智能测试仪器CH2

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智能测试仪器设计智能仪器输入/输出通道及接口技术第二章智能仪器输入/输出通道及接口技术本章内容模拟量输入通道概述2.1传感器2.2放大器2.3模拟多路开关2.4采样/保持器2.5A/D转换器与微处理接口2.7本章内容A/D转换器2.6开关量输入通道2.8模拟量输出通道2.9开关量输出通道2.101.模拟量输入通道3.A/D和D/A重点:2.传感器,放大器2.1模拟量输入通道概述模拟量输入通道将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、隔离等处理,将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。从被转换模拟信号的数量及要求看模拟量输入道有单通道结构和多通道结构1.单通道结构当被测信号只有一路时采用单通道结构传感器信号调理电路S/HA/DCPU图2.1单通道结构2.多通道结构当被测信号有多路时采用多通道结构分类并行结构和共享结构A1S/HS/HCPUS/HA/DA/DI/OI/OI/OA/DA2An…………2.2多通道并行结构(1)多通道并行结构A1(a)共享S/H和A/D的多通道结构A/DS/H模拟多路开关I/O接口A2An…(2)多通道共享结构CPU共享S/H和A/D共享A/DA1A/DS/H模拟多路开关I/O接口A2…CPUS/HAnS/H(b)共享A/D的多通道结构传感器(Sensor/Transducer)是指能把物理化学量转变成便于利用和输出的电信号,用于获取被测信息,完成信号的检测和转换的器件。其性能直接影响整个仪器的性能。按转换原理分类物理传感器和化学传感器物理传感器应用压电、热电、光电、磁电等物理效应将被测信号的微小变化转换成电信号特点可靠性好、应用广泛2.2传感器2.2.1传感器的分类化学传感器应用化学吸附、电化学反应等现象将被测信号转换成电信号特点可靠性、规模生产的可能性、价格等因素的影响按用途分类力敏传感器、位置传感器、液面传感器、速度传感器、热敏传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、气敏传感器、生物传感器等按输出信号分类模拟传感器、数字传感器和开关传感器2.2.2传感器的选用原则在实际选用传感器时可根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境等因素合理选用,主要应考虑以下两个方面:1.传感器的类型由于同一物理量可能有多种原理的传感器可供选用,可根据被测量的特点、传感器的使用条件如传感器的量程、体积、测量方式(接触式还是非接触式)、信号的输出方式、传感器的来源(国产还是进口)、价格等首先考虑选用何种原理的传感器。2.传感器的性能指标(1)线性范围传感器的线性范围是指输出与输入成正比的范围。传感器的线性范围越宽,量程越大,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。在量程范围内,灵敏度在理论上应保持定值,并且保证一定的测量精度。(2)精度传感器精度越高,价格越昂贵。选用传感器时,如果测量目的是定性分析,选用重复精度高的传感器即可,不必选用绝对精度高的传感器;如果是定量分析,需要获得精确的测量值,可选用精度等级能满足要求的传感器。(3)灵敏度通常,在传感器的线性范围内,希望传感器的灵敏度越高越好。但传感器灵敏度提高,混入被测量中的干扰信号也会被放大,影响测量精度。因此,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)稳定性传感器的性能不随使用时间而变化的能力称为稳定性。传感器的结构和使用环境是影响传感器稳定性的主要因素。应根据具体使用环境选择具有较强环境适应能力的传感器,或采取适当措施减小环境的影响。(5)频率响应特性在允许频率范围内保持不失真的测量条件下,传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围,传感器的频率响应特性好,可测的信号频率范围宽。实用中传感器的响应总有—定延迟,延迟时间越短越好。智能仪器常工作于恶劣环境中,要求放大电路兼有高输入阻抗、高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、测量放大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器。2.3.1程控放大器可变增益放大器。智能仪器含有微处理器,用内置的程序控制放大器的增益称为程控增益放大器(Programmable-GainAmplifer),简称程控放大器(PGA)。2.3放大器Amplifier分类程控反相放大器、程控同相放大器等(1)程控反相放大器由理想运放条件,有10RRvvkfi2.4反相放大电路2.5反相程控放大电路如图2.5所示,虚线框为模拟开关,模拟开关的闭合位置受控制信号C1、C2的控制,反馈电阻又随开关位置而变,从而实现放大器的增益由程序控制。当放大倍数小于1时,程控反相放大器构成程控衰减器。(2)程控同相放大器2.6同相放大电路图2.6为一般同相放大器的基本原理,类似的可导出同相放大器的增益。改变Rf或R1,同样可改变放大器的增益,但同相放大器只能构成增益放大器,不能构成衰减放大器。11RRkf2.7程控同相放大电路下图2.7为利用8选1集成模拟开关CD4051构成程控同相放大器的原理电路,图中,C、B、A为通道选择输入端,其状态由程序(D2、D1、D0的状态)控制,C、B、A不同的编码组合决定开关与哪一通道接通,从而选择R0~R7之间的某个电阻接入电路。实现程控增益的功能。3.集成程控放大器集成程控放大器种类繁多,如单端输入的PGA103PGA100;差分输入的PGA204、PGA205等。本节介绍BURR-BROWN公司的PGA202/203程控放大器,它应用灵活方便,又无需外围芯片,而且PGA202与PGA203级联使用可组成从1~8000倍的16种程控增益。(1)性能特点●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:G10000.05%~0.15%,G=10000.08%~0.1%;●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:G10001MHz;G=1000250kHz。●电源供电范围:±6~±18V。(2)内部结构GA202/203采用双列直插封装,根据使用温度范围的不同,分为陶瓷封装(-25~+85℃)和塑料封装(0~+70℃)两种。引脚排列和内部结构如图2.8所示:图2.8PGA202/203引脚排列和内部结构图其中,A0、A1为增益数字选择输入端,与TTL、CMOS电平兼容,可以和任何单片机的I/O口直接相连,其增益选择及增益误差见表2.1。表2.1增益选择及误差除表中提供的几种增益外,PGA202/203外接如图2.9所示的缓冲器及衰减电阻,改变电阻R1与R2的比值,可获得更多不同的增益,增益与电阻的关系为12RR1增益图2.9改变外接电阻获得可变增益图(3)PGA202基本用法PGA202不需任何外部调整元件就能可靠工作。但为了保证效果更好,在正、负电源端分别连接一个1μF的旁路钽电容到模拟地,且尽可能靠近放大器的电源引脚,如图2.10所示,由于11脚、4脚上的连线电阻都会引起增益误差,因此11、4脚连线应尽可能短。图2.10PGA202的基本用法PGA202/203与比较器、二进制加减计数器连接可构成自动增益控制电路,如图2.11所示。图2.11利用PGA202自动增益控制电路将PGA202和PGA203两片级联,如图2.12所示,A3、A2、A1、A0组合可有16种状态,可在1~8000范围内选择16种增益。图2.12PGA202/203级联电路2.3.2仪用放大器在智能仪器中,常常需要精确放大带有一定共模干扰的微弱的差模信号,要求放大电路输入阻抗和共模抑制比高、误差小、稳定性好。这种用来放大传感器输出的微弱电压或电流信号的放大电路称为仪用放大电路(测量放大电路)。1.仪用放大器原理仪用放大器(InstrumentationAmplifier)由3个运算放大器组成,如下图2.13所示图2.13仪用放大器原理由上图得到运放的放大倍数35G12i1i0RR)RR21(VVVG将PGA202/203的输入端接上运放(如OPA27)及电阻网络,可组成低噪声的差分仪用放大器。图中使用PGA203由于电阻网络的存在,所得到的放大倍数分别是101、202、404、808,即在原PGA203增益的基础上增加了100倍。适当改变200Ω的电阻,还可得到其他放大倍数。图2.14由OPA27及PGA203构成的可变增益仪用放大器2.集成仪用放大器集成仪用放大器有美国AnalogDevice公司的522、AD512、AD620、AD623、AD8221,BB公司的INA114、118;MAXIM公司的MAX4195、4196、4197等。其中,INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小、精度高、价格低。主要性能如下:●失调电压低(≤50μV)●漂移小(≤0.25μV/℃)●输入偏置电流低(≤2nA)●共模抑制比高(G=1000时≥115dB)●工作温度-40℃~+125℃●静态电流小(≤3mA)●内部输入保护能够长期耐受±40V电压●工作电压范围宽(±2.25V~±18V),可使用电池(组)或5V单电源供电系统,只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间的任意增益值INA114的内部结构如图2.16所示,基本连接方法如下图2.17所示。图2.16INA114内部结构图图2.17INA114的基本连接方法在靠近电源引脚处连接的去耦合电容主要用于噪声或高阻电源场合,其输出其中G为增益GRKG501“50kΩ”是两个内部反馈电阻之和,这两个电阻为金属膜电阻,已用激光调整到精确的值。增益的精确度和漂移额定值中包含了这两个电阻的精确度和温度系数;为外部电阻,其稳定性和温漂也对增益有影响。从(式2-7)可见,增益越高,需要的阻值越低,所以接线电阻也很重要,线路上增加的插座会使增益误差额外地增加,并且很可能是不稳定的误差。)(0VVGV2.3.3隔离放大器隔离放大器(IsolationAmplifier)输出端和输入端各自具有不同的电位参考点、即输入端和输出端没有直接的电耦合,而是通过光、变压器或电容等耦合元件耦合。多路通道使用隔离放大器时相互之间不会影响。当仪器工作环境噪声较大而信号较小时,采用隔离放大器可保护电子仪器设备和人身安全,提高共模抑制比,获得较精确的测量结果。隔离放大器的符号如图2.18所示图2.18隔离放大器的符号按耦合器件的不同,可分为光电耦合、变压器耦合和电容耦合三种。1、光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器以光为耦合媒介,输入与输出在电气上完全隔离,通过光信号的传递实现电信号的传递。图2.19为光电隔离放大器基本原理,输入级激励发光管,由光电管将光信号耦合到输出级,实现信号的传输,保证了输入和输出间的电气隔离。其输入、输出级之间不能有电的连接,即前、后级不能共用电源和地线。图2.19光电隔离放大器基本原理采用光电耦合原理的隔离放大器有BB公司的ISO100、ISO130、3650、3652、惠普公司(HP)的HCPL7800/7800A/7800B等。为简化电路、节省空间、降低成本、提高性能,有一些隔离放大器提供了内置DC/DC变换器,给使用者提供更大的灵活性,如BB公司的IS0212、ISO213、AnalogDevices公司(以下简称AD公司)的AD202,AD204、AD210、AD215等。本节介绍BB公司生产的光电隔离放大器3650,其电路原理如下图2.20所示图2.20光电隔离放大器3650的电路原理图理想运算放大器A1和光电二极管、发光二极管构成负反馈回路,用于减小非线性和时间温度的不稳定性。由理想运放特性知;、分别为输入端和输出端的两个性能匹配的光电二极管,它们从发光二极管CR2接收到的光量相等,即,有,则2112iigii2Rvii输出回路中,放大器A2与内置电阻()构成I/V转换电路,有iGkkGkkoutvRRRRvRiRiv123可见,输出与输

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