模拟量输入电路设计

第3章模拟量输入通道本章要点1．模拟量输入通道的结构组成。2．多路开关，前置放大、采样保持等各环节的功能作用。3．8位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电路4．12位A/D转换器AD574A芯片及其接口电路引言3.1信号调理电路3.2多路模拟开关3.3前置放大器3.4采样保持器3.5A/D转换器3.6A/D转换模板本章小结思考题本章主要内容引言模拟量输入通道的任务是把被控对象的过程参数如温度、压力、流量、液位、重量等模拟量信号转换成计算机可以接收的数字量信号。结构组成如图3-1所示，来自于工业现场传感器或变送器的多个模拟量信号首先需要进行信号调理，然后经多路模拟开关，分时切换到后级进行前置放大、采样保持和模/数转换，通过接口电路以数字量信号进入主机系统，从而完成对过程参数的巡回检测任务。传感变送器信号调理多路模拟开关前置放大器采样保持器转换器接口逻辑电路过程参数PC总线图3-1模拟量输入通道的结构组成A/D显然，该通道的核心是模/数转换器即A/D转换器，通常把模拟量输入通道称为A/D通道或AI通道。3.1信号调理电路在控制系统中，对被控量的检测往往采用各种类型的测量变送器，当它们的输出信号为0-10mA或4-20mA的电流信号时，一般是采用电阻分压法把现场传送来的电流信号转换为电压信号，以下是两种变换电路。1.无源I/V变换2.有源I/V变换1.无源I/V变换无源I/V变换电路是利用无源器件—电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图3-2（a）所示，其中R2为精密电阻。对于0-10mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=500Ω，这样当输入电流在0-10mA量程变化时，输出的电压就为0-5V范围；而对于4-20mA输入信号，可取R1=100Ω，R2=250Ω，这样当输入电流为4-20mA时，输出的电压为1-5V。图3-2电流/电压变换电路-+A2R1RVI(a)无源I/V变换电路(b)有源I/V变换电路图2-2电流/电压变换电路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V2.有源I/V变换有源I/V变换是利用有源器件——运算放大器和电阻电容组成，如图3-2（b）所示。利用同相放大电路，把电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为(3-1)若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=150kΩ，则输入电流I的0~10mA就对应电压输出V的0~5V；若取R1=200Ω，R3=100kΩ，R4=25kΩ，则4~20mA的输入电流对应于1~5V的电压输出。3411RRIRVG3.2多路模拟开关主要知识点引言3.2.1结构原理3.2.2扩展电路引言由于计算机的工作速度远远快于被测参数的变化，因此一台计算机系统可供几十个检测回路使用，但计算机在某一时刻只能接收一个回路的信号。所以，必须通过多路模拟开关实现多选1的操作，将多路输入信号依次地切换到后级。目前，计算机控制系统使用的多路开关种类很多，并具有不同的功能和用途。如集成电路芯片CD4051(双向、单端、8路)、CD4052(单向、双端、4路)、AD7506(单向、单端、16路)等。所谓双向，就是该芯片既可以实现多到一的切换，也可以完成一到多的切换；而单向则只能完成多到一的切换。双端是指芯片内的一对开关同时动作，从而完成差动输入信号的切换，以满足抑制共模干扰的需要。3.2.1结构原理现以常用的CD4051为例，8路模拟开关的结构原理如图3-3所示。CD4051由电平转换、译码驱动及开关电路三部分组成。当禁止端为“1”时，前后级通道断开，即S0~S7端与Sm端不可能接通；当为“0”时，则通道可以被接通，通过改变控制输入端C、B、A的数值，就可选通8个通道S0~S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A=001时，通道S通；……当C、B、A=111时，通道S7选通。其真值表如表3-1所示。图2-3CD4051结构原理图0S2S3S4S5S6S7S1S动驱码译换转平电ABCINHmS图3-3CD4051结构原理图链接动画3.2.2扩展电路当采样通道多至16路时，可直接选用16路模拟开关的芯片，也可以将2个8路4051并联起来，组成1个单端的16路开关。例题3-1试用两个CD4051扩展成一个1×16路的模拟开关。例题分析：图3-4给出了两个CD4051扩展为1×16路模拟开关的电路。数据总线D3~D0作为通道选择信号，D3用来控制两个多路开关的禁止端。当D3=0时，选中上面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S0~S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，选中下面的多路开关，此时当D2、D1、D0从000变为111，则依次选通S8~S15通道。如此，组成一个16路的模拟开关。图3-4多路模拟开关的扩展电路D3D2D1D0动驱码译动驱码译换转平电换转平电0S2S3S4S5S6S7S1S8S10S11S12S13S14S15S9SABCmSABCmS图2-4多路模拟开关的扩展电路INHINH链接动画3.3前置放大器主要知识点引言3.3.1测量放大器3.3.2可变增益放大器引言前置放大器的任务是将模拟输入小信号放大到A/D转换的量程范围之内，如0-5VDC;对单纯的微弱信号，可用一个运算放大器进行单端同相放大或单端反相放大。如图3-5所示，信号源的一端若接放大器的正端为同相放大，同相放大电路的放大倍数G=1+R2/R1；若信号源的一端接放大器的负端为反相放大，反相放大电路的放大倍数G=－R2/R1。当然，这两种电路都是单端放大，所以信号源的另一端是与放大器的另一个输入端共地。图3-5放大电路VIVO1R2R图2-5放大电路VIVO1R2R(a)同相放大～Us～Us(b)反相放大链接动画3.3.1测量放大器在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰，而单个运放电路的差动输入端难以起到很好的抑制作用。因此，A/D通道中的前置放大器常采用由一组运放构成的测量放大器，也称仪表放大器，如图3-6(a)所示。经典的测量放大器是由三个运放组成的对称结构，测量放大器的差动输入端VIN和VIN分别是两个运放A1、A2的同相输入端，输入阻抗很高，而且完全对称地直接与被测信号相连，因而有着极强的抑制共模干扰能力。-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载(外接)外接地TUOV(外接)(a)经典的前置放大器图3-6前置放大器链接动画图中RG是外接电阻，专用来调整放大器增益的。因此，放大器的增益G与这个外接电阻RG有着密切的关系。增益公式为(3-2)目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如AD521/522、INA102等。)21(12ININOUTGSRRRRVVVG3.3.2可变增益放大器在A/D转换通道中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同，但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变增益放大器或可编程放大器，如图3-6(b)所示。3A2A-NIN负载(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314Ω630Ω-+1AIV+(b)可变增益放大器图3-6前置放大器链接动画把图3-6（a）中的外接电阻RG换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、8、16、32、64、128、256倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成电路芯片有AD612/614等。3.4采样保持器当某一通道进行A/D转换时，由于A/D转换需要一定的时间，如果输入信号变化较快，就会引起较大的转换误差。为了保证A/D转换的精度，需要应用采样保持器。3.4.1数据采样定理3.4.2采样保持器3.4.1数据采样定理离散系统或采样数据系统--把连续变化的量变成离散量后再进行处理的计算机控制系统。离散系统的采样形式--有周期采样、多阶采样和随机采样。应用最多的是周期采样。周期采样--就是以相同的时间间隔进行采样，即把一个连续变化的模拟信号y(t)，按一定的时间间隔T转变为在瞬时0，T，2T，…的一连串脉冲序列信号y*(t)，如图3-7所示。0t0T2T3Tt采样器y(t)*y(t)*y(t)y(t)T图2-7信号的采样过程采样器的常用术语：采样器或采样开关--执行采样动作的装置，采样时间或采样宽度τ--采样开关每次闭合的时间采样周期T--采样开关每次通断的时间间隔在实际系统中，《T，也就是说，可以近似地认为采样信号y*(t)是y(t)在采样开关闭合时的瞬时值。图3-7信号的采样过程链接动画由经验可知，采样频率越高，采样信号y*(t)越接近原信号y(t)，但若采样频率过高，在实时控制系统中将会把许多宝贵的时间用在采样上，从而失去了实时控制的机会。为了使采样信号y*(t)既不失真，又不会因频率太高而浪费时间，我们可依据香农采样定理。香农定理指出：为了使采样信号y*(t)能完全复现原信号y(t)，采样频率f至少要为原信号最高有效频率fmax的2倍，即f2fmax。采样定理给出了y*(t)唯一地复现y(t)所必需的最低采样频率。实际应用中，常取f（5~10）fmax。3.4.2采样保持器1、零阶采样保持器--零阶采样保持器是在两次采样的间隔时间内，一直保持采样值不变直到下一个采样时刻。它的组成原理电路与工作波性如图3-8(a)、(b)所示。采样保持器由输入输出缓冲放大器A1、A2和采样开关S、保持电容CH等组成。采样期间，开关S闭合，输入电压VIN通过A1对CH快速充电，输出电压VOUT跟随VIN变化；保持期间，开关S断开，由于A2的输入阻抗很高，理想情况下电容CH将保持电压VC不变，因而输出电压VOUT=VC也保持恒定。INV1A2A－＋HCOUTVSOUTVINVtt图2-8采样保持器路电理原)a(性波作工)b(采样保持图3-8采样保持器链接动画显然，保持电容CH的作用十分重要。实际上保持期间的电容保持电压VC在缓慢下降，这是由于保持电容的漏电流所致。保持电压VC的变化率为(3-3)式中：ID--为保持期间电容的总泄漏电流，它包括放大器的输入电流、开关截止时的漏电流与电容内部的漏电流等。电容CH值--增大电容CH值可以减小电压变化率，但同时又会增加充电即采样时间，因此保持电容的容量大小与采样精度成正比而与采样频率成反比。一般情况下，保持电容CH是外接的，所以要选用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等高质量的电容器，容量为510~1000pF。HDdcdCItV2、零阶集成采样保持器--常用的零阶集成采样保持器有AD582、LF198/298/398等，其内部结构和引脚如图3-9(a)、(b)所示。这里，用TTL逻辑电平控制采样和保持状态，如AD582的采样电平为“0”，保持电平为“1”，而LF198的则相反。图3－9集成采样保持器在A/D通道中，采样保持器的采样和保持电平应与后级的A/D转换相配合，该电平信号既可以由其它控制电路产生，也可以由A/D转换器直接提供。总之，保持器在采样期间，不启动A/D转换器，而一旦进入保持期间，则立即启动A/D转换器，从而保证A/D转换时的模拟输入电压恒定，以确保A/D转换精度（可参见图3-198路12位A/D转换模板电路）。3.5A/D转换器3.5.1工作原理与性能指标3.5.2ADC0809及其接口电路3.5.3AD574A芯片及其接口电路主要知识点3.5.1工作原理与性能指标1．逐位逼近式A/D转换原理2．双积分式A/D转换原理3．电压/频率式A/D转换原理4．A/D转换器的性能指标1．逐位逼近式A/D转换原理一个n位A