第18讲-传感器与AD转换器的连接通道

湖北三峡职业技术学院机电系第17讲光纤传感器《检测技术与应用》1第十七讲传感器与A/D转换器的连接通道教学课题：传感器与A/D转换器的连接通道教学目的：1、复习放大与滤波环节；2、多路模拟开关环节的工作原理；3、采样保持环节。4、A/D模数转换教学重点：自动化检测系统教学难点：自动化检测系统教学时间：2课时教学过程及内容：数字化自动检测系统框图被测的物理量首先经过传感器变换成电信号、经信号调理电路（调制与解调或通过电桥参数转换、放大、滤波）后，由多路开关选择某一路的模拟信号送到采样保持器，再经过模/数转换器将模拟量转换城数字量送到计算机进行必要的运算和处理。下图为数字自动化检测系统框图。一、放大与滤波环节目前使用较多的放大器是集成运算放大器。因为它的漂移和噪声很低，增益和共模抑制比很高，出入阻抗高，而且输出阻抗低。常用的放大电路见下图，该电路输入阻抗高、输出阻抗低，失调及零漂很小，放大倍数精确可调，具有差动输入、单端输出，共模抑制比很高。传感器传感器调制、解调电路转换、放大、滤波解调电路多路开关采样保持模数转换采样保持微机湖北三峡职业技术学院机电系第17讲光纤传感器《检测技术与应用》2测量信号中含干扰噪声较大，若不抑制，高增益放大器接收到这样的信号，会导致仪器不能正常工作，故常将滤波器置于放大器之前，RC滤波电路中的电阻，不仅消耗希望抑制的信号能量，也消耗希望通过的信号能量。为了克服这一缺点，可采用RC网络和集成运算放大器组成的有源滤波器，该电路除滤波外，还可将信号放大。二、多路模拟开关环节为减少检测通道的设备，而使多个信号的采样共同使用一个模/数转换器，将经过多路传感器变换后的信号采用分时法切换到模/数转换器上，这一过程称为多路切换。多路模拟开关的结构主要有4选1、8选1、双4选1、双8选1和16选1等几种，多路模拟开关由地址译码器和多路双向模拟开关组成。它通过外部地址输入，经电路内部的地址译码器译码后，接与地址码相对应的其中一个开关。以实现任一路信号的传送。单八路模拟开关CD4051CD4051引脚功能见图2。此模拟开关可作为八通道数据采集系统中的CD4051相当于一个单刀八掷开关,开关接通哪一通道,由输入的3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端,当“INH”=1时,各通道均不接通。图CD4051引脚功能双四路模拟开关CD4052CD4052的引脚功能见图3。CD4052相当于一个双刀四掷开关,具体接通哪一通道,由输入地址码AB来决定。其真值表见表2。图CD4052的引脚功能表2CD4052真值表三、采样保持环节采样就是以相等的时间间隔对某个连续时间信号a（t）取样，得到对应的离散时间信号的过程，如图所示。其中，t1、t2为各采样时刻,d1、d2为各时刻的采样值,两次采样之间的时间间隔称为采样周期TS。图中虚线表示再现原来的连续时间信号。可以看出，采样周期越短，误差越小；采样周期越长，失真越大。为了尽可能保持被采样信号的真实性，采样周期不宜过长。湖北三峡职业技术学院机电系第17讲光纤传感器《检测技术与应用》3连续时间信号的取样作用：在采样期间，其输出能跟随输入的变换而变化，而在保持状态能使其输出值保持不变。S合：采样；S开:保持。采样开关被接通的时间称为采样时间，采样开关断开的时间为保持时间。下图所示为一个实际的采样保持电路LF198的电路结构图，图中A1、A2是两个运算放大器，S是模拟开关，L是控制S状态的逻辑单元电路。采样时令uL=1，S随之闭合。A1、A2接成单位增益的电压跟随器，故ioouuu。同时u’o通过R2对外电容Ch充电使uch=ui。，因电压跟随器的输出电阻十分小，故对Ch充电很快结束。采样结束时，uL=0V，S断开，由于uch无放电通路，其上电压值基本不变，故使uo值得以保持，即将采样结果保持下来。图中还有一个由二极管D1、D2组成的保护电路。在没有D1和D2的情况下，如果在S再次接通以前ui变化了，则ou的变化可能很大，以致于使A1的输出进入饱和状态，ou与ui不再保持线性关系。接入D1和D2以后，当ou比ou所保持的电压高出一个二极管的正向压降时，D2将导通，ou被钳位于iu+UD2。这里的UD2表示二极管D2的正向导通压降。当ou比ou低一个二极管的压降时，D1导通，将ou钳位于iu-UD1。UD1为D1的正向压降。在S接通的情况下，因为ouou，所以D1和D2都不导通，保护电路不起作用。A1A2LR1R2SCh30030k1D2DiuLuo'uou图采样保持电路四、模/数转换环节采样保持器的输出信号被送到模/数转换器的输入端，由模/数转换器将模拟信号转换成数字信号，再送入微机等设备进行处理和显示。AD574A是美国模拟数字公司（Analog）推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器，内置双极性电路构成的混合集成转换显片，具有外接元件少，功耗低，精度高等特点，并且具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器，其主要功能特性如下：分辨率：12位非线性误差：小于±1/2LBS或±1LBS转换速率：25us模拟电压输入范围：0—10V和0—20V，0—±5V和0—±10V两档四种电源电压：±15V和5V数据输出格式：12位/8位芯片工作模式：全AD574A的引脚说明：[1].Pin1(+V)——+5V电源输入端。S湖北三峡职业技术学院机电系第17讲光纤传感器《检测技术与应用》4[2].Pin2()——数据模式选择端，通过此引脚可选择数据纵线是12位或8位输出。[3].Pin3()——片选端。[4].Pin4(A0)——字节地址短周期控制端。与端用来控制启动转换的方式和数据输出格式。须注意的是，端TTL电平不能直接+5V或0V连接。[5].Pin5()——读转换数据控制端。[6].Pin6(CE)——使能端。[7].Pin7(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。[8].Pin8(REFOUT)——10V基准电源电压输出端。[9].Pin9(AGND)——模拟地端。[10].Pin10(REFIN)——基准电源电压输入端。[11].Pin(V-)——负电源输入端，输入-15V电源。[12].Pin1(V+)——正电源输入端，输入+15V电源。[13].Pin13(10VIN)——10V量程模拟电压输入端。[14].Pin14(20VIN)——20V量程模拟电压输入端。[15].Pin15(DGND)——数字地端。[16].Pin16—Pin27(DB0—DB11)——12条数据总线。通过这12条数据总线向外输出A/D转换数据。[17].Pin28(STS)——工作状态指示信号端，当STS=1时，表示转换器正处于转换状态，当STS=0时，声明A/D转换结束，通过此信号可以判别A/D转换器的工作状态，作为单片机的中断或查询信号之用。五、数据采集的概念光典型的数据采集系统由传感器（T）、放大器（IA）、模拟多路开关（MUX）、采样保持器（SHA）、A/D转换器、计算机（MPS）或数字逻辑电路组成。根据它们在电路中的位置可分为同时采集、高速采集、分时采集和差动结构四种配置，图数据采集系统的配置（a）同时采集；（b）高速采集；（c）分时采集；（d）差动结构（1）同时采集系统：图12-27（a）为同时采集系统配置方案，可对各通道传感器输出量进行同时采集和保持，然后分时转换和存储，可保证获得各采样点同一时刻的模拟量。（2）高速采集系统：图12-27（b）为高速采集配置方案，在时实控制中对多个模拟信号的同时实时测量是很有必要的。（3）分时采集系统：图12-27（c）为分时采集方案，这种系统价格便宜，具有通用性，传感器与仪表放大器匹配灵活，有的已实现集成化，在高精度、高分辨率的系统中，可降低IA和ADC的成本，但对MUX的精度要求很高，因为输入的模拟量往往是微伏级的。这种系统每采样一次便进行一次A/D转换并送入内存后方才对下一采样点采样。这样，每个采样点值间存在一个时差(几十到几百微秒)，使各通道采样值在时轴上产生扭斜现象。输入通道数越多，扭斜现象越严重，不适合采集高速变化的模拟量。（4）差动结构分时采集系统：在各输入信号以一个公共点为参考点时，公共点可能与IA和ADC的参考点处于不同电位而引入干扰电压UN，从而造成测量误差。采用如图12-27（d）方式可抑制共模干扰，其中MUX可采用双输出器件，也可用两个MUX并联。显然，图12-27中（a）、（b）两种方案的成本较高，但在8～10位以下的较低精度系统中，经济上也十分实惠。