控系统的入口输入通道 元件精度的一般选择规则是：每个元件的精度指标应优于系统精度的10倍左右。例如，要构成一个精度为0.1的数据采集系统，所用的A/D、S/H和MUX组件的精度都应超过0.01。具体选择时，可根据系统精度指标，按下式估算所需A/D转换器的位数n。1210n（4-7）例如，要求系统误差不大于0.1满度值（即0.1），则需采用n为12位的A/D转换器。第4章 微机测控系统的入口输入通道 A/D转换速度的确定。A/D转换速度就是A/D转换器单位时间内所能完成的转换次数，应由转换时间tC和休止时间t0（或称复位时间、恢复时间、准备时间等）二者共同决定，即
45、 0C1tt 转换速度（4-8）转换速度的倒数称为转换周期，记为TA/D，即 TA/D=tC+t0（4-9）第4章 微机测控系统的入口输入通道 若A/D转换器在一个采样周期TS内依次完成M路模拟信号采样值的A/D转换，则 TS=MTA/D（4-10)对于集中采集式测试系统，M即为模拟输入通道数；对于单路测试系统或分散采集测试系统,则M1。若需要测量的模拟信号的最高频率为fmax，则低通滤波器的截止频率fh应取为 fmax=fh（4-11)第4章 微机测控系统的入口输入通道 由于采样周期TS与低通滤波器的截止频率fh之间存在fh=1/CTS的固定关系，则将式（4-11）代入得 maxS1CfT（
46、4-12)式中，C为选定的截频系数，且C2。将式（4-10）代入式（4-12）得 0maxA/D1ttMCfTC（4-13)第4章 微机测控系统的入口输入通道 由式（4-13)可知，对fmax大的高频（或高速）测试系统，应该采取以下措施：减少通道数M,最好采用分散采集方式，即M=1；减少截频系数C，应增大低通滤波器陡度；选用转换时间tC短的A/D转换器芯片；采取合理的CPU读取转换结果方式，以缩短休止时间t0。第4章 微机测控系统的入口输入通道 根据环境条件选择A/D转换器的环境参数,如工作温度、功耗、可靠性等级等性能参数。根据微机接口特征，选择A/D转换器的接口形式。如A/D转换器的输出形式
47、是并行还是串行,是要求外部时钟还是内部具有时钟电路,有无转换结束状态信号,与TTL、COMS电路的兼容性等。第4章 微机测控系统的入口输入通道（4）A/D转换器及其与微处理器（单片机）的接口技术。如前所述，A/D转换器的种类很多，下面仅以几种常用的A/D转换器和MCS-51系列单片机8051为例，介绍A/D转换器与微处理器的接口技术。8位A/D转换器ADC0809与8031的接口技术。ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换器，具有8个模拟量输入通道，可在程序控制下对任何一个通道的模拟量进行转换，并输出8位的二进制数字量。第4章 微机测控系统的入口输入通道 ADC0809的最大不可调误差小于1
48、 LSB，典型时钟频率为640 kHz，每通道的转换时间约为100 s。ADC0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280 kHz。ADC0809与8031的接口电路如图4-11所示。由于ADC0809的输出是三态门，可直接把数据线D0D7接到8031的P0口。74LS373输出的低三位地址A2、A1、A0分别接到通道选择端C、B、A作为通道选择编码。8031的WR与P2.7经或非门后接至ADC0809的START及ALE引脚。8031的RD与P2.7经或非门后接至ADC0809的OE端。ADC0809的EOC经反相后接到8031的P3.3（INT1）。第4章 微机测控系统的入口
49、输入通道 图4-11 ADC0809与MCS-51的接口电路 第4章 微机测控系统的入口输入通道 当8031通过对0000H0007H（基本地址）中的某个口地址进行一次写操作，即可启动相应通道的A/D转换；当转换结束后，ADC0809的EOC端向8031发出中断申请信号；8031通过对0000H0007H中的某个口地址进行一次读操作，即可得到转换结果。第4章 微机测控系统的入口输入通道 12位A/D转换器AD574与8051的接口技术。AD574是系列产品，包括AD574、AD574A、AD674A、AD674B、AD774B和AD1674六个型号，各型号的封装和引脚排列均相同，其中AD167
50、4是该系列中性价比最好的产品。AD574是一个完整的、多用途、12位逐次逼近式快速A/D转换器，在多通道的高速数据采集系统中被广泛使用。它具有如下特点：第4章 微机测控系统的入口输入通道 具有12位和8位两种工作方式。转换时间最长为35s，转换精度小于等于0.05。具有可控三态输出缓冲器，数字逻辑输入/输出电平为TTL电平。12位数据可以一次读出，也可分两次读，便于与8位或16位微机相连。具有10.000V内部电压基准源。内部具有时钟产生电路，不需外部时钟。单极性和双极性输入。输入量程分别为10V、20V、5V、10V。具有单极性二进制原码和双极性偏移二进制码两种输出码制。第4章 微机测控系统
