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1、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信号调理，多路开关，前置放大，采 样保持等各环节 的功能作用。38位A/D转换器ADC0809芯片及其接口电 路412位A/D转换器AD574A芯片及其接口电 路v 引言v 3.1 信号调理电路 v 3.2 多路模拟开关v 3.3 前置放大器v 3.4 采样保持器v 3.5 A/D转换器 v 3.6 A/D转换模板v 本章小结v 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
2、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。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 - 10 mA或4 -20 mA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变换组成：电阻，RC滤波，二极管限幅保护，如图3-
3、2（a）所示，其中R2为精密电阻。电阻取值：对于0- 10 mA输入信号，可取R1=100，R2=500，这样当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围；而对于4 -20 mA输入信号，可取R1=100，R2=250，这样当输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为1 - 5 V。图 3-2 电流/电压变换电路 2. 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=200，R3=100k， R4=150k，则输入电
4、流 I 的0 10 mA就 对应电压输出V的0 5 V；若取R1=200 ，R3=100k，R4=25k，则4 20 mA的 输入电流对应于1 5 V的电压输出。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)
5、、 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S0S7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S0S7中的一路。比如：当C、B、A=000时，通道S0选通；当C、B、A
6、=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3-3 CD4051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116路的模拟开关。例题分析：图3-4给出了两个CD4051扩展为116路模拟开关的电路。数据总线D3D0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S0S7通道；当D3=1时，经反相器变成低电平，
7、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S8S15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
8、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 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
9、)外接地TUOV(外接)(a) 经典的前置放大器图3-6 前置放大器 链接动画分析通常电路中R1=R2，R3=R5，R4=R6，则对 差模输入电压 ，测量放大器的增益为： w w 测量放大器的共模抑制比主要取决于输入级运 放A1、A2的对称性以及输出级运放 A3的共模抑 制比和输出级外接电阻R3、R5及R4、R6的匹配 精度（0.1%以内）。一般其共模抑制比可达 120dB以上。 w 此外，测量放大器电路还具有增益调节功能， 调节RG可以改变增益而不影响电路的对称性。而 且由于输入级采用了对称的同相放大器，输入电 阻可达数百兆欧以上。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
10、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。增益 DB w增益（dB) 电学中的分贝定义的是信号放 大倍数的对数。在对电压（电流）与功率 放大倍数的定义是不同的； w2.电压（电流）放大倍数分贝数定义： K=20lg(Vo/Vi)，其中K为放大倍数的分贝 数，Vo为放大信号输出，Vi为信号输入； w3.功率放大倍数分贝数定义： K=10lg(Po/Pi)，其中K为放大倍数的分贝 数，Po为放大信号输出，Pi为信号输入； w4.K0说明信号被放大，K=0信号直通， K0说明信号被衰减；w5.以电压
11、（电流）分贝数为例（对应 摄像机的图像信号增益）： （1）增益为0dB时，信号直通，未经 放大 （2）增益为3dB时，实际放大倍数约 为1.4 （3）增益为6dB时，实际放大倍数约 为2 （4）增益为9dB时，实际放大倍数约 为2.8 （5）增益为12dB时，实际放大倍数约 为4 （6）增益为18dB时，实际放大倍数约 为8噪声对信号影响的效果w从噪声对信号影响的效果看，不在于 噪声电平绝对值的大小，而在于信号 功率与噪声功率的相对值，即信噪比 ，记为SN（信号功率与噪声功率比 ）。 即便噪声电平绝对值很高，但 只要信噪比达到一定要求，噪声影响 就可以忽略。 否则即便噪声绝对电 平低，由于信号
12、电平更低，即信噪比 低于1，则信号仍然会淹没在噪声中 而无法辨别。 因此信噪比是描述信 号抗噪声质量的一个物理量。 环境噪声 w噪音计算公式： dB = 10 log z （z 為音能比值，z 与距离 r 平方成反比 ） w人耳听阈和疼阈的声压（Pa）大小之 间相差一百万倍，用声压绝对值表示 声音的强弱十分不方便，而且人对声 音响度感觉与对数成正比。采用声压级表示声压，听阈和疼 阈声压之比从100万倍的变化范围变 成0120分贝。 w环境平均噪声：dB = 10 log（ zi / 量测 次数 ) 将所量测的分贝值（dB 值除10后，以10 為底取指数便是音能比值 z。再将所有量 测之音能比值
13、相加除以量测次数即得平均 能量比值 环境 zi/量测次数，最后再将 所求出的平均能量比值取 log10 乘上 10 转换回分贝值 10 log z 简单说就是，根据测定分贝值计算音能比 值，然后取多次平均值后计算分贝值。 w一般来说，采用工程控制措施或个人防护 措施，将人们实际接受的噪声控制在 85dB(A)以下 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
14、)所示。 3A2A-NIN负载(外接)外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+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
15、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。v 3.4.1 数据采样定理 v 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
16、连串脉冲序列信号 y*(t)，如图3-7所示。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-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 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)
