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1、第二章 智能仪器输入/输出通道 及接口技术,本章内容,本章内容,下 页,上 页,返 回,1. 模拟量输入通道,3. A/D和D/A,重点：,2. 传感器，放大器,返 回,上 页,下 页,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。,下 页,上 页,返 回,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,下 页,上 页,返 回,当被测信号只有一路时采用单 通道结构,图2.1 单通道结构,2.多通道结构,当被测信
2、号有多路时采用多通道结构,分类,并行结构和共享结构,A1,A2,An,2.2多通道并行结构,( 1 ) 多通道并行结构,下 页,上 页,返 回,A1,（a） 共享S/H和A/D的多通道结构,A2,An,( 2 ) 多通道共享结构,共享S/H和A/D,共享A/D,下 页,上 页,返 回,A1,A2,An,（b） 共享A/D的多通道结构,下 页,上 页,返 回,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
3、、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,下 页,上 页,返 回,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,压力敏、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,下 页,上 页,返 回,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
4、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。,下 页,上 页,返 回,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,精度是传感器的一个重要性能指标，关系到整个系统的测量
5、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。,下 页,上 页,返 回,( 3 )灵敏度,当灵敏度提高时，传感器输出信号的值随被测量的变化加大，有利于信号处理。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
6、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。,下 页,上 页,返 回,( 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。,下 页,上 页,返 回,放大器(Amplifier)是信号调理电路中的重要元件，合理选择使用放大器是系统设计的关键。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、仪用放大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器
7、。,2.3.1 程控放大器,在通用测量仪器中，为了适应不同的工作条件，在整个测量范围内获得合适的分辨率，提高测量精度，常采用可变增益放大器。智能仪器含有微处理器，用仪器内置的程序控制放大器的增益称为程控增益放大器（Programmable-Gain Amplifer），简称程控放大器( PGA ）。,下 页,上 页,返 回,2.3 放大器,虚短路： 由于运放的电压放大倍数很大，一般通用型运算放大器的开环电压放大倍数都在80 dB以上。而运放的输出电压是有限的，一般在 10 V14 V。因此运放的差模输入电压不足1 mV，两输入端近似等电位，相当于 “短路”。开环电压放大倍数越大，两输入端的电位
8、越接近相等。,下 页,上 页,返 回,放大器分析方法,虚断路： 由于运放的差模输入电阻很大，一般通用型运算放大器的输入电阻都在1M以上。因此流入运放输入端的电流往往不足1uA，远小于输入端外电路的电流。故 通常可把运放的两输入端视为开路，且输入电阻越大，两输入端越接近开路。,下 页,上 页,返 回,放大器分析方法,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,2.4 反相放大电路,下 页,上 页,返 回,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
9、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。,下 页,上 页,返 回,(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。,下 页,上 页,返 回,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R0R7之间的某个电阻接入电路。实现程控增益的功
10、能。,下 页,上 页,返 回,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PGA103、PGA100；差分输入的PGA204、PGA205等。本节介绍BURRBROWN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 18000 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,返 回,下 页,上 页,增益误差：G1000 0.050.15， G=1000 0.080.1；,非线性失真：G=1000 0.020
11、.06。,快速建立时间：2s。,快速压摆率：20V/s,共模抑制比：8094dB。,频率响应：G1000 1MHz；G=1000 250kHz。,电源供电范围：618V。,下 页,上 页,返 回,（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(2585)和塑料封装(070)两种。引脚排列和内部结构如图2.8所示：,图2.8 PGA202/203引脚排列和内部结构图,下 页,上 页,返 回,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,下 页
12、,上 页,返 回,（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1F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2.10 PGA202的基本用法,下 页,上 页,返 回,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,下 页,上 页,返 回,将PGA202和PGA203两片级联，如图2.12所示，A3、A2、A1、A0组合可有
13、16种状态，可在18000范围内选择16种增益 。,图2.12 PGA202/203级联电路,下 页,上 页,返 回,2.3.3 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(Instrumentation Amplifier)由3个运算放大器组成，如下图2.13所示,下 页,上 页,返 回,图2.13 仪用放大器原理,由上图得到运放的放大倍数,上 页,返 回,下 页,将前述的可编程增益放大器P
14、GA202/203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，如图2.14所示。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100、200、400、800，即在原PGA203增益的基础上增加了100倍。适当改变200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,下 页,返 回,上 页,2 .集成仪用放大器,集成仪用放大器有美国Analog Device 公司的522、 AD512、AD620、AD623 、AD8221，BB公司的INA114、118；MAXIM公司的MAX4195、4196、419
15、7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（50V）,漂移小（0.25V/）,输入偏置电流低（2nA）,共模抑制比高（G=1000时115dB）,下 页,返 回,上 页,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 （2.25V18V），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。,下 页,返 回,上 页,图2.16 INA114内部结构图,图2.17 INA
16、114的基本连接方法,下 页,上 页,返 回,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,“50k”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。,返 回,上 页,下 页,2.3.3 隔离放大器,隔离放大器(Isolation Amplifier)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
