3-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：OPA340/2340/43402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：AD620/621/624/625BB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：PGA202/203/204/205/206/207LINEAR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、AD284/286BB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：FSDEqijijVq0ijGVqijVijV2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：0ijijGVqEGVijijVEGVDE0FS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：AD7501/7502/7503MAXIM公司：MAX4634、MAX46633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：tVVmicosmmifVVdtdV2maxqNm2VqctqNm22VqtfVcm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。cNtf1max21μs25ctPtPtctct4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：LF198/298/398AD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。Q2Q3Q4Q5Q0000001010011100101模拟输入数字输出Q2Q3Q4Q5Q0000001010011100101模拟输入数字输出误差0Q误差+Q/2−Q/25A/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：NEqV2minEGVmaxNVV2minmaxminmaxlg20VVL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。6LN1210N5A/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C2），则高频测试系统应采取的措施cottTA/DA/DNTTssTmaxfmaxffhshCTf1max1CfTscottNCfTmaxA/D15A/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AD749280C51CSRDCONVSTBUSYDB0DB7DB8DB11P3.0P3.1P3.2P0.0P0.7P1.0P1.35A/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05A/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MOVL8BT,P0;转移低8位MOVH4BT,P1;转移高4位ANLH4BT,#0FHEND6数字量输入通道*史健芳、朱欣华数字量（开关量）信号只有开和关、通和断、高和低两种状态可以用二进制数0和1表示数字量信号存在的问题电平不符瞬时高压过电流抖动数字量输入通道的结构数字量输入通道的作用转换输入接口缓冲电路CPU控制6数字量输入通道1R4050IN1IN6OUT1OUT6GNDVCC电流输入六电平转换器1INOUTVCCSOUT开关输入保护隔离CPUIN1P1.0VCC6数字量输入通道1R5VOUTCPUGNDIN过压保护反极性保护